一种可实时监测刀具磨损的激光加热辅助铣削装置 |
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| 申请号 | CN201610605407.6 | 申请日 | 2016-07-28 | 公开(公告)号 | CN106216745A | 公开(公告)日 | 2016-12-14 |
| 申请人 | 哈尔滨工业大学; | 发明人 | 杨立军; 孔宪俊; 王扬; 张宏志; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种可实时监测刀具磨损的激光加热辅助 铣削 装置，包括铣削装置，激光加热装置，实时监测装置；所述铣削装置包括数控 铣床 工作台 、 铣刀 、固定在所述数控铣床工作台上的 工件 ；所述激光加热装置包括激光聚焦头，所述激光聚焦头将激光入射到工件的表面；所述实时监测装置包括多个声发射 传感器 、 信号 处理模 块 、 数据采集 处理模块、工控机，所述声发射传感器安装在工件上检测所述铣刀在铣削状态时的声发射信号，所述声信号经 信号处理 模块和数据采集处理模块处理后存储于工控机内，通过处理和分析后，得出所述铣刀实时磨损状态。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种可实时监测刀具磨损的激光加热辅助铣削装置，其特征在于，包括铣削装置，激光加热装置，实时监测装置； |
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| 说明书全文 | 一种可实时监测刀具磨损的激光加热辅助铣削装置技术领域[0001] 本发明涉及一种刀具磨损检测装置，尤其是一种可实时监测刀具磨损的激光加热辅助铣削装置。 背景技术[0002] 激光加热辅助切削技术是将高功率激光束聚焦在切削刃前的工件表面，在材料被切除前的短时间内，将局部加热到很高的温度使材料的切削性在高温下发生改变，然后采用刀具进行加工。通过对材料进行局部微小区域的加热，提高材料塑性的同时使材料的屈服强度降低，减小切削力，延长刀具使用寿命，抑制锯齿形切屑产生，防止切削振颤，从而达到提高加工效率、降低成本、增加表面质量的目的。 [0003] 激光加热辅助铣削是激光加热辅助切削的一种方式。由于铣削是一个间歇切削过程，工件对刀具的冲击作用更容易引起刀具损坏，因此，激光加热辅助铣削技术可以降低切削力，减小刀具对工件的冲击，提高刀具寿命并且提高加工表面质量。国外学者对钨铬钴合金材料进行了激光加热辅助铣削试验研究，证明了加热辅助铣削的优点，可以在提高加工效率的同时降低刀具磨损。在脆性大、加工难度高的陶瓷材料方面，采用激光加热辅助铣削技术可以使材料由脆性转变为塑性，加工过程中显著的降低切削力，切屑变得连续，并且得到良好的加工表面。然而，激光加热铣削加工的材料通常为航空航天用难加工材料，即使采用激光加热铣削进行加工，铣刀磨损也比较严重，对于零件的加工质量有着较大的影响，同时需要频繁的取下刀具进行铣刀磨损值的测量，大大的降低了加工效率，同时也带来铣刀二次装卡时定位的问题。 发明内容[0005] 本发明的目的是设计一套可实时监测刀具磨损的激光加热辅助铣削装置，用以克服上述缺陷。 [0006] 为实现这一目的，本发明采用的技术方案在于，设计了一种可实时监测刀具磨损的激光加热辅助铣削装置，包括铣削装置，激光加热装置，实时监测装置； [0008] 所述激光加热装置包括激光聚焦头8，所述激光聚焦头8将激光入射到工件3的表面； [0010] 所述声发射传感器单元4包括多个声发射传感器，所述多个声发射传感器安装在工件3上并检测所述铣刀5在铣削状态时的声信号，所述声信号经信号处理模块11和数据采集处理模块12处理后存储于工控机13内，通过处理和分析，得出所述铣刀5实时磨损状态。 [0011] 较佳的，所述数据采集处理模块12包含A/D转换器、放大器和数据处理器，所述A/D转换器将接收到的声信号转化为数字信号后经放大器传递给数据处理器。所述数据处理器接收所述放大器输出的数据并对这些数据进行筛选处理。 [0012] 较佳的，所述数据处理器对数据的筛选处理过程为： [0013] 计算声信号数据的平均值，公式为： [0014] [0015] 设置声信号数据阈值Wmin和Wmax [0016] Wmin＝S(1-m％) [0017] Wmax＝S(1+m％) [0018] 当Wmin [0019] 当Sx>Wmax或者Sx [0020] 公式中，S为声信号数据的平均值，SX为第x个声发射传感器获得的声信号数据，X为声发射传感器数量，m为设置的常数，Wmin和Wmax为声信号数据阈值。 [0023] 较佳的，所述声发射传感器单元4与信号处理模块11之间连接有前置放大器。 [0025] 较佳的，所述激光加热装置还包括温度场有限元仿真模块,所述温度场有限元仿真模块优化激光加热工艺参数。 [0026] 较佳的，所述铣削装置还包括数控旋转工作台或和二维移动工作台。 [0027] 较佳的，所述激光加热装置还包括聚焦头固定调整装置7、光纤9、激光器10，所述激光器10可以输出指定能量的激光并通过所述光纤9传导进入所述激光聚焦头8，所述激光聚焦头8固定在所述聚焦头固定调整装置7之上，所述聚焦头固定调整装置7固定在机床铣头上，通过调整所述聚焦头固定调整装置7改变激光入射方向和入射在工件表面的光斑直径大小。 [0028] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： [0029] (1)声发射信号和电流信号检测技术作为有效的无损检测技术能够容易实现激光加热辅助铣削的在线监测，且灵敏度高，在监控过程中无需停机等优点，大大节约了铣刀磨损监测的时间、提高了激光加热辅助铣削的效率。 [0030] (2)通过数据处理器对多个声发射传感器采集的信号进行筛选，使得获得的信号数据更加精确。 [0031] (3)信号处理模块能够剔除在实际加工或实验过程中的其他环境噪声的影响，从而只对我们所关心的声发射信号的高频阶段具有较好的选择性分析，在实现工业自动化方面具有较为广泛的应用前景。 [0032] (4)声发射设备简单，只需在原有激光加热辅助铣削装置的基础上集成就能够实现激光加热辅助铣削铣刀磨损和破损的在线监测。 [0034] 图1为一种具备监测刀具实时磨损的激光加热辅助铣削装置示意图； [0035] 图中数字表示： [0036] 1—数控铣床工作台；2—卡具；3—工件；4—声发射传感器；5—铣刀；6—主轴；7—激光聚焦头调整装置；8—激光聚焦头；9—光纤；10—激光器；11—信号处理模块；12—数据采集处理模块；13—工控机。 具体实施方式[0037] 以下结合实施方法和附图对本发明作进一步说明： [0038] 实施例1 [0039] 图1为一种具备监测刀具实时磨损的激光加热辅助铣削装置的示意图，该装置包括数控铣床工作台1、卡具2、工件3、声发射传感器单元4、铣刀5、铣床主轴6、激光聚焦头调整装置7、激光聚焦头8、光纤9、激光器10、信号处理模块11、数据采集处理模块12、工控机13。 [0040] 其中所述工件3安装在卡具2上后一起固定在数控铣床工作台1上，在工件3的上方为铣刀5，铣刀5固定在铣床主轴6上，所述声发射传感器单元4包含多个声发射传感器，在本实施例中声发射传感器为3个，所述声发射传感器安装在工件3的侧边处并尽可能靠近切削点处，安装时使声发射传感器紧贴工件3，以便于更好的接收声发射信号。激光器10通过调节电流可以输出指定能量的激光，激光通过光纤9传导进入激光聚焦头8，激光聚焦头8固定在聚焦头固定调整装置7之上，聚焦头固定调整装置7固定在机床铣头上，所述激光聚焦头8将激光入射到工件3的表面，通过调整所述聚焦头固定调整装置7改变激光入射方向和入射在工件表面的光斑直径大小。信号处理模块11、数据采集处理模块12位于声发射传感器单元4与工控机13之间，工控机13与铣床工作台1、数据采集处理模块12之间，声发射传感器单元4与信号处理模块11及数据采集处理模块12之间均通过电缆连接。 [0041] 本发明的激光加热辅助铣削装置在运行时，控制激光器10调整激光功率，打开光闸，通过预热使切削区域温度达到加工要求，激光通过光纤9传导进入激光聚焦头8，聚焦头固定调整装置7可以调整激光入射方向以及入射在工件3表面的光斑直径大小。所述激光器10为CO2激光器、YAG激光器或半导体激光器。其中YAG激光器具有输出波长短，有利于金属材料对激光的吸收，而且适于光纤传导，能够方便的与传统机床集成等优点。 [0042] 所述声发射传感器单元4、信号处理模块11和数据采集处理模块12都属于硬件平台，用于实现信号采集、检测和数字化。在铣削过程中，铣刀5在破裂时会产生一种弹性波，这种弹性波是以固体在产生塑性变形和破裂时释放出的能量转换成声波的形式传播出来的，通过所述的3个声发射传感器可以很好的检测到该声波。