（机械电子工程专业论文）基于声音和图像的刀具磨损状态监测技术的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文摘要 基于声音和图像的刀具磨损状态监测技术的研究 摘要 在大规模自动化生产中，对刀具磨损状态的监控是保证生产顺利进行的关 键。本论文在分析现状的基础上，从切削声信号和工件表面纹理这两个方面对刀 具磨损状态监测技术进行了研究。 第一章阐述了本文的研究背景，概述了刀具磨损状态技术的研究情况，分 析了各种技术的特点、优点和目前状态监测的研究现状，提出问题。 第二章对刀具的磨损的机理以及磨损形式、磨钝标准选择进行了概述，并 对刀具的磨损对切削声音和工件表面纹理的影响做了初步的分析，且提出了实验 方案。 第三章在阐述信号分析理论的基础上，对采集的切削声信号从时域和频域 分别进行了分析。在时域对时序模型进行了统计分析，在频域进行了频谱估计 并对不同的方法进行了比较得出了较为理想的刀具磨损状态的评价指标。 第四章在阐述图像纹理分析理论的基础上，从像素空间投影、灰度共生矩 阵和等欢度行程长度这三个方面的若干个特征参数对工件表面纹理图像进行了 分析，筛选出反映刀具磨损状态较为理想的参数。 第五章在阐明多信息融合技术的基础上，分析了单独用切削声信号和工件 表面纹理进行刀具磨损状态监测的优缺点，并提出用神经网络将两者进行信息融 合，得到了结果收敛的神经网络模型。 第六章总结与展望。总结本课题所做的工作，并分析了刀具磨损状态监测 技术的前景以及进一步的研究工作。 关键词：刀具磨损，状态监测，切削声信号，纹理 塑兰三些查兰堡堂些丝苎 皇! ! 坐塑 r e s e a r c h0 ft o o lw e a rc o n d i t i o n m o n i t o r i n g b a s e d0 nc u t t i n gs o u n ds i g n a lan di m a g ep r o c e s s i n g a b s t r a c t t h ek e yt oe n s u r i n gs m o o t l ip m d u c t i o ni st om o n i t o rt 0 0 1w 眈rc o n d i t i o ni nt h e l a r g e - s c a l ea u f o m a t i o np r o d u c l i o n t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nt h e1 0 0 】w e a rc o n d i i 彻 m o n i t o r i n gb yc u t t i n gs o u n ds i g n a la n dw o 岫i e c e s i l r f h c et e x t u r eb e do n a n a l y s i so f t h er d a t i v es i t u a t i o n t h e6 r s tc h a p t e ra d d r s s e st h er c s e a r c hb a c k 静u n d ，吼m l m 撕z e st h er e s e a r c h s t a t u sq u oo f t h et 0 0 lc o n d i t i o nm o n i t o r i n 岛a 1 1 da i l a l ”e st l l ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e a d v a n t a g e t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c hp m b l 锄s a r e p r e s e n l 。d t h es e c o n dc h a p t e rs u m m 鲥z e st h et o o lw e a rm e c h a n i s m ，w e a rf o h na n dt h e b i u n tt o o lc “t e r i a ，a n da n a l y z e st h ef a c t o 稻i na 鼬c t i n gc u n i n g8 0 哪d s 蛆d w o r k p i e c e s u r f a c et e x t i i r ed u 咖gt h et o o lw e 越f u n 酶哪o r e ，t h ee x p 鲥h e n t p r o j e c t i sp r e s e l l t e d t h et h i r dc h 印t e r 柚a l y z e st h es i 朗a l 鼬nt w od i m 棚i t p o i n to f v i e w ( d m e f i e l d a n d f r e q u e n c y f i e 】d ) b a s e d o n t h e t h 叫o f s i 髓a la 瑚i y s i s 如i h e t i n l e f i e l d ，t j m e s e r