基于切削力的刀具磨损监测
2009年第12期 ·控 制 与 检 测 ·
文章 编 号 ：1001—2265(2009)12—0051—03
基 于切 削力的刀 具磨损 监测
何 光伟 ，艾长胜 ，王娜 ，樊 宁，昃 向博
(济 南大 学 机 械工 程 学院 ，济 南 250022)
摘 要 ：为研 究刀具磨 损监 测 ，在 数控 加 工 中心进 行铣 削 实验 ，运 用 kistler三 向测 力仪 测 量铣 削过 程 中的切
削力和 力矩 。对切 削 力和力 矩进行 统 计处理 ，计 算切 削力 、力矩 与铣 刀径 向磨 损 之 间的 相 关性 系数 。研
究结果表 明 ， 向切 削力 与刀具 径 向磨损 最 为相 关 ，其 次是 y方 向的切 削 力及绕 Z轴 力 矩 M：。
关键 词 ：刀具磨损 ；切 削力 ；相 关分析
中 图分类 号 ：TH164 文 献标 识码 ：A
Tool W ear M onitoring Based on Cutting Force
HE Guang—wei，AI Chang-sheng，W ANG Na，FAN Ning，ZE Xiang-bo
(School of Mechanical Engineering，University of Jinan，Jinan 250022，China)
Abstract：In order to monitoring tool wear，we carried out milling experiment in CNC，measured the cutting
force and moment of force by kistler dynamometer．W e processed cutting force and moment by static，and cal-
culated the correlation coeffi cient between cutting force，moment an d radial tool wear ．The research results in-
dicate that the X direction cutting force is most related with radial tool wear，and the second are Y direction
cutting force and moment of surrounding Z axis．
Key words：tool wear；cutting force；relation an aly sis
0 引言 1 切 削 力测 量 方 案
刀具 磨 损 监 测 是 实现 生 产 自动 化 、无 人 化 的关 键
性技 术 。对 刀具 磨损 状态 的在 线 实 时监 测 可 以降低 或
者避 免不 同程 度 的损 失 ，如 工 件 报废 、机 床 损 坏 等 ，并
能降 低生产 成本 ，提 高生产 效 率 ，因此 引起 越 来越 多 的
人们 的重视 ? 。
随着切 削过 程 的进行 ，刀具 也 逐渐 由锋利 变 钝 ，其
磨损状 态 的改 变将 直 接 引起 切 削力 的变 化 。可见 ，切
削力包 含着 丰 富的刀具 磨 损信 息 。 由于采 用 切 削力 监
测刀具 磨损 状态 具 有 信 号 采 集 方便 、充 分 反 映 刀 具 磨
损 状态信 息 、灵 敏度 高 、响 应 快 、可 在 线 实 时 监 测 等 优
点 ，因此 得到 了广泛 研究 。本文 利 用 kistler三 向 测
力 仪 ，测 量铣 刀切 削 过 程 中三 向切 削 力 以及 绕 三个 轴
的力矩 ，对切 削力 和力矩 进行 分 析 ，找 到与 刀具 磨 损 状
态 密切相 关 的成分 。
铣 刀磨损 状 态 的 变 化 将 直 接 引 起 切 削 力 发 生 变
化 ，说 明切 削 力 中包 含 着 丰 富 的 刀 具状 态 信 息 。本 文
采 用 切削力 研 究 刀 具磨 损 监 测 ，其 切 削 力 测 量 方 案 如
