數(shù)控加工中刀具狀態(tài)的實時檢測

    在數(shù)控加工中，刀具狀態(tài)的檢測具有非常重要的意義，因為刀具的損壞不僅影響加工的質(zhì)量和效率，而且還可能導(dǎo)致嚴重的機床和人身事故。刀具的損壞有磨損和破損兩種情況，磨損是刀具在加工過程中與工件發(fā)生接觸和摩擦而產(chǎn)生的表面材料的消耗的現(xiàn)象；而破損是刀具發(fā)生崩刃、斷裂、塑變等而導(dǎo)致刀具失去切削能力的現(xiàn)象，它又包括脆性破損和塑性破損，脆性破損是刀具在機械和沖擊作用下，在尚未發(fā)生明顯的磨損而出現(xiàn)的崩刃、碎裂、剝落等。而塑性破損是刀具在切削時，由于高溫、高壓等作用，在與工件相接觸的表面層上發(fā)生塑性流動而失去切削能力的現(xiàn)象。目前，對刀具的檢測主要采用人工檢測、離線檢測和在線檢測三種策略。人工檢測即是由工人在加工時憑經(jīng)驗對刀具的狀態(tài)進行檢測；離線檢測就是在加工之前對刀具進行專門檢測，并預(yù)測其壽命看是否勝任當前的加工；在線檢測也稱實時檢測，就是在加工的過程中實時對刀具進行檢測，并依據(jù)檢測的結(jié)果做相應(yīng)的處理。目前，對刀具檢測的算法也不少，有的采用從理論上計算刀具所受應(yīng)力的變化來判斷刀具的損壞情況，有的采用時序分析的方法對刀具進行檢測，有的采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對刀具進行檢測，還有的綜合采用小波變換理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對刀具進行檢測，但它們主要從理論上進行探討�？紤]到刀具在數(shù)控加工中塑性破損比較少見，而磨損對數(shù)控的安全性關(guān)系不是很大且其可通過離線檢測進行處理，本文以數(shù)控加工中常用的球頭刀具為研究對象，對脆性破損中的脆性斷裂的實時檢測進行研究，該類斷裂的發(fā)生，將對加工的質(zhì)量和機床本身產(chǎn)生嚴重的影響。我們認為刀具本身存在著微小的裂紋，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立球頭刀具的負載模型，通過在線檢測判斷該微裂紋在此時的負載條件下是否會擴展，若可能擴展，我們就認為該負載是危險的并通過減小刀具的進給量來減小刀具所受的負載，以保證刀具的安全。

1　刀具的實時檢測

球頭刀具負載模型的建立

如前所述，數(shù)控加工時，刀具所受的負載與很多因素有關(guān)，但考慮到球頭刀具的特點和實時加工的需要，本文只考慮影響較大的幾個因素，即主軸的轉(zhuǎn)速、進給速度、切削的深度、加工材料的切削性能四個因素，則球頭負載的模型為

F=f(s,v,h,m)...................(1)

其中：

F——負載向量；

h——切削的深度；

s——主軸的轉(zhuǎn)速；

m——材料的切削性能。

v——進給量；

    很顯然，式1只是給出了負載與各個影響因素間的籠統(tǒng)的關(guān)系，為了求負載與各個影響因素之間的關(guān)系的具體表達式，必須求出各個因素對負載影響的具體大小，為此，或者采用微分幾何等數(shù)學方法進行復(fù)雜的推導(dǎo)，或者采用實驗的方法得出各個因素的影響系數(shù)，但這樣建立的模型難以適應(yīng)變化的環(huán)境，用于數(shù)控加工中的實時檢測效果不是很理想。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)處理該模型并將之用于刀具的實時檢測中。

刀具實時檢測原理

    本刀具實時檢測的原理是先實時測出刀具的切削深度和進給量并和主軸的轉(zhuǎn)速及加工零件的材料類型輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器進行負載計算，得出的負載輸入檢測器進行計算、比較，若該負載超過刀具的疲勞條件下的裂紋擴展負載，則減小刀具的進給速度，并將進給速度的減小量反饋到CNC控制器的輸入信息，使CNC控制器作出相應(yīng)的控制，以使得負載的大小改變到安全的水平。該刀具實時檢測原理如假定刀具在與機床結(jié)合處的微裂紋為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類裂紋的復(fù)合裂紋，并根據(jù)此處正應(yīng)力和剪應(yīng)力的大小確定該三類裂紋的比例，這樣，即可根據(jù)各類具體的裂紋類型建立公式。至于a，我們根據(jù)該類刀具在使用壽命中的平均裂紋長度，該平均長度可通過無損探傷的方法對不同使用期的刀具進行檢測得到。

2.結(jié)論

    本文提出了通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了對數(shù)控加工中的球頭刀具實時檢測的方法，該方法能實時的對加工中球頭刀具所受負載的大小進行計算，并通過實時檢測判斷該負載是否超過刀具在應(yīng)力疲勞條件下裂紋擴展的負載水平并作出相應(yīng)的處理。該方法對影響負載的因素進行了合理的簡化，使得該控制模型的算法效率很高，因此特別適合實時檢測的需要。本文雖然以數(shù)控中的球頭刀具為研究對象，其實，該方法的原理也可用到其它加工和其它刀具中，比如，電加工等。