刀具破損的聲發射傳感監測新技術
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隨著FMS、CIMS的日益廣泛使用，機械加工正朝著自動化、無人化方向迅速發展，加工過程中刀具的狀態監測已成為制約切削加工發展的重要因素。聲發射(Acoustic Emission-AE)方法是近些年來發展起來的最有前途的監測方法之一，由于它監測的是刀具磨損和破損時產生的高頻彈性應力波信號，避開了加工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，抗干擾能力強，因而，在刀具切削狀態的監測中得到廣泛采用〔1〕〔2〕。目前，在國內外用聲發射監測刀具切削狀態時，大多使用接觸型聲發射傳感器，這種傳感器結構簡單、成本低。不利之處是實際環境噪聲干擾易造成其誤判；因聲發射信號在接觸界面處傳播時損耗很大，一般要求將傳感器安裝在工作臺或刀桿上，這就帶來了信號傳輸和傳感器安裝難的問題。
針對以上問題，作者提出了一種新型非接觸型聲發射傳感器，此種傳感器利用流體(液體或空氣)傳播聲發射波，并集寬頻帶、高增益的前置放大器于一體，具有抗干擾和驅動能力強，靈敏度高，安裝使用方便的優點。傳感器的另一個特點是前置放大器采用對數放大器，大大地拓寬了傳感器的輸入信號動態范圍。
2 新型非接觸聲發射傳感器的結構
針對傳統聲發射方法的不足，在深入研究了金屬材料間的摩擦和磨損聲發射的機理、聲發射波傳播和衰減規律的基礎上〔3〕，研制了一種利用液體介質傳遞刀具切削狀態信息的新型非表面接觸式聲發射傳感器，其結構如圖1所示，使用時安裝在機床原有的潤滑冷卻管的噴嘴上，刀具破損時，AE信號通過潤滑冷卻液，以和潤滑冷卻液流動相反的方向傳遞到傳感器，然后進入監測儀進行分析處理。對于AE信號來說，這些液體是良好的媒質。傳播頻率范圍大，從幾赫茲到幾十兆赫茲，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有較小的衰減。這為我們利用流體作為聲發射信號的傳播提供了保障。圖2所示，是傳感器在加工中心機床上安裝使用示意圖。這種傳感器由于信號傳遞路線短，傳遞路徑中無其它接觸面，因而靈敏度高、抗干擾能力強。
考慮到在加工鑄鐵材料或高速切削時不使用冷卻潤滑液，作者還研制了一種空氣傳導聲發射傳感器，其結構如圖3所示。它的使用方案與液體聲發射傳感器完全相同，也安裝在潤滑冷卻管的噴嘴上。這種傳感器以自由空氣作為傳播AE信號的介質，由于聲波波陣面的擴散且空氣密度小，AE傳播過程中衰減大。所以，要求傳感器具有高的靈敏度和抗干擾能力。在設計傳感器時，通過優化結構和選用靈敏度高、信噪比高的敏感元件材料來克服以上缺點。經實驗驗證〔4〕，此傳感器取得了良好的效果。
為適應多變的工況，作者還研制了將前述兩種傳感器集成于一體的液氣組合傳導聲發射傳感器，在一個傳感器上，可以利用液體和空氣來傳導聲發射信號。同時當無冷卻潤滑液時，它相當于一個空氣傳導聲發射傳感器；當有冷卻潤滑液時，可以同時利用兩路信號監測刀具狀態，提高監測信息的“冗余度”。它的使用方法也和前述兩種傳感器一樣。
3 刀具破損的聲發射信號處理方法
如圖4所示，刀具破損的聲發射信號，頻率一般大于100kHz，持續時間為200微秒～1毫秒左右，比正常切削信號大4～5倍以上，因此需高速信號采集器才能提取到原始AE信號，若對其包絡信號進行采集便可降低采樣頻率，采用成本低廉的采集板。圖5所示為刀具破損的AE信號處理框圖。
來自傳感器的AE信號經過放大，高通濾波，取包絡后進行閾值比較。這里采用了雙閾值判別法，即既進行幅值比較又進行脈寬比較的判別方法。先對聲發射信號的包絡進行幅值比較，當包絡信號超過某設定的閾值時，開始進行脈寬比較，當脈寬超過另一設定閾值時，認為出現刀具破損的異常狀態，停機報警。當聲發射的包絡幅值信號低于設定的閾值時，脈寬比較器不工作。當聲發射的包絡幅值信號超過設定的閾值，但脈寬沒有超過設定的閾值時，仍不會出現異常狀態
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