用切削功率进行刀具磨损在线监测的研究洛阳工学院（４７１０３９）徐顺利，崔凤魁，杨建玺，刘 建亭目前在轴承自动加工中存在的一个迫切问题是对刀具磨损的在线监测与控制。本文介绍了一种 用切削功率进行在线监测的方法，讨论了该方法的理论基础，建立了数学模式并提供了试验结果。 叙词：自动线刀具，磨损，监测，实验Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎｅｏｆｉｍｐｅｒａｔｉｖｅｐｒ ｏｂｌｅｍｓｉｎａｕｔｏｍａｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｉｎｇａｔｐｒｅｓｅｎｔｉ ｓｒｅａｌ－ｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｏｏｌｗｅａｒ．Ｔｈ ｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓｏｎｅｍｅｔｈｏｄｏｆｒｅａｌ－ｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉ ｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｃｕｔｔｉｎｇｐｏｗｅｒ．Ｔｈｉｓｐａｐ ｅｒａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆｔｈ ｅｍｅｔｈｏｄ，ｅｓｔｕｂｌｉｓｈｅｓｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌａｎｄｐ ｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ．刀具磨损的实时监控是自动比 加工中亟待解决的主要问题之一。随着自动化水平的提高，对加工过程的自动监测和控制技术的研 究更显得愈来愈重要，各种各样的监控技术应运而生。刀具磨损的实时监控是计算机与传感技术的 结合。目前，监控方法一般可分为直接法与间接法两大类。直接法是利用光学装置来测量刀具角度 或识别磨损区形态；间接法是利用过程变化监测，用此种监测方法可利用已知点系预测刀具磨损。 比较而言，前一种方法的优点是可靠性高，但由于切削中磨损区不可见，所以它不是连续测量。。 而后一种方法提供了刀具磨损的连续估计。由于信号获取方法及使用条件的限制，目前实用的监控 法不多，较常见的有切削力、主电机载荷及声发射信号等方法，而表征主电机载荷信号可以是电流 、功率、转矩和电机转差率等。机床功率监控技术是利用机床功率消耗状况及特征作为监控信息来 对加工过程进行监测或控制的技术。该法简单易行，无需改动机床结构。并具有监控信息传感容易 ，监控装置成本低廉，实际应用方便等特点，是一种较有潜力的监控方法。一、刀具磨损与功率刀 具磨损由各种机械物理因素造成，包括刀刃的塑性变形、粘着、摩擦和热疲劳武刀具磨损后，后角 度为零度，后刀面与工件接触面积增大。同时，刀尖圆弧半径加大，使刀具与工件间摩擦加剧，从 而使机床切削功率加大。因此通过监测主电机输入功率，并依据一定的识别决策，即可探测刀具的 磨损情况。本文从机床电机和机械传动系统一体比的角度出发，在考虑各种能量损耗并存的前提下 ，以传动环节的能量流程为基础建立了以下机床功率监控数学模型：式中Ｉ豆。－－电机电磁转矩 。－－电机轴的角速度ｌ豆。、Ｆ、．Ｉ－－机床主传动系统等效到电机轴上的非载荷库仑摩擦力 矩、粘性阻尼系数和转动惯量ｑ－－系统载荷损耗系数机床的切削状况包括切削用量，刀具磨损状 况等，非常复杂。