声发射传感器对激光加热辅助铣削过程中特定频率的信号进行实时在线监测，所检测到的声信号然后传送至信号处理模块11，所述信号处理模块11将接收到的声信号进行幅值调整、模拟滤波及差分转化后输出，处理后的信号进入数据采集处理模块12进行后处理，经数据采集处理模块12后处理的数据最终传输到工控机13。工控机13的软件处理分析平台LabVIEW上，对数据进行处理和显示出波形。判断出所关注的某一频率带的信号，并对该频带内的信号作小波分解，将原始信号分解到不同频段，根据分解信号的能量判断铣刀5磨损的程度，及时调整激光和切削参数对铣刀5磨损进行实时补偿，保证在切削过程中完全满足加工精度的要求。加工完成后，关闭光闸，停止采集声发射信号。 [0043] 所述数据采集处理模块12包含A/D转换器、放大器和数据处理器。所述A/D转换器接受到所述信号处理模块11的信号后，将其转化为数字信号后经放大器传递数据处理器。所述数据处理器接收所述放大器输出的数据并对这些数据进行筛选处理，并将处理结果输出给工控机13。由于在激光加热辅助铣削装置工作时，机床的振动或噪声等都会干扰声发射传感器接收声信号，使得测量信号中间混有许多干扰信号，这些干扰信号会使得对所述铣刀5磨损情况的判断出现偏差，因此所述数据处理器需要对每一次声发射传感器测得的数据进行筛选，并获得测量声信号S1。第x个声发射传感器获得的声信号数据为SX，则通过所述声发射传感器单元4所获得的声信号数据的平均值为S，则所述S的计算公式为： [0044] [0045] 设置声信号数据阈值Wmin和Wmax [0046] Wmin＝S(1-m％) [0047] Wmax＝S(1+m％) [0048] 当Wmin [0049] 当Sx>Wmax或者Sx [0050] 公式中，S为声信号数据的平均值，SX为第x个声发射传感器获得的声信号数据，X为声发射传感器数量，m为设置的常数，Wmin和Wmax为声信号数据阈值。所述常数m可以根据实际情况进行设置，在本实施例中，所述常数m值设置为10-30。当所述铣刀5中的X个声发射传感器获得的声信号数据不在阈值内时，所述数据处理器对获取的Sx进行删除处理，所述铣刀5中的X个声发射传感器获得的声信号数据在阈值内时，所述数据处理器对获取的Sx则进行保留处理，进而获得需要的测量声信号S，由此可排出铣削过程中机床震动或噪声以及异物等对测量造成的影响。与现有技术比，该数据处理方法通过量化的公式进行计算，过程简单，执行目的明确，计算迅速且使得所获得的数据更加准确。 [0051] 铣削装置中铣刀5磨损是一个渐进的过程，变化较慢，在常规的切削加工时，工人可以根据机床的振动或噪声及切削状态等估计铣刀5磨损程度。但在自动化加工过程中，则需要系统能够自动判断铣刀5的磨损程度并及时更换铣刀5，以避免由于铣刀5磨损量过大造成的加工质量下降，同时提高生产效率，降低劳动力成本。与其他无损监测方法相比，声发射监测具有传感器安装简便、信号频率信息丰富、不影响加工过程、可实现动态检测等优点。而且声发射法监测的是铣刀5磨损和破损时发出的高频弹性应力波信号，避开了加工过程中振动和音频信号污染严重的低频区，在高频区内灵敏度较高，抗干扰能力强，同时受铣削参数和铣刀5几何参数的影响较小，对铣刀5破损非常敏感，将声发射监测铣刀5磨损与激光加热辅助铣削集成在一起，能够使得激光加热铣削这一技术发挥最大的经济效益。试验表明，这种方法操作性强，有利于在实时监测中推广与应用。 [0052] 实施例2 [0053] 在上述实施方式的基础上，所述实时监测装置还包括电流传感器，所述电流传感器与主轴的电机相连，并将接收到的主轴电机的电流信号通过电缆传送至信号处理模块11。经过信号处理模块11处理的电流信号和声发射信号经数据采集处理模块12之后最终传送至工控机13，所述工控机13选用LabVIEW软件作为数据的采集与分析平台，通过小波变换对于采集的电流信号和声发射信号进行实时分析处理，并与预设阈值比较判断铣刀5破损情况。金属铣削过程中，铣削力会随着铣刀5磨损量的增加发生相应的变化，利用铣削力信号可以实现铣刀5磨损状态的监测，但铣削力测量仪器的高成本影响了该方法的实际应用价值；铣削力的变化会引起电机输出扭矩的改变，从而使电机电流发生变化，因此利用电机电流信号可以间接实现对铣刀5磨损状态的监测。由于电流传感器成本低，易于安装，因此电流监测法具有很好的应用基础。