張秀軍　蒙旭喜　盧帥

摘 要：在機床的加工過程中經(jīng)常會出現(xiàn)刀具磨損，崩刃和折斷的現(xiàn)象，如果能及時檢查發(fā)現(xiàn)可以避免下一個工件使用壞的刀具進行加工。但如果發(fā)現(xiàn)不及時就會產(chǎn)生大量的報廢品，這種情況多出現(xiàn)在大批量的流水線生產(chǎn)當中，如機械制造業(yè)等。如何在線自動的預(yù)測及檢測刀具出現(xiàn)的異常突發(fā)問題呢？如何讓機床具有自動的檢測功能呢？本文結(jié)合生產(chǎn)的實際應(yīng)用并從最終使用用戶的角度出發(fā)，介紹幾種刀具檢測模塊在機床中的應(yīng)用，從系統(tǒng)上和結(jié)構(gòu)上闡述各檢測方式的特性和適用范圍。一個好的刀具管理系統(tǒng)和在線檢測技術(shù)，不僅能提高加工生產(chǎn)率、降低勞動成本，而且對于產(chǎn)品優(yōu)化組合、減少故障率都會起到非常關(guān)鍵的作用。

關(guān)鍵詞：刀具在線檢測 失效模式 視覺檢測 電流比較器 振動傳感器 扭矩檢測

Brief Analysis of the Specific Application of Broken Tool Detection Device in CNC Machine Tools

Zhang Xiujun，Meng Xuxi，Lu Shuai

Abstract：In the processing of the machine， tools would often wear， and chipping and breaking phenomenon also happens frequently. But these phenomena can be avoided if check timely. However， if do not check in time， a lot of scrap will be generated， such situation often happens in mass production lines， such as machinery manufacturing. How to predict and detect automatically unexpected problems？ How to make machines with automatic detection function？ In this paper， the practical application of production from the end user's point of view is studied. Introduction of several test modules in the machine tool's applications， ranging from elaborate systems and structural characteristics of various testing methods and the scope of application are also discussed. A good tool management system and online testing technology， can improve processing productivity， reduce labor costs， and optimize the product mix and reduce the failure rate， which will play a key role.

Key words：line inspection tool， failure mode， visual inspection， current comparator， vibration sensor， torque detection

在機械制造行業(yè)中，由于產(chǎn)品大部分都是金屬制品，在加工的過程中切屑力很大，毛坯硬度不均勻的時候，經(jīng)常出現(xiàn)刀具折斷和崩刃的現(xiàn)象。在自動化程度高，長時間不間斷的流水線生產(chǎn)中，這種現(xiàn)象更加的明顯，如果發(fā)現(xiàn)不及時那很容易造成大批量的產(chǎn)品報廢，嚴重影響生產(chǎn)的順利進行。而在每加工完一件就人工的檢查刀具是否存在問題，那相當?shù)睦速M生產(chǎn)時間，定期抽檢又不能很好的控制問題的發(fā)生。鑒于上述的多方面的客觀因素，產(chǎn)品生產(chǎn)用戶就希望機床本身具有刀具自動在線檢測功能。在每把刀加工件前先進行刀具檢測，機床確認刀具沒有任何問題，仍在壽命周期內(nèi)后，再進行切削；或者通過監(jiān)控加工過程中某些特殊信息的方式實時監(jiān)控刀具的狀態(tài)，當?shù)毒咄蝗怀霈F(xiàn)異常時檢測系統(tǒng)就會馬上觸發(fā)機床發(fā)出報警提示。可見只有通過這些方法才能在線自動的檢測刀具的工作狀態(tài)，保證機床生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品及保證生產(chǎn)效率。

1 刀具負載模型的建立

切削加工過程中刀具所受的負載與很多因素有關(guān)，根據(jù)在線檢測的要求，僅考慮幾個較大的影響因素，即主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、切削深度、加工材料的切削性能 4 個因素，則刀具負載的模型為

F=f（s，v，h，m）

式中：

F—負載向量；

h—切削深度；

s—主軸轉(zhuǎn)速；

m—材料的切削性能；

v—進給量。

很明顯，上式僅能說明負載與各個影響因素有關(guān)，可以用微分幾何的數(shù)學(xué)方法或?qū)嶒灥姆椒ń⑾鄳?yīng)的關(guān)系式，但應(yīng)用于在線檢測效果并不理想。在此，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)處理該刀具的負載模型。