这里用一切削状态变量Ｘ来描述，则切削力Ｆｚ是切削状态变量Ｚ的函数，即① 第一作者系机床教研室讲师－－编者注又因为Ｘ一（。；（ｔ），。。（ｔ卜··，。。（ｔ》所 以见一９（Ｘ；（Ｏ，。。（Ｏ，．．．，Ｘ人Ｏ）（２）切削功率可写成人一凡·（．．．一９ （０１（【），ｑ（Ｌ），．．．ｒ力》·１（．．．综合上述各式，可得Ｍ．（ｔｏ）ｔ＝ｔｈ ·ｆ（１１（ｔ，１２（ｔ，．．．，２。（ｔ）·ｙ（ｔｕ＋Ｍｐｅ＋Ｂｕｌ＇－Ｉ－ＪｔｏＭ （）在一次磨损中，。变化很小，因此可近似认为Ｍ。ｗ＋Ｂ。＇＋Ｊｏ干一Ｃ（常数）于是（３ ）式可写成Ｍ。（０））ｔｏ＝Ｇｉｇ（１１（ｔ），１２（ｔ），．．．，１。（ｔ））ｖ（ｔ ｏ）十Ｃ（４）在实验中，我们将切削用量等参数固定，只将磨损量作为变量，因此ｏｖ（。）一 Ｋ（常数）故（４）式可写成如下形式：刀Ｌ（叫－一Ｋ９（１（Ｏ，。。（Ｏ，．．．，ｒ。（ Ｏ）十ｏ（５）由（５）式可以看出，机床功率信息完全由刀具磨损状态参数决定。二、实验条件 及结果１．实验１实验条件见表１，其结果见表２和图１、图２。表１实验条件因３ｋ损量、功率 、时间曲线图４ｋ损量、功率曲线３．实验３实验条件见表５，其结果见表６和图５、图６。ｇ５ ｔｗ＄＃表６实验结果图５磨损量、功率、时间曲线由实验结果可看出，刀具磨损量ＶＢ值在０～ ０．１５ｍｍ范围内时磨损速度较快；在０．１５～０．４５ｍｍ范围内基本上是一条上升的直线 ；０．４５ｍｍ以后磨损速度加快。这基本上与理论分析相符，即磨损过程分三个阶段：初期磨损 阶段、正常磨损阶段和剧烈磨损阶段。困６磨损量、功率曲线从单因素相关分析结果可看出：刀具 磨损与功率呈线性关系，且随刀具磨损量的增加，功率随之增加。三、结论（１）本文所建立的机 床功率监控系统的数学模型，确立了机床的切削加工状态和机械加工过程中的功率信息之间的定量 关系，并由实验得到验证。（２）由实验得出，刀具磨损与功率之间呈线性关系，其方程为Ｙ－ｋ Ｘ＋Ｃ式中Ｘ－－磨损量ＶＢＹ－－切削功率ｋ、Ｃ－－常数参考文献｜｜１刘飞等．机床功率监 控系统的数学模型及其应用。重庆大学出版社，１９９１．２吕雨霏．刀具状态的实时功率监控系 统．上海交大出版社．１９９２．（编辑：朱学验）用切削功率进行刀具磨损在线监测的研究@徐 顺利，崔凤魁，杨建玺，刘建亭$洛阳工学院自动线刀具，磨损，监测，实验目前在轴承自动加工 中存在的一个迫切问题是对刀具磨损的在线监测与控制。本文介绍了一种用切削功率进行在线监测 的方法，讨论了该方法的理论基础，建立了数学模式并提供了试验结果。１刘飞等．机床功率监控 系统的数学模型及其应用。重庆大学出版社，１９９１．２吕雨霏．刀具状态的实时功率监控系统 ．上海交大出版社．１９９２．刀具磨损与功率之间呈线性关系，其方程为Ｙ－ｋＸ＋Ｃ式中Ｘ－ －磨损量ＶＢＹ－－切削功率ｋ、Ｃ－－常数参考文献｜｜１刘飞等．机床功率监控系统的数学模 型及其应用。重庆大学出版社，１９９１．２吕雨霏．刀具状态的实时功率监控系统．上海交大出 版社．１９９２．（编辑：朱学验）用切削功率进行刀具磨损在线监测的研究@徐顺利，崔凤魁， 杨建玺，刘建亭$洛阳工学院自动线刀具，磨损，监测，实验目前在轴承自动加工中存在的一个迫 切问题是对刀具磨损的在线监测与控制。本文介绍了一种用切削功率进行在线监测的方法，讨论了该方法的理论基础，建立了数学模式并提供了试验结果。１刘飞等．机床功率监控系统的数学模型及其应用。重庆大学出版社，１９９１．２吕雨霏．刀具状态的实时功率监控系统．上海交大出版社．１９９２．
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