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(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產(chǎn)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(qū)，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(tài)的監(jiān)測中得到廣泛采用〔1〕〔2〕。目前，在國內外用聲發(fā)射監(jiān)測刀具切削狀態(tài)時，大多使用接觸型聲發(fā)射傳感器，這種傳感器結構簡單、成本低。不利之處是實際環(huán)境噪聲干擾易造成其誤判；因聲發(fā)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(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，具有抗干擾和驅動能力強，靈敏度高，安裝使用方便的優(yōu)點。傳感器的另一個特點是前置放大器采用對數(shù)放大器，大大地拓寬了傳感器的輸入信號動態(tài)范圍。
2 新型非接觸聲發(fā)射傳感器的結構
針對傳統(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)射的機理、聲發(fā)射波傳播和衰減規(guī)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(tài)信息的新型非表面接觸式聲發(fā)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(jiān)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(fā)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。
圖1 流體聲發(fā)射傳感器結構
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不使用冷卻潤滑液，作者還研制了一種空氣傳導聲發(fā)射傳感器，其結構如圖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(yōu)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(jīng)實驗驗證〔4〕，此傳感器取得了良好的效果。
圖3 空氣傳導聲發(fā)射傳感器結構
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(fā)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(fā)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(fā)射傳感器；當有冷卻潤滑液時，可以同時利用兩路信號監(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)射信號處理方法
如圖4所示，刀具破損的聲發(fā)射信號，頻率一般大于100kHz，持續(xù)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。
圖4 刀具破損典型信號及其包絡
圖5 聲發(fā)射信號處理框圖
來自傳感器的AE信號經(jīng)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(fā)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(xiàn)刀具破損的異常狀態(tài)，停機報警。當聲發(fā)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(fā)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(xiàn)異常狀態(tài)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(jiān)測刀具破損時的聲發(fā)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(fā)射幅值閾值；
n—浮動次數(shù)；λ—系數(shù)；
xi—聲發(fā)射包絡信號的采樣序列值(i為采樣序號)。
進入監(jiān)測狀態(tài)后，首先進行采樣，取得工況環(huán)境噪聲信號數(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。以后自動定期采樣，取得工況環(huán)境噪聲信號數(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(fā)射信號的動態(tài)范圍比較大，一般從微伏級到毫伏級，因此聲發(fā)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(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強度而首先滿足小信號的放大倍數(shù)，這樣，信號稍大就會導致出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。針對這一問題，研制了對數(shù)前置放大聲發(fā)射傳感器。依據(jù)式(2)的對數(shù)放大功能，可以壓縮聲發(fā)射輸入信號的動態(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)射對數(shù)輸出信號；
K1、K2—常數(shù)(一般稱為對數(shù)斜率)；
U入—聲發(fā)射輸入信號。
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)硬件總體構成圖
主控模塊擔任監(jiān)控系統(tǒng)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(fā)射調理模板完成前述的聲發(fā)射信號監(jiān)測處理任務并在出現(xiàn)異常狀態(tài)時報警，即向主控模板申請中斷；A/D、D/A模板完成對聲發(fā)射調理模板中聲發(fā)射包絡信號的采樣和把主控模板來的聲發(fā)射閾值送到聲發(fā)射調理模板進行比較；并行通信模板完成監(jiān)控系統(tǒng)與機床控制系統(tǒng)之間通信任務，即加工中心系統(tǒng)向監(jiān)控系統(tǒng)傳送各種工況參數(shù)和機床運行狀態(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。
本系統(tǒng)除手動監(jiān)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(xiàn)自動監(jiān)測功能。系統(tǒng)具有模塊化，維修方便，使用可靠，抗干擾能力強的優(yōu)點。
上述刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過多次的實驗〔3〕，證明其穩(wěn)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(jiān)控的理想傳感器。
