摘　要
    目的:解決自動化加工過程中刀具破損監控實用性差和可靠性低的問題.
    方法:據刀具破損的聲發射信號特征，使用硬件電路實現雙閾值判別法，并采用特殊的抗干擾措施和對正常加工過程無任何影響的安裝方案. 
    結果:研制了相應的實時監控系統，論述了其工作原理及結構. 
    結論:經實驗證明，該系統具有較高的實用性和抗干擾性.
    關鍵詞:聲發射； 監控； 傳感器

分類號　TG502 

           Research of Monitoring System for the Tools Breakage 
                During the Automatic Manufacturing Process

                 Yang Dayong　　Wang Xinyi　　Xu Chunguang
    (School of Mechanical Engineering and Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing　100081)
    Abstract　Aim　To solve the problem of tool breakage monitoring's poor-prac-ticability and low reliability during automatic manufacturing process. Methods According to the feature of tool breakage's acoustic emission signal, the distinguish-ing method with double threshold values was realized hardware circuit and the special method of interference resistance was adopted. The monitoring system was installed without any effect on the normal manufacturing process. Results　The correspond-ing monitor was developed. The working principle and structure of the monitor was discussed. Conclusion　It has been proved by the experiments that this system has fair practicability and interference resistance. 
    Key words　acoustic emission; monitor; sensor

　　近年來，由于工業自動化的飛速發展，對工業生產過程的實時在線監測要求越來越高.同時，對FMS，CIMS等重大昂貴設備的故障在線監測和生產質量的實時監測及控制的要求更加迫切.目前，對刀具切削狀態進行監測的眾多方法中，聲發射(AE)方法能連續監視刀具損傷的全過程，它避開了生產過程中振動和音頻噪聲污染嚴重的低頻區，而且幾乎不受材料的限制.但是，目前國內外大多使用接觸型聲發射傳感器［1，2］，不僅使用不方便，且容易受到工況環境的干擾；國內外學者使用了模糊模式識別及人工神經網絡等先進的技術和算法，提高了檢出率，但降低了實時性，并使系統復雜、可靠性下降.
　　作者研究了一種適合自動化加工過程在線監測刀具破損的智能化聲發射傳感監控系統，它把傳感器、前置放大器、信號處理系統、控制系統集成為一體，且體積小、結構緊湊，可直接安裝在機床主軸旁邊，操作簡便、安裝方便、靈敏度高且抗干擾能力強.
1　監控系統的原理及結構
　　金屬或非金屬材料在斷裂或裂紋擴展時會出現單個或多個突發的聲發射信號，這些聲發射信號頻率大于100kHz，比正常切削的AE信號大4～5倍，持續時間為0.2～1.0ms，因此只要能鑒別聲發射信號的頻率、幅值和持續時間，便可識別刀具破損信號.由于刀具破損聲發射信號頻率高，所以只有采用高速信號采集器才能提取到原始聲發射信號，若對其包絡信號進行采集處理則可降低對后續識別處理電路的要求.信號識別原理如圖1所示.通過對檢波信號進行幅值鑒別來識別AE信號的大小，然后再通過鑒別脈寬識別AE信號持續時間的長短，即采用幅值和脈寬的雙閾值判別法就可識別刀具破損的聲發射信號.采用雙閾值判斷，是由于僅用幅值閾值判斷，常常會有一些非刀具破損的干擾脈沖信號造成誤報警，實驗表明刀具破損AE信號持續時間比干擾脈沖長，因此只有超過幅值閾值且持續時間為0.2ms以上的AE信號才判斷為刀具破損.
                    
