基于振動(dòng)信號(hào)的刀具磨損量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及刀具磨損檢測(cè)，具體涉及一種基于振動(dòng)信號(hào)的刀具磨損量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在機(jī)械加工過(guò)程當(dāng)中，刀具磨損是不可避免的現(xiàn)象。近年來(lái)，高性能機(jī)床的廣泛應(yīng) 用不僅大大提高了加工質(zhì)量和效率，而且還推動(dòng)了自動(dòng)化生產(chǎn)。在帶來(lái)便利的同時(shí)，這就要 求數(shù)控機(jī)床配備刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以此來(lái)監(jiān)測(cè)刀具磨損、刀具破裂等刀具故障，判斷機(jī)床刀具 工作狀態(tài)，提高數(shù)控機(jī)床的工作效率。刀具磨損失效導(dǎo)致的機(jī)床故障在所有機(jī)床故障中占 有很大的比例，刀具故障所引起的停車時(shí)間超過(guò)了機(jī)床的總停機(jī)時(shí)間的20%。機(jī)床加工時(shí)， 刀具處于不同加工條件下，刀具狀態(tài)同時(shí)也處于不斷變化過(guò)程中，如果沒(méi)有配備刀具監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)，處于刀具故障時(shí)的機(jī)床仍然在工作，這可能導(dǎo)致整個(gè)加工過(guò)程中斷，造成工件報(bào)廢， 最嚴(yán)重的情況則可能使整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行。這樣一來(lái)就增加了時(shí)間成本和生產(chǎn)成本。數(shù)據(jù) 顯示，配備了刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床故障停機(jī)時(shí)間大大減少，是普通數(shù)控機(jī)床故障時(shí)間 的1/4,生產(chǎn)效率提高10-60%，機(jī)床利用率提高50%。
[0003] 于是，探究刀具磨損機(jī)理能夠大幅度提升機(jī)床加工效率，顯著降低加工成本，創(chuàng)造 巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但是刀具磨損機(jī)理十分復(fù)雜，當(dāng)前我國(guó)對(duì)機(jī)床加工過(guò)程之中的刀具磨損 監(jiān)測(cè)僅僅是處于研發(fā)階段。美國(guó)Kennamtal公司的研究表明，數(shù)控機(jī)床一旦配置了刀具在 線監(jiān)控系統(tǒng)，可以節(jié)約三成的加工費(fèi)用。因此，針對(duì)刀具損壞故障，開(kāi)發(fā)智能刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)，確保安全生產(chǎn)，不生產(chǎn)廢品，保護(hù)數(shù)控機(jī)床有重要的研究?jī)r(jià)值。
[0004] 國(guó)內(nèi)外通常使用的刀具磨損監(jiān)測(cè)的方法分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。
[0005] 其中直接測(cè)量法就是直接測(cè)量刀具磨損、破損的大小，具體方法如下：放電電流測(cè) 量法、光纖測(cè)量法、微結(jié)構(gòu)鍍層法、電阻測(cè)量法、射線測(cè)量法和計(jì)算機(jī)圖像處理法等；通過(guò)這 些監(jiān)測(cè)方法，能一定程度上的掌握刀具磨損的情況，但是依然存在很多不足。直接測(cè)量法有 兩個(gè)主要缺點(diǎn)：
[0006] 第一，需要停機(jī)檢測(cè)，耗時(shí)長(zhǎng)，這就占用了大量生產(chǎn)時(shí)間；
[0007] 第二，不能檢測(cè)出在加工過(guò)程當(dāng)中突然出現(xiàn)的瞬時(shí)損壞；
[0008] 直接法具有一定的局限性，限制了該方法的推廣與應(yīng)用。
[0009] 間接法就是測(cè)量和刀具磨損、破損狀態(tài)密切相關(guān)信號(hào)和加工過(guò)程當(dāng)中相關(guān)的物理 量來(lái)測(cè)量刀具磨損狀態(tài)，其中比較流行的有電流測(cè)量法和聲發(fā)射檢測(cè)法，還可以通過(guò)監(jiān)測(cè) 切削力、扭矩、工件幾何尺寸、工件表面質(zhì)量、切肩形狀、噪聲或振動(dòng)等來(lái)反應(yīng)刀具的磨損狀 態(tài)。其中間接測(cè)量法中，可監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)換信號(hào)包含機(jī)械、氣動(dòng)、電磁、光學(xué)、聲學(xué)等多方面的物 理量。
