數控加工中心的刀具監控技術

摘 要:數控加工已成為現代制造業的核心性技術，其中的安全性問題顯得日益重要，因此，刀具監控技術在其發展過程中發揮著不可替代的作用。尤其是隨著數控加工中心自動化程度的不斷提高，對刀具監控技術也提出了更高的要求。本文主要針對數控加工中心的刀具監控技術展開研究和探討。

關鍵詞:數控加工中心刀具監控

中圖分類號:TH12文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(b)-0109-01

在傳統切削加工過程中，刀具狀態的識別是通過加工人員辨別切削聲音、切屑顏色、切削時間等來判斷，或根據在加工工序之間拆卸刀具后實測其破損程度和磨損量來判斷。然而上述傳統人工判別刀具狀態的方法明顯不能滿足現代化機械制造技術要求，已經成為制約先進制造技術發展的嚴重瓶頸。解決這些問題的關鍵在于實現對刀具磨損狀態的實時監控，這也是近年來刀具狀態監控技術再次獲得廣泛關注及研究的原因。刀具監控技術作為先進制造技術的重要組成部分，是在現代制造技術基礎上發展起來的新興技術，它推動切削加工過程向自動化和無人化方向發展起了極其重要的作用。

1 數控加工中心的刀具監控原理

刀具監控是指在產品切削加工過程中，通過檢測各類傳感器信號變化，測算刀具的磨損量，控制系統根據刀具監控結果自動控制刀具進給，補償刀具磨損產生的零件尺寸和形狀精度的變化。當刀具磨損到一定程度，發生崩刃、破損、卷刃，喪失其切削能力或無法保障加工質量的情形，及時報警停機，達到保證加工安全的目的。

圖1為刀具監控系統的原理圖，數據采集處理模塊的傳感器將刀具加工過程中諸如電流、聲響、形狀、表面粗糙度等信息進行采集和數據變換，并將這些表示加工實時狀態的傳感數據輸送給數據決策判定模塊，數據決策判定模塊對比刀具切削數據庫中的各種工況數據進行實時診斷，輸出控制信號給數控加工中心NC系統，對加工過程進行實時控制調整，完成刀具的監控管理。

2 刀具監控方法

目前，國內外學者對刀具監控的方法進行了大量的研究。根據刀具磨損量監測原理的不同，刀具磨損監測主要分為直接監測方法和間接監測方法。

2.1 直接監測方法

直接測量刀具磨損量或刀具破損狀態的方法稱為刀具的直接監測方法。常用的主要有接觸監測法和光學監測法。直接監測刀具磨損的傳感器有接觸探測傳感器、光學顯微鏡、高速攝像機等。

2.1.1 接觸監測法

接觸監測傳感器發明于1974年，它能夠監測刀具的磨損和破損程度。監測時，旋轉刀具，讓刀具后刀面接觸傳感器，根據刀具加工前后的直徑變化獲得刀具的磨損量，并根據刀具的接觸力大小判斷刀具的破損程度。德國MALTO公司利用該方法研制的刀具破損監測裝置，能夠成功監測刀具的破損情況。該方法監測精度較高，但只能在停車時進行檢測，不能用于實時監控。

2.1.2 光學監測法

通過光學傳感器獲得刀具磨損區域的圖形，并利用圖像處理技術得到刀具的磨損狀態。和其他檢測方法相比，采用光學法監測刀具磨損的優點是:不受切削條件和工件材料影響，能夠同時獲得刀具多個磨損模式的圖形，便于整體了解刀具的磨損形態;缺點是易受加工方式的影響，許多加工方法無法采用光學法監測其刀具狀態。

2.2 間接監測方法

通過監測與刀具磨損或破損密切相關的傳感器信號，并利用建立的刀具磨損量或破損狀態與傳感器信號特征關聯的數學模型，間接獲得刀具磨損量或刀具破損狀態的方法稱為刀具的間接監測方法。常用的主要有振動監測法、切削力監測法、電流功率監測法和聲發射監測法。間接監測刀具磨損的傳感器有:振動傳感器、測力儀、聲發射傳感器、扭矩傳感器、電流傳感器和功率傳感器等。與直接監測刀具磨損的方法相比，間接測量方法具有不影響加工過程、可連續監測的優點，更適宜實時監測。

2.2.1 基于振動的監測法

切削過程中，振動信號包含豐富的與刀具狀態密切相關的信息，它主要由切削力中的動態分量引起，且與刀具-工件-機床構成的切削系統本身的動態特性密切相關。在具體應用過程中，與力信號分解方式一樣，振動信號被分解為3個方向的振動。根據不同的加工方式，可選擇不同方向的振動信號來監測刀具磨損。測量振動信號的傳感器是加速度傳感器，傳感器通過磁力直接吸附在工件表面，安裝非常簡便，但是不同的安裝位置對信號也會產生不同的影響，這也是使用振動信號監測刀具狀態實用化進程的一個障礙。

2.2.2 基于切削力的監測法

作為加工過程中最穩定、最可靠的信號，切削力信號與刀具磨損量或破損狀態密切相關。此外，測力傳感器在工業上的成功應用，使得切削力監測技術成為刀具磨損監控研究領域應用最廣泛、最具優勢的方法。

2.2.3 基于電流和功率的監測法

刀具磨損時切削力增大，從而造成切削功率和扭矩的增加，使得機床電機電流增大，負載功率也隨之增大，因此部分研究人員采用監測電流或功率的方法識別刀具磨損狀態的變化。

電流監測方法和功率監測方法具有安裝簡易、測量信號簡便、成本低、不受加工條件限制、不干擾加工過程等優點，因此成為一種廣泛采用的監測方法。而分辨率低和響應慢的問題成為限制該方法發展的關鍵，尤其在精加工時，進給量和切削深度的改變對機床功率和電流的改變影響很小，識別精度無法提高嚴重影響了它的應用范圍。

2.2.4 聲發射監測法

聲發射(Acoustic Emission，A E)信號是金屬材料在受力后發生品格位錯、裂紋擴展和斷裂時釋放出一種超高頻應力波(一般為0.1～1MHz)的脈動信號。聲發射監測法的優點是:避開了切削過程中振動音頻噪聲污染嚴重的低頻區，受切削條件變動影響比較小，抗環境干擾的聲發射-溫度傳感器監測系統能力較強。由于聲發射信號能直接反映金屬材料內部晶格的變化，所以有可能對刀具破損進行預報，被認為是一種很有前途的刀具磨損與破損監控方法。

具監控技術已成為當代先進制造技術應用中不可或缺的關鍵技術之一，它還將隨著制造技術的不斷發展繼續進步。

參考文獻

[1]董友耕，陳博，管聲啟，馬柯.刀具裂紋檢測技術在數控加工中心上的應用[J].組合機床與自動化加工技術，2009(6).

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