用聲發射和電機電流檢測技術實現刀具破損的監測

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tags:    時間:2014-03-11 14:25:07
用聲發射和電機電流檢測技術實現刀具破損的監測簡介
     切削刀具破損的實時監控是實現生產過程自動化、無人化,保證產品質量,提高生產效率,減少設備故障的重要……
用聲發射和電機電流檢測技術實現刀具破損的監測正文
     切削刀具破損的實時監控是實現生產過程自動化、無人化,保證產品質量,提高生產效率,減少設備故障的重要手段。在刀具破損監測的研究中,各國學者提出了很多方案,如採用監測加工部件的表面粗糙度以及尺寸,加工過程中切削力、振動等的變化,以判斷刀具的破、磨損狀況。研究的很多方法尚處於實驗室階段,少數方法如監測電機電流、主軸扭矩等開始用於生產實際。本文提出採用AE信號和監測主軸電機電流的雙參數綜合方法來判斷切削刀具的破損狀態,該方法受切削條件的影響小,具有監測精度高、系統抗干擾能力強、信號顯示直觀、靈敏度高、可以實時在線檢測且使用方便等特點。

1 刀具破損的監測原理

本系統採用聲發射(AE)和電機轉矩檢測技術實現刀具破損的監測。聲發射是指伴隨固體材料在斷裂時釋放儲存的能量產生彈性波的現象,AE信號由感測器檢測,得到相應的電信號,它分為突髮型和連續型兩類,前者是伴隨固體材料的微小裂紋和龜裂而產生的,後者是材料在塑性變形時表現出來的。刀具破損檢測以突髮型AE信號為對象,用AE信號檢測發射源的位置和強度,了解被測對象內部結構的變化,以實現切削刀具狀態的監測。在切削過程中,由於金屬變形、擠壓、摩擦等的影響以及切削環境變化,使直接來源於切削點的AE信號特徵複雜,頻譜豐富,加深了刀具破損時AE信號識別與測量的困難,從這些信號中提取刀具破損的AE信號是實現在線監測的關鍵。用圖1所示裝置提取切削刀具的AE信號特徵,將AE感測器裝置在刀架上,將感測器檢測的AE信號經前置放大器和主放大器兩級放大后,由採樣頻率達MHz的波形記錄儀採集、存儲,送至數字示波器進行時域特性分析,並由繪圖儀繪出結果。圖2所示為切削加工中AE信號的頻率分佈,圖中表明,切削加工中機械雜訊、機床空轉雜訊的頻率在<100kHz範圍內,而刀具破損時AE信號的頻率在300~500kHz範圍內,且峰值較大,因此,要正確提取刀具破損的AE信號,應選好合適帶寬的AE感測器以及帶通濾波器的頻率範圍。同時,應採取多參數實域頻域綜合處理方法,以利有效抑制各種環境雜訊,提高監測精度。

切削刀具AE信號的提取裝置

切削刀具AE信號的頻率分佈


電機電流的監測,在切削過程中,刀具破損發生變化,導致切削力發生變化,切削力的變化引起主軸轉矩發生變化,進而導致電機電流發生變化,監測電機電流的大小可間接地判斷刀具的狀態。採用某一時刻電流值與正常切削時電流值之差作為刀具破損的特徵信號

I=|I1-I0|ΣK閾 (1)

式中:I1——某一時刻電流的實測值;
I0——正常切削或切削開始的電流實測值。

當切削條件、刀具材料、工件材質等發生變化時,I1值發生變化,I0值也隨之變化,但兩者的差值變化不大,即I值變化主要取決於刀具的破損狀態,而與切削條件變化的影響關係不大。但在實際生產中,較大的電網電壓波動和周圍設備的啟動、停機都會影響I1值,因此,還應監測電網電壓的波動,並去除其對電機電流的影響。此時,用電機電流監測刀具破損的判別式應為

I=|I1-I0|-F|U1-U0|ΣK閾 (2)

式中:U1——某一時刻電壓實測值;
U0——切削開始時的電壓值;
F——電網電壓波動引起電流變化的比率。

2 監測系統的組成及其特點

刀具破損監測系統如圖3所示。圖中,電機電流處理模塊用於處理霍爾感測器輸出的表示電機電流大小的電壓信號,此信號為時域幅值信號,經一定運算,得到式(2)的I和U值,再經A/D轉換,由微機處理,AE信號處理模塊的結構如圖4所示。圖2所示實驗結果表明,切削刀具破損的AE信號頻率範圍在300~500kHz之間,為有效地放大AE感測器輸出的mV級信號,需採用寬頻高增益的兩級放大電路。為正確地提取有用的AE信號,後接100~600kHz帶通濾波器,經檢波處理后,與檢波器2輸出的幅值信號同時送給計算機,作兩路信號的比較處理,以得到刀具破損的AE信號的幅值及其頻率分佈。計算機對AE感測器的信號和霍爾感測器的信號進行綜合處理、分析,以確定刀具的破損狀態。

監測系統組成框圖

AE信號處理模塊結構


監測系統的工作原理。

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