隨著FMS、CIMS的日益廣泛使用，機(jī)械加工正朝著自動(dòng)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(shí)產(chǎn)生的高頻彈性應(yīng)力波信號(hào)，避開了加工過程中振動(dòng)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(qiáng)，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(shí)，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(shí)際環(huán)境噪聲干擾易造成其誤判；因聲發(fā)射信號(hào)在接觸界面處傳播時(shí)損耗很大，一般要求將傳感器安裝在工作臺(tái)或刀桿上，這就帶來了信號(hào)傳輸和傳感器安裝難的問題。
針對(duì)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(dòng)能力強(qiáng)，靈敏度高，安裝使用方便的優(yōu)點(diǎn)。傳感器的另一個(gè)特點(diǎn)是前置放大器采用對(duì)數(shù)放大器，大大地拓寬了傳感器的輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。
2 新型非接觸聲發(fā)射傳感器的結(jié)構(gòu)
針對(duì)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(jī)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(shí)安裝在機(jī)床原有的潤滑冷卻管的噴嘴上，刀具破損時(shí)，AE信號(hào)通過潤滑冷卻液，以和潤滑冷卻液流動(dòng)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(duì)于AE信號(hào)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(hào)傳播過程中的干涉損失小，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)有較小的衰減。這為我們利用流體作為聲發(fā)射信號(hào)的傳播提供了保障。圖2所示，是傳感器在加工中心機(jī)床上安裝使用示意圖。這種傳感器由于信號(hào)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(qiáng)。
圖1 流體聲發(fā)射傳感器結(jié)構(gòu)
圖2 聲發(fā)射傳感器使用方案
考慮到在加工鑄鐵材料或高速切削時(shí)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(hào)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(jì)傳感器時(shí)，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(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證〔4〕，此傳感器取得了良好的效果。
圖3 空氣傳導(dǎo)聲發(fā)射傳感器結(jié)構(gòu)
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(gè)傳感器上，可以利用液體和空氣來傳導(dǎo)聲發(fā)射信號(hào)。同時(shí)當(dāng)無冷卻潤滑液時(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)空氣傳導(dǎo)聲發(fā)射傳感器；當(dāng)有冷卻潤滑液時(shí)，可以同時(shí)利用兩路信號(hào)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(hào)處理方法
如圖4所示，刀具破損的聲發(fā)射信號(hào)，頻率一般大于100kHz，持續(xù)時(shí)間為200微秒～1毫秒左右，比正常切削信號(hào)大4～5倍以上，因此需高速信號(hào)采集器才能提取到原始AE信號(hào)，若對(duì)其包絡(luò)信號(hào)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(hào)處理框圖。
圖4 刀具破損典型信號(hào)及其包絡(luò)
圖5 聲發(fā)射信號(hào)處理框圖
來自傳感器的AE信號(hào)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(duì)聲發(fā)射信號(hào)的包絡(luò)進(jìn)行幅值比較，當(dāng)包絡(luò)信號(hào)超過某設(shè)定的閾值時(shí)，開始進(jìn)行脈寬比較，當(dāng)脈寬超過另一設(shè)定閾值時(shí)，認(rèn)為出現(xiàn)刀具破損的異常狀態(tài)，停機(jī)報(bào)警。當(dāng)聲發(fā)射的包絡(luò)幅值信號(hào)低于設(shè)定的閾值時(shí)，脈寬比較器不工作。當(dāng)聲發(fā)射的包絡(luò)幅值信號(hào)超過設(shè)定的閾值，但脈寬沒有超過設(shè)定的閾值時(shí)，仍不會(huì)出現(xiàn)異常狀態(tài)報(bào)警，認(rèn)為是噪聲干擾信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用證明，這種方法非常適合于監(jiān)測刀具破損時(shí)的聲發(fā)射脈沖信號(hào)。切削過程中AE信號(hào)幅值隨加工條件的變化而變化，采用固定的閾值容易造成誤判。為此作者對(duì)AE幅值判斷采用了浮動(dòng)閾值，即
