刀具破損的聲發(fā)射傳感監(jiān)測新技術(shù)
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隨著FMS、CIMS的日益廣泛使用，機械加工正朝著自動化、無人化方向迅速發(fā)展，加工過程中刀具的狀態(tài)監(jiān)測已成為制約切削加工發(fā)展的重要因素。聲發(fā)射(Acoustic Emission-AE)方法是近些年來發(fā)展起來的最有前途的監(jiān)測方法之一，由于它監(jiān)測的是刀具磨損和破損時產(chǎn)生的高頻彈性應(yīng)力波信號，避開了加工過程中振動和音頻噪聲污染嚴(yán)重的低頻區(qū)，在所感興趣的頻率范圍內(nèi)靈敏度較高，抗干擾能力強，因而，在刀具切削狀態(tài)的監(jiān)測中得到廣泛采用〔1〕〔2〕。目前，在國內(nèi)外用聲發(fā)射監(jiān)測刀具切削狀態(tài)時，大多使用接觸型聲發(fā)射傳感器，這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低。不利之處是實際環(huán)境噪聲干擾易造成其誤判；因聲發(fā)射信號在接觸界面處傳播時損耗很大，一般要求將傳感器安裝在工作臺或刀桿上，這就帶來了信號傳輸和傳感器安裝難的問題。
針對以上問題，作者提出了一種新型非接觸型聲發(fā)射傳感器，此種傳感器利用流體(液體或空氣)傳播聲發(fā)射波，并集寬頻帶、高增益的前置放大器于一體，具有抗干擾和驅(qū)動能力強，靈敏度高，安裝使用方便的優(yōu)點。傳感器的另一個特點是前置放大器采用對數(shù)放大器，大大地拓寬了傳感器的輸入信號動態(tài)范圍。
2 新型非接觸聲發(fā)射傳感器的結(jié)構(gòu)
針對傳統(tǒng)聲發(fā)射方法的不足，在深入研究了金屬材料間的摩擦和磨損聲發(fā)射的機理、聲發(fā)射波傳播和衰減規(guī)律的基礎(chǔ)上〔3〕，研制了一種利用液體介質(zhì)傳遞刀具切削狀態(tài)信息的新型非表面接觸式聲發(fā)射傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，使用時安裝在機床原有的潤滑冷卻管的噴嘴上，刀具破損時，AE信號通過潤滑冷卻液，以和潤滑冷卻液流動相反的方向傳遞到傳感器，然后進(jìn)入監(jiān)測儀進(jìn)行分析處理。對于AE信號來說，這些液體是良好的媒質(zhì)。傳播頻率范圍大，從幾赫茲到幾十兆赫茲，并且由于液體中只能傳播縱波，所以信號傳播過程中的干涉損失小，信號失真小，在一定的邊界條件下，還可以保證隨傳播距離變化信號有較小的衰減。這為我們利用流體作為聲發(fā)射信號的傳播提供了保障。圖2所示，是傳感器在加工中心機床上安裝使用示意圖。這種傳感器由于信號傳遞路線短，傳遞路徑中無其它接觸面，因而靈敏度高、抗干擾能力強。
考慮到在加工鑄鐵材料或高速切削時不使用冷卻潤滑液，作者還研制了一種空氣傳導(dǎo)聲發(fā)射傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。它的使用方案與液體聲發(fā)射傳感器完全相同，也安裝在潤滑冷卻管的噴嘴上。這種傳感器以自由空氣作為傳播AE信號的介質(zhì)，由于聲波波陣面的擴(kuò)散且空氣密度小，AE傳播過程中衰減大。所以，要求傳感器具有高的靈敏度和抗干擾能力。在設(shè)計傳感器時，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和選用靈敏度高、信噪比高的敏感元件材料來克服以上缺點。經(jīng)實驗驗證〔4〕，此傳感器取得了良好的效果。
為適應(yīng)多變的工況，作者還研制了將前述兩種傳感器集成于一體的液氣組合傳導(dǎo)聲發(fā)射傳感器，在一個傳感器上，可以利用液體和空氣來傳導(dǎo)聲發(fā)射信號。同時當(dāng)無冷卻潤滑液時，它相當(dāng)于一個空氣傳導(dǎo)聲發(fā)射傳感器；當(dāng)有冷卻潤滑液時，可以同時利用兩路信號監(jiān)測刀具狀態(tài)，提高監(jiān)測信息的“冗余度”。它的使用方法也和前述兩種傳感器一樣。
3 刀具破損的聲發(fā)射信號處理方法
如圖4所示，刀具破損的聲發(fā)射信號，頻率一般大于100kHz，持續(xù)時間為200微秒～1毫秒左右，比正常切削信號大4～5倍以上，因此需高速信號采集器才能提取到原始AE信號，若對其包絡(luò)信號進(jìn)行采集便可降低采樣頻率，采用成本低廉的采集板。圖5所示為刀具破損的AE信號處理框圖。
來自傳感器的AE信號經(jīng)過放大，高通濾波，取包絡(luò)后進(jìn)行閾值比較。這里采用了雙閾值判別法，即既進(jìn)行幅值比較又進(jìn)行脈寬比較的判別方法。先對聲發(fā)射信號的包絡(luò)進(jìn)行幅值比較，當(dāng)包絡(luò)信號超過某設(shè)定的閾值時，開始進(jìn)行脈寬比較，當(dāng)脈寬超過另一設(shè)定閾值時，認(rèn)為出現(xiàn)刀具破損的異常狀態(tài)，停機報警。當(dāng)聲發(fā)射的包絡(luò)幅值信號低于設(shè)定的閾值時，脈寬比較器不工作。當(dāng)聲發(fā)射的包絡(luò)幅值信號超過設(shè)定的閾值，但脈寬沒有超過設(shè)定的閾值時，仍不會出現(xiàn)異常狀態(tài)
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