在數(shù)控加工中，刀具狀態(tài)的檢測具有非常重要的意義，因?yàn)榈毒叩膿p壞不僅影響加工的質(zhì)量和效率，而且還可能導(dǎo)致嚴(yán)重的機(jī)床和人身事故。刀具的損壞有磨損和破損兩種情況，磨損是刀具在加工過程中與工件發(fā)生接觸和摩擦而產(chǎn)生的表面材料的消耗的現(xiàn)象；而破損是刀具發(fā)生崩刃、斷裂、塑變等而導(dǎo)致刀具失去切削能力的現(xiàn)象，它又包括脆性破損和塑性破損，脆性破損是刀具在機(jī)械和沖擊作用下，在尚未發(fā)生明顯的磨損而出現(xiàn)的崩刃、碎裂、剝落等。而塑性破損是刀具在切削時(shí)，由于高溫、高壓等作用，在與工件相接觸的表面層上發(fā)生塑性流動(dòng)而失去切削能力的現(xiàn)象。目前，對刀具的檢測主要采用人工檢測、離線檢測和在線檢測三種策略。人工檢測即是由工人在加工時(shí)憑經(jīng)驗(yàn)對刀具的狀態(tài)進(jìn)行檢測；離線檢測就是在加工之前對刀具進(jìn)行專門檢測，并預(yù)測其壽命看是否勝任當(dāng)前的加工；在線檢測也稱實(shí)時(shí)檢測，就是在加工的過程中實(shí)時(shí)對刀具進(jìn)行檢測，并依據(jù)檢測的結(jié)果做相應(yīng)的處理。目前，對刀具檢測的算法也不少，有的采用從理論上計(jì)算刀具所受應(yīng)力的變化來判斷刀具的損壞情況，有的采用時(shí)序分析的方法對刀具進(jìn)行檢測，有的采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對刀具進(jìn)行檢測，還有的綜合采用小波變換理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對刀具進(jìn)行檢測，但它們主要從理論上進(jìn)行探討。考慮到刀具在數(shù)控加工中塑性破損比較少見，而磨損對數(shù)控的安全性關(guān)系不是很大且其可通過離線檢測進(jìn)行處理，本文以數(shù)控加工中常用的球頭刀具為研究對象，對脆性破損中的脆性斷裂的實(shí)時(shí)檢測進(jìn)行研究，該類斷裂的發(fā)生，將對加工的質(zhì)量和機(jī)床本身產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。我們認(rèn)為刀具本身存在著微小的裂紋，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立球頭刀具的負(fù)載模型，通過在線檢測判斷該微裂紋在此時(shí)的負(fù)載條件下是否會(huì)擴(kuò)展，若可能擴(kuò)展，我們就認(rèn)為該負(fù)載是危險(xiǎn)的并通過減小刀具的進(jìn)給量來減小刀具所受的負(fù)載，以保證刀具的安全。

1　刀具的實(shí)時(shí)檢測

球頭刀具負(fù)載模型的建立

如前所述，數(shù)控加工時(shí)，刀具所受的負(fù)載與很多因素有關(guān)，但考慮到球頭刀具的特點(diǎn)和實(shí)時(shí)加工的需要，本文只考慮影響較大的幾個(gè)因素，即主軸的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削的深度、加工材料的切削性能四個(gè)因素，則球頭負(fù)載的模型為

F=f(s,v,h,m)...................(1)

其中：

F——負(fù)載向量；

h——切削的深度；

s——主軸的轉(zhuǎn)速；

m——材料的切削性能。

v——進(jìn)給量；

    很顯然，式1只是給出了負(fù)載與各個(gè)影響因素間的籠統(tǒng)的關(guān)系，為了求負(fù)載與各個(gè)影響因素之間的關(guān)系的具體表達(dá)式，必須求出各個(gè)因素對負(fù)載影響的具體大小，為此，或者采用微分幾何等數(shù)學(xué)方法進(jìn)行復(fù)雜的推導(dǎo)，或者采用實(shí)驗(yàn)的方法得出各個(gè)因素的影響系數(shù)，但這樣建立的模型難以適應(yīng)變化的環(huán)境，用于數(shù)控加工中的實(shí)時(shí)檢測效果不是很理想。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)處理該模型并將之用于刀具的實(shí)時(shí)檢測中。

刀具實(shí)時(shí)檢測原理

    本刀具實(shí)時(shí)檢測的原理是先實(shí)時(shí)測出刀具的切削深度和進(jìn)給量并和主軸的轉(zhuǎn)速及加工零件的材料類型輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)行負(fù)載計(jì)算，得出的負(fù)載輸入檢測器進(jìn)行計(jì)算、比較，若該負(fù)載超過刀具的疲勞條件下的裂紋擴(kuò)展負(fù)載，則減小刀具的進(jìn)給速度，并將進(jìn)給速度的減小量反饋到CNC控制器的輸入信息，使CNC控制器作出相應(yīng)的控制，以使得負(fù)載的大小改變到安全的水平。該刀具實(shí)時(shí)檢測原理如假定刀具在與機(jī)床結(jié)合處的微裂紋為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類裂紋的復(fù)合裂紋，并根據(jù)此處正應(yīng)力和剪應(yīng)力的大小確定該三類裂紋的比例，這樣，即可根據(jù)各類具體的裂紋類型建立公式。至于a，我們根據(jù)該類刀具在使用壽命中的平均裂紋長度，該平均長度可通過無損探傷的方法對不同使用期的刀具進(jìn)行檢測得到。

2.結(jié)論

    本文提出了通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了對數(shù)控加工中的球頭刀具實(shí)時(shí)檢測的方法，該方法能實(shí)時(shí)的對加工中球頭刀具所受負(fù)載的大小進(jìn)行計(jì)算，并通過實(shí)時(shí)檢測判斷該負(fù)載是否超過刀具在應(yīng)力疲勞條件下裂紋擴(kuò)展的負(fù)載水平并作出相應(yīng)的處理。該方法對影響負(fù)載的因素進(jìn)行了合理的簡化，使得該控制模型的算法效率很高，因此特別適合實(shí)時(shí)檢測的需要。本文雖然以數(shù)控中的球頭刀具為研究對象，其實(shí)，該方法的原理也可用到其它加工和其它刀具中，比如，電加工等。