專利名稱:一種數(shù)控機床刀具破磨損的監(jiān)測方法和裝置的制作方法
本發(fā)明屬于柔性車削單元中刀具破磨損監(jiān)測技術(shù)。
在本發(fā)明出現(xiàn)之前，國內(nèi)、外典型的刀具破磨損監(jiān)測方法和裝置有(Ⅰ)、工件刀具尺寸觸發(fā)監(jiān)測方法和裝置(文獻〔1〕Roe，J.“Touch Trigger Probes on Machine Tools”ln.2nd FMS，PP411-424，IFS(Publication)Ltd.and North-Holland Publishing Company，1983.)，它是利用一個觸頭與工件或刀具刃口接觸，產(chǎn)生微量位移使內(nèi)部電感傳感器產(chǎn)生三維信號輸出，以用于測量工件和刀具尺寸變化，這種監(jiān)測方法和裝置的缺點是隨機性太強、價格昂貴、對機床的定位精度要求高。(Ⅱ)、光潔度或粗糙度監(jiān)測方法和裝置(文獻〔2〕R.Brodmann，etal，“An Optical lnstrument for Measuring the Surface Roughness in Production Control”An.of the CIRP Vol.33/1/1984，P403-406)，它是利用工件表面不同的粗糙度對光的反射率不同來測量表面粗糙度的，加工現(xiàn)場空氣的污染、工件表面粘附金屬粉粒以及冷卻潤滑液的污染都將嚴重干擾光測粗糙度的精度和準確性。即使排除污染因素，這種方法也只能適合于精加工使用，而對于粗加工來說，不同的工件材料、不同的刀具材料、不同的刀具幾何形狀、不同的切削用量、不同的機床、不同類型的工件、不同的冷卻潤滑條件等，對于相同的刀具磨鈍標準將產(chǎn)生大量的不同標準閥值，即使在相同的以上條件下，各個工件的加工在刀具磨鈍時，表現(xiàn)出的粗糙度值也相差很大，因而利用數(shù)據(jù)庫中的標定閥值去判斷刀具磨鈍是極不準確的。(Ⅲ)、聲發(fā)射監(jiān)測方法和裝置(文獻〔3〕DavidlA，etal，“Determination of Chip Forming States，Using a Linear Discrimeiat Function Technique With Acoustic Emission”，The 13th NAMRC，1985)，它是利用刀具刃口在產(chǎn)生微裂紋時，振動頻率將產(chǎn)生較大變化的原理來檢測刀具破損的，但其方法和裝置不能監(jiān)測刀具磨損，成本高，沒有應(yīng)用于生產(chǎn)實際。
本發(fā)明的目的在于提出一種新的監(jiān)測方法和裝置來克服上述監(jiān)測方法和裝置中存在的問題，不依賴大量的實驗標定以及存貯這些標定值的數(shù)據(jù)庫或文件，不依賴于某種設(shè)定的閥值，系統(tǒng)簡單、成本較低、監(jiān)測準確率高，便于實際生產(chǎn)應(yīng)用。
本發(fā)明是通過對加工表面粗糙度特定Ra或Rz或均方值
R的變化率突變的跟蹤來實現(xiàn)刀具破磨損的監(jiān)測的。ISO標準中把評定粗糙度所選定的測量輪廓長度-取樣長度1(基本長度、截止波長)分為8個等級，大量實驗已經(jīng)證明了2.5、8、25這三個等級中必然混進波紋度的干擾，為了提取微觀粗糙度部分的信息，必須濾除波紋度的干擾，因此，本發(fā)明中的Ra或Rz或
R特指0.08～0.8這一段的微觀粗糙度(在這個范圍內(nèi)，取樣長度不僅僅限于0.08、0.25、0.8三種)。另外，還可采取硬件來濾除波紋度的干擾。Ra為在取樣長度內(nèi)，微觀粗糙度幅度Y的總和的平均值，用公式近似表示為Ra=Σi=1N｜Yi ｜N;]]>Rz為在取樣長度內(nèi)，從平行于輪廓中心的任意一條線起，到被測量輪廓的五個最高峰和五個最低谷之間的平均距離;
R定義為
(i＝1，2，……k)Ri＝ 1/(N-2)Σj=1N]]>(Yj-