[0010] 在過(guò)去幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)在刀具磨損、破損自動(dòng)監(jiān)測(cè)做了大量研究工作，并有了相應(yīng) 的突破。如華中科技大學(xué)楊叔子等人認(rèn)為隨著刀具磨損程度的加劇，功率譜圖像上的主峰 頻率向低頻端移動(dòng)；南京航空航天大學(xué)姜澄宇博士提出了在線車刀磨損檢測(cè)的頻段能量法 等。
[0011] 在國(guó)外，刀具在線監(jiān)測(cè)也有很大的發(fā)展。如I.Tansel通過(guò)預(yù)測(cè)切削力的平均值， 預(yù)測(cè)刀具破損。他使用之前的9個(gè)平均值預(yù)測(cè)下一個(gè)平均值，然后與實(shí)際值比較。通過(guò)比 較預(yù)測(cè)值來(lái)和選擇的門限值，預(yù)測(cè)刀具的破損。Ertunc，H.M他利用模糊運(yùn)算，把測(cè)量到的 力信號(hào)和能量信號(hào)分別輸入單個(gè)模糊運(yùn)算法則，然后把輸出送入模糊中心運(yùn)算法則，判斷 切削過(guò)程中的刀具狀態(tài)。
[0012] 但是，他們的研究?jī)H限于普通刀具加工一般工件的情況，對(duì)加工難加工材料并未 給出相應(yīng)的結(jié)論。難加工材料與普通材料相比，其硬度更高，銑削難度更大，加工時(shí)也要選 擇特殊的刀具，因此其加工特性不能簡(jiǎn)單的照搬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于振動(dòng)信號(hào)的刀具磨損量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0014] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0015] 基于振動(dòng)信號(hào)的刀具磨損量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括數(shù)控銑床、銑刀、工件、振動(dòng)傳感器、濾 波放大器、智能信號(hào)采集處理儀和安裝有數(shù)據(jù)處理分析軟件的PC機(jī)，振動(dòng)傳感器的數(shù)量為 兩個(gè)，一個(gè)安裝在工作臺(tái)的一端，另一個(gè)安裝在銑刀的主軸一側(cè)，工件置于數(shù)控機(jī)床的工作 臺(tái)上，振動(dòng)傳感器通過(guò)濾波放大器與智能信號(hào)采集處理儀相連，振動(dòng)傳感器收集的振動(dòng)信 號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大器和智能信號(hào)采集處理儀的處理后，傳送到安裝有數(shù)據(jù)處理分析軟件的PC 機(jī)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析軟件分析、保存下來(lái)。
[0016] 其中，所述數(shù)控銑床采用XH714數(shù)控加工中心。
[0017] 其中，所述振動(dòng)信號(hào)傳感器為加速度傳感器，其端部有強(qiáng)有力的磁性，能夠很好的 吸附在被測(cè)物件上。
[0018] 其中，數(shù)據(jù)處理分析軟件采用以下函數(shù)=Crest峰度系數(shù)函數(shù)、Rms平方根函數(shù)和 Kurtosis標(biāo)準(zhǔn)偏差函數(shù)。
[0019] 本發(fā)明具有以下益效果：
[0020] 將刀具加工鈦合金時(shí)的磨損量與其振動(dòng)信號(hào)特征值建立一定的關(guān)系，從而達(dá)到在 線監(jiān)測(cè)刀具磨損狀況的目的，對(duì)提升大型數(shù)控機(jī)床刀具加工效率有重要作用；得到了關(guān)于 刀具加工鈦合金的磨損量和振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析研究，得到了明確的結(jié)論，豐 富了刀具在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的課題研究；根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)的分析得到如下 結(jié)論：經(jīng)過(guò)Crest峰度系數(shù)函數(shù)和Rms平方根函數(shù)變換后的刀具振動(dòng)加速度信號(hào)與刀具磨 損量呈現(xiàn)正相關(guān)性；經(jīng)過(guò)Kurtosis標(biāo)準(zhǔn)偏差函數(shù)的變換后的刀具振動(dòng)加速度信號(hào)與刀具 磨損量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例基于振動(dòng)信號(hào)的刀具磨損量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例刀具A磨損長(zhǎng)度。