图 1所 示 。将 切 削 试 件 固定 在 kistler测 力 仪 上 ，通 过
电缆 线 将 kistler测 力 仪 产 生 的 信 号 输 入 DEWE．50-
FW．16型 电荷 放 大 器进 行 放 大 ，最 后 输 入 计 算 机进 行
存 储 和分析 。
图 1 切 削 力 测 量 实 验 框 图
kistler测 力 仪 的俯 视 图 如 图 2所 示 。 它利 用 内部
的 4个传 感 器来 测 量 出 刀具 的 、y、z三 向切 削 力 ，以
收稿 日期：2009—05—31
基金项 目：山东省重点学科基金项 目(XTD0713)；教育部科 学技 术研究重点项 目(206088)
作者简介：何光伟 (1983一 )，男 ，四川南充人 ，济南大学硕士研究 生，主要从事智能诊断方 面的研究 ，(E—mail)hgwhappyboy@163．corn。
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· 控 制 与检 测 · 组合机床与自动化加工技术
及 绕 、y、z三轴 的力矩 。刀 具切 削力 、力矩 与 kistler测
力 仪 的 4个传 感器 的各 向分 力的关 系如式 (1)所示 ：
F = F l+ F 2 + 3 + F 4
F
、
= F．1+ F 2 + 3 + F 4
F = F + F。2 + F 3 十 ：4
M ： b·(F +，：2一F —F：4) (1)
M = 0‘(一F 1+F矗+F 一 ’ )
M ：b·(F一 +F“ 一F 一F 2)+
n‘(F l+ “ 一F 2一F 3)
在式 (1)中 ，Ⅱ =30ram，b=57．5mm。使用 kistler
测 力仪 测量铣 刀 的切削 力和力 矩 ，研 究 刀具磨损 监测 。
、 y
图 2 kistler测 力 仪 俯 视 图
2 铣 削 实 验
根据 切削 力 测 量 方 案 设 计 实 验 进 行 刀 具 铣 削 实
验 。刀具铣 削实 验工 况如 图 3所 示 。机床为 YCM V1l6B
立式 数控 加工 中心 。试件 材料 为 45号 钢 ，调质 处理 。刀
具为 三刃 直柄立 铣刀 ，材料 为 高 速钢 ，直 径 为 8。机床
主轴 转速 为 360r／rain，进给 速 度 为 20ram／rain，吃 刀量
为 8ram，铣削 深度 为 6ram。使 用 kistler三 向测力仪 测量
， 】，，z三 向切削力 以及 绕三 个轴 的力 矩 ，测力 、力 矩 系
统 如图 4所示 。采集得 到 的力 、力矩信 号如 图 5所示 。
图 3 刀 具 铣 削 实 验 工 况
刀具共 铣 削 了 250分 钟 ，未 进 入 急 剧磨 损 阶段 或
者发生 断裂 。除 了采 集切 削力 和力 矩 外 ，也 设计 了刀具
径 向磨 损测 量方 案 ，间接 测量 到 了刀具 的径 向磨损 量 ，
· 52 ·
图 4 测 力 、力 矩 系统
日
◆．1_ 0 _
．
|1 ； | ll^ _ _r。 ， 0 。
l
{
l ：l_l0 ∥ ? ≯多
图 5 切 削 力 (力 矩 )信 号
刀具径 向磨损 测量 方 案 如 图 6所 示 。刀 具 在 不 同 时刻
处 的径 向磨 损量 数值 如表 1所 示 。通 过分 析切 削力 、力
矩 与 刀具径 向磨 损之 间 的相 关 性 ，得 到与 刀 具磨 损 关
系 最 为 密 切 的 成 分 。
图 6 铣 刀径 向磨 损 间 接 测 量方 案
表 1 刀具 径 向磨 损 量
铣 削时间 O 25 75 l0O l25 l75 200 225 25O
￡／ m ilq
刀 具 径
向磨 损 O 19．2 28．8 34 0 40．4 45 4 54．8 54．8 6O．8
量 NB／~m
3 切 削 力 、力矩 的分 析
根 据 主轴 转 速为 360r／rain可 知 ，刀 具转 动 一 转所
用 的时 间 为 1／6s。为 了获 取刀 具 在某 时 刻 的完 整状 态
