刀具破損的聲發射傳感監測新技術?

　　隨著FMS、CIMS的日益廣泛使用，機械加工正朝著自動化、無人化方向迅速發展，加工過程中刀具的狀態監測已成為制約切削加工發展的重要因素。聲發射(Acoustic Emission-AE)方法是近些年來發展起來的最有前途的監測方法之一，由于它監測的是刀具磨損和破損時產生的高頻彈性應力波信號，避開了加工過程中振動和音頻噪聲污染嚴重的低頻區，在所感興趣的頻率范圍內靈敏度較高，抗干擾能力強，因而，在刀具切削狀態的監測中得到廣泛采用〔1〕〔2〕。目前，在國內外用聲發射監測刀具切削狀態時，大多使用接觸型聲發射傳感器，這種傳感器結構簡單、成本低。不利之處是實際環境噪聲干擾易造成其誤判；因聲發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射傳感器，此種傳感器利用流體(液體或空氣)傳播聲發射波，并集寬頻帶、高增益的前置放大器于一體，具有抗干擾和驅動能力強，靈敏度高，安裝使用方便的優點。傳感器的另一個特點是前置放大器采用對數放大器，大大地拓寬了傳感器的輸入信號動態范圍。
????? 2　新型非接觸聲發射傳感器的結構
　　針對傳統聲發射方法的不足，在深入研究了金屬材料間的摩擦和磨損聲發射的機理、聲發射波傳播和衰減規律的基礎上〔3〕，研制了一種利用液體介質傳遞刀具切削狀態信息的新型非表面接觸式聲發射傳感器，其結構如圖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，然后進入監測儀進行分析處理。對于AE信號來說，這些液體是良好的媒質。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聲發射傳感器，其結構如圖3所示。它的使用方案與液體聲發射傳感器完全相同，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，由于聲波波陣面的擴散且空氣密度小，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。在設計傳感器時，通過優化結構和選用靈敏度高、信噪比高的敏感元件材料來克服以上缺點。經實驗驗證〔4〕，此傳感器取得了良好的效果。
????? 為適應多變的工況，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聲發射傳感器，在一個傳感器上，可以利用液體和空氣來傳導聲發射信號。同時當無冷卻潤滑液時，它相當于一個空氣傳導聲發射傳感器；當有冷卻潤滑液時，可以同時利用兩路信號監測刀具狀態，提高監測信息的“冗余度”。它的使用方法也和前述兩種傳感器一樣。
????? 3　刀具破損的聲發射信號處理方法
　　如圖4所示，刀具破損的聲發射信號，頻率一般大于100kHz，持續時間為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，若對其包絡信號進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信號經過放大，高通濾波，取包絡后進行閾值比較。這里采用了雙閾值判別法，即既進行幅值比較又進行脈寬比較的判別方法。先對聲發射信號的包絡進行幅值比較，當包絡信號超過某設定的閾值時，開始進行脈寬比較，當脈寬超過另一設定閾值時，認為出現刀具破損的異常狀態，停機報警。當聲發射的包絡幅值信號低于設定的閾值時，脈寬比較器不工作。當聲發射的包絡幅值信號超過設定的閾值，但脈寬沒有超過設定的閾值時，仍不會出現異常狀態報警，認為是噪聲干擾信號。實際應用證明，這種方法非常適合于監測刀具破損時的聲發射脈沖信號。切削過程中AE信號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AE幅值判斷采用了浮動閾值，即
　　L(n)=λ.max｜xi(n)｜ (1)???
????? 式中L(n)—聲發射幅值閾值；
　　n—浮動次數；λ—系數；
　　xi—聲發射包絡信號的采樣序列值(i為采樣序號)。
　　進入監測狀態后，首先進行采樣，取得工況環境噪聲信號數據xi(0)，依據式(1)取采樣序列的最大值乘以系數λ作為閾值。以后自動定期采樣，取得工況環境噪聲信號數據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λ由工況條件確定。例如在輕負載的條件下λ=1.50；在中等負載的條件下λ=1.30；在重負載的條件下λ=1.10。
　　由于加工工況的復雜，使得聲發射信號的動態范圍比較大，一般從微伏級到毫伏級，因此聲發射傳感器均需前置放大器，這樣才能使得信號有效傳輸以利于后置處理。傳統的聲發射傳感器的放大倍數是固定的，而一般為了得到足夠的信號強度而首先滿足小信號的放大倍數，這樣，信號稍大就會導致出現飽和現象。針對這一問題，研制了對數前置放大聲發射傳感器。依據式(2)的對數放大功能，可以壓縮聲發射輸入信號的動態范圍，拓寬聲發射傳感器的監測范圍。
　　U出=K1lg(K2.U入) (2)
????? 式中U出—聲發射對數輸出信號；
　　K1、K2—常數(一般稱為對數斜率)；
　　U入—聲發射輸入信號。
????? 4　監控系統
　　主控模塊擔任監控系統的主控任務，并通過I/O模板管理鍵盤和液晶屏的顯示；聲發射調理模板完成前述的聲發射信號監測處理任務并在出現異常狀態時報警，即向主控模板申請中斷；A/D、D/A模板完成對聲發射調理模板中聲發射包絡信號的采樣和把主控模板來的聲發射閾值送到聲發射調理模板進行比較；并行通信模板完成監控系統與機床控制系統之間通信任務，即加工中心系統向監控系統傳送各種工況參數和機床運行狀態參數，監控系統向加工中心系統傳送刀具切削狀態信號。
　　本系統除手動監測方式外，還具有利用通信功能和一定范圍自動浮動閾值實現自動監測功能。系統具有模塊化，維修方便，使用可靠，抗干擾能力強的優點。
　　上述刀具破損監控系統，經過多次的實驗〔3〕，證明其穩定可靠，刀具破損識別成功率達98%。目前正在長春FMS實驗中心使用。
????? 5　結論
　　作者研制出的新型AE傳感器，由于采用機床原有的潤滑冷卻液作為傳遞AE信號的介質，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，可自動識別Φ0.5mm以上直徑鉆頭的斷裂，成功率達98%。是FMS、CIMS等自動化加工中刀具破損實時監控的理想傳感器。