基于振動信號的刀具磨損量監(jiān)測系統(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，具體涉及一種基于振動信號的刀具磨損量監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在機械加工過程當(dāng)中，刀具磨損是不可避免的現(xiàn)象。近年來，高性能機床的廣泛應(yīng) 用不僅大大提高了加工質(zhì)量和效率，而且還推動了自動化生產(chǎn)。在帶來便利的同時，這就要 求數(shù)控機床配備刀具監(jiān)測系統(tǒng)，以此來監(jiān)測刀具磨損、刀具破裂等刀具故障，判斷機床刀具 工作狀態(tài)，提高數(shù)控機床的工作效率。刀具磨損失效導(dǎo)致的機床故障在所有機床故障中占 有很大的比例，刀具故障所引起的停車時間超過了機床的總停機時間的20%。機床加工時， 刀具處于不同加工條件下，刀具狀態(tài)同時也處于不斷變化過程中，如果沒有配備刀具監(jiān)測 系統(tǒng)，處于刀具故障時的機床仍然在工作，這可能導(dǎo)致整個加工過程中斷，造成工件報廢， 最嚴(yán)重的情況則可能使整個系統(tǒng)停止運行。這樣一來就增加了時間成本和生產(chǎn)成本。數(shù)據(jù) 顯示，配備了刀具監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)控機床故障停機時間大大減少，是普通數(shù)控機床故障時間 的1/4,生產(chǎn)效率提高10-60%，機床利用率提高50%。
[0003] 于是，探究刀具磨損機理能夠大幅度提升機床加工效率，顯著降低加工成本，創(chuàng)造 巨大的經(jīng)濟效益。但是刀具磨損機理十分復(fù)雜，當(dāng)前我國對機床加工過程之中的刀具磨損 監(jiān)測僅僅是處于研發(fā)階段。美國Kennamtal公司的研究表明，數(shù)控機床一旦配置了刀具在 線監(jiān)控系統(tǒng)，可以節(jié)約三成的加工費用。因此，針對刀具損壞故障，開發(fā)智能刀具狀態(tài)監(jiān)測 系統(tǒng)，確保安全生產(chǎn)，不生產(chǎn)廢品，保護數(shù)控機床有重要的研究價值。
[0004] 國內(nèi)外通常使用的刀具磨損監(jiān)測的方法分為直接測量法和間接測量法。
[0005] 其中直接測量法就是直接測量刀具磨損、破損的大小，具體方法如下：放電電流測 量法、光纖測量法、微結(jié)構(gòu)鍍層法、電阻測量法、射線測量法和計算機圖像處理法等；通過這 些監(jiān)測方法，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。直接測量法有 兩個主要缺點：
[0006] 第一，需要停機檢測，耗時長，這就占用了大量生產(chǎn)時間；
[0007] 第二，不能檢測出在加工過程當(dāng)中突然出現(xiàn)的瞬時損壞；
[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] 間接法就是測量和刀具磨損、破損狀態(tài)密切相關(guān)信號和加工過程當(dāng)中相關(guān)的物理 量來測量刀具磨損狀態(tài)，其中比較流行的有電流測量法和聲發(fā)射檢測法，還可以通過監(jiān)測 切削力、扭矩、工件幾何尺寸、工件表面質(zhì)量、切肩形狀、噪聲或振動等來反應(yīng)刀具的磨損狀 態(tài)。其中間接測量法中，可監(jiān)測的轉(zhuǎn)換信號包含機械、氣動、電磁、光學(xué)、聲學(xué)等多方面的物 理量。
[0010] 在過去幾十年來，國內(nèi)在刀具磨損、破損自動監(jiān)測做了大量研究工作，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；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的頻段能量法 等。
[0011] 在國外，刀具在線監(jiān)測也有很大的發(fā)展。如I.Tansel通過預(yù)測切削力的平均值， 預(yù)測刀具破損。他使用之前的9個平均值預(yù)測下一個平均值，然后與實際值比較。通過比 較預(yù)測值來和選擇的門限值，預(yù)測刀具的破損。Ertunc，H.M他利用模糊運算，把測量到的 力信號和能量信號分別輸入單個模糊運算法則，然后把輸出送入模糊中心運算法則，判斷 切削過程中的刀具狀態(tài)。
[0012] 但是，他們的研究僅限于普通刀具加工一般工件的情況，對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，加工時也要選 擇特殊的刀具，因此其加工特性不能簡單的照搬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于振動信號的刀具磨損量監(jiān)測系統(tǒng)。