i e si s s t a t i s t i c a l l ya i l a l y z e d ；w h i l ei n 廿l e 舭q u e n c yf i e l d ，a l lk i n d so f 肫q u 锄c y c h a r ta r ce s t i m a t e da g a i n ；m e no n em e t h o di sc o m p a r e dw 蚰a n o t h 盯o n e f i n a l l y | w e o b l a i nf e a s i b l ea p p r a i s a lc r i t e r i af o rl h et o o lw e 盯s t a t u s t h ef o u r t h c h 印t e ra n a l y z e sm ei n l a g 髂f o rw o f 印i e c e 蛐r f 如et c x t u r eu s i n g c h a r a c t e r i s t i cp a r 锄e t e r sf o rt h e 咐om a i nt h e o r i c so fm e 胂yc o o c c u r r e n c em a t r i x a n d 旷a ym n1 e n 掣hb 船e do nt 1 1 et h c o r yo fi m a g et e x t u r e 锄a l y s i s a c c o r d i l l g l y ，t h e i d e a ld a r a m e t e r sa r eo b t a i n e dt h a tc a nr e f l o c tt h et o o lw e a rs t a t i l s t h ef i r hc h a p t e ra 1 1 a l y z c si n d e p e n d e n t l ym ea d v 卸t a g e sa i l dd i s a d v a i l t a g e so f t h e s o u n da n di m a g e sb 勰e do nt h ei n f o 咖a t i o nf u s i o nu s i n ga n i f i c i a ln e r v en e t w o r k ，t h u s g e t c j n gt h ec o n s 耐n 伊n t n e r v en e 盘m o d e l t h es i x m c h a p t c r 百v e s t h es 眦吼a r ya n d p r o s p e c t s o nn l i sr e s e a r c h k e y w b r d s ：t o o lw e a r ；c o n m t i o nm o i i i t o r i n g ；c u t t i n gs o u n ds i g n a l ；t e x t u r c l l 浙江丁业人学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 【摘要】本章介绍了论文的研究背景，对刀具磨损状态监测技术发展和研究现状进行了分 析讨论提出了本论文研究的目的、意义及主要研究内容。 1 1 机械制造过程中工况与故障诊断的特点【l 】 在传统的机械加工环境中，以人为主体，对于机械制造过程工况状态的判断 很容易迸行。通常是对加工过程中产生的异常噪音或者所得产品的质量对工况进 行估计。随着柔性制造系统( f m s ) 和集成制造系统的发展，机械加工的自动化 程度日益提高，对于工况的监测与故障诊断也日渐重视并成为实现机械制造自 动化、少人化或无人化的重要技术保证。 机械制造系统的动态特性有以下特点： ( 1 ) 离散性与断续性。就加工过程而言，在一次走刀中的切削加工可以是 连续的( 如车、钻、磨等) ，也可以是断续的( 如铣) 。从一个零件的制造过程丽 言，工序与工序是两个相互独立的过程，而对加工质量来说，工序与工序是相关 的。 ( 2 ) 缓变性与突变性。在固定的加工条件下，一台机床的动态特性是缓变 的如机床的温升、零件磨损、应力的分布等；而刀具的损坏和折断等往往是在 瞬问出现的，属于突变性故障。 ( 3 ) 随机性与趋向性。由于机械加工中各种随机因素干扰大，因此机械加 工过程中各种物理量的变化如切削力、切削温度、刀具磨损与刀具寿命和切削 条件的关系往往是含有趋向性的随机过程。 ( 4 ) 模糊性。在现象与因素关系上，大部分呈模糊性，即一部分因果关系 是透明的，而另一部分是黑色的。在工况分析中需要用到各种建模方法，没有适 用于各种情况的通用数学模型。 1 2 刀具磨损状态监测的意义【2 】【习 随着生产自动化程度的提高特别是柔性制造系统( f m s ) 技术的出现， 人们越来越重视对加工过程的在线监铡。刀具破损在线监测是最早提出的研究方 向。破损是刀具主要失效形式之一，特别是脆性较大的刀具( 如硬质合金、陶瓷 刀具等) 进行断续切削或者切肖# 难加工材料时。刀具破损的在线识别可以降低或 浙江_ t 业大学项= e 学位论文 第一章绪论 者避免程度不同的损失，如工件报废、机床损害等。