[0023] 圖3本發(fā)明實(shí)施例中刀具A磨損寬度。
[0024] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中刀具B磨損長(zhǎng)度。
[0025] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中刀具B磨損寬度。
[0026] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中刀具A工作臺(tái)Crest。
[0027] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例中刀具A工作臺(tái)Rms
[0028] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例中刀具A工作臺(tái)Kurtosis。
[0029] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例中刀具A主軸Crest。
[0030] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例中刀具A主軸Rms。
[0031] 圖11為本發(fā)明實(shí)施例中刀具A主軸Kurtosis。
[0032] 圖12為本發(fā)明實(shí)施例中刀具B主軸Crest。
[0033] 圖13為本發(fā)明實(shí)施例中刀具B主軸Rms。
[0034] 圖14為本發(fā)明實(shí)施例中刀具B主軸Kurtosis。
[0035] 圖15為本發(fā)明實(shí)施例中刀具B工作臺(tái)Crest
[0036] 圖16為本發(fā)明實(shí)施例中刀具B工作臺(tái)Rms。
[0037] 圖17為本發(fā)明實(shí)施例中刀具B工作臺(tái)Kuetosis。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步 詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā) 明。
[0039] 實(shí)施例
[0040] 本實(shí)施例中，設(shè)備為南京第二機(jī)床廠制造的型號(hào)為XH714數(shù)控加工中心；所使 用的刀具包括型號(hào)為CGlOSEKT1204AFFN-HL的刀具（刀具A)和型號(hào)為SEHT1204AFTN JA5030的刀具（刀具B);工件的材料為a鈦合金TC4(Ti-6Al-4V)，其尺寸為 80X200X200 (mm)。鈦合金TC4的化學(xué)成分（重量百分比）和力學(xué)性能分別如表1和表2 所示。
[0045] 采用3RUSB手持?jǐn)?shù)字顯微鏡；采用的振動(dòng)信號(hào)采集、處理裝置是由東華測(cè)試自主 開(kāi)發(fā)的DHDAS軟件平臺(tái)。此軟件平臺(tái)主要包括振動(dòng)信號(hào)采集裝置及處理軟件和振動(dòng)傳感器 兩部分。
[0046] 振動(dòng)信號(hào)采集裝置及處理軟件包括底層驅(qū)動(dòng)程序、通訊協(xié)議等，集數(shù)據(jù)采集、基本 分析、階次分析、現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡、沖擊波形檢測(cè)、實(shí)施例模態(tài)分析、聲學(xué)分析等多種工程應(yīng)用與 分析，采用模塊化管理機(jī)制，使用更加簡(jiǎn)單便捷。它可以自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)參數(shù)、完全程控儀器 量程、濾波及采樣參數(shù)設(shè)置，完成信號(hào)的實(shí)時(shí)采集分析處理，實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的功能、多功能 模塊化管理和"一鍵設(shè)定"式的操作。與DHDAS軟件平臺(tái)配合使用的兩個(gè)振動(dòng)信號(hào)傳感器 為加速度傳