数控加工中刀具状态实时检测

引言

　　在数控加工中，刀具状态的检测具有非常重要的意义，因为刀具的损坏不仅影响加工
的质量和效率，而且还可能导致严重的机床和人身事故。刀具的损坏有磨损和破损两种情

况，磨损是刀具在加工过程中与工件发生接触和摩擦而产生的表面材料的消耗的现象；而
破损是刀具发生崩刃、断裂、塑变等而导致刀具失去切削能力的现象，它又包括脆性破损和

塑性破损，脆性破损是刀具在机械和冲击作用下，在尚未发生明显的磨损而出现的崩刃、
碎裂、剥落等。而塑性破损是刀具在切削时，由于高温、高压等作用，在与工件相接触的表

面层上发生塑性流动而失去切削能力的现象［1］。目前，对刀具的检测主要采用人工检测、

离线检测和在线检测三种策略。人工检测即是由工人在加工时凭经验对刀具的状态进行检

测；离线检测就是在加工之前对刀具进行专门检测，并预测其寿命看是否胜任当前的加工；
在线检测也称实时检测，就是在加工的过程中实时对刀具进行检测，并依据检测的结果做

相应的处理。目前，对刀具检测的算法也不少，有的采用从理论上计算刀具所受应力的变
化来判断刀具的损坏情况［2］［3］，有的采用时序分析的方法对刀具进行检测［ 4］

［5］，有的采用神经网络技术对刀具进行检测［6］［7］，还有的综合采用小波变换理

论和神经网络技术对刀具进行检测［8］，但它们主要从理论上进行探讨。考虑到刀具在数

控加工中塑性破损比较少见，而磨损对数控的安全性关系不是很大且其可通过离线检测进
行处理，本文以数控加工中常用的球头刀具为研究对象，对脆性破损中的脆性断裂的实时

检测进行研究，该类断裂的发生，将对加工的质量和机床本身产生严重的影响。我们认为
刀具本身存在着微小的裂纹，并利用神经网络建立球头刀具的负载模型，通过在线检测判

断该微裂纹在此时的负载条件下是否会扩展，若可能扩展，我们就认为该负载是危险的并
通过减小刀具的进给量来减小刀具所受的负载，以保证刀具的安全。
 
1　刀具的实时检测

　　（1）球头刀具负载模型的建立
　　如前所述，数控加工时，刀具所受的负载与很多因素有关，但考虑到球头刀具的特点
和实时加工的需要，本文只考虑影响较大的几个因素，即主轴的转速、进给速度、切削的深
度、加工材料的切削性能四个因素，则球头负载的模型为
　　　　　　　　F=f(s,v,h,m) (1)
　　其中：F——负载向量；h——切削的深度；
　　　　　s——主轴的转速；m——材料的切削性能。
　　　　　v——进给量；
　　很显然，式（1）只是给出了负载与各个影响因素间的笼统的关系，为了求负载与各
个影响因素之间的关系的具体表达式，必须求出各个因素对负载影响的具体大小，为此，
或者采用微分几何等数学方法进行复杂的推导，或者采用实验的方法得出各个因素的影响
系数，但这样建立的模型难以适应变化的环境，用于数控加工中的实时检测效果不是很理
想。本文采用神经网络技术处理该模型并将之用于刀具的实时检测中。

　　（2）刀具实时检测原理

 　　本刀具实时检测的原理是先实时测出刀具的切削深度和进给量并和主轴的转速及加
工零件的材料类型输入神经网络控制器进行负载计算，得出的负载输入检测器进行计算、
比较，若该负载超过刀具的疲劳条件下的裂纹扩展负载，则减小刀具的进给速度，并将进
给速度的减小量反馈到 CNC 控制器的输入信息，使 CNC 控制器作出相应的控制，以使得
负载的大小改变到安全的水平。该刀具实时检测原理如图所示。