Y)2(j＝1，2，……N)Ri是子計算的微觀粗糙度幅度Y的均方值;
R是一次檢測(檢測一個工件或一個工件的一部分)總計算的全部Ri的均值;N為采樣次數(shù);K為計算次數(shù)。
在采用ISO標準評定微觀粗糙度時，特定的Ra、Rz也必須在一次檢測中取多個1(多次采樣或一次采樣按1分成多段計算)進行多次計算，然后取平均值，以便排除隨機因素的干擾，例如，進行K次計算后取
(＝1，2，……K)
(i＝1，2，……K)R、
Ra、
Rz的變化規(guī)律相同。
經(jīng)過大量實驗證明，當?shù)毒咂颇p后，工件表面波紋度加大而微觀粗糙度卻因擠削的作用大大減小，其規(guī)律如附圖1。
附圖1中，橫坐標為刀具使用時間t;縱坐標為
Ra、
Rz、
R;A為正常磨損階段、B為刀鈍或刀具失效階段、C為急劇磨損階段。
從附圖1可以看出刀具在進入刀鈍或刀具失效階段后，
Ra、
Rz、
R都會出現(xiàn)
且
Ra、
Rz、
R的變化率均從大于零變成小于零。因此，實際使用中，只要跟蹤上述三種變化率之一(例如
Ra，其變化率
到
的轉(zhuǎn)變)，就可斷定刀具已鈍(或失效)，機床必須換刀。
附圖2是本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)圖。
附圖3是本發(fā)明監(jiān)測裝置中傳感器測頭的結(jié)構(gòu)圖。
附圖4是本發(fā)明監(jiān)測方法的流程圖(以跟蹤
R的變化率為例)。
附圖2中，(1)是微觀粗糙度測頭、(2)是渦流傳感器、(3)是二次儀表、(4)是A/D轉(zhuǎn)換裝置、(5)是計算機、(6)是數(shù)控機床。微觀粗糙度測頭(1)、渦流傳感器(2)構(gòu)成傳感器測頭，傳感器測頭可象裝夾普通刀具那樣裝夾在刀架上，也可裝在刀桿內(nèi)或刀桿旁邊。
附圖3中，(10)為探針、(11)為探針座、(13)為彈簧片、(16)為固定傳感器螺母、(17)為感應(yīng)體、(18)為殼體。鎖緊螺母(15)將渦流傳感器(2)和殼體(18)連接在一起，兩彈簧片(13)通過固定螺釘(8)雙端固定在殼體(18)上，感應(yīng)體(17)與探針座(11)穿過彈簧片(13)連接在一起，兩彈簧片(13)用隔套(7)、(9)隔開，螺母(16)便于將傳感器測頭固定在刀桿、刀架或其它專用支持裝置上。
下面結(jié)合附圖2、附圖3對本發(fā)明的監(jiān)測方法以及監(jiān)測裝置的工作過程作詳細的說明。
探針(10)在彈簧片(13)的予壓下，隨著機床的軸向運動將工件表面微觀形狀轉(zhuǎn)變成感應(yīng)體(17)與渦流傳感器(2)之間的位移變化，這個位移變化通過渦流傳感器(2)和二次儀表(3)變換為電信號并放大再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換裝置(4)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量送入計算機(5)。
參照附圖4，以跟蹤均方值
R的變化率為例，本發(fā)明監(jiān)測方法是設(shè)置判別
R(或
Ra或
Rz)變化率的程序，使得自動循環(huán)按以下步驟進行(1)命令機床沿軸向使測頭移動定長并采樣，(2)全部采樣集除以定數(shù)X保證每個計算長度1≤0.8毫米，(3)求解X個R的均值
Rn，(4)判別計算機緩沖區(qū)內(nèi)是否有
Rn-1，若緩沖區(qū)內(nèi)沒有
Rn-1，則將Rn存入該緩沖區(qū)，并重復步驟(1)、(2)、(3)，若緩沖區(qū)內(nèi)有
Rn-1，則計算Δ
Rn-1＝
Rn-
Rn-1，(5)判別Δ
Rn-1與0的關(guān)系，若Δ
Rn-1＞0，則更新
Rn-1為
Rn，并是步驟(1)、(2)、(3)、(4)，若Δ
Rn-1≤0，則命令停機換刀，如此循環(huán)不已。
