1、浙江工業大學碩士學位論文摘要基于聲音和圖像的刀具磨損狀態監測技術的研究要摘在大規模自動化生產中，對刀具磨損狀態的監控是保證生產順利進行的關鍵。本論文在分析現狀的基礎上，從切削聲信號和工件表面紋理這兩個方面對刀 具磨損狀態監測技術進行了研究。第一章闡述了本文的研究背景，概述了刀具磨損狀態技術的研究情況，分析了各種技術的特點、優點和目前狀態監測的研究現狀，提出問題。第二章對刀具的磨損的機理以及磨損形式、磨鈍標準選擇進行了概述，并 對刀具的磨損對切削聲音和工件表面紋理的影響做了初步的分析，且提出了實驗 方案。第三章在闡述信號分析理論的基礎上，對采集的切削聲信號從時域和頻域分別進行了分析。在時域對時序

2、模型進行了統計分析，在頻域進行了頻譜估計 并對不同的方法進行了比較得出了較為理想的刀具磨損狀態的評價指標。第四章在闡述圖像紋理分析理論的基礎上，從像素空間投影、灰度共生矩陣和等歡度行程長度這三個方面的若干個特征參數對工件表面紋理圖像進行了分析，篩選出反映刀具磨損狀態較為理想的參數。第五章在闡明多信息融合技術的基礎上，分析了單獨用切削聲信號和工件表面紋理進行刀具磨損狀態監測的優缺點，并提出用神經網絡將兩者進行信息融 合，得到了結果收斂的神經網絡模型。第六章總結與展望?？偨Y本課題所做的工作，并分析了刀具磨損狀態監測技術的前景以及進一步的研究工作。關鍵詞：刀具磨損，狀態監測，切削聲信號，紋理皇!坐塑

3、塑蘭三些查蘭堡±堂些絲苧TOOL WEARRESEARCH 0FMONITORINGCONDITIONBASED 0N CUTTINGIMAGE PROCESSINGSOUND SIGNAL A NDABSTRACTw眈rThesmootlIismonitort001condition in thetopmductionensuringtokeyon the 100】wear condii徹aufomationresearchesproduclionThis paperlarge-scalemonitoring by cutting sound signal and wo岫iecet

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8、etcjng the cons耐n伊nts眥吼ary and prospectsthenlis researchThe sixmchaptcr百vesonmoIIitoring；cutting sound signal；texturcWbrds：toolwear；conmtionKeyll浙江丁業人學碩士學位論文第一章緒論第一章緒論【摘要】本章介紹了論文的研究背景，對刀具磨損狀態監測技術發展和研究現狀進行了分析討論提出了本論文研究的目的、意義及主要研究內容。§11機械制造過程中工況與故障診斷的特點【l】在傳統的機械加工環境中，以人為主體，對于機械制造過程工況狀態的判斷很容易迸行。通常

9、是對加工過程中產生的異常噪音或者所得產品的質量對工況進行估計。隨著柔性制造系統(FMS)和集成制造系統的發展，機械加工的自動化程度日益提高，對于工況的監測與故障診斷也日漸重視并成為實現機械制造自動化、少人化或無人化的重要技術保證。機械制造系統的動態特性有以下特點： (1)離散性與斷續性。就加工過程而言，在一次走刀中的切削加工可以是連續的(如車、鉆、磨等)，也可以是斷續的(如銑)。從一個零件的制造過程麗言，工序與工序是兩個相互獨立的過程，而對加工質量來說，工序與工序是相關的。(2)緩變性與突變性。在固定的加工條件下，一臺機床的動態特性是緩變的如機床的溫升、零件磨損、應力的分布等；而刀具的損壞和折

10、斷等往往是在瞬問出現的，屬于突變性故障。(3)隨機性與趨向性。由于機械加工中各種隨機因素干擾大，因此機械加工過程中各種物理量的變化如切削力、切削溫度、刀具磨損與刀具壽命和切削條件的關系往往是含有趨向性的隨機過程。(4)模糊性。在現象與因素關系上，大部分呈模糊性，即一部分因果關系是透明的，而另一部分是黑色的。在工況分析中需要用到各種建模方法，沒有適用于各種情況的通用數學模型。§12刀具磨損狀態監測的意義【2】【習隨著生產自動化程度的提高特別是柔性制造系統(FMs)技術的出現，人們越來越重視對加工過程的在線監鍘。刀具破損在線監測是最早提出的研究方向。破損是刀具主要失效形式之一，特別是脆性

11、較大的刀具(如硬質合金、陶瓷 刀具等)進行斷續切削或者切肖#難加工材料時。刀具破損的在線識別可以降低或浙江_T業大學項=E學位論文第一章緒論者避免程度不同的損失，如工件報廢、機床損害等。現在，有些刀具破損監測方法已經成熟，并用于生產中。后來人們又將目光放在刀具磨損的監測上。在切削 過程中刀具的磨損在所難免。刀具磨損是一個漸進的過程，變化較緩慢，在常 規的操作工單機床加工時，工人可以根據機床的振動或噪聲及切削情況等估計刀 具磨損程度；在自動化加工過程中，則需要系統能夠自動判斷刀具的磨損程度并 及時換刀，以避免由于刀具磨損量過大造成的加工質量下降或其他損失。由于刀 具的破損、磨損將影響整個加工過程

