基于arm刀具磨损声谱监测系统设计论文

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1、1前言1.1刀具磨损状态监测的意义在传统的机械加工环境中，以人为主体，对于加工过程中出现的各种状况都通过人的直觉来判断，通常是通过加工过程中所产生的噪音和所加工工件的质量来判断工况，既方便又简单，但是存在很大的误差，也会因为工人水平的不同而参差不齐，目前，机械制造业正在向柔性化、无人化方向发展，随着柔性制造系统和集成制造系统的发展，机械加工系统的自动化程度日益提高，就要求对加工过程中出现的故障进行有效的监测。刀具作为机械设备加工的执行者，其磨损状态直接影响加工工件的质量，刀具的磨损不仅会影响加工工件的精度和表面质量、降低生产

2、效率，而且会提高加工成本，严重时还会影响加工系统的正常运行和工人的安全，造成不必要的损失。切削过程是一个非常复杂的过程，刀具的切削动作势必会影响刀具的状态。制造业是一个国家的基础产业，关系到国计民生，而刀具是制造业中重要的部件，它的发展关系到制造业的发展和进步，又因为刀具的磨损会直接影响加工件的尺寸和表面质量，因此，能否及时的获取刀具的磨损程度显得尤为重要，以便根据刀具的磨损状态及时的更换刀具或是进行尺寸补偿，这样可以降低工件的报废率，提高生产效率，降低生产成本，提升企业的竞争力。鉴于此，在加工过程中，及时定量的掌握刀具的状

3、态，监测刀具的磨损量和崩刃等故障，对于延长刀具的寿命，提高生成效率，获得高精度的工件具有重要的意义。1.2国内外的研究现状及存在的问题目前，国内外的许多机构和学者已经开展了对刀具状态实时监测的研究[1]-[6]，针对不同的加工方法及切削条件，提出了许多监测方法。根据加工过程和所使用的传感器的种类不同，目前国内外所采用的自动监测刀具状态的方法可归结为两类[1]：一类是直接监测法，包括接触、光导纤维和电视摄像和光学法等，直接监测法就是利用切削过程中刀具的形状、位置等参数来判断刀具的磨损状态，一般只能用于离线监测，由于该种方法不能

4、实时的判断刀具的状态，可能会使所加工的工件因不合格而报废，因此此类方法已被淘汰。另一类是间接监测法，它包括切削力、扭矩、主轴电机功率、切削振动、切削温度、工件尺寸、工件表面粗糙度、声发射、切削声信号的测量、双信号监测等方法。二者的比较见表1-1[1]，其中说明了目前国内外已经进行或正在开发的各种检测方法所使用的传感器、适用范围、原理和各自的优缺点。刀具磨损的检测是计算机技术与传感技术结合的产物。刀具的破损监测是最早提出的研究方向，破损是刀具的主要失效形式之一，特别是由脆性材料制成的刀具（如硬质合金、陶瓷刀具等），由于刀具的破

5、损监测技术已经比较成熟并已应用于生产，因此近些年来很多学者将研究的方向转向刀具磨损的在线监测上来。切削过程中，刀具的磨损在所难免，由于刀具的磨损是一个缓慢、渐进的过程，所以对刀具的磨损进行实时在线的监测的研究方法尚未成熟。表1-1常见的刀具监测方法监测方法传感器工作原理使用范围及特点直接法光导纤维和电视摄像光纤、光学传感器、摄像机利用磨损面反射的光线或摄像机摄像，再经图象处理和识别在线、非实时监测多种刀具磨损及破损，可现直观图像。价格较高，正在进行实用化开发接触测头、靠模、磁间隙传感器检测切削刃位置用于车、钻、铣等，简便，但

6、易受切屑及切削温度影响，不能实时检测，有一定的应用前景放射性技术放射性元素刀具里注入同位素，测切屑中的放射性用于各种切削加工，不受加工环境影响，但需要解决防护问题，实时性差。应用前景小间接法切削温度热电偶测工件、刀具间切削温度的突发增量用于车削，灵敏度较低，不能用于有冷却液的情况，应用前景小测表面粗糙度激光传感器红外传感器测加工表面粗糙度变化量用于车、铣等，非实时检测，其应用受到一定局限振动加速度计、振动传感器检测加工过程的振动信号及其变化用于车、铣、钻等，灵敏，实地检测，有应用前景，但需解决刀具的自激振动及环境噪声的干扰切

7、削力应变力传感器压电力传感器检测切削力、切削分力的比值及其变化率用于车、铣、钻等，简便，实时检测，应用较广，有产品供应.但需改动机床部件功率互感器、分流器、功率传感器主电机或进给电机功率及其变化率用于车、铣、钻等，成本低，易使用，实时检测，可实现自适应加工，有商品供应，有应用前景声发射声发射传感器检测加工过程中的声发射信号及其特征参量用于车、钻、攻丝、铣等，灵敏。实用，实时监侧，有较广应用前景，有商品供应1.3本课题的提出在刀具的切削过程中会产生大量的声音信号，切削声信号是其中的一种，声音信号的幅值和频率会随刀具的磨损状态而

8、变化，有经验的工人可以根据切削过程中所产生的声音信号来判断刀具的磨损状态，由于工人的水平和工作状态不尽相同，因此该方法得不到推广，这也反映了利用声音信号进行刀具磨损监测是一种可行的方法。在利用切削声信号监测刀具磨损方面，许多学者也做了一些研究。厦门电视大学的张纪锁等[2]选取切削声的频带声