1　監(jiān)控系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)

　　金屬或非金屬材料在斷裂或裂紋擴(kuò)展時會出現(xiàn)單個或多個突發(fā)的聲發(fā)射信號，這些聲發(fā)射信號頻率大于100kHz，比正常切削的AE信號大4～5倍，持續(xù)時間為0.2～1.0ms，因此只要能鑒別聲發(fā)射信號的頻率、幅值和持續(xù)時間，便可識別刀具破損信號.由于刀具破損聲發(fā)射信號頻率高，所以只有采用高速信號采集器才能提取到原始聲發(fā)射信號，若對其包絡(luò)信號進(jìn)行采集處理則可降低對后續(xù)識別處理電路的要求.信號識別原理如圖1所示.通過對檢波信號進(jìn)行幅值鑒別來識別AE信號的大小，然后再通過鑒別脈寬識別AE信號持續(xù)時間的長短，即采用幅值和脈寬的雙閾值判別法就可識別刀具破損的聲發(fā)射信號.采用雙閾值判斷，是由于僅用幅值閾值判斷，常常會有一些非刀具破損的干擾脈沖信號造成誤報警，實驗表明刀具破損AE信號持續(xù)時間比干擾脈沖長，因此只有超過幅值閾值且持續(xù)時間為0.2ms以上的AE信號才判斷為刀具破損.

圖1　聲發(fā)射信號識別原理

　　監(jiān)控儀沒有采用傳統(tǒng)的接觸式AE傳感器，而是使用作者研制的流體傳遞信號的新型AE傳感器（集成在監(jiān)控儀內(nèi)），監(jiān)控儀安裝示意圖見圖2.使用時把它安裝在機(jī)床原有的潤滑冷卻液管道安裝處，刀具破損時，AE信號通過潤滑冷卻液，以與潤滑冷卻液流動方向相反的方向傳遞到監(jiān)控儀.對于AE信號來說，這些液體是良好的媒質(zhì).傳播頻率范圍大，從幾Hz到幾十MHz，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的衰減較小^［3，4］.這為利用流體作為聲發(fā)射信號的傳播媒體提供了保障.由于這種安裝方式信號傳遞路程短，傳遞路徑中無其它接觸面，因而靈敏度高、抗*力強(qiáng).由于監(jiān)控儀內(nèi)采取了特殊的消除振動和噪音的自適應(yīng)濾波器，所以盡管儀器安裝在振動噪聲影響很大的機(jī)床主軸附近也不會造成誤報警.監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖3所示.

圖2　監(jiān)控儀安裝示意圖

圖3 聲發(fā)射監(jiān)測處理方法

　　從主軸傳來的振動、噪聲等干擾信號主要是通過傳感器殼體傳入的，本系統(tǒng)采用的特殊自適應(yīng)濾波器，可以把來自殼體的各種干擾信號濾去，而保留從流體介質(zhì)傳來的刀具破損AE信號.經(jīng)自適應(yīng)濾波后的信號進(jìn)入高通濾波器（截止頻率100kHz），經(jīng)過高通濾波后的AE信號有一定的衰減，經(jīng)再次放大后進(jìn)入檢波器，檢波后的AE信號進(jìn)入比較器進(jìn)行波形鑒別.首先對AE信號的包絡(luò)進(jìn)行幅值比較，當(dāng)其達(dá)到預(yù)先設(shè)定的幅值閾值時，比較器1觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，開始輸出信號，接著進(jìn)入脈寬比較，即信號進(jìn)入積分器開始進(jìn)行積分，積分器依下面的計算式工作：

式中　U_o（t）為積分器的輸出； K為由電路參數(shù)確定的常數(shù)； U_i（t）為積分器的輸入，即比較器1的輸出； U_o（0）為開始積分時刻積分器的輸出，由電路參數(shù)調(diào)整為0.
　　比較器1的翻轉(zhuǎn)信號積累一定的時間，積分器的輸出高于預(yù)先設(shè)定的脈寬閾值時，比較器2觸發(fā)翻轉(zhuǎn)（當(dāng)積分器輸出低于脈寬閾值時，認(rèn)為是沖擊干擾）.由比較器2輸出信號觸發(fā)報警電路，給出機(jī)床停機(jī)信號.這樣的監(jiān)測處理方法*由硬件電路實時實現(xiàn)，是一種較好的監(jiān)測刀具破損的實用方法.

2　刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　監(jiān)控儀結(jié)構(gòu)如圖4所示，它是由傳感腔和電子電路腔組成.傳感腔由傳感元件接收信號.電子電路腔包括電源模塊、前置處理模塊、后置處理模塊、控制模塊4部分.它們除實現(xiàn)上述的聲發(fā)射監(jiān)測處理外，報警后還可以給出機(jī)床的控制信號使機(jī)床停機(jī).同時以聲光報警提示用戶，并給出繼電器報警輸出接口供用戶選用.傳感腔、電子電路腔及電子電路腔內(nèi)各電路板都采用模塊化設(shè)計，它們之間采取接插式連接，便于維護(hù)更換.由于工業(yè)電磁的噪聲使監(jiān)控儀工作環(huán)境比較惡劣，對監(jiān)控儀進(jìn)行了抗干擾設(shè)計.同時依據(jù)電磁兼容設(shè)計原理采取了一點接地、殼體屏蔽結(jié)構(gòu).經(jīng)電鉆、機(jī)床的啟停等電磁和電源干擾實驗，證明采取的一系列措施是有效的.

圖4 監(jiān)控儀結(jié)構(gòu)示意圖

3　實　驗

　　在CA6140普通車床上進(jìn)行了鉆頭破損實驗，直接使用機(jī)床上的冷卻潤滑液系統(tǒng)，監(jiān)控儀串接在冷卻潤滑液撓性管的根部，冷卻潤滑液為20^#機(jī)油.以不同直徑（0.5～2.1mm）的高速鋼麻花鉆頭和不同的切削參數(shù)（切削速度：400～1400r/min，進(jìn)給量：0.028～0.036mm/r）鉆削45^#鋼和硬鋁，實驗進(jìn)行了56次，成功率為98%.
　　在RE3020加工中心上進(jìn)行了高速鋼麻花鉆頭破損實驗，工作材料為45^#鋼，冷卻潤滑液為20^#機(jī)油.實驗結(jié)果見下表.

加工中心上鉆頭破損實驗數(shù)據(jù)表