12、，所以通過對刀具狀態改變的監測可以直接 反映出加工過程中其他因素的變化，如加工質量(工件表面粗糙度、形狀位置精度等)、機床狀態(如機床的振動)等。這樣，刀具監測系統的監控對象不再只 局限于刀具，而是向更寬的范圍拓展。在現代制造技術中，刀具破損、磨損的在 線監測及通過刀具監測來控制其他過程因素構成了刀具監測技術的全部。隨著技 術的發展，生產自動化程度、加工精度越來越高，難加工材料和新材料越來越多， 零件的形狀越來越復雜所以需要在自動化加工過程中對刀具進行在線監測。另外，在競爭越來越強的市場中，勞動力價格和投資的增加要求提高生產率，減少生產投入和生產時間。過去，在大批量生產中實現了高效率，但是隨著

13、零件 的設計壽命下降，也必須進行中小批量的生產。為了減少檢驗和試驗的費用所 生產的零件必須具有完全可控制的穩定質量。人們要求排除瑣碎的以及危險的工 作，而普遍認為高自動化能滿足上述要求，而且是解決或減少這些問題的最主要 的方法之一。在試驗FMS的過程中，有許多技術問題有待于解決，特別是在過程模擬和傳感技術領域。金屬切削加工是最重要的繼續制造方法。在這些加工過程中不能通過基本切削參數(刀具幾何參數、切削用量等)很精確預測切削加工的狀態(切削形式、 刀具壽命等)。刀具壽命和狀態對加工的經濟性和工具質量有很大的影響。在金 屬切削加工的過程中，刀具的磨、破損如未能及時的發現，會導致切削過程的中 斷，引

14、起工件的報廢、機床損壞、甚至整個FMs停止運行，造成很大的經濟損失。雖然刀具壽命管理可以防止刀具的磨損和破損但因為刀具壽命的隨機性 其壽命極限估計往往過于保守，以致大部分刀具未能充分利用。在無人化加工系 統中這將意味著換刀次數和刀具費用的增加。因此，機加工過程中，定量、定 時地掌握刀具狀態，監測與診斷刀具磨損、崩刃等損傷故障，對于延長機床設備無故障運行，提高產品質量具有重要的意義。§13刀具磨損狀態監測方法概述14J州J刀具的磨損監測是計算機與傳感技術的綜合。多年來，眾多學者在刀具磨損、破損的監測方面進行了大量的研究。目前，監測方法根據切削加工工程和傳感器 類型一般可分為直接法和間接

15、法兩大類。浙江工業大學碩士學位論文第一章緒論幽1一I刀具磨損監測技術分類§131直接測量法直接法是直接監測刀刃的形狀、位置等參量，一般只能離線測量。(1)測量刀刃位置該方法采用的是接觸觸發式傳感器，以英國Rellishew公司的產品為代表，該傳感器三個方向都可觸發，其工作原理是停機后退出刀架至原位，回轉臂在測 頭接觸刀具后會發出一個信號，該信號鎖住測頭刀刀具瞬問機床上的坐標位置， 根據兩次坐標之間的讀數差，可知刀具的磨損量。利用這一方法可測出刀尖的磨損、破損尺寸的改變量，但比較麻煩，對形狀復雜的工件更是無能為力。(2)直接測量刀具損耗面這是應用光學技術監測刀具損耗面大小的方法。其中，

16、一種方法是基于刀具 側面磨損后反光度增大的現象，對側面的發射光進行分析就可判斷刀具的磨損情 況。另一種方法是采用工業電視監視電視攝像機接收刀刃部分的圖像，將圖像 數字化后由計算機進行圖像處理，在屏幕上直接顯示出刀具磨損面的形狀和尺寸。采用光學方法直觀性強，但大部分只能在切削完畢后，把刀具移至固定位置進行觀察，在出現積削瘤或其它沉積物時，分析耗損部位就有困難。§132間接測量法問接法是間接測量正在切削狀態中的某些參數，將它與給出的正式切削參數 進行比較，從而推斷出刀具是否已磨損或者刀具就要發生破損的先兆，達到監測目的。(1)測量切削力切削力是切削過程中與刀具磨損、破損狀態最為密切相關的

17、一種物理現象。浙江T業人學頌一I：學位論文第一章緒論采用切削力作為監測信號，具有拾取信號容易，反映迅速、靈敏等優點，是在線實時法中研究較多，被認為很有希望突破的一種方法，所以是加工中心和FMs 測量刀具破損的常用方法之一。切削力的測量成分包括靜態力和動態力兩部分。采用的監測參數主要有切削 分力大小及其導數，切削力之比，動態切削力的時序分析、頻譜、相關函數等。 其中信號處理技術包括了時域和頻域兩大類。采用切削力監測方法的主要障礙在于，由于切削過程的復雜性，影晌切削力 變化的因素很多，較難與刀具磨損、破損性質區分開，使得設置監測閾值非常困難。(2)測量主軸電機功率(或扭矩)，此方法是基于刀具磨損或

18、破損時，切削力將增大造成切削功率(或扭矩)的增加，使得機床驅動主運動電機的負載功率變大的現象，一般是通過測量負荷功率或電流和電壓間相位及電流波形變化等來達到監測的目的。該方法具有測量信號簡便、可避免切削環境中切屑、油煙、振動等干擾監測 裝置易于安裝等優點，是目前應用較為廣泛的一種監測方法。其缺點是在小尺寸 刀具或切削用量比較小時，電機功耗變化不明顯，一般僅適合于粗加工場合。此 外，電網電壓不穩定、電磁噪聲等干擾都對監測效果有直接影響。(3)測量工件尺寸加工中刀尖磨損或破損必然會引起工件尺寸發生變化，通過測量工件已加工 表面的尺寸變化量，可以間接判斷出刀具的磨損、破損情況。從測量方式看，有 接觸