                    圖1　聲發射信號識別原理
    監控儀沒有采用傳統的接觸式AE傳感器，而是使用作者研制的流體傳遞信號的新型AE傳感器(集成在監控儀內)，監控儀安裝示意圖見圖2.使用時把它安裝在機床原有的潤滑冷卻液管道安裝處，刀具破損時，AE信號通過潤滑冷卻液，以與潤滑冷卻液流動方向相反的方向傳遞到監控儀.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Hz到幾十MHz，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的衰減較小［3，4］.這為利用流體作為聲發射信號的傳播媒體提供了保障.由于這種安裝方式信號傳遞路程短，傳遞路徑中無其它接觸面，因而靈敏度高、抗干擾能力強.由于監控儀內采取了特殊的消除振動和噪音的自適應濾波器，所以盡管儀器安裝在振動噪聲影響很大的機床主軸附近也不會造成誤報警.監控系統框圖如圖3所示.
                         
                      圖2　監控儀安裝示意圖 
          
                     圖3 聲發射監測處理方法
　　從主軸傳來的振動、噪聲等干擾信號主要是通過傳感器殼體傳入的，本系統采用的特殊自適應濾波器，可以把來自殼體的各種干擾信號濾去，而保留從流體介質傳來的刀具破損AE信號.經自適應濾波后的信號進入高通濾波器(截止頻率100kHz)，經過高通濾波后的AE信號有一定的衰減，經再次放大后進入檢波器，檢波后的AE信號進入比較器進行波形鑒別.首先對AE信號的包絡進行幅值比較，當其達到預先設定的幅值閾值時，比較器1觸發翻轉，開始輸出信號，接著進入脈寬比較，即信號進入積分器開始進行積分，積分器依下面的計算式工作：
            
    式中U_o(t)為積分器的輸出； K為由電路參數確定的常數； U_i(t)為積分器的輸入，即比較器1的輸出； U_o(0)為開始積分時刻積分器的輸出，由電路參數調整為0。
　　比較器1的翻轉信號積累一定的時間，積分器的輸出高于預先設定的脈寬閾值時，比較器2觸發翻轉(當積分器輸出低于脈寬閾值時，認為是沖擊干擾).由比較器2輸出信號觸發報警電路，給出機床停機信號.這樣的監測處理方法完全由硬件電路實時實現，是一種較好的監測刀具破損的實用方法。
2　刀具破損監控系統的結構
　　監控儀結構如圖4所示，它是由傳感腔和電子電路腔組成.傳感腔由傳感元件接收信號.電子電路腔包括電源模塊、前置處理模塊、后置處理模塊、控制模塊4部分.它們除實現上述的聲發射監測處理外，報警后還可以給出機床的控制信號使機床停機.同時以聲光報警提示用戶，并給出繼電器報警輸出接口供用戶選用.傳感腔、電子電路腔及電子電路腔內各電路板都采用模塊化設計，它們之間采取接插式連接，便于維護更換.由于工業電磁的噪聲使監控儀工作環境比較惡劣，對監控儀進行了抗干擾設計.同時依據電磁兼容設計原理采取了一點接地、殼體屏蔽結構.經電鉆、機床的啟停等電磁和電源干擾實驗，證明采取的一系列措施是有效的。
                  
                     圖4 監控儀結構示意圖
3　實　驗
　　在CA6140普通車床上進行了鉆頭破損實驗，直接使用機床上的冷卻潤滑液系統，監控儀串接在冷卻潤滑液撓性管的根部，冷卻潤滑液為20#機油.以不同直徑(0.5～2.1mm)的高速鋼麻花鉆頭和不同的切削參數(切削速度：400～1400r/min，進給量：0.028～0.036mm/r)鉆削45#鋼和硬鋁，實驗進行了56次，成功率為98%.
　　在RE3020加工中心上進行了高速鋼麻花鉆頭破損實驗，工作材料為45#鋼，冷卻潤滑液為20#機油.實驗結果見下表.
                     加工中心上鉆頭破損實驗數據表 
              
　　在實驗過程中，人為敲擊傳感器殼體和加工中心主軸，以及加工中心啟停、變速等都沒有引起誤報，證明了該儀器具有較強的抗干擾能力。
　　本智能監控儀主要應用于刀具破損的在線實時自動監控，也可應用于其它的金屬和非金屬動態裂紋監測。