L(n)=λ.max｜xi(n)｜ (1)
式中L(n)—聲發(fā)射幅值閾值；
n—浮動(dòng)次數(shù)；λ—系數(shù)；
xi—聲發(fā)射包絡(luò)信號(hào)的采樣序列值(i為采樣序號(hào))。
進(jìn)入監(jiān)測狀態(tài)后，首先進(jìn)行采樣，取得工況環(huán)境噪聲信號(hào)數(shù)據(jù)xi(0)，依據(jù)式(1)取采樣序列的最大值乘以系數(shù)λ作為閾值。以后自動(dòng)定期采樣，取得工況環(huán)境噪聲信號(hào)數(shù)據(jù)xi(n)，重新按式(1)確定新的閾值，這樣閾值就隨工況條件變化而變化。其中系數(shù)λ由工況條件確定。例如在輕負(fù)載的條件下λ=1.50；在中等負(fù)載的條件下λ=1.30；在重負(fù)載的條件下λ=1.10。
由于加工工況的復(fù)雜，使得聲發(fā)射信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍比較大，一般從微伏級(jí)到毫伏級(jí)，因此聲發(fā)射傳感器均需前置放大器，這樣才能使得信號(hào)有效傳輸以利于后置處理。傳統(tǒng)的聲發(fā)射傳感器的放大倍數(shù)是固定的，而一般為了得到足夠的信號(hào)強(qiáng)度而首先滿足小信號(hào)的放大倍數(shù)，這樣，信號(hào)稍大就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。針對(duì)這一問題，研制了對(duì)數(shù)前置放大聲發(fā)射傳感器。依據(jù)式(2)的對(duì)數(shù)放大功能，可以壓縮聲發(fā)射輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，拓寬聲發(fā)射傳感器的監(jiān)測范圍。
U出=K1lg(K2.U入) (2)
式中U出—聲發(fā)射對(duì)數(shù)輸出信號(hào)；
K1、K2—常數(shù)(一般稱為對(duì)數(shù)斜率)；
U入—聲發(fā)射輸入信號(hào)。
4 監(jiān)控系統(tǒng)
刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)采用STD工業(yè)控制總線形式。其組成如圖6所示。
圖6 監(jiān)控系統(tǒng)硬件總體構(gòu)成圖
主控模塊擔(dān)任監(jiān)控系統(tǒng)的主控任務(wù)，并通過I/O模板管理鍵盤和液晶屏的顯示；聲發(fā)射調(diào)理模板完成前述的聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測處理任務(wù)并在出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)報(bào)警，即向主控模板申請中斷；A/D、D/A模板完成對(duì)聲發(fā)射調(diào)理模板中聲發(fā)射包絡(luò)信號(hào)的采樣和把主控模板來的聲發(fā)射閾值送到聲發(fā)射調(diào)理模板進(jìn)行比較；并行通信模板完成監(jiān)控系統(tǒng)與機(jī)床控制系統(tǒng)之間通信任務(wù)，即加工中心系統(tǒng)向監(jiān)控系統(tǒng)傳送各種工況參數(shù)和機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)向加工中心系統(tǒng)傳送刀具切削狀態(tài)信號(hào)。
本系統(tǒng)除手動(dòng)監(jiān)測方式外，還具有利用通信功能和一定范圍自動(dòng)浮動(dòng)閾值實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測功能。系統(tǒng)具有模塊化，維修方便，使用可靠，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
上述刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)〔3〕，證明其穩(wěn)定可靠，刀具破損識(shí)別成功率達(dá)98%。目前正在長春FMS實(shí)驗(yàn)中心使用。
5 結(jié)論
作者研制出的新型AE傳感器，由于采用機(jī)床原有的潤滑冷卻液作為傳遞AE信號(hào)的介質(zhì)，它可安裝在潤滑冷卻液管道的端部。因此不僅安裝方便，而且靈敏度高，可自動(dòng)識(shí)別Φ0.5mm以上直徑鉆頭的斷裂，成功率達(dá)98%。是FMS、CIMS等自動(dòng)化加工中刀具破損實(shí)時(shí)監(jiān)控的理想傳感器。