[0014] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0015] 基于振動信號的刀具磨損量監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)控銑床、銑刀、工件、振動傳感器、濾 波放大器、智能信號采集處理儀和安裝有數(shù)據(jù)處理分析軟件的PC機，振動傳感器的數(shù)量為 兩個，一個安裝在工作臺的一端，另一個安裝在銑刀的主軸一側(cè)，工件置于數(shù)控機床的工作 臺上，振動傳感器通過濾波放大器與智能信號采集處理儀相連，振動傳感器收集的振動信 號經(jīng)過濾波放大器和智能信號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，通過數(shù)據(jù)處理分析軟件分析、保存下來。
[0016] 其中，所述數(shù)控銑床采用XH714數(shù)控加工中心。
[0017] 其中，所述振動信號傳感器為加速度傳感器，其端部有強有力的磁性，能夠很好的 吸附在被測物件上。
[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的磨損量與其振動信號特征值建立一定的關(guān)系，從而達到在 線監(jiān)測刀具磨損狀況的目的，對提升大型數(shù)控機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信號數(shù)據(jù)，通過對數(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)測領(lǐng)域的課題研究；根據(jù)本次實驗研究的實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)的分析得到如下 結(jié)論：經(jīng)過Crest峰度系數(shù)函數(shù)和Rms平方根函數(shù)變換后的刀具振動加速度信號與刀具磨 損量呈現(xiàn)正相關(guān)性；經(jīng)過Kurtosis標(biāo)準(zhǔn)偏差函數(shù)的變換后的刀具振動加速度信號與刀具 磨損量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明實施例基于振動信號的刀具磨損量監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖2為本發(fā)明實施例刀具A磨損長度。
[0023] 圖3本發(fā)明實施例中刀具A磨損寬度。
[0024] 圖4為本發(fā)明實施例中刀具B磨損長度。
[0025] 圖5為本發(fā)明實施例中刀具B磨損寬度。
[0026] 圖6為本發(fā)明實施例中刀具A工作臺Crest。
[0027] 圖7為本發(fā)明實施例中刀具A工作臺Rms
[0028] 圖8為本發(fā)明實施例中刀具A工作臺Kurtosis。
[0029] 圖9為本發(fā)明實施例中刀具A主軸Crest。
[0030] 圖10為本發(fā)明實施例中刀具A主軸Rms。
[0031] 圖11為本發(fā)明實施例中刀具A主軸Kurtosis。
[0032] 圖12為本發(fā)明實施例中刀具B主軸Crest。
[0033] 圖13為本發(fā)明實施例中刀具B主軸Rms。
[0034] 圖14為本發(fā)明實施例中刀具B主軸Kurtosis。
[0035] 圖15為本發(fā)明實施例中刀具B工作臺Crest
[0036] 圖16為本發(fā)明實施例中刀具B工作臺Rms。
[0037] 圖17為本發(fā)明實施例中刀具B工作臺Kuetosis。
【具體實施方式】
[0038] 為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明進行進一步 詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā) 明。
[0039] 實施例
[0040] 本實施例中，設(shè)備為南京第二機床廠制造的型號為XH714數(shù)控加工中心；所使 用的刀具包括型號為CGlOSEKT1204AFFN-HL的刀具（刀具A)和型號為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；采用的振動信號采集、處理裝置是由東華測試自主 開發(fā)的DHDAS軟件平臺。此軟件平臺主要包括振動信號采集裝置及處理軟件和振動傳感器 兩部分。
[0046] 振動信號采集裝置及處理軟件包括底層驅(qū)動程序、通訊協(xié)議等，集數(shù)據(jù)采集、基本 分析、階次分析、現(xiàn)場動平衡、沖擊波形檢測、實施例模態(tài)分析、聲學(xué)分析等多種工程應(yīng)用與 分析，采用模塊化管理機制，使用更加簡單便捷。它可以自動識別系統(tǒng)參數(shù)、完全程控儀器 量程、濾波及采樣參數(shù)設(shè)置，完成信號的實時采集分析處理，實現(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軟件平臺配合使用的兩個振動信號傳感器 為加速度傳