数控加工中心的刀具监控技术

        在传统切削加工过程中，刀具状态的识别是通过加工人员辨别切削声音，切屑颜色、切削时间等来判断，或根据在加工工序之间拆卸刀具后实测其破损程度和磨损量来判断。然而上述传统人工判别刀具状态的方法明显不能满足现代化机械制造技术要求，已经成为制约先进制造技术发展的严重瓶颈。解决这些l司题的关键在于实现对刀具磨损状态的实时监控，这也是近年来刀具状态监控技术再次获得广泛关注及研究的原因。刀具监控技术作为先进制造技术的重要组成部分，是在现代制造技术基础上发展起来的新兴技术，它推动切削加工过程向自动化和无人化方向发展起了极其重要的作用。

1 数控加工中心的刀具监控原理

        刀具监控是指在产品切削加工过程中，通过检测各类传感器信号变化，测算刀具的磨损量，控制系统根据刀具监控结果自动控制刀具进给，补偿刀具磨损产生的零件尺寸和形状精度的变化。当刀具磨损到一定程度，发生崩刃、破损、卷刃，丧失其切削能力或无法保障加工质量的情形，及时报警停机，达到保证加工安全的目的。

        刀具监控系统的原理图，数据采集处理模块的传感器将刀具加工过程中诸如电流、声响、形状、表面粗糙度等信息进行采集和数据变换，并将这些表示加工实时状态的传感数据输送给数据决策判定模块，数据决策判定模块对比刀具切削数据库中的各种工况数据进行实时诊断，输出控制信号给数控加工中心NC系统，对加工过程进行实时控制调整，完成刀具的监控管理。

2 刀具监控方法

        目前，国内外学者对刀具监控的方法进行了大量的研究。根据刀具磨损量监测原理的不同，刀具磨损监测主要分为直接监测方法和间接监测方法。

        2.1直接监测方法

        直接测量刀具磨损量或刀具破损状态的方法称为刀具的直接监测方法。常用的主要有接触监测法和光学监测法。直接监测刀具磨损的传感器有接触探测传感器，光学显微镜、高速摄像机等。

        2.1.1接触监测法

        接触监测传感器发明于1974年，它能够监测刀具的磨损和破损程度。监测时，旋转刀具，让刀具后刀面接触传感器，根据刀具加工前后的直径变化获得刀具的磨损量，并根据刀具的接触力大小判断刀具的破损程度。德国MALTO公司利用该方法研制的刀具破损监测装置，能够成功监测刀具的破损情况。该方法监测精度较高，但只能在停车时进行检测，不能用于实时监控。

        2.1.2光学监测法

        通过光学传感器获得刀具磨损区域的图形，并利用图像处理技术得到刀具的磨损状态。和其他检测方法相比，采用光学法监测刀具磨损的优点是：不受切削条件和工件材料影响，能够同时获得刀具多个磨损模式的图形，便于整体了解刀具的磨损形态；缺点是易受加工方式的影响，许多加工方法无法采用光学法监测其刀具状态。

        2.2间接监测方法

        通过监测与刀具磨损或破损密切相关的传感器信号，并利用建立的刀具磨损量或破损状态与传感器信号特征关联的数学模型，间接获得刀具磨损量或刀具破损状态的方法称为刀具的间接监测方法。常用的主要有振动监测法、切削力监测法、电流功率监测法和声发射监测法。间接监测刀具磨损的传感器有：振动传感器、测力仪，声发射传感器、扭矩传感器、电流传感器和功率传感器等。与直接监测刀具磨损的方法相比，间接测量方法具有不影响加工过程、可连续监测的优点，更适宜实时监测。

        2.2.1基于振动的监测法

        切削过程中，振动信号包含丰富的与刀具状态密切相关的信息，它主要由切削力中的动态分量引起，且与刀具一工件一机床构成的切削系统本身的动态特性密切相关。在具体应用过程中，与力信号分解方式一样，振动信号被分解为3个方向的振动。根据不同的加工方式，可选择不同方向的振动信号来监测刀具磨损。测量振动信号的传感器是加速度传感器，传感器通过磁力直接吸附在工件表面，安装非常简便，但是不同的安装位置对信号也会产生不同的影响，这也是使用振动信号监铡刀具状态实用化进程的一个障碍。

        2.2.2基于切削力的监测法

        作为加工过程中最稳定、最可靠的信号，切削力信号与刀具磨损量或破损状态密切相关。此外，测力传感器在工业上的成功应用，使得切削力监测技术成为刀具磨损监控研究领域应用最广泛、最具优势的方法。

        2.2.3基于电流和功率的监测法

        刀具磨损时切削力增大，从而造成切削功率和扭矩的增加，使得机床电机电流增大，负载功率也随之增大，因此部分研究人员采用监测电流或功率的方法识别刀具磨损状态的变化。

        电流监测方法和功率监测方法具有安装简易、测量信号简便、成本低、不受加工条件限制、不干扰加工过程等优点，因此成为一种广泛采用的监测方法。而分辨率低和响应慢的问题成为限制该方法发展的关键，尤其在精加工时，进给量和切削深度的改变对机床功率和电流的改变影响很小，识别精度无法提高严重影响了它的应用范围。

        2.2.4声发射监测法

        声发射(Acoustic Emission，A E)信号是金属材料在受力后发生品格位错、裂纹扩展和断裂时释放出一种超高频应力波(一般为0．1～lMHz)的脉动信号。声发射监测法的优点是：避开了切削过程中振动音频噪声污染严重的低频区，受切削条件变动影响比较小，抗环境干扰的声发射一温度传感器监测系统能力较强。由于声发射信号能直接反映金属材料内部品格的变化，所以有可能对刀具破损进行预报，被认为是一种很有前途的刀具磨损与破损监控方法。

        具监控技术已成为当代先进制造技术应用中不可或缺的关键技术之一，它还将随着制造技术的不断发展继续进步。