近年來(lái)，由于工業(yè)自動(dòng)化的飛速發(fā)展，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)要求越來(lái)越高.同時(shí)，對(duì)FMS，CIMS等重大昂貴設(shè)備的故障在線監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及控制的要求更加迫切.目前，對(duì)刀具切削狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的眾多方法中，聲發(fā)射(AE)方法能連續(xù)監(jiān)視刀具損傷的全過(guò)程，它避開(kāi)了生產(chǎn)過(guò)程中振動(dòng)和音頻噪聲污染嚴(yán)重的低頻區(qū)，而且?guī)缀醪皇懿牧系南拗?但是，目前國(guó)內(nèi)外大多使用接觸型聲發(fā)射傳感器，不僅使用不方便，且容易受到工況環(huán)境的干擾；國(guó)內(nèi)外學(xué)者使用了模糊模式識(shí)別及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)的技術(shù)和算法，提高了檢出率，但降低了實(shí)時(shí)性，并使系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性下降.
　　作者研究了一種適合自動(dòng)化加工過(guò)程在線監(jiān)測(cè)刀具破損的智能化聲發(fā)射傳感監(jiān)控系統(tǒng)，它把傳感器、前置放大器、信號(hào)處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)集成為一體，且體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，可直接安裝在機(jī)床主軸旁邊，操作簡(jiǎn)便、安裝方便、靈敏度高且抗干擾能力強(qiáng).
　　1　監(jiān)控系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)
　　金屬或非金屬材料在斷裂或裂紋擴(kuò)展時(shí)會(huì)出現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)突發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)，這些聲發(fā)射信號(hào)頻率大于100kHz，比正常切削的AE信號(hào)大4～5倍，持續(xù)時(shí)間為0.2～1.0ms，因此只要能鑒別聲發(fā)射信號(hào)的頻率、幅值和持續(xù)時(shí)間，便可識(shí)別刀具破損信號(hào).由于刀具破損聲發(fā)射信號(hào)頻率高，所以只有采用高速信號(hào)采集器才能提取到原始聲發(fā)射信號(hào)，若對(duì)其包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行采集處理則可降低對(duì)后續(xù)識(shí)別處理電路的要求.信號(hào)識(shí)別原理如圖1所示.通過(guò)對(duì)檢波信號(hào)進(jìn)行幅值鑒別來(lái)識(shí)別AE信號(hào)的大小，然后再通過(guò)鑒別脈寬識(shí)別AE信號(hào)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，即采用幅值和脈寬的雙閾值判別法就可識(shí)別刀具破損的聲發(fā)射信號(hào).采用雙閾值判斷，是由于僅用幅值閾值判斷，常常會(huì)有一些非刀具破損的干擾脈沖信號(hào)造成誤報(bào)警，實(shí)驗(yàn)表明刀具破損AE信號(hào)持續(xù)時(shí)間比干擾脈沖長(zhǎng)，因此只有超過(guò)幅值閾值且持續(xù)時(shí)間為0.2ms以上的AE信號(hào)才判斷為刀具破損.
　　監(jiān)控儀沒(méi)有采用傳統(tǒng)的接觸式AE傳感器，而是使用作者研制的流體傳遞信號(hào)的新型AE傳感器(集成在監(jiān)控儀內(nèi))，使用時(shí)把它安裝在機(jī)床原有的潤(rùn)滑冷卻液管道安裝處，刀具破損時(shí)，AE信號(hào)通過(guò)潤(rùn)滑冷卻液，以與潤(rùn)滑冷卻液流動(dòng)方向相反的方向傳遞到監(jiān)控儀.對(duì)于AE信號(hào)來(lái)說(shuō)，這些液體是良好的媒質(zhì).傳播頻率范圍大，從幾Hz到幾十MHz，并且由于液體中只能傳播縱波，所以信號(hào)傳播過(guò)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)的衰減較小，這為利用流體作為聲發(fā)射信號(hào)的傳播媒體提供了保障.由于這種安裝方式信號(hào)傳遞路程短，傳遞路徑中無(wú)其它接觸面，因而靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng).由于監(jiān)控儀內(nèi)采取了特殊的消除振動(dòng)和噪音的自適應(yīng)濾波器，所以盡管儀器安裝在振動(dòng)噪聲影響很大的機(jī)床主軸附近也不會(huì)造成誤報(bào)警.
