AE感器及切削状态监测.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,AE(,声发射,),传感器和切削状态监测,东华大学 机械工程学院,AE(,声发射,),现象,AE,是,Acoustic Emission,的简称，它是固体在变形或破损时，变形能量以弹性波形式释放的现象。,施力于固体上，当固体处于弹性范围内时，力作为弹性能存储；当力去除后，能量释放并返回到原来状态。,当施加的力超过弹性极限的时候，弹性能的一部分以变形或破坏的形式释放，一部分作为,弹性波,发射出来，称为声发射,AE,它可用固定在固体表面的,AE,传感器检测出来,声发射检测的原理,材料或结构受外力和内力作用产生变形或断裂，以弹,性波形式释放出应变能的现象称为声发射。,发射弹性波的位置（缺陷）称为声发射源。,声发射是一种常见的物理现象，如果释放的应变能足够大，就可产生人耳听得见的声音。,大多数金属材料塑性变形和断裂时有声发射发生，但,许多金属材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听,见，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。,用仪器检测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术，所采用的仪器成为声发射仪。,声发射动态测量,各种材料的声发射的频率很宽，从次声波，到超声波。声发射传感器检测的信号通常为中心频率为,300KHz,的超声波信号。,声发射检测是一种动态无损检测方法（如果裂纹等缺陷处于静止状态，没有变化和扩展，就没有声发射发生，也就不能实现声发射检测）,.,。,声发射,-,缺陷监测,声发射信号来自缺陷本身，因此，用声发射法可以判断缺陷的严重性。一个同样大小、同样性质的缺陷，当它所处的位置和所受的应力状态不同时，对结构的损伤程度也不同，所以它的声发射特征也有差别。明确了来自缺陷的声发射信号，就可以,长期连续地监视缺陷的安全性，这是其它无损检测方法难以实现的,。,钻头破损检测器内存有以往采集的钻头破损的信号或钻头破损模拟信号，与检测信号进行比较。当钻头破损被确认后，发出换刀信号。,加工过程监控与检测,重点是刀具磨损、破损监控与检测。图为声发射钻头破损检测装置示意图。加工过程中，一旦钻头破损，声发射传感器检测到钻头破损信号，将其送至钻头破损检测器进行处理。,钻头破损检测器,声发射钻头破损检测装置系统图,交换,机床,控制器,工件,折断,工作台,声发射传感器,破损信号,切削过程监测的意义,在数控切削过程中,刀具的破损和失效是造成机床设备损坏和切削加工安全事故的主要起因,!,据现场统计,由刀具破损和失效引起的停机时间占故障停机时间的,1/51/3.,这使得数控机床的利用率大大下降,!,实现对刀具破损的在线监测并且当发现刀具破损时能实时地作出相应处理，如保存加工信息后报警或者换一把刀,继续接着往下加工等将不仅保护工件和机床设备、,保证加工的安全,同时也能保证产品的加工质量节省时间提高生产效率。,加工过程刀具监测,自动化加工系统的发展，对加工过程刀具的切削状态的实时在线监测技术的要求越来越迫切；,原来由人观察切削状态，判断刀具是否磨、破损的任务由自动监控系统来承担。该系统的好坏，直接影响自动化加工系统产品质量和生产效率，严重时还会造成重大事故；,据统计，采用监控技术后，可减少人和技术因素引起的故障停机时间,75%,。,设备运行状态监控与检测,传感器群,信号采集,预处理,特征提取,状态识别,诊断决策,预维修决策,监控检测报告,正常状态模式,预,诊断知识库,预,维修知识库,学习训练,匹配,状态异常,报警,预知故障,报警,输出,图,设备运行状态监控与检测框图,设备运行状态监控,切削加工示意图,在切削过程中，刀具在高压、高温和强烈摩擦条件下工作，切削刃由锋利逐渐变钝以至失去正常切削能力。刀具磨损超过允许值后，须及时刃磨，否则会引起振动并使加工质量下降。,刀具磨损形态和磨损机制,刀具磨损的形态,刀具磨损过程,电机电流监测法,监测原理,在切削过程中，随着刀具磨损量的逐渐增加或发生微小的破损，切削力也相应增大；,当刀具磨损到极限或发生严重破损时，由于切削深度减小太多，使得切削力急剧减小；,切削力的变化引起电机输出转矩发生变化，从而导致电机电流发生相应的变化；,通过监测电机电流大小就可以间接地判断刀具的状态。,刀具破损电流变化形式,t,i,a),刀具发生较小破损,t,i,b),刀具发生极限磨损,t,i,c),刀具发生较大面积磨损,刀具状态监控,A/D,D/A,测电机电流法获取刀具状态的示意图,电机电流信号提取方法,串联电阻法,大小限制,：,从不影响电机特性的角度，阻值应尽可能小；从提高检测灵敏度考虑，希望在相同电流下有较大的取样输出，电流应大一些为好。