19、工件測量的接觸式和測量刀具工件之間間隙的非接觸式兩類。測量工件尺寸方法的優點在于能直接定量給出刀具徑向磨損或破損值，并可與加工精度的在線、實時補償結合起來，保證加工質量，實現精加工中刀具磨損、 破損監測的最終目標。其缺點在于，實時測量易受測試環境干擾，冷卻液、切屑 等影響測量結果；加工中工件、刀具的熱膨脹和受力變形、主軸回轉精度、進給 運動精度、振動等因素也會直接影響測量的精度。此外，在加工變截面工件時， 要求傳感器進行準確的跟蹤定位，由此也會帶來定位的誤差，并增加了實現的難度。(4)測量切削溫度切削熱也是金屬切削過程中的一個重要物理現象，刀具的磨損和破損將導致 切削溫度的驟增。測量切削溫度有

20、三種方式：(1)刀具一工件組成的自然熱電偶， 可以測出切削區的平均溫度不同的刀具、工件材料需進行標定；(2)固定在刀 體內某點由兩種金屬絲組成的熱電偶，測出的是距離刀刃一定距離處某點的溫度，存在溫度變化時響應慢、事先準各費時的問題。(3)紅外攝像系統，可測出4浙j工丁業火學i|i|士學位論文第章緒論切削區溫度場分布，具有靈敏度高，響應時間短的特點，但儀器復雜、成本高，聚焦困難，難以測出切削覆蓋處的刀具溫度。(5)測量刀具與工件接觸處電阻測量原理可分為兩種：一種是根據刀具磨損使刀具與工件接觸面積增大而引起接觸電阻減小的效應，這種方法受切削用量影響較大并有絕緣要求：二是在刀 具后刀面上貼一層薄膜導

21、體，它隨著刀具磨損而消耗，根據其電阻的變化可知刀 具后刀面的磨損量。此方法精度高，但需每把刀具都粘貼薄膜電阻，且在高溫、 高壓下薄膜電阻易脫落。該方法應用于實際工況，目前還不太現實。(6)測量振動頻率刀具在切削過程中，工件與磨損的刀刃部側面摩擦，會產生不同頻率的振動。對這種振動的監測有兩種方法：一是把振幅分成高低兩部分，在切削過程中對此 兩部分振幅進行對比；二是把振幅分成幾個獨立的幅帶，用微處理機對這些幅帶 進行不斷地記錄及分析，即能監測出刀具后刀面的磨損程度。美國國家標準局自動化研究所在鉆削加工中利用振動信息方面取得了成功 的經驗。研制成的系統是利用裝在工件上的加速度傳感器對振動信息進行時效

22、分 析，識別鉆頭的磨損并判斷鉆頭的折斷。(7)測量聲發射(AE)聲發射(AcousticEmission)技術用于監鍘刀具的磨損、破損是在無損監測方面新開辟的一個應用領域。目前國外已經用在加工中心上。聲發射是在金屬加工中分子晶格發生位錯、裂紋擴展及塑性變形時釋放出的 一種超高頻應力波脈沖信號，其頻率范圍在100kHz以上。刀具破損時，聲發射信號的某些特征參數如包絡曲線的有教值、突發脈沖幅值、脈沖計數器、功率譜 等將發生變化。聲發射的優越性在于它避開了切削過程中振動和音頻噪聲污染嚴重的低頻區在所感興趣的頻率范圍內靈敏度較高：能抵御一定范圍內切削用量的變化； 同時，由于監測信號反映的是金屬材料內部

23、晶格變化情況，故有可能較早地對刀 具破損進行預報。其不利之處是特征參數易受工件和刀具材料的影響，實際環境 下的高頻噪聲往往造成其誤判；由于聲發射信號在接觸界面傳播時損耗很大， 般要求將傳感器安裝在刀桿上；聲發射監測系統要求有超高頻信號處理儀及與之 相應的計算機，故成本相對較高。(8)測量工件表面粗糙度隨著刀具磨損程度的增加或破損的發生，工件已加工表面的粗糙度將呈增大趨勢，據此可間接評價出刀具的磨損或破損狀況。測量工件表面粗糙度的方法也塑望三些查堂堡主簍垡絲塞墨二塑墮堡可分為兩類。一類是劃針式接觸測量，可直接得出表面粗糙度的評價參數矗?；虺撸?。此類方法僅適于靜態測量。目前，絕大多數此類方法僅適用

24、于計量室或實驗室環境。另一類是非接觸式光學反射測量，得出的是工件表面粗糙度的相對值， 自動監測中通常采用光纖傳感器和激光測試系統兩種類型。此類方法測試效率高，可以不留痕跡地測量軟質材料的工件表面，但事先需采用樣品標定。受切削液、切屑、工件材質、振動等的影響較大。當前還達不到實際應用水平。通過以上的分析可知，在寓接監測刀具磨損量比較困難的情況下，當前針對與刀具磨損狀態密切相關的物理量，提出了許多的間接刀具磨損狀態監測技術并且各有優缺點和適用的場合，在監測的精度和準確率上也有一定的差異。§14刀具磨損狀態監測技術的發展趨勢根據當前刀具磨損監測技術在國內外的研究水平和應用狀況，該技術將向以

