刀具磨损监测技术的国内外研究现状浅析

季宏宇

摘 要： 本文主要针对刀具磨损监测技术进行了论述，阐述了国内外关于刀具磨损检测的诸多方法，包括直接监测和间接监测法，对诸多方法进行了分析，并就多传感器融合技术进行了初步探讨。

关键词： 刀具 磨损 监测技术

在现代工业生产中，生产方式的改变和市场竞争的需要，促使以计算机辅助的自动化加工得到迅速发展。刀具磨损监测系统作为自动化加工系统不可缺少的重要组成部分，日益受到国内外研究人员的重视。综合国内外刀具磨损检测的诸多方法，根据刀具磨损量检测原理的不同，主要分为两种：直接监测方法和间接监测方法[1]。

1.直接监测方法

直接测量刀具磨损量或刀具破损的方法，称为刀具状态的直接监测方法。常用的方法主要有接触法、放射线法和光学检测方法，直接检测刀具磨损的传感器有接触探测传感器、光学显微镜，高速摄像机等。

（1）接触检测方法

接触探测传感器于1974年由Renishaw发明，能够检测刀具磨损和破损。在检测刀具磨损和破损程度时，旋转刀具，让刀具后刀面接触传感器，根据刀具加工前后的直径变化获得刀具的磨损量，并根据刀具的接触力判断刀具的破损程度。该方法有较高的检测精度。其缺点是只能在停车时进行检测，不能用于实时监控。德国Malto公司利用该方法研制的刀具破损监测装置，能够成功监测刀具的破损[4]。

（2）放射线检测方法

由Massachusetts技术研究所开发的放射线检测装置，用于检测刀具是否已经达到预先指定的磨损状态。此方法是预先在刀具后刀面设置一个位置，在该位置放置少量放射性物质，定期在切削周期的间隙中用盖革一弥勒离子管检查放射物质是否存在。如果该物质不存在，就说明已经达到磨钝标准。此方法的缺点是不能进行实时监控，并且具有放射性污染。

（3）光学检测法

通过光学传感器获得刀具磨损区域的图形，利用图像处理技术得到刀詈具的磨损状态。和其他检测方法相比，采用光学法检测刀具磨损的优点是：不受切削条件和工件材料影响，能够同时获得刀具多个磨损模式的图形，便于整体了解刀具的磨损形态。其缺点是易受加工方式的影响，许多加工方法无法采用光学法监测其刀具状态。

2.间接监测方法

通过监测与刀具磨损或破损密切相关的传感器信号，利用建立的刀具磨损或破损和信号特征之间的数学模型，间接获得刀具磨损状态的方法称为刀具状态的间接监测方法。间接监测刀具磨损的传感器以下几种，与直接监测刀具磨损的方法相比，间接测量方法具有不影响加工过程，可以连续监测加工过程的优点，更适宜于加工中的在线监测。因此，大多数国内外学者都利用这种方法研究刀具磨损监测中的相关技术难题[2]。

（1）切削力监测技术

研究表明，切削力信号作为加工过程中最稳定和最可靠的信号[3]，和刀具磨损和破损密切相关。此外，测力传感器在工业上的成功应用，使得切削力监测技术在刀具磨损监测研究领域应用最广泛，也是最具优势的一种方法。

（2）基于声发射的监测技术

自1955年德国科学家Kaiser发现声发射现象以来，声发射技术在工程应用方面得到迅速发展，被公认为是一种最具潜力的新型检测技术。声发射是一种物理现象，是指固体材料在变形、破裂和相位改变时迅速释放应变能而产生的一种弹性应力波。研究表明，在金属切削过程中，工件材料的塑性变形、切屑的塑性变形、切屑与刀具表面摩擦、刀具后刀面与已加工表面的摩擦、第一剪切区和第二剪切区的塑性变形、刀具破损和切屑的破裂等现象都会引起声发射现象。

（3）基于振动（加速度）的监测技术

切削过程中的振动信号包含丰富的与刀具状态密切相关的信息，它主要由切削力中的动态分量引起，且和刀具—工件—机床构成的切削系统本身的动态特性密切相关。在具体应用过程中，振动信号和力信号一样，被分解为三个方向的振动。根据不同的加工方式，选择不同方向的振动信号监测刀具的磨损。

（4）基于电流和功率的监测技术

刀具磨损时，由于切削力增强，造成切削功率和扭矩增加，使得机床电机电流增大，负载功率随之增大，因此部分研究人员采用监测电流或功率的方法识别刀具磨损状态的变化。电流监测方法和功率监测方法具有安装简易，测量信号简便，成本低，不受加工条件限制，不干扰加工过程等优点，因此成为广泛采用的一种监测方法。此外，导轨的误差和传动系统的精度也会造成电机电流和功率的改变。

（5）表面光洁度监测法

刀具的磨损必将导致零件表面尺寸精度和表面光洁度的改变，这是监测刀具状态的直接原因，因此可以通过检测零件表面光洁度的方法监测刀具磨损。

（6）超声波监测法

用来检测刀具状态的超声波传感器是一套超声波发射和接收装置。在机械加工过程中，将一束超声波打在刀具磨损表面或工件已加工表面上，随着刀具磨损程度的变化，由刀具反射回的超声波能量也随之变化。另外，刀具磨损变化也引起已加工表面的光洁度发生变化，因此由已加工表面反射回来的超声波能量也发生变化。通过对接收到的能量变化进行检测，就可间接获得刀具磨损状态。

（7）基于温度的监测方法

由金属切削机理可知，随着刀具磨损量的增加，切削温度明显升高，温度升高的同时会加速刀具的磨损，因此刀具磨损和温度变化密切相关，这一因素可以用作监测刀具状态。

传统测量温度的传感器是热电偶，然而，在实际加工中几乎没有一种工件允许在其内部埋置热电偶，且其热惯性大，响应慢，因此不适合在线监测。

3.多传感器融合技术

多传感器信息融合技术是指充分合理地选择多种传感器，提取对象的有效信息，充分利用多传感器资源，通过对它们的合理支配和使用，把多个传感器在时间或空间上的冗余信息或互补信息依据某种准则进行组合，以获得被测对象的一致性解释或描述。多传感器信息融合是刀具监测系统广泛采用的方法，通过对不同传感器信号信息进行不同层次的融合，使监测系统获得对象更全面的信息，多传感器信息融合与经典信号处理方法间存在本质区别。由于数据融合缺乏一致性检验准则，因此数据合成主要作为单一特征进行门限检测，而很难建立监测模型，刀具磨损监测系统几乎没有应用。

总之，使用多传感器信息融合技术提高了刀具监测系统的预报精度和可靠性，不同的传感器组合取得的监测效果各不相同。

参考文献：

[1]王忠民，王信义，杨大勇，等.刀具磨损状态在线监测技术.制造技术与机床，2000，6：39-41.

[2]陈爱弟，王信义，王忠民，等.基于模糊聚类的刀具磨损量在线监测方法.北京理工大学学报，2000，20（3）：276-280.

[3]李劲松.铣削过程刀具磨损监测技术研究[博士学位论文].北京：北京航空航天大学，1998.

[4]吴道全，万光珉，林树兴，等.金属切削原理及刀具[M].重庆：重庆大学出版社，1994：46-59.