现在，有些刀具破损监测方 法已经成熟，并用于生产中。后来人们又将目光放在刀具磨损的监测上。在切削 过程中刀具的磨损在所难免。刀具磨损是一个渐进的过程，变化较缓慢，在常 规的操作工单机床加工时，工人可以根据机床的振动或噪声及切削情况等估计刀 具磨损程度；在自动化加工过程中，则需要系统能够自动判断刀具的磨损程度并 及时换刀，以避免由于刀具磨损量过大造成的加工质量下降或其他损失。由于刀 具的破损、磨损将影响整个加工过程，所以通过对刀具状态改变的监测可以直接 反映出加工过程中其他因素的变化，如加工质量( 工件表面粗糙度、形状位置精 度等) 、机床状态( 如机床的振动) 等。这样，刀具监测系统的监控对象不再只 局限于刀具，而是向更宽的范围拓展。在现代制造技术中，刀具破损、磨损的在 线监测及通过刀具监测来控制其他过程因素构成了刀具监测技术的全部。随着技 术的发展，生产自动化程度、加工精度越来越高，难加工材料和新材料越来越多， 零件的形状越来越复杂所以需要在自动化加工过程中对刀具进行在线监测。 另外，在竞争越来越强的市场中，劳动力价格和投资的增加要求提高生产率， 减少生产投入和生产时间。过去，在大批量生产中实现了高效率，但是随着零件 的设计寿命下降，也必须进行中小批量的生产。为了减少检验和试验的费用所 生产的零件必须具有完全可控制的稳定质量。人们要求排除琐碎的以及危险的工 作，而普遍认为高自动化能满足上述要求，而且是解决或减少这些问题的最主要 的方法之一。在试验f m s 的过程中，有许多技术问题有待于解决，特别是在过 程模拟和传感技术领域。 金属切削加工是最重要的继续制造方法。在这些加工过程中不能通过基本 切削参数( 刀具几何参数、切削用量等) 很精确预测切削加工的状态( 切削形式、 刀具寿命等) 。刀具寿命和状态对加工的经济性和工具质量有很大的影响。在金 属切削加工的过程中，刀具的磨、破损如未能及时的发现，会导致切削过程的中 断，引起工件的报废、机床损坏、甚至整个f m s 停止运行，造成很大的经济损 失。虽然刀具寿命管理可以防止刀具的磨损和破损但因为刀具寿命的随机性 其寿命极限估计往往过于保守，以致大部分刀具未能充分利用。在无人化加工系 统中这将意味着换刀次数和刀具费用的增加。因此，机加工过程中，定量、定 时地掌握刀具状态，监测与诊断刀具磨损、崩刃等损伤故障，对于延长机床设备 无故障运行，提高产品质量具有重要的意义。 1 3 刀具磨损状态监测方法概述1 4 j 州j 刀具的磨损监测是计算机与传感技术的综合。多年来，众多学者在刀具磨损、 破损的监测方面进行了大量的研究。目前，监测方法根据切削加工工程和传感器 类型一般可分为直接法和间接法两大类。 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 幽1 一i 刀具磨损监测技术分类 1 3 1 直接测量法 直接法是直接监测刀刃的形状、位置等参量，一般只能离线测量。 ( 1 ) 测量刀刃位置 该方法采用的是接触触发式传感器，以英国r e l l i s h e w 公司的产品为代表， 该传感器三个方向都可触发，其工作原理是停机后退出刀架至原位，回转臂在测 头接触刀具后会发出一个信号，该信号锁住测头刀刀具瞬问机床上的坐标位置， 根据两次坐标之间的读数差，可知刀具的磨损量。 利用这一方法可测出刀尖的磨损、破损尺寸的改变量，但比较麻烦，对形状 复杂的工件更是无能为力。 ( 2 ) 直接测量刀具损耗面 这是应用光学技术监测刀具损耗面大小的方法。其中，一种方法是基于刀具 侧面磨损后反光度增大的现象，对侧面的发射光进行分析就可判断刀具的磨损情 况。另一种方法是采用工业电视监视电视摄像机接收刀刃部分的图像，将图像 数字化后由计算机进行图像处理，在屏幕上直接显示出刀具磨损面的形状和尺 寸。 采用光学方法直观性强，但大部分只能在切削完毕后，把刀具移至固定位置 进行观察，在出现积削瘤或其它沉积物时，分析耗损部位就有困难。 1 3 2 间接测量法 问接法是间接测量正在切削状态中的某些参数，将它与给出的正式切削参数 进行比较，从而推断出刀具是否已磨损或者刀具就要发生破损的先兆，达到监测 目的。 ( 1 ) 测量切削力 切削力是切削过程中与刀具磨损、破损状态最为密切相关的一种物理现象。 浙江t 业人学颂一i ：学位论文 第一章绪论 采用切削力作为监测信号，具有拾取信号容易，反映迅速、灵敏等优点，是在线 实时法中研究较多，被认为很有希望突破的一种方法，所以是加工中心和f m s 测量刀具破损的常用方法之一。 切削力的测量成分包括静态力和动态力两部分。采用的监测参数主要有切削 分力大小及其导数，切削力之比，动态切削力的时序分析、频谱、相关函数等。 其中信号处理技术包括了时域和频域两大类。 采用切削力监测方法的主要障碍在于，由于切削过程的复杂性，影晌切削力 变化的因素很多，较难与刀具磨损、破损性质区分开，使得设置监测阈值非常困 难。 ( 2 ) 测量主轴电机功率( 或扭矩)， 此方法是基于刀具磨损或破损时，切削力将增大造成切削功率( 或扭矩) 的增加，使得机床驱动主运动电机的负载功率变大的现象，一般是通过测量负荷 功率或电流和电压间相位及电流波形变化等来达到监测的目的。 该方法具有测量信号简便、可避免切削环境中切屑、油烟、振动等干扰监测 装置易于安装等优点，是目前应用较为广泛的一种监测方法。