25、下幾個方向發展：(1)硬件方面當前不同精度、不同大小、價格優廉的傳感器的研制，以及高分辨率的圖像采集系統的出現，將使刀具磨損監測技術向更高水平發展。只有這樣才能提高分析精度，加快分析速度，縮短分析時閫，從而適應現場監測的需要。(2)軟件方面開發綜合各種監測手段的智能化故障診斷專家系統在知識獲取和表達方面、推理機制方面和控制策略方面比傳統的專家系統更優異、更合理以便解決先前的知識獲取“瓶頸”和知識難于維護的缺點。新開發的專家系統界面將更友好，其使用范圍也更寬廣。(3)方法和理論方面f9H7J新方法、新理論、新技術應用于刀具磨損監鍘中是目前許多高等院校和科研機構研究的熱點和難點。對數據處理方面，線

26、性回歸、多元線性回歸、灰色理論， 時間序列分析和矩陣變換等方法不斷被引入；在分析方法上，神經網絡技術、模糊數學方法、分形理論、小波分析等也同時被采用：基于多傳感器的信息融合系統、數據模型和結構的研究也應用于刀具磨損監測技術領域。關于這些方法和理論的研究必定是該領域目前和將來研究的一個重要方面。§15以聲信號和圖像為刀具磨損狀態監測對象的研究現狀(1)對切削過程中的聲信號，在90年代以前研究得比較多。文獻18在研究切削聲信號的聲學特性的基礎，采用傳聲器和精密聲級計作浙江工業大學頂士學位論文第一章緒論為聲音采集設備，將信號記錄在磁帶上進行放大，提取了頻帶聲壓級作為特征量，并建立了相應的判

27、別函數。文獻19】對車削加工中的切削聲信號進行了功率譜多參數分析。在數字濾波的基礎上，計算了功率譜幅值之和、功率譜頻率重心、功率譜教度等特征量。證 明了在諸多影響參數中，濾波功率譜值之和隨著刀具磨損量VB的變化規律最為 顯著，且譜散度分析對處于正常磨損階段的刀具磨損程度估計與預報有一定的價 值。文獻20】在實驗條件下，用麥克風對切削聲信號進行了采集。將采集到的聲信號用小波變換進行多尺度分解，得到了不同頻率成分的波形，將尺度因子作為 反映刀具磨損狀態的特征量。文獻21研究了切削過程中的噪音形成機理，不同工件材料的塑性變形、工 件材料和刀具之間的摩擦、工件的振動、切削過程的非線性以及刀具材料的剮度

28、 等都對切削過程中的聲音產生影響。文獻【22】將切削中的聲音特性和振動特性相結合，提出了一種新的刀具磨損狀態監測技術。當前研究比較熱門的是聲發射，研究的主要是頻率大于100kHz的切削聲信號，避免了背景噪音形成的干擾【23卜【261。但是實驗條件要求比較高，使用專門的聲發射傳感器，而且一般都要安裝在刀具上迸行信號采集。因此需要對車床系統 進行改造，成本很高。(2)計算機圖像處理技術在刀具狀態監測中的應用是隨著計算機軟件和硬 件技術的發展而不斷得到應用和完善的。它能在一定程度上克服現有刀具狀態監 測方法，例如基于聲發射、切削力、振動、溫度、應力、電機電流功率等監測方 法所存在的缺陷，因此逐步成為

29、刀具狀態監測領域的一類重要監測手段27】【28】。當前該方法主要用與對刀具磨損圖像的直接監測。根據刀具磨損的位置和形式的不同，分為后刀面磨損圖像、月牙洼磨損圖像、刀具破損圖像。文獻29】將裝有光學器件的Tv照相機安裝在機床上當切削暫停時，獲取由光導纖維束照明的切削刀具的圖像。使用三個不同的分割算法進行圖像分割。 但沒有標定測量裝置以提供精確的測量單位在所使用的分割技術之間也沒有進 行比較。文獻30】利用可調節的觀測儀基于后刀面磨損模式的觀測技術和遞歸最小平方參數估計算法的組合測量后刀面磨損。由于照相機分辨率的限制，只有磨損 區域的中央部分可以被攝取。在閩值處理后，磨損區域的頂部和底部之間的距離

30、 作為磨損的寬度。從試驗結果可以得出，在不變的切削條件及變化的切削條件下- 這種一體化的方法能夠較好地實現檢測目的。文獻31】提出了一種更復雜的試驗配置方法記錄月牙洼磨損圖像。激光束經浙江T業大學項士學位論文第一章緒論過衍射光柵，合成的干涉條紋投射到刀具的傾角面上。條紋的偏轉標示傾角面上的變形量，如月牙洼磨損。這種布置在提供月牙洼磨損的3維視圖很有優勢，但是，照明條件的控制要求額外的硬件復雜性。文獻32】通過計算最近的刀具邊緣點與刀具尖端的差并把它與預置的閩值 進行比較來確定刀具是否破損。如果超過了閾值就認為刀具已經破損。閩值從對 銳利刀具的系列測試而得到。閩值的設置要能夠容納允許的刀具尖端圓