信 息 ，至 少需 要截取 1／6s的数 据进行 分析 。本文 选取 了
2009年第12期 ·控 制 与检 测 ·
2s长度 的切 削力 、力矩 数据进 行统 计分 析 。
分别 在 刀 具 刚 切 削 时 ，以 及 第 25、75、100、125、
175、200、225、250min处选 取 2s长 度 的 、y、z三 向切
削力 数据 以及 二三个 轴 上 的力 矩 数据 ，对 切 削 力 和力 矩
进行 统计分 析 ，得 到 的每个 时刻 处切 削 力 、力矩 的平 均
值数据 如表 2所 示 ，其 曲线 形式 如 图 6和 图 7所 示 。
表 2 不 同时 刻 处 的 切 削 力 和 力 矩
切 削力 ／3 力 矩 ／(N ·m)
F F、 F． M 肘 M
_
O 337．837 一 l9O 696 — 90 386 — 21．59l 一 29．377 — 3．133
25 370 401 — 210．308 ～ l03．978 — 23．4l6 — 3O．234 — 0．78E
75 392．81O 一 228 2l5 — 79．O21 — 21 77i 一 29 266 0．665
切 削 100 398 168 —212．14 —96 861 —19．425 —28．044 4．993
时 间 l25 400．677 —239 156 —87．623 —27 728 —36．452 2．972
t／m in 175 406 890 — 230．899 — 77．179 — 24．723 — 34．838 4．891
2OO 409．3lO 一24】672 —8】．51O 一24．99l 一32．5o4 3．427
225 4l9．015 — 249．165 — 83．406 — 23．290 — 31．293 5．26l
25O 418 660 — 267．579 — 68．475 — 20．494 — 26．335 4．394
附 注 ：切 削 时 I司为 0，表 不 刚 开 始 切 削 。
由 图6和 图7可见 ，在 、王，、z三 向切 削力 以及力 矩
中， 向切削 力和绕 z轴力矩 与 刀具 的磨损 曲线 最 为相
似 ，基 本都具 备 初期 急 剧 增 加 ，中期 平 稳 增 加 的趋 势 。
这说 明它们 对刀 具 的磨 损 状 态 变 化 最 为 敏 感 。其 次 ，l，
向力 的相反数 也具 备 着 递 增 的趋 势 ，说 明 它 在 一 定 程
度 上反 映 了刀具磨 损 状 态 的变 化 。其 它 切 削 力 以及 力
矩 变化 比较紊 乱 ，难 以反 映 刀具磨 损状 态 的变化 。
运用 公式 (2)计算 切 削力 、力矩与 刀具 径 向磨 损
苣
聂
恩
簧
冒
邑 一
鲎
一
遥 一
一
切 削 时间t／min
(a)确 切削力
蚕
要
量之 间 的相关性 系 数 ，计 算结 果 如表 3所示 。
∑ ( 一 )( 一 )
P = ——=二=二三二=二==二二-—_=二二=二二=== (2)
√∑i( 一 √ (，． 一
式 (2)中 ， 表示切 削 力或 者力 矩 ，元是它 的 均值 ；)，表
示 刀具 径 向磨损 ， 表 示 它 的均 值 ；p为相 关性 系数 。当
f P f接 近 于 1时 ，表示 该切 削力 或者 力矩 与 刀具径 向磨
损 接 近线 性相关 ；当 J P J接近 于 0时 ，表 示该 切削 力或
者力 矩 与刀 具径 向磨 损几 乎 不 相关 。计 算 得 到 的相 关
性 系数 如表 3所 示 。
表 3 切 削 力 、力 矩 与 刀具 径 向 磨 损 之 间 的 相 关 性 系 数
力 和 力矩 F F F 肘～ M
p 0．969 一 O．932 0．637 — 0．193 一 O．128 O．881
由表 3可见 ， 向切 削力 与 刀具径 向磨 损 的相关性
程度最 大 ，它 与刀 具 径 向磨 损 之 间 的 相 关 性 系 数 达 到
了 0．969，这说 明 向切 削力 最能 反 映出切 削过 程 中铣