　　從主軸傳來(lái)的振動(dòng)、噪聲等干擾信號(hào)主要是通過(guò)傳感器殼體傳入的，本系統(tǒng)采用的特殊自適應(yīng)濾波器，可以把來(lái)自殼體的各種干擾信號(hào)濾去，而保留從流體介質(zhì)傳來(lái)的刀具破損AE信號(hào).經(jīng)自適應(yīng)濾波后的信號(hào)進(jìn)入高通濾波器(截止頻率100kHz)，經(jīng)過(guò)高通濾波后的AE信號(hào)有一定的衰減，經(jīng)再次放大后進(jìn)入檢波器，檢波后的AE信號(hào)進(jìn)入比較器進(jìn)行波形鑒別.首先對(duì)AE信號(hào)的包絡(luò)進(jìn)行幅值比較，當(dāng)其達(dá)到預(yù)先設(shè)定的幅值閾值時(shí)，比較器1觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，開(kāi)始輸出信號(hào)，接著進(jìn)入脈寬比較，即信號(hào)進(jìn)入積分器開(kāi)始進(jìn)行積分，積分器依下面的計(jì)算式工作：
　　式中　Uo(t)為積分器的輸出； K為由電路參數(shù)確定的常數(shù)； Ui(t)為積分器的輸入，即比較器1的輸出； Uo(0)為開(kāi)始積分時(shí)刻積分器的輸出，由電路參數(shù)調(diào)整為0.
　　比較器1的翻轉(zhuǎn)信號(hào)積累一定的時(shí)間，積分器的輸出高于預(yù)先設(shè)定的脈寬閾值時(shí)，比較器2觸發(fā)翻轉(zhuǎn)(當(dāng)積分器輸出低于脈寬閾值時(shí)，認(rèn)為是沖擊干擾).由比較器2輸出信號(hào)觸發(fā)報(bào)警電路，給出機(jī)床停機(jī)信號(hào).這樣的監(jiān)測(cè)處理方法完全由硬件電路實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，是一種較好的監(jiān)測(cè)刀具破損的實(shí)用方法.
　　2　刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
　　它是由傳感腔和電子電路腔組成.傳感腔由傳感元件接收信號(hào).電子電路腔包括電源模塊、前置處理模塊、后置處理模塊、控制模塊4部分.它們除實(shí)現(xiàn)上述的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)處理外，報(bào)警后還可以給出機(jī)床的控制信號(hào)使機(jī)床停機(jī).同時(shí)以聲光報(bào)警提示用戶(hù)，并給出繼電器報(bào)警輸出接口供用戶(hù)選用.傳感腔、電子電路腔及電子電路腔內(nèi)各電路板都采用模塊化設(shè)計(jì)，它們之間采取接插式連接，便于維護(hù)更換.由于工業(yè)電磁的噪聲使監(jiān)控儀工作環(huán)境比較惡劣，對(duì)監(jiān)控儀進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì).同時(shí)依據(jù)電磁兼容設(shè)計(jì)原理采取了一點(diǎn)接地、殼體屏蔽結(jié)構(gòu).經(jīng)電鉆、機(jī)床的啟停等電磁和電源干擾實(shí)驗(yàn)，證明采取的一系列措施是有效的.
　　3　實(shí)　驗(yàn)
　　在CA6140普通車(chē)床上進(jìn)行了鉆頭破損實(shí)驗(yàn)，直接使用機(jī)床上的冷卻潤(rùn)滑液系統(tǒng)，監(jiān)控儀串接在冷卻潤(rùn)滑液撓性管的根部，冷卻潤(rùn)滑液為20#機(jī)油.以不同直徑(0.5～2.1mm)的高速鋼麻花鉆頭和不同的切削參數(shù)(切削速度：400～1400r/min，進(jìn)給量：0.028～0.036mm/r)鉆削45#鋼和硬鋁，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了56次，成功率為98%.
　　在RE3020加工中心上進(jìn)行了高速鋼麻花鉆頭破損實(shí)驗(yàn)，工作材料為45#鋼，冷卻潤(rùn)滑液為20#機(jī)油.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表.
　　　　加工中心上鉆頭破損實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表
　　　　刀具直徑/mm 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
　　　　主軸轉(zhuǎn)速/
　　　　(r.mim-1) 進(jìn)給量/
　　　　(mm.min-1) 實(shí)驗(yàn)次數(shù) 成功次數(shù)
　　　　0.5 2000 40 15 15
　　　　0.8 2000 40 20 20
　　　　1.0 2000 40 10 10
　　　　1.5 1000 40 　5 　5
　　　　2.0 　600 40 　2 　2
　　在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，人為敲擊傳感器殼體和加工中心主軸，以及加工中心啟停、變速等都沒(méi)有引起誤報(bào)，證明了該儀器具有較強(qiáng)的抗干擾能力.
　　本智能監(jiān)控儀主要應(yīng)用于刀具破損的在線實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控，也可應(yīng)用于其它的金屬和非金屬動(dòng)態(tài)裂紋監(jiān)測(cè)。