其缺点是在小尺寸 刀具或切削用量比较小时，电机功耗变化不明显，一般仅适合于粗加工场合。此 外，电网电压不稳定、电磁噪声等干扰都对监测效果有直接影响。 ( 3 ) 测量工件尺寸 加工中刀尖磨损或破损必然会引起工件尺寸发生变化，通过测量工件已加工 表面的尺寸变化量，可以间接判断出刀具的磨损、破损情况。从测量方式看，有 接触工件测量的接触式和测量刀具工件之间间隙的非接触式两类。 测量工件尺寸方法的优点在于能直接定量给出刀具径向磨损或破损值，并可 与加工精度的在线、实时补偿结合起来，保证加工质量，实现精加工中刀具磨损、 破损监测的最终目标。其缺点在于，实时测量易受测试环境干扰，冷却液、切屑 等影响测量结果；加工中工件、刀具的热膨胀和受力变形、主轴回转精度、进给 运动精度、振动等因素也会直接影响测量的精度。此外，在加工变截面工件时， 要求传感器进行准确的跟踪定位，由此也会带来定位的误差，并增加了实现的难 度。 ( 4 ) 测量切削温度 切削热也是金属切削过程中的一个重要物理现象，刀具的磨损和破损将导致 切削温度的骤增。测量切削温度有三种方式：( 1 ) 刀具一工件组成的自然热电偶， 可以测出切削区的平均温度不同的刀具、工件材料需进行标定；( 2 ) 固定在刀 体内某点由两种金属丝组成的热电偶，测出的是距离刀刃一定距离处某点的温 度，存在温度变化时响应慢、事先准各费时的问题。( 3 ) 红外摄像系统，可测出 4 浙j 工丁业火学i | i | 士学位论文 第章绪论 切削区温度场分布，具有灵敏度高，响应时间短的特点，但仪器复杂、成本高， 聚焦困难，难以测出切削覆盖处的刀具温度。 ( 5 ) 测量刀具与工件接触处电阻 测量原理可分为两种：一种是根据刀具磨损使刀具与工件接触面积增大而引 起接触电阻减小的效应，这种方法受切削用量影响较大并有绝缘要求：二是在刀 具后刀面上贴一层薄膜导体，它随着刀具磨损而消耗，根据其电阻的变化可知刀 具后刀面的磨损量。此方法精度高，但需每把刀具都粘贴薄膜电阻，且在高温、 高压下薄膜电阻易脱落。该方法应用于实际工况，目前还不太现实。 ( 6 ) 测量振动频率 刀具在切削过程中，工件与磨损的刀刃部侧面摩擦，会产生不同频率的振动。 对这种振动的监测有两种方法：一是把振幅分成高低两部分，在切削过程中对此 两部分振幅进行对比；二是把振幅分成几个独立的幅带，用微处理机对这些幅带 进行不断地记录及分析，即能监测出刀具后刀面的磨损程度。 美国国家标准局自动化研究所在钻削加工中利用振动信息方面取得了成功 的经验。研制成的系统是利用装在工件上的加速度传感器对振动信息进行时效分 析，识别钻头的磨损并判断钻头的折断。 ( 7 ) 测量声发射( a e ) 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ) 技术用于监铡刀具的磨损、破损是在无损监测 方面新开辟的一个应用领域。目前国外已经用在加工中心上。 声发射是在金属加工中分子晶格发生位错、裂纹扩展及塑性变形时释放出的 一种超高频应力波脉冲信号，其频率范围在1 0 0 k h z 以上。刀具破损时，声发射 信号的某些特征参数如包络曲线的有教值、突发脉冲幅值、脉冲计数器、功率谱 等将发生变化。 声发射的优越性在于它避开了切削过程中振动和音频噪声污染严重的低频 区在所感兴趣的频率范围内灵敏度较高：能抵御一定范围内切削用量的变化； 同时，由于监测信号反映的是金属材料内部晶格变化情况，故有可能较早地对刀 具破损进行预报。其不利之处是特征参数易受工件和刀具材料的影响，实际环境 下的高频噪声往往造成其误判；由于声发射信号在接触界面传播时损耗很大， 般要求将传感器安装在刀杆上；声发射监测系统要求有超高频信号处理仪及与之 相应的计算机，故成本相对较高。 ( 8 ) 测量工件表面粗糙度 随着刀具磨损程度的增加或破损的发生，工件已加工表面的粗糙度将呈增大 趋势，据此可间接评价出刀具的磨损或破损状况。测量工件表面粗糙度的方法也 塑望三些查堂堡主篓垡丝塞 墨二塑堕堡 可分为两类。一类是划针式接触测量，可直接得出表面粗糙度的评价参数矗。或 尺：。此类方法仅适于静态测量。目前，绝大多数此类方法仅适用于计量室或实 验室环境。另一类是非接触式光学反射测量，得出的是工件表面粗糙度的相对值， 自动监测中通常采用光纤传感器和激光测试系统两种类型。 此类方法测试效率高，可以不留痕迹地测量软质材料的工件表面，但事先需 采用样品标定。受切削液、切屑、工件材质、振动等的影响较大。当前还达不到 实际应用水平。 通过以上的分析可知，在寓接监测刀具磨损量比较困难的情况下，当前针对 与刀具磨损状态密切相关的物理量，提出了许多的间接刀具磨损状态监测技术 并且各有优缺点和适用的场合，在监测的精度和准确率上也有一定的差异。 1 4 刀具磨损状态监测技术的发展趋势 根据当前刀具磨损监测技术在国内外的研究水平和应用状况，该技术将向以 下几个方向发展： ( 1 ) 硬件方面 当前不同精度、不同大小、价格优廉的传感器的研制，以及高分辨率的图像 采集系统的出现，将使刀具磨损监测技术向更高水平发展。只有这样才能提高分 析精度，加快分析速度，缩短分析时阃，从而适应现场监测的需要。 ( 2 ) 软件方面 开发综合各种监测手段的智能化故障诊断专家系统在知识获取和表达方面、 推理机制方面和控制策略方面比传统的专家系统更优异、更合理以便解决先前 的知识获取“瓶颈”和知识难于维护的缺点。新开发的专家系统界面将更友好，其 使用范围也更宽广。 ( 3 ) 方法和理论方面f 9 h 7 j 新方法、新理论、新技术应用于刀具磨损监铡中是目前许多高等院校和科研 机构研究的热点和难点。对数据处理方面，线性回归、多元线性回归、灰色理论， 时间序列分析和矩阵变换等方法不断被引入；在分析方法上，神经网络技术、模 糊数学方法、分形理论、小波分析等也同时被采用：基于多传感器的信息融合系 统、数据模型和结构的研究也应用于刀具磨损监测技术领域。关于这些方法和理 论的研究必定是该领域目前和将来研究的一个重要方面。 1 5 以声信号和图像为刀具磨损状态监测对象的研究现状 ( 1 ) 对切削过程中的声信号，在9 0 年代以前研究得比较多。 文献 1 8 在研究切削声信号的声学特性的基础，采用传声器和精密声级计作 浙江工业大学顶士学位论文 第一章绪论 为声音采集设备，将信号记录在磁带上进行放大，提取了频带声压级作为特征量， 并建立了相应的判别函数。 文献 1 9 】对车削加工中的切削声信号进行了功率谱多参数分析。在数字滤波 的基础上，计算了功率谱幅值之和、功率谱频率重心、功率谱教度等特征量。证 明了在诸多影响参数中，滤波功率谱值之和随着刀具磨损量v b 的变化规律最为 显著，且谱散度分析对处于正常磨损阶段的刀具磨损程度估计与预报有一定的价 值。 文献 2 0 】在实验条件下，用麦克风对切削声信号进行了采集。将采集到的声 信号用小波变换进行多尺度分解，得到了不同频率成分的波形，将尺度因子作为 反映刀具磨损状态的特征量。 文献 2 1 研究了切削过程中的噪音形成机理，不同工件材料的塑性变形、工 件材料和刀具之间的摩擦、工件的振动、切削过程的非线性以及刀具材料的剐度 等都对切削过程中的声音产生影响。 文献【2 2 】将切削中的声音特性和振动特性相结合，提出了一种新的刀具磨损 状态监测技术。 当前研究比较热门的是声发射，研究的主要是频率大于1 0 0 k h z 的切削声信 号，避免了背景噪音形成的干扰【2 3 卜【2 6 1 。但是实验条件要求比较高，使用专门的 声发射传感器，而且一般都要安装在刀具上迸行信号采集。因此需要对车床系统 进行改造，成本很高。 ( 2 ) 计算机图像处理技术在刀具状态监测中的应用是随着计算机软件和硬 件技术的发展而不断得到应用和完善的。它能在一定程度上克服现有刀具状态监 测方法，例如基于声发射、切削力、振动、温度、应力、电机电流功率等监测方 法所存在的缺陷，因此逐步成为刀具状态监测领域的一类重要监测手段2 7 】【2 8 】。 当前该方法主要用与对刀具磨损图像的直接监测。根据刀具磨损的位置和形 式的不同，分为后刀面磨损图像、月牙洼磨损图像、刀具破损图像。 文献 2 9 】将装有光学器件的t v 照相机安装在机床上当切削暂停时，获取 由光导纤维束照明的切削刀具的图像。使用三个不同的分割算法进行图像分割。 但没有标定测量装置以提供精确的测量单位在所使用的分割技术之间也没有进 行比较。 文献 3 0 】利用可调节的观测仪基于后刀面磨损模式的观测技术和递归最小 平方参数估计算法的组合测量后刀面磨损。由于照相机分辨率的限制，只有磨损 区域的中央部分可以被摄取。在闽值处理后，磨损区域的顶部和底部之间的距离 作为磨损的宽度。从试验结果可以得出，在不变的切削条件及变化的切削条件下- 这种一体化的方法能够较好地实现检测目的。 文献 3 1 】提出了一种更复杂的试验配置方法记录月牙洼磨损图像。激光束经 浙江t 业大学项士学位论文 第一章绪论 过衍射光栅，合成的干涉条纹投射到刀具的倾角面上。条纹的偏转标示倾角面上 的变形量，如月牙洼磨损。这种布置在提供月牙洼磨损的3 维视图很有优势，但 是，照明条件的控制要求额外的硬件复杂性。 文献 3 2 】通过计算最近的刀具边缘点与刀具尖端的差并把它与预置的闽值 进行比较来确定刀具是否破损。如果超过了阈值就认为刀具已经破损。闽值从对 锐利刀具的系列测试而得到。闽值的设置要能够容纳允许的刀具尖端圆度和非圆 误差。选择恰当的破损阈值是非常重要的，如果破损的刀具被误认为是合格的刀 具，则可能会使加工质量达不到要求。 当前对于工件表面状况主要集中于对粗糙度的测量，分为针式接触测量和 光学反射式非接触测量。通过粗糙度的变化情况来反映刀具磨损的状态。直接用 图像处理中的纹理分析方法还不是很多。 基于工件表面纹理信息的监测方法，它不能实时地在线监测，需要等待车床 停车时才能进行检测相当于准在线系统，它不但能够反映出刀具的磨损状态 而且i _ 包直接反映了工件表面质量的好坏该方法还能够间接地用于表面质量监 测。 1 6 本文研究的目的和主要内容 本课题在进行文献调研和资料研究的基础上，针对现有的故障诊断技术和刀 具磨损状态监测技术的研究现状，进行了方案论证，确定了以下研究内容： ( 1 ) 本论文研究对象为切削声信号和工件表面纹理，作为问接反映刀具磨 损状态的物理量。 ( 2 ) 针对切削加工过程的切削参数的多样性和工况条件的复杂性，提出一 个适合于对比分析的理想的切削实验方案，该方案要不失一般性，又要将许多 复杂的条件简单化。 ( 3 ) 考虑到刀具在切削过程中，其状态从锋利到迟钝，刀具和工件的接触 面积不断增大，将使工件的表面质量下降，同时切削状况发生变化，从加工之 后工件表面纹理( 静态) 和切削过程中工件和刀具作用产生的声音( 动态) 着 手，借助于信号分析和计算机图像处理理论，通过对实验中获得的数据进行处 理和分析，建立基于工件纹理和切削声音估计刀具磨损状态的数学模型，并将 该模型应用于刀具状态的分析和评价。 根据以上的研究内容，本文共分六章，整个体系结构如图l 一2 所示。 堑坚三些查兰堡兰兰竺堕苎 苎= 童堕鲨 l l ； l ( 第四章) 在阐述圈像纹理分析理论的基础上，从像素空间投影、灰度l 共生矩阵和等灰度行程长度这兰个方面的若干个特征参数对工件表面纹l 理图像进行了分析筛选出较为理想的反映刀具磨损状态的参数。l l i ( 第六章) 全文工作总结与今后的工作展望。 图1 2 全文的体系结构安排 9 浙江工业大学硬士学位论文 第二章刀具磨损机理分析及实验设计 第二章刀具磨损机理分析及实验设计 【摘要】本章首先阐明了刀具磨损形态的特征、磨损过程和磨钝标准，从理论上描述了利用 后刀面磨损宽度( ) 作为刀具磨损状态评价的直接指标的合理性。同时分析了影响切削 声信号和工件表面纹理的主要因素并提出实验方案，为后续章节的研究奠定基础。 2 1 刀具磨损的基本特征和形态分析3 7 】【3 8 】 在切削过程中，不论刀具材料和工件材料的力学性能如何，刀具的前刀面、 后刀面与工件材料接触部分总会不断磨损。由于在接触区内有很高的温度和压 力，因此在前刀面和后刀面上都将随着切削时间的增长而逐渐产生磨损。对于不 同的切削条件，主要磨损可能发生在前刀面、后刀面或前、后面同时发生磨损。 图2 一l 是典型的车刀磨损形态的示意图。 郴勘殴潮嘴渤t 蔓釉 图2 1 车刀的磨损形态 车刀主要出现下列几种磨损情况： ( 1 ) 主后刀面磨损( n 觚kw e 哪v b 即在切削刃下面的主后面上产生的磨损，这是一种几乎在所有材料的切削中 都能见到的磨损。 如图2 1 所示，后刀面的磨损带往往不均匀，通常分为三个区：靠近刀尖 部分的c 区、靠近工件外表面处的n 区和中间部分的b 区。刀尖部分的c 区由 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 第二章刀具磨损机理分析及实验设计 于强度较低、散热条件较差、磨损比较严重，最大值以v c 表示。在靠近工件外 表面的n 区磨损，属于边界磨损，由于工件毛坯表面的硬皮或上道工序的加工 硬化层等因素的影响，使得磨损剧烈，产生较大深沟，该区的宽度以v n 表示。 在磨损带中间部位的b 区，磨损比较均匀，常以平均宽度v b 来表示，有时也用 最大磨损宽度表示。 ( 2 ) 前刀面( 月牙洼) 磨损( 删n g ) k t 这是一种因排出的切屑和刀具前刀面相摩擦产生高热而发生的熔焊磨损。如 图2 一l 所示，从切削刃略微后退的地方发展成凹状，再逐渐发展到切削刃。在 切削钢材之类比较粘的材料，就容易发生这种现象。 ( 3 ) 边界磨损( c n d w e 盯) 切削时，常在主切削刃与待加工表面或副切削刃与工件已加工表面接触的后 刀面上磨出较深的沟纹，这种磨损沟纹称为边界磨损。 ( 4 ) 打刀 这是在切削刃上产生的一连串小“碎片”，往往在切削开始不就后开始发生。 主要是在工件材质和被切削材料的配合恶劣或切削条件不适的场合发生。 ( 5 ) 偶尔发生的损伤 刀具在没有达到寿命之前，突然发生大的破损，刀具材料的基层处于暴露状 态。刀具的损伤和被切削材料中硬物质的存在是其原因，且者器是偶然发生性损伤。 属于非正常磨损。 上述几种磨损形态在切削加工过程中往往同时存在，且多数情况下都会发生 后刀面磨损，并且后刀面的磨损带宽度值测量方便，所以一般多用v b 值来衡量 刀具的磨损程度。 2 2 刀具的磨损过程和磨钝标准 2 2 1 刀具的磨损过程 、f s 图2 2 刀具的典型磨损衄线 刀具的磨损量随切削时间的延长而逐渐增大。通过切削实验，可得到如图2 浙江工业大学硕士学位论文 第二章刀具磨损机理分析及实验设计 一2 所示的刀具的典型磨损曲线，该图的横坐标为切削时间，纵坐标为后刀面磨 损量v b ( 或前刀面月牙洼磨损深度k t ) 。刀具的磨损过程大致上可分为三个阶 段： ( 1 ) 初期磨损阶段 该阶段磨损曲线斜率较大，即刀具磨损较快。这是因为新刃磨的刀具表面存 在着粗糙不平以及微裂纹、氧化或脱炭层等缺陷，且切削刃口较锋利，后刀面与 加工表面接触面积较小，压应力较大，故很快就在后刀面上磨出一个宽度，一般 初期磨损量为o 0 5 姗一0 1 胁，其大小与刀具的刃磨质量直接有关。实践证明， 经过仔细研磨的刀具初期磨损量较小。 ( 2 ) 正常磨损阶段 经过初期磨损后，刀具的粗糙不平表面已经被磨平，刀具进人正常磨损阶段。 这个阶段的磨损比较缓慢均匀，后刀面的磨损量随切削时间的增长而近似比例增 加。该阶段是刀具的有效工作阶段，刀具的使用不应超过这一阶段。正常切削时， 该阶段的时间较长。 ( 3 ) 急剧磨损阶段 当磨损带宽度增加到一定限度时，加工表面粗糙度值加大，切削力与切削温 度均迅速升高，刀具磨损速度也急尉加快，以致失去切削能力。 2 2 2 刀具的磨钝标准3 5 】【3 s 】 刀具磨损到一定限度就不能继续使用，否则将降低工件的尺寸精度和表面质 量，增加刀具材料的消耗及加工成本，刀具的这个磨损限度称为磨钝标准。 