摘　要
    目的:解決自動(dòng)化加工過程中刀具破損監(jiān)控實(shí)用性差和可靠性低的問題.
    方法:據(jù)刀具破損的聲發(fā)射信號特征，使用硬件電路實(shí)現(xiàn)雙閾值判別法，并采用特殊的抗干擾措施和對正常加工過程無任何影響的安裝方案. 
    結(jié)果:研制了相應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，論述了其工作原理及結(jié)構(gòu). 
    結(jié)論:經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性和抗干擾性.
    關(guān)鍵詞:聲發(fā)射； 監(jiān)控； 傳感器

分類號　TG502 

           Research of Monitoring System for the Tools Breakage 
                During the Automatic Manufacturing Process

                 Yang Dayong　　Wang Xinyi　　Xu Chunguang
    (School of Mechanical Engineering and Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing　100081)
    Abstract　Aim　To solve the problem of tool breakage monitoring's poor-prac-ticability and low reliability during automatic manufacturing process. Methods According to the feature of tool breakage's acoustic emission signal, the distinguish-ing method with double threshold values was realized hardware circuit and the special method of interference resistance was adopted. The monitoring system was installed without any effect on the normal manufacturing process. Results　The correspond-ing monitor was developed. The working principle and structure of the monitor was discussed. Conclusion　It has been proved by the experiments that this system has fair practicability and interference resistance. 
    Key words　acoustic emission; monitor; sensor

　　近年來，由于工業(yè)自動(dòng)化的飛速發(fā)展，對工業(yè)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測要求越來越高.同時(shí)，對FMS，CIMS等重大昂貴設(shè)備的故障在線監(jiān)測和生產(chǎn)質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測及控制的要求更加迫切.目前，對刀具切削狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的眾多方法中，聲發(fā)射(AE)方法能連續(xù)監(jiān)視刀具損傷的全過程，它避開了生產(chǎn)過程中振動(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，目前國內(nèi)外大多使用接觸型聲發(fā)射傳感器［1，2］，不僅使用不方便，且容易受到工況環(huán)境的干擾；國內(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)化加工過程在線監(jiān)測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，這些聲發(fā)射信號頻率大于100kHz，比正常切削的AE信號大4～5倍，持續(xù)時(shí)間為0.2～1.0ms，因此只要能鑒別聲發(fā)射信號的頻率、幅值和持續(xù)時(shí)間，便可識(shí)別刀具破損信號.由于刀具破損聲發(fā)射信號頻率高，所以只有采用高速信號采集器才能提取到原始聲發(fā)射信號，若對其包絡(luò)信號進(jìn)行采集處理則可降低對后續(xù)識(shí)別處理電路的要求.信號識(shí)別原理如圖1所示.通過對檢波信號進(jìn)行幅值鑒別來識(shí)別AE信號的大小，然后再通過鑒別脈寬識(shí)別AE信號持續(xù)時(shí)間的長短，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.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造成誤報(bào)警，實(shí)驗(yàn)表明刀具破損AE信號持續(xù)時(shí)間比干擾脈沖長，因此只有超過幅值閾值且持續(xù)時(shí)間為0.2ms以上的AE信號才判斷為刀具破損.
                    
                    圖1　聲發(fā)射信號識(shí)別原理
    監(jiān)控儀沒有采用傳統(tǒng)的接觸式AE傳感器，而是使用作者研制的流體傳遞信號的新型AE傳感器(集成在監(jiān)控儀內(nèi))，監(jiān)控儀安裝示意圖見圖2.使用時(shí)把它安裝在機(jī)床原有的潤滑冷卻液管道安裝處，刀具破損時(shí)，AE信號通過潤滑冷卻液，以與潤滑冷卻液流動(dòng)方向相反的方向傳遞到監(jiān)控儀.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Hz到幾十MHz，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的衰減較小［3，4］.這為利用流體作為聲發(fā)射信號的傳播媒體提供了保障.由于這種安裝方式信號傳遞路程短，傳遞路徑中無其它接觸面，因而靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng).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.監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖3所示.
                         
                      圖2　監(jiān)控儀安裝示意圖 
          
                     圖3 聲發(fā)射監(jiān)測處理方法
　　從主軸傳來的振動(dòng)、噪聲等干擾信號主要是通過傳感器殼體傳入的，本系統(tǒng)采用的特殊自適應(yīng)濾波器，可以把來自殼體的各種干擾信號濾去，而保留從流體介質(zhì)傳來的刀具破損AE信號.經(jīng)自適應(yīng)濾波后的信號進(jìn)入高通濾波器(截止頻率100kHz)，經(jīng)過高通濾波后的AE信號有一定的衰減，經(jīng)再次放大后進(jìn)入檢波器，檢波后的AE信號進(jìn)入比較器進(jìn)行波形鑒別.首先對AE信號的包絡(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)，開始輸出信號，接著進(jìn)入脈寬比較，即信號進(jìn)入積分器開始進(jìn)行積分，積分器依下面的計(jì)算式工作：
            
    式中U_o(t)為積分器的輸出； K為由電路參數(shù)確定的常數(shù)； U_i(t)為積分器的輸入，即比較器1的輸出； U_o(0)為開始積分時(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輸出信號觸發(fā)報(bào)警電路，給出機(jī)床停機(jī)信號.這樣的監(jiān)測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)
　　監(jiān)控儀結(jié)構(gòu)如圖4所示，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.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)測處理外，報(bào)警后還可以給出機(jī)床的控制信號使機(jī)床停機(jī).同時(shí)以聲光報(bào)警提示用戶，并給出繼電器報(bào)警輸出接口供用戶選用.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。
                  
                     圖4 監(jiān)控儀結(jié)構(gòu)示意圖
3　實(shí)　驗(yàn)
　　在CA6140普通車床上進(jìn)行了鉆頭破損實(shí)驗(yàn)，直接使用機(jī)床上的冷卻潤滑液系統(tǒng)，監(jiān)控儀串接在冷卻潤滑液撓性管的根部，冷卻潤滑液為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，冷卻潤滑液為20#機(jī)油.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下表.
                     加工中心上鉆頭破損實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 
              
　　在實(shí)驗(yàn)過程中，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。