31、度和非圓 誤差。選擇恰當的破損閾值是非常重要的，如果破損的刀具被誤認為是合格的刀 具，則可能會使加工質量達不到要求。當前對于工件表面狀況主要集中于對粗糙度的測量，分為針式接觸測量和光學反射式非接觸測量。通過粗糙度的變化情況來反映刀具磨損的狀態。直接用 圖像處理中的紋理分析方法還不是很多?；诠ぜ砻婕y理信息的監測方法，它不能實時地在線監測，需要等待車床 停車時才能進行檢測相當于準在線系統，它不但能夠反映出刀具的磨損狀態 而且I_包直接反映了工件表面質量的好壞該方法還能夠間接地用于表面質量監測。§16本文研究的目的和主要內容本課題在進行文獻調研和資料研究的基礎上，針對現有的故障診斷技術

32、和刀具磨損狀態監測技術的研究現狀，進行了方案論證，確定了以下研究內容：(1)本論文研究對象為切削聲信號和工件表面紋理，作為問接反映刀具磨損狀態的物理量。(2)針對切削加工過程的切削參數的多樣性和工況條件的復雜性，提出一個適合于對比分析的理想的切削實驗方案，該方案要不失一般性，又要將許多 復雜的條件簡單化。(3)考慮到刀具在切削過程中，其狀態從鋒利到遲鈍，刀具和工件的接觸面積不斷增大，將使工件的表面質量下降，同時切削狀況發生變化，從加工之 后工件表面紋理(靜態)和切削過程中工件和刀具作用產生的聲音(動態)著 手，借助于信號分析和計算機圖像處理理論，通過對實驗中獲得的數據進行處 理和分析，建立基于

33、工件紋理和切削聲音估計刀具磨損狀態的數學模型，并將 該模型應用于刀具狀態的分析和評價。根據以上的研究內容，本文共分六章，整個體系結構如圖l一2所示。塹堅三些查蘭堡蘭蘭竺墮苧苧=童墮鯊ll；l(第四章)在闡述圈像紋理分析理論的基礎上，從像素空間投影、灰度l共生矩陣和等灰度行程長度這蘭個方面的若干個特征參數對工件表面紋ll理圖像進行了分析篩選出較為理想的反映刀具磨損狀態的參數。lI(第六章)全文工作總結與今后的工作展望。圖12全文的體系結構安排9浙江工業大學硬士學位論文第二章刀具磨損機理分析及實驗設計第二章刀具磨損機理分析及實驗設計【摘要】本章首先闡明了刀具磨損形態的特征、磨損過程和磨鈍標準，從理

34、論上描述了利用后刀面磨損寬度()作為刀具磨損狀態評價的直接指標的合理性。同時分析了影響切削聲信號和工件表面紋理的主要因素并提出實驗方案，為后續章節的研究奠定基礎。§21刀具磨損的基本特征和形態分析37】【38】在切削過程中，不論刀具材料和工件材料的力學性能如何，刀具的前刀面、后刀面與工件材料接觸部分總會不斷磨損。由于在接觸區內有很高的溫度和壓力，因此在前刀面和后刀面上都將隨著切削時間的增長而逐漸產生磨損。對于不 同的切削條件，主要磨損可能發生在前刀面、后刀面或前、后面同時發生磨損。 圖2一l是典型的車刀磨損形態的示意圖。潮郴嘴¨渤勘t蔓毆釉圖21車刀的磨損形態車刀主要出現下

35、列幾種磨損情況：(1)主后刀面磨損(n觚k we哪VB即在切削刃下面的主后面上產生的磨損，這是一種幾乎在所有材料的切削中都能見到的磨損。如圖21所示，后刀面的磨損帶往往不均勻，通常分為三個區：靠近刀尖部分的c區、靠近工件外表面處的N區和中間部分的B區。刀尖部分的c區由10浙江工業大學碩士學位論文第二章刀具磨損機理分析及實驗設計于強度較低、散熱條件較差、磨損比較嚴重，最大值以Vc表示。在靠近工件外表面的N區磨損，屬于邊界磨損，由于工件毛坯表面的硬皮或上道工序的加工 硬化層等因素的影響，使得磨損劇烈，產生較大深溝，該區的寬度以vN表示。在磨損帶中間部位的B區，磨損比較均勻，常以平均寬度VB來表示，

36、有時也用最大磨損寬度表示。(2)前刀面(月牙洼)磨損(刪ng)KT這是一種因排出的切屑和刀具前刀面相摩擦產生高熱而發生的熔焊磨損。如圖2一l所示，從切削刃略微后退的地方發展成凹狀，再逐漸發展到切削刃。在切削鋼材之類比較粘的材料，就容易發生這種現象。(3)邊界磨損(cndwe盯)切削時，常在主切削刃與待加工表面或副切削刃與工件已加工表面接觸的后 刀面上磨出較深的溝紋，這種磨損溝紋稱為邊界磨損。(4)打刀這是在切削刃上產生的一連串小“碎片”，往往在切削開始不就后開始發生。主要是在工件材質和被切削材料的配合惡劣或切削條件不適的場合發生。(5)偶爾發生的損傷刀具在沒有達到壽命之前，突然發生大的破損，刀

