摘要：随着现代加工技术的飞速发展，新的加工方法与设备、FMS、CIMS等日益被广泛地使用，金属切削加工（特别是其主要形式旋转切削加工）正在朝着高速、重载、自动化、无人化方向迅速发展，因而对旋转切削加工的状态监测日益成为一个制约着切削加工发展的重要因素。监测数据的精确，监测方法的先进，是今后数控机床在线监测的主题。文章探讨了新型在线监测方法，供读者参考。
关键词：数控机床；状态监测；信号处理
一、切削刀具新型在线监测方法
目前，刀具状态监测方法可分为直接测量法和间接测量法两大类。直接法，如测量刀刃位置和刀具破损或磨损面积等方法，难于实现在线和及时发现刀具的急剧磨损和破损，且受加工现场环境所限，设备成本高，安装不方便；间接法是利用直接测量与刀具状态有关的表征物理量进而确定刀具状态，表征物理量的测量决定了间接法的监测本质，取决于表征物理量的传感技术。测量切削力虽是最直观的方法，但测力装置笨重并需改动原机床设备；测量主轴电机功率是较有前途的一种方法，装置简单，安装极为方便，但电机功率变化相对于刀具状态具有延迟性，难于及时诊断，并且不适合小尺寸刀具和切削用量较小的场合；测量振动（切削噪声）方法中，振动传感器的安装给正常加工带来不便，且受环境的振动、冲击及机械振动等的影响；测量声现象（AE）方法，是刀具状态监测的一个新领域，抗干扰能力强，可对刀具破损进行预报，目前表面接触式AE传感器同样会对正常切削带来不便，且易受机械冲击等高频信号的干扰.另外还有许多方法，如测量工件尺寸、工件表面粗糙度、切削温度和刀具与工件接触处电阻等方法均因传感设备复杂，安装不方便或分析处理设备成本太高及监测准确率低等原因不能应用于现场。
本文针对上述监测方法的问题，提出了一种用于实时在线监测的新型传感方法（属于间接法），设计构思如下：（1）利用切削过程中普遍采用的冷却液或润滑液作为信号传输媒介，不增加附加设备；（2）传感器安装不会对正常切削过程带来任何影响和不方便；（3）传感器体积小，仅安装在润滑或冷却回路中即可，不会对润滑或冷却回路造成任何影响；（4）极高的工况抗干扰能力；信号传输及后续处理设备成本低廉。经过大量实验证实，该新型传感原理和方法可用于刀具的破损监测和磨损监测及预报。
（一）原理分析
传感器是利用流体作为信号传播媒质，使信号源的信号能量经流体传播到达敏感元件，再由敏感元件将信号发出的机械能转换为电能，供分析使用，该方法属于传感器与被测物体非接触式测量方法，可以监测运动物体中是否出现信息源.原理图如图1.1所示。
图1.1 传感器原理
传感器的结构尺寸，流体的性能及流体流量大小和传感器与信息载体的位置关系均对信号的敏感程度有很大影响。由流体声学原理可知，信源发出的能量以波的形式在流体中传播，其幅值衰减服从下述规律：
A为x处的信号振幅；A。为x=0处的信号振幅；α为介质中的衰减系数；x为测量点相对于信源的距离。由式(1)知，测量点位置的确定原则是：在此处的信号能量（或幅值）达到传感器中敏感元件的最低灵敏度，式中A。可由各种形式的信源计算，是决定x大小的主要因素，与信源产生的能量波的频率，传播媒介的性质及媒介间的藕合特征因素有关。由于传播媒介对能量波的不同频率成分有不同程度的吸收和散射作用，因此，到达测量点的信源能量中会出现一定程度的频率失真。传播媒介实际上是一个非线性滤波器，幅频特性和相频特性完全取决于媒介的性能和使用条件。一般情况下，服从下述变化规律：
Do，D1, D2：为信源能量在固体中的衰减常数；认，G1，G2为信源能量在流体中的衰减常数；f为信源能量波的频率；ao为使用条件引起的衰减常数（如温度、压力、流量等）。
上述参数确定后，便可准确确定测量点的位置，理论计算上述各常数一般较困难，实际上，往往取某些经验数据，就可以满足实际测量中的需要。
（二）使用配置方案
本传感器借助于机床的冷却润滑系统，故安装和使用不会对切削造成任何影响。图1.2图1.4给出了钻床、车床上的使用配置方案和信号监测方法框图1.3。镗床的使用安装可借用钻床和车床的方案。
由于传感器安装在供液回路中，并且在不进行切削时可停止供液系统工作，因此，抗干扰能力强，如机床的启动、停车，工件的安装造成的冲击、碰撞和摩擦，切削时的进退刀，切削用量变化，切削速度变化及外界工况环境等干扰均可消除，该传感器和后续处理电路配合使用，成本低廉，安装方便，抗工况干扰能力强.是一种实用的识别刀具切削状态的工具。
二、应用与发展趋势
切削加工状态监测存在着二类不同的应用形式，一是对一些现有的切削加工设备如大型自动线的某些单机配置切削加工状态监测仪，这类场合应根据加工特点选择单一的敏感参数。且要考虑传感器安装的方便性，尽量少改动机械结构。因为零件品种相对较少，可从信号处理与识别技术上提高可靠性、准确性。其二是对加工中心复杂设备，加工状态监测已溶入机床制造中。SENSOR FUSIUON等技术的发展使监测仪器能适应机床柔性的要求。加工的准确性有了大大提高，加工时间短，对刀具的磨损程度也小。数控机床以后将向着多元化迈进，即加工中心的复式加工，对一个工件进行多个工序的加工，节约时间和成本。在线监测系统的精准有助于加工的完成。
参考文献
[1]李斌．数控加工技术[M]．高等教育出版社．
[2]关美华．数控技术原理及现代控制系统[M]．西南交通大学出版社．
[3]李峻勤，费仁元．数控机床及其使用与维修[M]．国防工业出版社．
作者简介：赵雷（1981- ），男，黑龙江机械制造高级技工学校机械助理讲师。
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