本發(fā)明的一個實施例如下渦流傳感器(2)、二次儀表(3)型號為CSA-8503A;(6)為CNC車床，A/D轉(zhuǎn)換器(3)型號為MS1215，計算機(5)為IBMPC/XT。機床(6)沿軸向位移20毫米并采樣，采樣頻率為2000赫茲、全部采樣集除以X＝25，每個子計算長度l＝0.8毫米，則分辯率為0.1微米，線性范圍為1毫米，誤判率小于3%。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控機床刀具破磨損的監(jiān)測方法，首先采集工件表面微觀粗糙度的變化，然后將這種變化通過渦流傳感器(2)和二次儀表(3)變換為電信號并放大，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換裝置(4)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量送入計算機(5)，本發(fā)明的特征是通過對加工表面粗糙度特定Ra或Rz或均方值
R的變化率突變的跟蹤來實現(xiàn)刀具破磨損的監(jiān)測的。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的監(jiān)測方法，其特征是設(shè)置判別加工表面粗糙度特定Ra或Rz或均方值
R的變化率的程序，使得自動循環(huán)按以下步驟進行。(1)命令機床沿軸向使測頭移動定長并采樣，(2)全部采樣集除以定數(shù)X保證每個子計算長度1≤0.8毫米，(3)求解X個R的均值
Rn，(4)判別緩沖區(qū)內(nèi)是否有
Rn-1，若緩沖區(qū)內(nèi)沒有
Rn-1，則將
Rn存入該緩沖區(qū)，并重復步驟(1)、(2)、(3)，若緩沖區(qū)內(nèi)有
Rn-1則計算Δ
Rn-1＝
Rn-
Rn-1，(5)判別Δ
Rn-1與0的關(guān)系，若Δ
Rn-1＞0，則更新
Rn-1為
Rn，并重復步驟(1)、(2)、(3)、(4)，若Δ
Rn-1≤0，則命令停機換刀，如此往復不已。
3.一種數(shù)控機床刀具破磨損的監(jiān)測裝置，由渦流傳感器(2)、二次儀表(3)、A/D轉(zhuǎn)換裝置(4)、微機(5)組成，本發(fā)明的特征是渦流傳感器(2)上裝有微觀粗糙度測頭(1)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的監(jiān)測裝置，其特征是微觀粗糙度測頭(1)由探針(10)、探針座(11)、彈簧片(13)、感應(yīng)體(17)、殼體(18)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的監(jiān)測裝置，其特征是兩彈簧片(13)通過固定螺釘(8)雙端固定在殼體(18)上，而彈簧片(13)由隔套(7)、(9)隔開。
6.根據(jù)權(quán)利要求
3、4所述的監(jiān)測裝置，其特征是感應(yīng)體(17)穿過彈簧片(13)的中央與探針座(11)連接在一起。
專利摘要
一種數(shù)控機床刀具破磨損的監(jiān)測方法和裝置。本發(fā)明的監(jiān)測裝置由微觀粗糙度測頭(1)、渦流傳感器(2)、二次儀表(3)、A/D轉(zhuǎn)換裝置(4)、計算機(5)組成，通過本發(fā)明的監(jiān)測裝置自動對工件表面微觀形狀的采樣、轉(zhuǎn)換、處理，跟蹤粗糙度特定Ra或Rz或均方值R的變化率，若Ra或Rz或R的變化率小于或等于零，則命令停機換刀，從而完成對本發(fā)明的監(jiān)測方法的實現(xiàn)。
文檔編號B23Q17/20GK87104127SQ87104127
公開日1988年12月28日 申請日期1987年6月8日
發(fā)明者蔡禮君, 董衛(wèi)平, 盧秉恒, 顧崇銜 申請人:西安交通大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan