刀具破損的聲發(fā)射傳感監(jiān)測新技術(shù)
加入技術(shù)交流群
隨著FMS、CIMS的日益廣泛使用，機(jī)械加工正朝著自動(dòng)化、無人化方向迅速發(fā)展，加工過程中刀具的狀態(tài)監(jiān)測已成為制約切削加工發(fā)展的重要因素。聲發(fā)射(Acoustic Emission-AE)方法是近些年來發(fā)展起來的最有前途的監(jiān)測方法之一，由于它監(jiān)測的是刀具磨損和破損時(shí)產(chǎn)生的高頻彈性應(yīng)力波信號(hào)，避開了加工過程中振動(dòng)和音頻噪聲污染嚴(yán)重的低頻區(qū)，在所感興趣的頻率范圍內(nèi)靈敏度較高，抗干擾能力強(qiáng)，因而，在刀具切削狀態(tài)的監(jiān)測中得到廣泛采用〔1〕〔2〕。目前，在國內(nèi)外用聲發(fā)射監(jiān)測刀具切削狀態(tài)時(shí)，大多使用接觸型聲發(fā)射傳感器，這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低。不利之處是實(shí)際環(huán)境噪聲干擾易造成其誤判；因聲發(fā)射信號(hào)在接觸界面處傳播時(shí)損耗很大，一般要求將傳感器安裝在工作臺(tái)或刀桿上，這就帶來了信號(hào)傳輸和傳感器安裝難的問題。
針對(duì)以上問題，作者提出了一種新型非接觸型聲發(fā)射傳感器，此種傳感器利用流體(液體或空氣)傳播聲發(fā)射波，并集寬頻帶、高增益的前置放大器于一體，具有抗干擾和驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，靈敏度高，安裝使用方便的優(yōu)點(diǎn)。傳感器的另一個(gè)特點(diǎn)是前置放大器采用對(duì)數(shù)放大器，大大地拓寬了傳感器的輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。
2 新型非接觸聲發(fā)射傳感器的結(jié)構(gòu)
針對(duì)傳統(tǒng)聲發(fā)射方法的不足，在深入研究了金屬材料間的摩擦和磨損聲發(fā)射的機(jī)理、聲發(fā)射波傳播和衰減規(guī)律的基礎(chǔ)上〔3〕，研制了一種利用液體介質(zhì)傳遞刀具切削狀態(tài)信息的新型非表面接觸式聲發(fā)射傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，使用時(shí)安裝在機(jī)床原有的潤滑冷卻管的噴嘴上，刀具破損時(shí)，AE信號(hào)通過潤滑冷卻液，以和潤滑冷卻液流動(dòng)相反的方向傳遞到傳感器，然后進(jìn)入監(jiān)測儀進(jìn)行分析處理。對(duì)于AE信號(hào)來說，這些液體是良好的媒質(zhì)。傳播頻率范圍大，從幾赫茲到幾十兆赫茲，并且由于液體中只能傳播縱波，所以信號(hào)傳播過程中的干涉損失小，信號(hào)失真小，在一定的邊界條件下，還可以保證隨傳播距離變化信號(hào)有較小的衰減。這為我們利用流體作為聲發(fā)射信號(hào)的傳播提供了保障。圖2所示，是傳感器在加工中心機(jī)床上安裝使用示意圖。這種傳感器由于信號(hào)傳遞路線短，傳遞路徑中無其它接觸面，因而靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)。
考慮到在加工鑄鐵材料或高速切削時(shí)不使用冷卻潤滑液，作者還研制了一種空氣傳導(dǎo)聲發(fā)射傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。它的使用方案與液體聲發(fā)射傳感器完全相同，也安裝在潤滑冷卻管的噴嘴上。這種傳感器以自由空氣作為傳播AE信號(hào)的介質(zhì)，由于聲波波陣面的擴(kuò)散且空氣密度小，AE傳播過程中衰減大。所以，要求傳感器具有高的靈敏度和抗干擾能力。在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和選用靈敏度高、信噪比高的敏感元件材料來克服以上缺點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證〔4〕，此傳感器取得了良好的效果。
為適應(yīng)多變的工況，作者還研制了將前述兩種傳感器集成于一體的液氣組合傳導(dǎo)聲發(fā)射傳感器，在一個(gè)傳感器上，可以利用液體和空氣來傳導(dǎo)聲發(fā)射信號(hào)。同時(shí)當(dāng)無冷卻潤滑液時(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)空氣傳導(dǎo)聲發(fā)射傳感器；當(dāng)有冷卻潤滑液時(shí)，可以同時(shí)利用兩路信號(hào)監(jiān)測刀具狀態(tài)，提高監(jiān)測信息的“冗余度”。它的使用方法也和前述兩種傳感器一樣。
3 刀具破損的聲發(fā)射信號(hào)處理方法
如圖4所示，刀具破損的聲發(fā)射信號(hào)，頻率一般大于100kHz，持續(xù)時(shí)間為200微秒～1毫秒左右，比正常切削信號(hào)大4～5倍以上，因此需高速信號(hào)采集器才能提取到原始AE信號(hào)，若對(duì)其包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行采集便可降低采樣頻率，采用成本低廉的采集板。圖5所示為刀具破損的AE信號(hào)處理框圖。
來自傳感器的AE信號(hào)經(jīng)過放大，高通濾波，取包絡(luò)后進(jìn)行閾值比較。這里采用了雙閾值判別法，即既進(jìn)行幅值比較又進(jìn)行脈寬比較的判別方法。先對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的包絡(luò)進(jìn)行幅值比較，當(dāng)包絡(luò)信號(hào)超過某設(shè)定的閾值時(shí)，開始進(jìn)行脈寬比較，當(dāng)脈寬超過另一設(shè)定閾值時(shí)，認(rèn)為出現(xiàn)刀具破損的異常狀態(tài)，停機(jī)報(bào)警。當(dāng)聲發(fā)射的包絡(luò)幅值信號(hào)低于設(shè)定的閾值時(shí)，脈寬比較器不工作。當(dāng)聲發(fā)射的包絡(luò)幅值信號(hào)超過設(shè)定的閾值，但脈寬沒有超過設(shè)定的閾值時(shí)，仍不會(huì)出現(xiàn)異常狀態(tài)
評(píng)論