,缺点,：（,1,）在取样回路中引入高电压会对取样调整操作带来危险；（,2,）选取低阻值、大功率的串联电阻，体积较大，安装使用不便。,霍尔电流传感器法,优势：,可以进行非接触测量；对电机性能没有任何影响，精度较高，安装方便。,刀具破损、磨损的传统监测法,I,g,i,t,问题分析,：实际加工时，正常切削时电机电流比磨、破损时的电流变化大得多，分辨不出正常切削与刀具磨、破损状态；而且切削条件（刀具、工件材料、切削用量）对刀具磨、破损的阈值影响很大，用一个不变的阈值很难适应切削条件多变的,FMS,加工。,电网对电流监测的影响,在加工过程中，由于动力电网负载较多，大功率设备的频繁启停，引起电网电压的波动较大。,如果电网电压从额定值,100%,变化,10%,（这是经常发生的），负荷电流就要增加或减小相应的部分，以维持电机输出功率不变。,误报警,刀具未磨、破损，由于电源电压降低引起了电机电流增大，超过规定的阈值，造成误报警。,2.,漏报警,刀具已经磨、破损，但由于电源电压升高，引起电机电流的相应减小，未达到规定的阈值，造成漏报警。,电流监测法的改进,同时监测电机电流与电网电压,（,I,1,-I,0,）,-f,（,U,1,-U,0,）,=I,g,I,1,、,U,1,分别是,t,1,时刻的电流、电网电压的实测值，,I,0,、,U,0,分别是,t,0,（初始切削时刻）的电流和电网相应值，,f=I/U,是电网电压变化与引起电流变化的比率，,I,g,是刀具破损时电机电流的阈值。,这种方法不仅能消除电网电压波动的影响，而且由于减去初始切削时的电流仅对其变化部分设定阈值，从而可以大大减小切削条件的影响，提高识别刀具破损的灵敏度,适用情况,交流电动机的额定输出功率（,%,）,电流,25 50 75 100,交流电动机的电流与输出功率不是良好的线性关系。在小负荷时，负载引起的电流变化很小，因此，单独监测电机电流的方法，在小负荷情况下识别刀具磨、破损的灵敏度很差，它适合于中、大负荷条件下的切削状态监控,切削状态监控,-,声发射法,声发射是材料受外力或内力作用而产生变形或断裂时，以弹性波的形式释放能量的现象，该信号的频率范围较宽（,10HZ-2MHZ,）,;,大量试验证明，正常切削时（用硬质合金刀具切削碳素钢），产生的,AE,信号主要是工件的塑性变形，其功率谱分布在,100KHZ,以下的数值很大，,100kHZ,以上的数值比较小；,当刀具破损时，产生的,AE,值，在,100KHZ,以上的数值比正常切削时大得多，特别是,100kHZ-300kHZ,之间更大一些。,AE,信号功率谱,0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0,f/MHZ,-10,-20,-30,-40,-50,-60,P,1,/db,刀具破损,正常切削,在加工过程中，只要监测,100KHZ-300KHZ,之间的门限值，一旦超过这一门限值，就可以判断刀具已破损,双阈值判断刀具破损,1ms,t,AE,幅值阈值,刀具破损监测波形图,-,双阈值法,比较器,&,计数器,刀具破损,AE,包络信号,阈值,时钟信号,流体介质传递信号的新监视方法,在机床的润滑冷却液管道中放置压电敏感元件，当刀具破损时，材料断裂时的能量以弹性波形式通过润滑液方向传到检测元件，经过压电转换，前置放大到监测装置进行适当的分析处理,主轴,夹盘,刀具,工件,冷却管,传感器,放大器,带通滤波,计数器,幅值阈值,时钟脉冲,脉冲计数阈值,弹性波衰减规律,弹性波在流体中传播，其衰减规律为,A=A,0,e,-,x,x-,测点离信号源（刀具破损处）的距离；,A-x,处的信号振幅（,V,）,A,0,-,为,x,0,处的信号振幅（,V,）,-,液体介质中幅值衰减系数（,V/mm,）,液体介质监测方法特点分析,该传感器不需作任何改装就可以安装在机床原有的润滑油冷却液的喷嘴上，安装十分方便。,传统的,AE,传感器属于接触式测量，为了不影响,FMS,等自动化加工系统的自动进行，它通常是安装在加工中心机床工作台的侧面。当刀具破损时，弹性波信号要经过工件、夹具、托盘和工作台才能到达传感器，不仅信号传递路线长，而且经过了许多接触界面，这些界面间的气隙状态复杂，对弹性波信号造成很大的衰减，因而信噪比较低。,液体介质监测法中，通过一条液柱直接拾取刀具破损信号，不仅信号传递路线短，传送途中无衰减界面，而且由于弹性波在液体中是纯纵波传播，因而有很高的信噪比。,电流法和,AE,法联合监测,载荷,信号强度,AE,信号,主轴电机电流,AE,信号,电机电流,AE,信号,+,电流传感器,AE,监测法特别是用流体介质传递信号时灵敏度较高，抗干扰能力强，但当负荷较大，如重切削或者大钻头钻孔时，由于,AE,信号过大，放大器的动态范围有限，难以继续工作。为此，把电机电流监测法和,AE,监测法两者结合起来，发挥各自的优点，可以提高判断的成功率。,