| 机械加工过程的传感检测技术
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| 刀具/砂轮的检测传感 |
| 切削与磨削过程是重要的材料切除过程。刀具与砂轮磨损到一定限度（按磨钝标准判定）或出现破损（破损、崩刃、烧伤、塑变或卷刀的总称），使它们失去切／磨削能力或无法保证加工精度和加工表面完整性时，称为刀具／砂轮失效。工业统计证明，刀具失效是引起机床故障停机的首要因素，由其引起的停机时间占NC类机床的总停机时间的1／5～1／3。此外，它还可能引发设备或人身安全事故，甚至是重大事故。因此，现代制造领域对刀具与砂轮的失效监视的研究开发由来已久。近20年来，在刀具的破损和磨损监视中有了许多重要的进展，见表1。 |
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表 1 现有切削过程刀具监视状况
| 与时间关系密切的监视项目 |
与时间关系不密切的监视项目 |
· 刀具/砂轮的破损
· 切削力/扭距、切屑状态
· 刀具/砂轮与工件的接触
· 砂轮修整
· 与机床的碰撞
· 颤震或过程异常 |
· 刀具/砂轮的磨损
· 刀具/砂轮装卡可靠性
· 热变形
· 切/磨削功率
· 刀具/砂轮的补偿
· 冷却润滑 |
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| 表2与表3分别表示刀具／砂轮磨损和破损的传感方法。 |
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表 2 刀具/砂轮磨损的传感方法
| 传 感 方 法 |
应 用 场 合 |
主 要 特 性 |
直
接
法 |
光学图像法 |
砂轮、刀具磨损传感 |
分辨率：0.1～0.2μm，精度：1～5μm，实用化要求条件严，主要用于非实时传感检测中 |
| 接触法 |
车刀、钻头 |
灵敏度：10μm左右，切屑和温度变化的影响 |
| 放射线法 |
各种切削刀具 |
不切屑、冷却润滑液与切削温度的影响，实用化要求严格的防护，使用存在心理障碍 |
间
接
法 |
切削力/扭矩法 |
车、钻、镗、铣与攻螺纹刀具 |
灵敏度：20～100μm，其中比切削力法与功率谱分析法有应用前景 |
| 功率/电流法 |
车、铣等刀具 |
灵敏度低，响应时间长，易使用，价廉 |
| 切削温度 |
车削 |
灵敏度低，响应时间更长，不能用冷却润滑液 |
| 刀具-工件距离探测法 |
车削等 |
分辨率：0.5～2μm，用于实验研究中 |
| 振动分析法 |
车、铣削 |
工作精度主要取决于DDS模型精度，有一定的工业应用前景 |
| 声与声振动分析法(AE法、噪声、声振等) |
车、铣、镗、钻、攻螺纹、拉削与磨削 |
多数已实用化，有工业应用前景，识别成功率：90%～97% |
| 多感知融合法 |
多传感器组合/融合识别 |
车、铣、镗、钻等高成功率监视 |
分辨率：≤0.2μm，有工业应用前景，识别成功率高(≤95%) |
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表 3 刀具/砂轮破损的传感方法
| 传感参数 |
传感原理 |
传感器 |
主要特性 |
直
接
法 |
光学图像 |
光反射、折射、傅氏传递函数变换、TV摄像 |
光敏、激光与光纤传感器、CCD、摄像TV |
可视性强，检测精度较高，但在线实用化要求严格的使用条件 |
| 接触 |
电阻变化、开关量、磁力线变化 |
电阻片、集成电阻电路、开关电路、红外、磁间隙传感器 |
简便，受切削温度、切屑等影响，不能实时监视 |
间
接
法 |
切削力 |
切削力变化、切削分力比率 |
应变片、动态应变仪、力传感器 |
灵敏，实用化主要障碍是阈值的确定与安装方便性 |
| 扭矩 |
主电动机、进给或主轴系统的扭矩 |
应变片、角度传感器、霍尔器件 |
成本低，较易使用，灵敏度低 |
| 功率 |
主电动机或进给电动机的功率 |
霍尔器件、互感器、功率表 |
成本低，易使用，灵敏度低，有商品供应，可实用化 |
| 振动 |
过程振动参数及其变化、FFT分析 |
加速度传感器、振动传感器、动态测量仪 |
灵敏，识别较难，有工业应用前景 |
| 超声波 |
接收主动发射的超声波的反射 |
超声波换能与接收器 |
受切削振动影响，可实现扭矩限制，主要用于实验研究中 |
| 噪声 |
切削区噪声的模式分析 |
传声器 |
可同时识别多种切削状态，识别较复杂，主要用于实验研究中 |
| 声发射(AE) |
破损时的突发信号识别 |
多种声发射传感器 |
灵敏，响应时间短，已开始实用化，有系列产品 |
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