37、具材料的基層處于暴露狀 態。刀具的損傷和被切削材料中硬物質的存在是其原因，且者器是偶然發生性損傷。 屬于非正常磨損。上述幾種磨損形態在切削加工過程中往往同時存在，且多數情況下都會發生后刀面磨損，并且后刀面的磨損帶寬度值測量方便，所以一般多用VB值來衡量刀具的磨損程度。§22刀具的磨損過程和磨鈍標準§221刀具的磨損過程、fs圖22刀具的典型磨損衄線刀具的磨損量隨切削時間的延長而逐漸增大。通過切削實驗，可得到如圖2浙江工業大學碩士學位論文第二章刀具磨損機理分析及實驗設計一2所示的刀具的典型磨損曲線，該圖的橫坐標為切削時間，縱坐標為后刀面磨損量VB(或前刀面月牙洼磨損深度KT)

38、。刀具的磨損過程大致上可分為三個階段：(1)初期磨損階段該階段磨損曲線斜率較大，即刀具磨損較快。這是因為新刃磨的刀具表面存在著粗糙不平以及微裂紋、氧化或脫炭層等缺陷，且切削刃口較鋒利，后刀面與 加工表面接觸面積較小，壓應力較大，故很快就在后刀面上磨出一個寬度，一般初期磨損量為o05姍一01脅，其大小與刀具的刃磨質量直接有關。實踐證明，經過仔細研磨的刀具初期磨損量較小。(2)正常磨損階段經過初期磨損后，刀具的粗糙不平表面已經被磨平，刀具進人正常磨損階段。這個階段的磨損比較緩慢均勻，后刀面的磨損量隨切削時間的增長而近似比例增 加。該階段是刀具的有效工作階段，刀具的使用不應超過這一階段。正常切削時，

39、 該階段的時間較長。(3)急劇磨損階段當磨損帶寬度增加到一定限度時，加工表面粗糙度值加大，切削力與切削溫 度均迅速升高，刀具磨損速度也急尉加快，以致失去切削能力。§222刀具的磨鈍標準35】【3s】刀具磨損到一定限度就不能繼續使用，否則將降低工件的尺寸精度和表面質量，增加刀具材料的消耗及加工成本，刀具的這個磨損限度稱為磨鈍標準。在評定刀具材料的切削性能和試驗研究時，都以后刀面磨損量作為衡量刀具磨損程度的磨鈍標準。因為一般刀具的后刀面都會發生磨損，而且測量也較方便。因此國際標準IS0統一規定以l，2切削深度處后刀面上測定的磨損帶寬度作為刀具的磨鈍標準。制定磨鈍標準時，既要考慮刀具的合理

40、使用，又要考慮保證工件加工表面粗糙度和尺寸精度。因此，不同加工條件下，刀具磨鈍標準也不盡相同。例如，精 加工時磨鈍標準可制訂低些，而粗加工磨鈍標準可制訂高些；機床工藝系統的剮 度較低時，應考慮在磨鈍標準內是否會產生振動；此外，工件材料的切削加工性、刀具制造及刃磨的難易程度等都是磨鈍標準時應予以考慮的因素。國際標準瑕0推薦的車刀耐用度試驗的磨鈍標準如下：(1)高速鋼或陶瓷刀具，可以是下列任何一種：破損；如果后刀面在B區內(見圖21)是有規則的磨損，取=o3咖；如果后刀面在B區內是無規則的磨損、劃傷、剝落或嚴重的溝痕，浙江工業大學碩士學位論文第二章刀具磨損機理分析及實驗設計取VB=O6mm：(2)

41、硬質合金刀具，可以是下列任何一種：VB=O3mm；如果后刀面是無規則的磨損，=06mm；前刀面磨損量KT=O06+03f，其中f為進給量。§23切削聲信號和工件紋理的基本形態§231切削聲信號的波形特征在切削加工中，刀具的磨損直接導致了刀具和工件表面的接觸面積的增大， 在摩擦面積的增大的過程中，切削聲信號在波形上表現出了一定的差異，如下所示：Ik岫岫湎Ii蕊婦吐眥蹦至il礎洫刪岫I婦ik孵照冊阿唧鄹唧堆冊取唧一刪舯!|J!ji；L圖23初期磨損_【 礎8 孵il 】l 蛐齜 Jj J礎j幽II。I I 曲l 孵J。l隔l；。隔 l嗍腓嘲I圖24正常磨損“ 虹豳It!i I擊

42、主_jlI“刪 山lJk甜l叩唧，|1 P姍 啊H。I研HP”'-蔓II_|_I t_ m1f盯”二÷圖25急劇磨損可以清晰地看出，在刀刃鋒利時切削，刀具與工件接觸幾乎是以刀刃為主的第二章刀具磨損機理分析及實驗設計浙江工業大學碩士學位論文線接觸，阻力較小，聲音聽起來比較犀利，在波形上看來幅值較小，整個過程比較平穩。當磨損帶出現一定的寬度之后，幅值開始增大，但整個過程仍舊是平穩的。最后當刀具磨損超過到一定值時，波形開始出現時高時低的跳變，表現為不平穩狀態。§232工件表面紋理的形態工件表面紋理指對已加工表面形貌或幾何特征等參數的定義，包括一些呈現在表面輪廓中的一些特征

43、，如粗糙度，波形和缺陷等等。工件表面紋理是刀具刀 刃狀態的映像。刀刃鋒利時切削出的工件紋理清晰，連續性好。刀鈍時切削出的工件紋理紊亂，不連續且有斷痕。不同的加工方式和刀具具有不同的紋理特性。(a)(c)圖26車削工件紋理圖像圖26給出了幾種車削形成的工件表面顯微紋理圖。(a)為刀刃鋒利時切削出的工件紋理圖，(b)為刀刃磨損時切削出的工件紋理圖，(c)為刀刃破損時切 削出的工件紋理圖，區別比較明顯。從以上簡要對比分析中可以看出，切削聲信號和工件表面紋理這兩方面對于刀具的不同磨損情況均有反映，但是要使計算機自動定量的對此進行分析，必須有合理的模式識別方法，提取有效的特征參數。§24影響切

