[发明专利]回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及机械加工检测设备，具体涉及一种可进行全加工周期且在线自动检测的回转体刀具磨破损检测装置。

背景技术

刀具的磨损状况对金属切削加工的精度和制造成本有关键影响，当磨损到达一定程度或出现破损后需要更换刀具，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损害机床, 因此有必要建立在线刀具状态监测系统，自动获取切削刃的实际磨损状况。

刀具状态监测的核心技术是刀具破损和磨损的在线检测，根据所采用检测信号的性质，刀具磨破损检测方法可分为两大类：间接测量法和直接测量法。

间接法是通过测量和分析切削过程中与刀具磨损状态相关的一个或多个信号来间接推断刀具的失效状况，需要提取信号中对刀具磨损敏感的特征值，并建立数学模型来描述这些特征值与刀具磨损程度之间的关系，依据该模型，当特征值超过某一阈值即认为刀具失效。刀具的磨损和破损会反映在切削力、切削扭矩、主轴功率、电流、机床振动、切削温度、切削发出的声音、工件表面粗糙度等方面的变化，这些信号都可用于刀具状态监测。间接法最重要的优点是可以在切削过程中实时使用，响应时间快，能够应用于恶劣的加工环境。直接法是通过测量刀具切削刃在体积或形状上的改变来评价刀具失效，如直接拍摄切削刃的图像，通过计算磨损区的面积或体积来判断刀具磨损情况；或利用激光等光源照射切削刃，根据刀刃处对光的反射能力或遮挡情况的变化来监测刀具的磨损与破损程度。直接法是对单个切削刃的直接观察，因此信噪比和灵敏度高，能够获得高的测量精度，测量系统具有通用性，不依赖于加工参数、工件形状和机床类型。

由于磨损过程的复杂性，目前刀具状态监测技术存在如下缺陷：

1. 间接检测方法通用性差。由于需要通过刀具磨损实验建立被测信号的特征值与刀具磨损程度之间的关系，这一关系与切削参数、机床类型和工件形状密切相关，一旦更改加工条件或在不同的机床上加工，特征值的阈值就可能发生变化而需要重新调整；此外，间接检测方法易受噪声干扰，由于被测信号的变化不仅受刀具磨损的影响，还受工艺参数的影响，只有较大的信号如刀具破损才容易被可靠地识别出来，而对刀具磨损检测的灵敏度和精度仍有待提高；

2. 直接检测方法只能在退刀后的切削间歇进行，因此无法检测到切削过程中突然发生的刀具破损并预防可能发生的事故；此外，对于生产中广泛使用的铣刀等回转刀具的在线磨破损检测，基于图像的直接方法无法实现测量的自动化，需要利用工具显微镜，在主轴停转的情况下，人工辅助完成测量或拆下刀片离线测量，从而大大增加了待机时间，降低了生产效率和可靠性。

发明内容

为了能克服上述刀具磨破损检测的缺陷，本发明的目的在于提供一种回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置，该检测装置能在刀具旋转的状态下，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。保证加工过程的可靠性，使得生产中广泛使用的回转体刀具得到合理利用，降低生产成本，提高加工效率，减少对刀具金属材料的消耗，节约自然资源，具有重要意义。

为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置，包括装置基座、刀具光学检测系统、集中控制系统和刀具磨损警报系统，装置基座固定安装在回转体刀具的机床的工作台上，刀具光学检测系统通过装置支架固定安装于装置基座上，刀具光学检测系统为面阵型图像传感器系统，刀具光学检测系统的图像数据信号输出端与集中控制系统的信号接收端连接，集中控制系统的报警指令信号输出端与刀具磨损警报系统的信号接收端信号连接，本发明在线自动检测装置还包括振动传感器或声发射传感器，振动传感器或声发射传感器的信号输出端与集中控制系统的信号接收端信号连接，进而在切削过程中监测刀具的破损状态，刀具光学检测系统包括刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置，刀具整体测量装置采集整体刀具的图像数据，进而确定刀具切削刃的位置及姿态，切削刃局部测量装置加工前、后和切削间隙采集切削刃磨损区局部细节图像数据，进而检测刀具的磨破损状态，回转体刀具的机床主轴装有标定靶物，在进行测量前，要先进行刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置的在线标定。