在评定刀具材料的切削性能和试验研究时，都以后刀面磨损量作为衡量刀具 磨损程度的磨钝标准。因为一般刀具的后刀面都会发生磨损，而且测量也较方便。 因此国际标准i s 0 统一规定以l ，2 切削深度处后刀面上测定的磨损带宽度作 为刀具的磨钝标准。 制定磨钝标准时，既要考虑刀具的合理使用，又要考虑保证工件加工表面粗 糙度和尺寸精度。因此，不同加工条件下，刀具磨钝标准也不尽相同。例如，精 加工时磨钝标准可制订低些，而粗加工磨钝标准可制订高些；机床工艺系统的剐 度较低时，应考虑在磨钝标准内是否会产生振动；此外，工件材料的切削加工性、 刀具制造及刃磨的难易程度等都是磨钝标准时应予以考虑的因素。 国际标准瑕0 推荐的车刀耐用度试验的磨钝标准如下： ( 1 ) 高速钢或陶瓷刀具，可以是下列任何一种： 破损； 如果后刀面在b 区内( 见图2 1 ) 是有规则的磨损，取= o 3 咖； 如果后刀面在b 区内是无规则的磨损、划伤、剥落或严重的沟痕， 浙江工业大学硕士学位论文 第二章刀具磨损机理分析及实验设计 取v b = o 6 m m ： ( 2 ) 硬质合金刀具，可以是下列任何一种： v b = o 3 m m ； 如果后刀面是无规则的磨损，= 0 6 m m ； 前刀面磨损量k t = o 0 6 + 0 3 f ，其中f 为进给量。 2 3 切削声信号和工件纹理的基本形态 2 3 1 切削声信号的波形特征 在切削加工中，刀具的磨损直接导致了刀具和工件表面的接触面积的增大， 在摩擦面积的增大的过程中，切削声信号在波形上表现出了一定的差异，如下所 示： 至i l 础洫删i k 岫岫湎i i 蕊 妇吐眦蹦岫i 妇i k 一删舯! | j !阿唧鄹唧堆册取唧孵照 册 i ；l j 图2 3 初期磨损 j幽i j 【 _i j jj 。ii曲 础l】l蛐 础 龇 。l i隔 8孵 l嘲 隔l 嗍 腓 l 孵 i ；。 图2 4 正常磨损 “删山“虹豳i t ! ii 击主_ j l il jk 甜l 叩唧 f 盯” ，| 1p 姗 啊 h 。 i 研h p ” m 1 二 - 蔓i i _ | _ i _ _ t _ 图2 5 急剧磨损 可以清晰地看出，在刀刃锋利时切削，刀具与工件接触几乎是以刀刃为主的 浙江工业大学硕士学位论文第二章刀具磨损机理分析及实验设计 线接触，阻力较小，声音听起来比较犀利，在波形上看来幅值较小，整个过程比 较平稳。当磨损带出现一定的宽度之后，幅值开始增大，但整个过程仍旧是平稳 的。最后当刀具磨损超过到一定值时，波形开始出现时高时低的跳变，表现为不 平稳状态。 2 3 2 工件表面纹理的形态 工件表面纹理指对已加工表面形貌或几何特征等参数的定义，包括一些呈现 在表面轮廓中的一些特征，如粗糙度，波形和缺陷等等。工件表面纹理是刀具刀 刃状态的映像。刀刃锋利时切削出的工件纹理清晰，连续性好。刀钝时切削出的 工件纹理紊乱，不连续且有断痕。不同的加工方式和刀具具有不同的纹理特性。 ( a ) 图2 6 车削工件纹理图像 ( c ) 图2 6 给出了几种车削形成的工件表面显微纹理图。( a ) 为刀刃锋利时切削 出的工件纹理图，( b ) 为刀刃磨损时切削出的工件纹理图，( c ) 为刀刃破损时切 削出的工件纹理图，区别比较明显。 从以上简要对比分析中可以看出，切削声信号和工件表面纹理这两方面对于 刀具的不同磨损情况均有反映，但是要使计算机自动定量的对此进行分析，必须 有合理的模式识别方法，提取有效的特征参数。 2 4 影响切削声信号的因素 在传统的非自动化生产中，操作工人通常可以根据切削过程中所产生的声音 来对刀具的磨损情况作出大致的判断，尤其是在磨损比较剧烈或者崩刃的情况切 削声音信号的突变是非常明显。 切削过程是一个相当复杂的过程，伴随这一过程的声辐射也十分复杂，切削 时的声源很多，电机声、传动系统声、工具与工件的撞击摩擦声以及金属破裂声 等交混在一起b ”。 研究表明，切削声的低频成分与主轴箱的振动频率相对应，而其高频成分与 刀具的振动频率能很好地吻合，表2 1 说明了切削声高频段的峰值频率与刀杆的 悬升长度的关系u 。 塑坚些盔兰堡主学堕堡塞第二章刀具磨损机理分析硬实验设计 2 5 影响工件表面纹理的因素【3 9 】一 4 1 1 在切削过程中，影响工件表面纹理的因素较多，主要有以下几点： ( 1 ) 后刀面磨损和刀刃半径对表面纹理的影响 后刀面磨损越大，则刀具和工件产生的切削力越大，切削过程越不稳定，工 件表面纹理纵向纹理的规则性也越差。刀具磨损后，刀刃钝圆半径将增大，这导 致工件和刀具的摩擦增大，切削温度升高，对表面有一定的烧蚀作用。同时由于 接触面积的增大，它也会刮擦工件表面纹理。 ( 2 ) 积屑瘤对表面纹理的影响 积屑瘤是指粘附在前刀面与刀尖上的一块硬度很高的金属它是由于刀具前 面的外摩探阻力大于切屑底层内结合力而形成的。如果在切削过程中产生了积屑 瘤，则一方面，积屑瘤的粗糙突出部分就会代替切削刃切人工件，在已加工表面 上划出深浅不一、断断续续的纵向淘纹来，另一方面它还会在破碎脱落时粘附在 已加工表面上。要避免积屑瘤的产生要合理地控制切刖速度，切削速度一般在 6 0 i r n l i n 以上。 c 3 ) 鳞刺对表面纹理的影响 一般认为是由于前刀面、后刀面上的摩擦造成的。