44、削聲信號的因素在傳統的非自動化生產中，操作工人通?？梢愿鶕邢鬟^程中所產生的聲音來對刀具的磨損情況作出大致的判斷，尤其是在磨損比較劇烈或者崩刃的情況切削聲音信號的突變是非常明顯。切削過程是一個相當復雜的過程，伴隨這一過程的聲輻射也十分復雜，切削時的聲源很多，電機聲、傳動系統聲、工具與工件的撞擊摩擦聲以及金屬破裂聲等交混在一起B”。研究表明，切削聲的低頻成分與主軸箱的振動頻率相對應，而其高頻成分與刀具的振動頻率能很好地吻合，表21說明了切削聲高頻段的峰值頻率與刀桿的懸升長度的關系u。塑堅些盔蘭堡主學墮堡塞第二章刀具磨損機理分析硬實驗設計§25影響工件表面紋理的因素【39】一411在切削

45、過程中，影響工件表面紋理的因素較多，主要有以下幾點：(1)后刀面磨損和刀刃半徑對表面紋理的影響后刀面磨損越大，則刀具和工件產生的切削力越大，切削過程越不穩定，工 件表面紋理縱向紋理的規則性也越差。刀具磨損后，刀刃鈍圓半徑將增大，這導 致工件和刀具的摩擦增大，切削溫度升高，對表面有一定的燒蝕作用。同時由于 接觸面積的增大，它也會刮擦工件表面紋理。(2)積屑瘤對表面紋理的影響積屑瘤是指粘附在前刀面與刀尖上的一塊硬度很高的金屬它是由于刀具前 面的外摩探阻力大于切屑底層內結合力而形成的。如果在切削過程中產生了積屑 瘤，則一方面，積屑瘤的粗糙突出部分就會代替切削刃切人工件，在已加工表面 上劃出深淺不一、

46、斷斷續續的縱向淘紋來，另一方面它還會在破碎脫落時粘附在 已加工表面上。要避免積屑瘤的產生要合理地控制切刖速度，切削速度一般在60Irnlin以上。c3)鱗刺對表面紋理的影響一般認為是由于前刀面、后刀面上的摩擦造成的。因為在低速車削時，雖然 沒有積屑瘤，但會出現鱗刺，鱗刺的形成過程大致是：切削時。切屑在前刀面抹 掉潤滑膜后，與前刀面的摩擦力增大了，切屑就暫時粘結在前刀面上，并代替前 刀面擠壓切削層，使切屑與加工表面之間出現裂口，擠壓到一定程度后切削力 增大，切屑克服了與刀具前刀面問的摩擦與粘結又開始沿前刀面流動這時刀刃已刮過去，導致部分就殘留在已加工表面上成為鱗刺。浙江工業大學礤士學位論文第=章

47、刀具磨損機理分析及實驗設計f4I切削過程中的振動對表面紋理的影響切削過程中的振動會使表面紋理的規則性顯著下降。振動般是由于徑向切削力太大或工件系統的阿i度小而引起的。振動分強追振動和自激振動。在切削時， 由于周期性變化的外力所引起的振動稱為強迫振動。在沒有周期性變化的外力情 況下，由切削過程本身的切削力的周期性變化所引起的振動，稱為自激振動。例 如，切削時摩擦力的變化、積屑瘤和鱗刺的產生與消失等都會引起自激振動。在 切削過程中，隨著刀具磨損的加尉，切削力也會相應的增大，導致振動加劇，這 時表面紋理的形態會發生變化。f5)切削速度對表面紋理的影響切削速度對工件表面紋理有較大的影響，這是因為切屑在

48、刀刃的作用下與工件分離的狀態取決于切削速度。當以較低速度切削時，切屑與工件分離不完善， 極易產生鱗刺，并開始形成積屑瘤；中速時積屑瘤高度達到最大值，故中低速加 工時工件表面質量較低。在較高速度切削時。若加工系統剛性足、刀具材料性能 好、不產生振動，切屑與工件分離比較完善，已加工的工件表面紋理質量就較好。因此切削速度越高，工件表面質量越好。§26實驗方案的設計刀具狀態監測切削實驗系統由車床、空氣噴嘴、光源、顯微鏡、ccD顯微攝像頭、指向性話筒、A巾采樣卡和微機系統等組成如圖27所示。光源選用x114冷光源，它的亮度可以進行調節。xll_4冷光源所產生的光經過光導纖維傳送至一環形透射裝置

49、，這樣在被測物表面形成均勻柔和的光照，可獲得良好的 被測物圖像。顯微鏡是1，l型體式顯微鏡，物鏡的直徑d=2cm，放大倍數可 在40至160調節。被溯物和鏡頭之間要保持合適的距離，避免鏡頭陰影對被測 物光照的影響。cCD顯徽攝像頭為分辨率為320×240的USB接口型的傳感器。微機系統采用P4系列處理器，它要從USB口接收來自ccD顯微攝像頭的每幀被測物圖像的數字信號。圖27刀具狀態監測切削實驗系統16浙江工業大學碩士學位論文第二章刀具磨損機理分析及實驗設計通過以上的分析，我們已經知道刀具的磨損形態影響到了切削聲信號和工件 表面紋理的一些基本特征，但是如果要做進一步的對比分析，那么切