但是单独的电流信号不仅与刀具磨损有关，也与铣削参数、加工件材料、铣刀材料有关，单独使用电流信号判断铣刀磨损情况可靠性较差。而声发射信号受激光参数、铣削参数以及铣刀几何参数的影响均较小。因此，结合电流信号和声发射信号，可以得到更多的信息，使得对铣刀磨损情况的判断更加全面和可靠。 [0054] 实施例3 [0055] 在上述实施方式的基础上，所述工控机13包括终端控制模块。所述工控机13选用LabVIEW软件作为数据的采集与分析平台，通过小波变换对于采集的信号进行实时分析处理，通过终端控制模块与预设阈值比较判断，及时调整激光和切削参数对铣刀5磨损进行实时补偿，保证在切削过程中完全满足加工精度的要求，若超过阈值终端控制模块则报警，提醒更换铣刀5。 [0056] 实施例4 [0057] 在上述实施方式的基础上，所述声发射传感器单元4与信号处理模块11之间连接有前置放大器。传感器输出的信号电压很低，这些微弱的信号经过长距离传输后信号强度衰减，需要靠前置放大器将信号提高到一定程度，并提高信号的信噪比。在声发射系统中，前置放大器控制着整个系统噪声的大小，前置放大器占有重要的地位。 [0058] 实施例5 [0059] 在上述实施方式的基础上，所述信号处理模块11由信号幅值调整电路、滤波器、差动放大器组成，经过前置放大器放大的声发射信号首先经信号幅值调整电路后，此时的声发射信号、电流信号夹杂着各种噪声，通过滤波器滤除杂质，最后由差动放大器将信号转化成A/D转化器所能接受的差分信号。差动放大器是将滤波后的信号变成两路差动信号+OUTPUT和-OUTPUT，这两路信号彼此相位相差180度，这样也消除了一定的共模干扰。 [0060] 实施例6 [0061] 在上述实施方式的基础上，所述激光加热装置还包括温度场有限元仿真模块。本发明提出的选用合适的工艺参数的方法是基于有限元模型的结果进行选择优化的。切削区域温度是激光加热辅助铣削最重要的参数，反映了局部工件的软化程度，选定的参数需要保证切削区域温度在一定范围内，直接通过试验的方法得到合适的工艺参数成本较高，而采用仿真的方法节约时间、降低成本，并且可以得到合适的工艺参数。按照实际工件的大小建立模型划分网格，将激光看做为表面热流，加载热辐射与对流边界条件，并通过温度测量试验修正边界条件后，即可得到准确的温度分布预测模型。根据试验系统采用可选定工艺参数进行仿真，以切削区域温度为优化目标，结合铣削的工艺参数选择特点，即可得到最终的加工工艺参数。 [0062] 通过温度场有限元仿真选择优化加工工艺参数，能够得到激光功率、切削速度、进给量、进给速度、预热时间、激光光斑中心距离铣刀中心距离等工艺参数。 [0063] 实施例7 [0064] 在上述实施方式的基础上，所述铣削装置还包括数控旋转工作台或和二维移动工作台。激光加热辅助铣削过程中激光与铣刀的相对位置无法调整，这导致了加工位置相对于铣刀只能为一个方向。对于具有复杂沟槽、型腔等结构的复杂工件，只有重新装夹才能达到激光加热软化的目的，这就极大地限制了该技术的应用范围。因此本发明针对不同的加工工件及原有的数控铣床增加了旋转工作台或和二维移动工作台。在普通数控铣床工作台1上放置一数控旋转工作台，达到改变工件相对方向的作用，同时将二维平面工作台放置于数控旋转工作台之上，达到改变工件相对位置的作用。 [0065] 具体实施方式为：针对加工直线，加工精度要求不高或现有铣床不能满足要求的场合。在普通数控铣床上增加旋转工作台即可，首先调整好位置沿一个方向加工，当加工方向需要改变时，铣刀5提升，光闸关闭，旋转工作台旋转到下一个位置，以使加工方向与激光入射方向相同，同时数控铣床工作台1移动至旋转后的加工位置，铣刀5降下后进行下一个位置的加工。但是由于激光入射相对位置无法在加工过程中随时调整，仅能加工直线轨迹；针对需要加工曲线、加工脆性材料或加工精度要求较高的场合。将二维移动工作台放置于旋转工作台之上，数控铣床机床主轴6与旋转工作台中心同轴，旋转工作台在旋转的过程中仅改变加工的方向，不改变铣刀5相对二维移动工作台的位置，此时可以保证激光入射相对位置能够在加工过程中随时调整，因此可以满足曲线轨迹的加工要求。加工过程中工件随着移动工作台移动，随旋转工作台转动改变激光入射位置与工件的相对角度，激光光斑位置不需要改变。 |
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