2 刀具在線檢測原理

刀具在線檢測原理如圖1所示。

首先測出刀具的切削深度和進給量，連同主軸轉(zhuǎn)速和加工材料的類型一起輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器進行負載計算，得出的負載輸入至檢測器。檢測器輸出的結(jié)果與輸入信號進行比較，若該負載超過刀具的疲勞條件下的裂紋擴展負載，則減小刀具的進給速度，并將進給速度的減小量反饋到CNC 控制器，使CNC 控制器做出相應(yīng)的控制，以使得負載的大小改變到安全的水平。

3 刀具在線檢測的五種方式

3.1 刀長檢測方式

檢測刀具的長度有很多種方式，本文介紹兩種比較常見的方法。對于孔類鉆削機床檢測軸向距離比較長的刀具如鉆頭等有很廣泛的實際應(yīng)用。

第一種刀長檢測方式如圖2所示，利用安裝在機床加工倉頂部（或不影響正常加工的區(qū)域）的接觸式位移傳感器或接近傳感器， 通過程序控制的方式，在每加工完一個零件后（或加工前），主軸自動移動到傳感器的前面，讓傳感器檢測刀具的長度。如果刀具發(fā)生折斷，長度不夠傳感器就沒有檢測到刀具的存在，檢測系統(tǒng)就會觸發(fā)報警。從而實現(xiàn)了刀長的檢測。選用的檢測傳感器精度越高，則就能檢測出微小的刀尖變化。該方式也可應(yīng)用于主軸刀具的防錯檢測，如錯誤的安裝了一把過短的刀具，則系統(tǒng)也會觸發(fā)報警。

3.2 視覺檢測方式

視覺檢測方式是在機床加工前或后主軸攜帶刀具移動到特定的位置后，通過高分辨率的工業(yè)攝像機對刀具進行攝像或拍照， 獲得刀具的形狀像素信息，再與存儲在控制模塊中的標準像素信息進行如顏色，對比度，灰度，亮度，邊緣光澤等的對比，而獲得刀具當前的工作狀態(tài)，此方式可檢測刀具的磨損，崩刃和折斷。

此方式需要機床加工倉內(nèi)部環(huán)境比較高，照明條件好，油霧較少，且視覺系統(tǒng)需要進行特殊的防護。但可以檢測多種刀具的形狀，使用在某些加工中心中，可以實現(xiàn)一機多用。

如圖3所示為日本KEYENCE 3D視覺系統(tǒng)對鉆頭刀尖進行的圖像捕捉，通過像素分析刀尖的形狀來判斷刀具的磨損程度。

基于計算機視覺系統(tǒng)的刀具圖像監(jiān)測法作為一種直接刀具狀態(tài)監(jiān)測方法，正受到越來越多的關(guān)注。這種監(jiān)測法是非接觸性的，對于在線監(jiān)測系統(tǒng)來說，利用各次走刀之間的空行程進行刀具磨、破損狀態(tài)監(jiān)測，根據(jù)事先建立的監(jiān)控模型對所獲取的刀具磨損區(qū)域圖像進行自動判斷，若達到設(shè)定的閾值，則啟動報警環(huán)節(jié)。

3.3 電流檢測方式

電流的檢測方式，如圖4，是一種間接的動態(tài)的檢測方式，即在正常的切削過程中，利用電流比較模塊通過連接到變頻器或伺服模塊監(jiān)控刀具進給軸（或刀具旋轉(zhuǎn)軸）電機的電流，間接的檢測刀具的狀態(tài)。因為正常進入加工循環(huán)后，刀具正常切削工件，進給軸電機的電流會比較恒定且有規(guī)律，不會出現(xiàn)明顯的突變 ，而且對于每一個工件的加工過程電機的電流時間特性曲線圖應(yīng)該很相似。

進入Ta階段，即為刀具開始接觸到工件，隨著刀具進入工件的深度曲線圖會逐漸的上升，當?shù)毒吲c工件完全接觸后，曲線圖會穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)?？赏ㄟ^時間設(shè)定的方式，從Ta開始經(jīng)過了一定的時間，電流仍沒有達到Missing Limit，則說明刀具沒有裝上或刀具已經(jīng)從主軸上脫落。如果整個電流曲線高于Blunt Limit，則說明加工過程中切削阻力很大，可能刀具已經(jīng)發(fā)生磨損變鈍了或者發(fā)生崩刃的現(xiàn)象了，需要更換刀具。如果在曲線圖上突然有一個很高的尖峰，且超過了Break Limit曲線瞬間的突變，則說明了刀具發(fā)生了明顯的折斷或崩刃，這樣檢測系統(tǒng)也會馬上觸發(fā)報警。而當完成加工后即可關(guān)閉刀具的監(jiān)控系統(tǒng)，在下一個循環(huán)的時候再重新激活，這樣反復(fù)的關(guān)閉激活，通過機床的PLC來控制即可實現(xiàn)。另外，為了避免加工過程中出現(xiàn)誤報警，各上下限值需要根據(jù)加工經(jīng)驗來設(shè)定，特別是Blunt Limit值，需要根據(jù)刀具的壽命，工件加工質(zhì)量來確定。