50、削條件就必 須保持一定的穩定性，也就是說，對比分析必須建立在同樣的條件之下。在cA6140車床上進行切削實驗，切削時工件用尾架頂住?；厩闆r如下：(1)工件材料為45群鋼，切削直徑為503瓶， (2)刀具為YTl5可轉位刀片和刀架相組合， (3)切削條件：轉速n=760r，曲，進給量f=0。196刪n，r，切削用量為aD=05mm，干式切削。用指向性話筒和ccD對數據進行采集，其中聲音信號的采樣頻率：24KHz， 量化精度：16bit；圖像信息分為兩部分：工件紋理和刀具磨損圖像(J三l后刀面為主)。切削聲信號數據采集間隔為5分鐘，工件表面紋理圖像采集間隔為5分鐘，后刀面圖像的采集間隔為10分鐘

51、。20分鐘lO分鐘o分鐘50分鐘加分鐘30分鐘分鐘70分鐘60分鐘圖28后刀面磨損變化圖在該實驗方案中，采用了空氣泵基本上可以避免在圖像采集中切屑對采集工第二章刀具磨損機理分析及實驗設計浙江工業大學研士學位論文件表面紋理圖像的影響；采用刀架+可轉位刀片的形式，刀具的懸升長度為定值， 可降低切削中高頻中心頻率的偏移量。工件材料最初用其它刀具進行粗切，以獲 得比較均勻的表面，工件和車床主軸的回轉運動達到同軸，切削直徑的范圍為50。3m，最終所獲得的后刀面圖像如圖28所示，標號是以分鐘為單位的切削時間。在研究切削聲信號、工件表面紋理與刀具磨損狀態之間的關系之前，必須對其直接的評價指標即后刀面磨損寬度

52、VB進行計算，其結果見表2一l，變化趨勢如圖29。可以看出在O10分鐘值增加很快，在1050分鐘之間vB變化又比較緩慢，過了50分鐘以后VB又開始急劇增大，這基本上和理想的刀具磨損曲線相似。表2一lvB值，60708020304050車削時問(mm)VB(衄)O10o6405l073(L941130_33O38O460“佳”¨¨一EE五>¨雌¨HmIn)圖29VB趨勢圖1B浙江工業大學硬士學位論文第二章刀具磨損機理分析及實驗設計§27本章小結本章首先概述了刀具磨損形態的特征、磨損過程以及磨鈍標準，從理論上說明了以刀具后刀面磨損帶寬度(vB

53、)作為刀具磨損狀態的評價指標的合理性和可行性，并簡要分析了刀具的磨損和切削聲信號、工件表面紋理的之間的聯系。 同時對影響切削聲信號和工件表面紋理的主要因素進行了分析，為后續各章節研 究基于聲音和紋理的刀具磨損狀態監測奠定了基礎。主要工作如下：分析了刀具磨損的三種主要形態：前刀面磨損、后刀面磨損和邊界磨損。隨著刀具切削時間的增加，后刀面主要表現為磨損寬度值增加，前刀面主要是月牙洼磨損深度KT值增加。刀具的磨損過程分為初期磨損、正常磨損和劇烈磨損三個階段。初期磨損階段vB值增長較快，正常磨損階段值增長較緩慢并且大致與切削時間呈 線性關系，劇烈磨損階段值增長很快，并且不久將喪失切削能力。以加工精度和

54、表面質量為主要指標的磨鈍標準稱為工藝磨鈍標準，刀具的磨鈍標準一般定在劇烈磨損階段之前。分析了切削聲信號和工件表面紋理在初期磨損，正常磨損和急劇磨損時的基本特征，指出必須使用合理的模式識別方法，采用計算機進行自動定量分析。在指出影響切削聲信號瓤工件表面紋理的主要因素的基礎上，提出了實驗方案，并獲得了后刀面的實際磨損曲線。浙江T業大學碳士學位論文第三章基于時頻特征的切削聲信號分析第三章基于時頻特征的切削聲信號分析【摘要】刀具的切削聲信號從本質上來講是一個平穩的隨機過程，因此可以用隨機信號的處理方法對此進行分析本章從信號的統計特征、相關性(時域)和功率譜估計(頻域)對 不同磨損狀態下的切削聲信號進行

55、估計和特征分析。在隨機信號的處理與分析中，決定應用什么方法處理夾雜在大量隨機信號中的故障信號是十分重要的。對數據(或信號)進行處理，可用很多方法，基本上可 以分為時域和頻域兩大類，在時域主要是一些統計分析如方差、均值、均方值等， 而在頻域主要是對頻率成分進行分析和估計，如時一頻分析、小波分析等，但從 實用、有效、成熟的角度來講，最基本的方法是頻譜分析，其理論基礎為傅立葉 變換，為了適應計算機的計算，必須把連續的傅立葉變換變成離散的傅立葉變換，即使如此，用驚人的速度來計算離散傅立葉變換所用的時間還是相當長，滿足不Fourier Tr姐sfonn)的出現了信號實時分析的需要?？焖俑盗⑷~變換FFT(FaSt大大縮短了計算時間。一旦監視發現被監測的對象異常(即有故障)，要判斷到底是什么類型的故障，故障發生的部位、產生原因以及嚴重程度等比較準確的信 息，就要對