因为在低速车削时，虽然 没有积屑瘤，但会出现鳞刺，鳞刺的形成过程大致是：切削时。切屑在前刀面抹 掉润滑膜后，与前刀面的摩擦力增大了，切屑就暂时粘结在前刀面上，并代替前 刀面挤压切削层，使切屑与加工表面之间出现裂口，挤压到一定程度后切削力 增大，切屑克服了与刀具前刀面问的摩擦与粘结又开始沿前刀面流动这时刀刃 已刮过去，导致部分就残留在已加工表面上成为鳞刺。 浙江工业大学礤士学位论文 第= 章刀具磨损机理分析及实验设计 f 4 i 切削过程中的振动对表面纹理的影响 切削过程中的振动会使表面纹理的规则性显著下降。振动般是由于径向切 削力太大或工件系统的阿i 度小而引起的。振动分强追振动和自激振动。在切削时， 由于周期性变化的外力所引起的振动称为强迫振动。在没有周期性变化的外力情 况下，由切削过程本身的切削力的周期性变化所引起的振动，称为自激振动。例 如，切削时摩擦力的变化、积屑瘤和鳞刺的产生与消失等都会引起自激振动。在 切削过程中，随着刀具磨损的加尉，切削力也会相应的增大，导致振动加剧，这 时表面纹理的形态会发生变化。 f 5 ) 切削速度对表面纹理的影响 切削速度对工件表面纹理有较大的影响，这是因为切屑在刀刃的作用下与工 件分离的状态取决于切削速度。当以较低速度切削时，切屑与工件分离不完善， 极易产生鳞刺，并开始形成积屑瘤；中速时积屑瘤高度达到最大值，故中低速加 工时工件表面质量较低。在较高速度切削时。若加工系统刚性足、刀具材料性能 好、不产生振动，切屑与工件分离比较完善，已加工的工件表面纹理质量就较好。 因此切削速度越高，工件表面质量越好。 2 6 实验方案的设计 刀具状态监测切削实验系统由车床、空气喷嘴、光源、显微镜、c c d 显微摄 像头、指向性话筒、a 巾采样卡和微机系统等组成如图2 7 所示。光源选用 x 1 1 4 冷光源，它的亮度可以进行调节。x l l _ 4 冷光源所产生的光经过光导纤维 传送至一环形透射装置，这样在被测物表面形成均匀柔和的光照，可获得良好的 被测物图像。显微镜是1 ，l 型体式显微镜，物镜的直径d = 2 c m ，放大倍数可 在4 0 至1 6 0 调节。被溯物和镜头之间要保持合适的距离，避免镜头阴影对被测 物光照的影响。c c d 显徽摄像头为分辨率为3 2 0 2 4 0 的u s b 接口型的传感器。 微机系统采用p 4 系列处理器，它要从u s b 口接收来自c c d 显微摄像头的每帧 被测物图像的数字信号。 图2 7 刀具状态监测切削实验系统 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 第二章刀具磨损机理分析及实验设计 通过以上的分析，我们已经知道刀具的磨损形态影响到了切削声信号和工件 表面纹理的一些基本特征，但是如果要做进一步的对比分析，那么切削条件就必 须保持一定的稳定性，也就是说，对比分析必须建立在同样的条件之下。 在c a 6 1 4 0 车床上进行切削实验，切削时工件用尾架顶住。基本情况如下： ( 1 ) 工件材料为4 5 群钢，切削直径为5 0 3 瓶， ( 2 ) 刀具为y t l 5 可转位刀片和刀架相组合， ( 3 ) 切削条件：转速n = 7 6 0 r ，曲，进给量f = 0 。1 9 6 删n ，r ，切削用量为 a d = 0 5 m m ，干式切削。 用指向性话筒和c c d 对数据进行采集，其中声音信号的采样频率：2 4 k h z ， 量化精度：1 6 b i t ；图像信息分为两部分：工件纹理和刀具磨损图像( j 三l 后刀面为 主) 。切削声信号数据采集间隔为5 分钟，工件表面纹理图像采集间隔为5 分钟， 后刀面图像的采集间隔为1 0 分钟。 o 分钟 l o 分钟2 0 分钟 3 0 分钟 加分钟 5 0 分钟 6 0 分钟 7 0 分钟 分钟 图2 8 后刀面磨损变化图 在该实验方案中，采用了空气泵基本上可以避免在图像采集中切屑对采集工 浙江工业大学研士学位论文 第二章刀具磨损机理分析及实验设计 件表面纹理图像的影响；采用刀架+ 可转位刀片的形式，刀具的悬升长度为定值， 可降低切削中高频中心频率的偏移量。工件材料最初用其它刀具进行粗切，以获 得比较均匀的表面，工件和车床主轴的回转运动达到同轴，切削直径的范围为 5 0 。3 m ，最终所获得的后刀面图像如图2 8 所示，标号是以分钟为单位的切 削时间。 在研究切削声信号、工件表面纹理与刀具磨损状态之间的关系之前，必须对 其直接的评价指标即后刀面磨损宽度v b 进行计算，其结果见表2 一l ，变化趋 势如图2 9 。可以看出在o 1 0 分钟值增加很快，在1 0 5 0 分钟之间v b 变化又比较缓慢，过了5 0 分钟以后v b 又开始急剧增大，这基本上和理想的刀 具磨损曲线相似。 ， 表2 一l v b 值 车削时问( m m ) o1 0 2 03 04 05 0 6 07 08 0 v b ( 衄) 0 0 _ 3 3o 3 8o 4 60 5 l o 6 40 7 3 ( l 9 41 1 3 h m i n ) 图2 9v b 趋势图 1 b “ 佳 ” 雌 一e e 五 浙江工业大学硬士学位论文 第二章刀具磨损机理分析及实验设计 2 7 本章小结 本章首先概述了刀具磨损形态的特征、磨损