這種刀具檢測方式，由于沒有與刀具發(fā)生接觸，檢測模塊很方便的放置在加工倉外面，且能檢測很多的刀具類型，如鉆頭，車刀，銑刀等。通過靈活的設(shè)定上限值，可適應(yīng)不同的加工工藝。如圖4仿波形的上限值，對于檢測要求很高的精加工及切削量比較少的刀具，仍可以很好的判斷刀具的工作狀態(tài)。如圖5階梯的上限值，可以監(jiān)控加工階梯孔的刀具。

3.4 振動檢測方式

振動檢測方式，即通過安裝在主軸上的振動傳感器，監(jiān)控主軸在加工過程中的振動波形（如果是聲波傳感器則為噪音波形）的特性來檢測刀具的狀態(tài)。如圖6為采用德國ARTIS振動檢測系統(tǒng)的波形圖。其監(jiān)控的原理和電流監(jiān)控方式相類似。刀具在正常的加工過程中主軸的振動特性是一個有規(guī)律的波形圖，如發(fā)生磨損，崩刀或斷刀主軸的振動特性也會在瞬間發(fā)生變化，超過設(shè)定值就會觸發(fā)報警提示。這樣便可檢測出刀具的狀態(tài)。如圖7紅色的波峰，很明顯地說明刀具出現(xiàn)了異常，發(fā)生折斷或崩刃了。

這種方式多應(yīng)用于加工過程刀具不需要旋轉(zhuǎn)的機床中，且具有很好的檢測效果，如車削。

3.5 扭距檢測方式

扭距檢測方式，即是通過安裝在主軸的小型的力學(xué)傳感器，檢測主軸的力學(xué)變化，再轉(zhuǎn)化為扭距的檢測方式。其檢測原理和上限值的設(shè)定與電流檢測方式和振動檢測方式類似，在此就不一一介紹了。扭矩檢測方式廣泛應(yīng)用在加工中刀具需要旋轉(zhuǎn)的機床，如鉆削，銑削，攻絲，磨削等。

4 結(jié)論

根據(jù)不同的加工工藝，不同的加工環(huán)境，不同機床結(jié)構(gòu)等，合理地選出相匹配的刀具檢測方式，不能盲目的所有的加工工藝都選用同一種檢測方式，因為刀具檢測系統(tǒng)畢竟是機床的一個輔助功能，要做到物有所值，物盡其用即可。只有清楚每一種檢測方式的功能原理，工件的加工工藝，機床的機構(gòu)后，才能選出合適的刀具檢測方式。

隨著被加工零件的變化和刀具磨損、破損，需要定時強制性換刀和隨機換刀。系統(tǒng)運行過程中，刀具頻繁的在各機床之間、機床與刀庫之間進行交換，刀具流的運輸、管理和監(jiān)控是很復(fù)雜的。因此，需要有一個先進、實用、功能完善的刀具管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)中刀具的調(diào)度、儲存及信息管理等任務(wù)。切削刀具破損的實時監(jiān)控是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、無人化，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，減少設(shè)備故障的重要手段。在刀具破損監(jiān)測的研究中，各國學(xué)者提出了很多方案，如采用監(jiān)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于實驗室階段，少數(shù)方法如監(jiān)測電機電流、主軸扭矩等開始用于生產(chǎn)實際。本文提出采用AE信號和監(jiān)測主軸電機電流的雙參數(shù)綜合方法來判斷切削刀具的破損狀態(tài)，該方法受切削條件的影響小，具有監(jiān)測精度高、系統(tǒng)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。刀具損壞，由于高速銑削刀具價格較貴，刀具的損壞嚴重縮短了刀具的使用壽命，增加了高速銑削加工的成本。因此，控制刀具的損壞，加強刀具的檢測對高速銑削具有重要意義。

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