[发明专利]一种旋转刀具失效状态在机监测系统及其检测方法

说明书

本发明涉及一种旋转刀具失效状态在机监测系统及其检测方法。该监测系统包括：检测仪、数据处理控制器、刀具数据服务器以及霍尔电流传感器；根据刀具图像序列确定刀具直径和刀具长度，根据该刀具直径和刀具长度确定刀具磨损状态和破损状态；利用霍尔电流传感器获取主轴电流信号，并根据该主轴电流信号确定刀具的崩刃状态和折断状态。采用本发明能够实现了一个高效、灵敏、覆盖加工全过程的通用型刀具失效状态在机实时监测系统，帮助避免刀具失效造成的零件报废，提高刀具利用率，降低加工成本。

技术领域

本发明涉及旋转刀具失效状态在机监测领域，特别是涉及一种旋转刀具失效状态在机监测系统及其检测方法。

背景技术

对回转体刀具进行在机检测涉及五个相互独立的功能，分别是：对刀、微细刀具的多视角检测、刀具跳动检测、前后刀面的逐齿磨损检测、全加工过程的实时监测，其中，前四个功能只能在加工前和加工后运行，而第五个功能可对数控加工全过程中的刀具状态进行实时监测，这五个功能相互独立，分别关注了刀具在机状态的某一特定属性。本文仅针对全加工过程的实时监测这一功能进行研究。

在数控加工过程中刀具可能会发生失效，主要形式是磨损和破损，其中磨损是刀具切削工件所导致的渐进性失效，而破损包括刀具崩刃或折断则是在切削过程中的突发性失效。刀具失效时应及时更换刀具，如果更换过早，会增加不必要的刀具消耗和生产成本，如果更换太晚，则可能导致工件尺寸超差和表面划伤，严重时甚至可能伤害操作人员和破坏机床；因此在线监测铣刀等回转体刀具的失效状态具有重要意义。根据所采用检测信号的性质，目前存在三类技术，这些技术的特点及存在的缺陷如下，难以满足生产大量使用的回转体刀具失效状态在机监测的需求：

(1)间接测量法通过测量与刀具磨破损内在相关物理量如工作台振动、主轴电流、切削力、声发射等信号来推断刀具状态，对于刀具破损，其引起关联信号的变化通常较为明显，因此刀具破损检测技术已相对较为成熟，但对于刀具磨损，由于加工过程的复杂性和磨损过程的渐进性，现有间接测量法虽能够在恶劣的加工过程中实时地检测刀具磨损状况，但测量的灵敏度和精度不够，容易误报警或漏报警，而且监测系统对不同加工条件的通用性不足。

(2)直接测量法通过测量切削刃在体积或形状上的改变检测刀具失效，包括光学图像法和激光检测法。其中，光学图像法具有测量精度高、直观通用性的优点，但要求主轴停转，需拆卸刀具离线检测或人工辅助在线测量，操作繁琐而费时，造成生产停顿，大大影响了生产效率。回转体刀具磨损状态在线自动检测装置提出了非远心成像的双相机3D视觉技术方案，可以旋转状态下对刀具磨损进行逐齿监测，但双相机检测原理较为复杂，需要利用安装在机床主轴上的靶物，通过机床各轴运动形成虚拟空间三维标定靶物，进行相机坐标系与机床坐标系的精确标定，在根据回转体约束进行刀具最大扫掠体的三维建模，测量效率低、计算复杂，测量误差环节多、效率低。此外受测量原理限制，这一方法不能对切削过程中突然发生的刀具失效进行及时响应。激光检测法基于激光遮挡的单点测量原理，通过刀具尺寸的变化推断刀具磨损和破损，也无法在切削过程中对突然发生的刀具失效进行及时响应。

(3)回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置提出了直接测量和间接测量相融合的方法，该检测装置通过结合光学图像法和振动传感器或声发射传感器的信号，在刀具旋转状态下，对刀具整个使用周期内，包括加工前，切削过程中和加工后对刀具磨破损状态进行自动检测，由于采用非远心成像的双相机3D视觉技术方案，也需要利用安装在机床主轴上的靶物通过机床运动形成虚拟空间三维标定靶物，进行相机坐标系与机床坐标系的精确标定，再根据回转体约束进行刀具最大扫掠体的三维建模，测量效率低、标定和计算过程复杂；此外还存在光路防护困难的问题，在实际加工环节中窗口镜非常容易污染，无法可靠工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转刀具失效状态在机监测系统及其检测方法，以解决现有的刀具失效状态在机监测系统无法兼顾灵敏度、通用性、测量效率和全过程实时监测的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：