刀磨损 状 态 的变 化 ；其 次 是 y向切 削 力 和 绕 z轴 的力
矩 ；其 余 力和力 矩与 刀具 径 向磨损 的相 关性 系 数较 小 。
可 见 ，通过研 究 铣 削 过 程 中 的 切 削 力 和力 矩 能 实现 刀
具 磨损 状态 监测 。
4 结 束 语
在 刀具 切 削 过 程 中 ，切 削 力 和 力 矩包 含 着 丰 富 的
刀具 磨损 信 息 。对铣 削过 程 中 的切削 力 、力矩 进行 统 计
分析 ，并计 算 它们 与刀具 径 向磨 损 之 间 的相关 性 系数 ，
结果 表 明 ： 向切削力 与 刀具径 向磨 损最 为 相关 ，说 明
切削时间t／rain 切削时间t／min
㈣ y向切削力 (c)z向切削力
图 7 三 向切 削 力 随 切 削 时 间 的 变 化 曲线
／＼ 7。
／ ＼ ／
＼ —／ ＼ ／
． ． ． ． ．
【a】绕 轴的力矩
50 75 100 125150175 20o225 250
切削时间 n
(b)绕y轴的力矩
切 削时 间 tlmin
(c)绕z轴的力矩
图 8 绕X轴、Y轴和Z轴力矩随切削时间的变化曲线 (下转 第 57页)
· 53 ·
2009年第12期 ·控 制 与检 测 ·
其 他几 股钢 丝保 持初始 值不 变 。
l!I !I !I! ! !L兰j ：l
以上 字符 串为 电压 检测 值上 传 人机 界 面的 通讯 方
式 。前 二十个 字 符 每 五 位 分 别 对 应 一 个 adam5017通
道 所采 集 的 电压 值 。后 两 位 为 计 算 后 LRC 验 证 码 。
其 通讯 原理如 下 ：当人机 界 面接 受 到 adam5510所 发送
的字符 串 数 据 后 ，首 先 判 断 该 字 符 串 数 据 是 否 为 23
位 ，再通 过运用 自编 的验 证码 函数 进 行 验证 码 计算 ，当
计算 后 的验证 码 等 于字 符 串最 后 两 位 数 值 时 ，既认 定
该字 符 串为有 效 数据 ，再 在 人 机 界 面 中进 行 下一 步处
理 。验证码 函数 GetChenkCodeF(sj rc_e str()，njrc)
代码 如下 ：
GetChenkCodeF(sj rc．c—str()，njrc)／／函 数 的作 用 是 计 算
验 证 码
{
BYTE byLrc：0；
char pBuf[4]；
int nData =0；
for(int i：0；i
{
pBuf[0]：pSendBuf[i]；
pBuf[1]：pSendBuf[i+1]；
pBuf[2]= 0
sscanf(pBuf，”％ x”，&nData)；
byLrc= byLre+ nData：
}
byLrc= ～ byLrc；
byLrc + + ；
return byLrc；
}
5 结 束语
通 过第 二 代 多 股 螺旋 弹 簧数 控 机 床 的运 用 ，实 践
证 明了该 多通 道 张 力 动 态 监控 系 统 能 够快 速 、稳 定 的
在 多股 簧 拧 索和 绕 制过程 中保证 各股 钢 丝 的张 力大 小
恒 定在 给定 值 范 围 ，正 负偏 差不 超 过 5％ ，而 其 各 钢 丝
之 间 的张力 保持 一致 。
多通 道 张 力 动 态 监控 系统 的 成 功 应 用 ，提 高 了 多
股 簧绕 制 的合格 率 ，减 轻 了劳 动 强 度 ，而 且 增 加 、实现
了多股 簧能 够在 生产 过程 中张力 自整定 功能 。
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(编辑 赵蓉 )
(上接 第 53页 )它最 能反 映 出刀具 磨损 状态 的变 化 ；其
次 是 y向切削力 以及 绕 Z轴 的 力矩 。可 见 ，通 过 切 削
力 的直接 或 间接测量 可 以监测 刀具 的磨 损状 态 。
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(编辑 李秀敏 )
57 ·
基于切削力的刀具磨损监测.pdf
