刀具磨损状态在线监测装置设计，大学生创业基金项目.docxVIP

黑龙江工程学院大学生科技创新基金项目申请书项目名称：刀具磨损状态在线监测装置设计项目负责人：指导教师：机械设计制造及其自动化起止日期：2011年11月2日---2012年11月7日电话：1、 2 黑龙江工程学院2011年 11 月28日一、简表项目申请项目名称刀具磨损状态在线监测装置设计类别 科技发明制作 社会调查报告 √ 开发性研究 创新基础、应用研究起止时间申请经费项目负责人姓名性别男出生年月所学专业机械设计与制造及其自动化所在班级2009-14特长指导教师姓名性别技术职称所学专业研究方向所在部门课题组成员姓名性别年龄所学专业所在班级项目分工二、立论依据1.项目的研究意义制造业是国家经济发展的支柱行业，制造业的发展离不开先进制造技术的支持。自进入21世纪，随着电子、计算机、信息等高新技术的不断发展，为了适应全球化市场需求的多变性与多样化，制造技术正朝着精密化、柔性化、集成化、网络化、全球化、虚拟化、智能化和清洁化的方向发展。刀具状态智能监测技术作为先进制造技术的重要组成部分，是在现代传感器技术、信号处理技术、计算机技术和制造技术基础上发展起来的新兴技术，它对于推动加工过程自动化和无人化发展具有极其重要的作用。刀具作为切削过程的直接执行者，在工件的切削加工过程中不可避免地存在着磨损和破损等现象，刀具状态的变化直接导致切削力增加、切削温度升高、工件表面粗糙度上升、工件尺寸超出公差、切屑颜色变化以及切削颤振的产生。在传统的机械加工过程中，刀具状态的识别是通过加工人员辨别切屑颜色和加工过程中的噪声等来判断，或根据加工时间判断，或在加工工序之间拆卸刀具实测其破损程度和磨损量，这些方法和加工人员的经验紧密相关，所以它不可避免地存在下列问题：一方面，如果刀具磨损量低于磨钝标准，则会因为没有充分利用刀具的实际寿命而带来浪费，增加制造成本；另一方面，如果刀具磨损量高于磨钝标准，刀具已经磨钝或破损，则会影响工件的加工表面质量和尺寸精度，严重时甚至会损坏机床。此外，在自动化加工、无人化加工以及自适应加工过程中，不仅要求能够在加工过程中实时获知刀具的准确磨损状态，而且还要求根据刀具的磨损和破损程度改变切削参数，以便优化生产率和加工质量。解决这些问题的关键在于对刀具实际的磨损状态进行自动和实时检测。这一工作的重要性正如美国学者B．M．Kramer在CIRP35届年会上所说：在提高计算机集成制造系统生产率方面，没有任何一项技术比准确地估计刀具寿命更重要Ⅲ。近年来，随着市场竞争的进一步加剧，现代制造工业要求产品产量最大化，成本最小化。这迫切要求制造工业向自动化和无人化方向发展，对制造过程进行全面监测成为必然趋势，尤其是对刀具状态的监测。而人工判别刀具状态已经成为制约制造工业发展的重要瓶颈，这也是刀具状态智能监测技术获得广泛研究的重要原因。刀具状态智能监测技术是指在产品加工过程中，计算机通过检测各类传感器信号变化，实时预测刀具的磨损和破损状态，过程控制系统根据刀具状态检测结果，自动控制刀具进给以补偿刀具磨损导致零件尺寸和形状精度的变化。研究表明，CNC机床配备刀具监测系统后可减少故障停机时间的75％，提高生产率i0～60％，提高机床利用率50％以上。美国Kennsmetal公司的研究表明，刀具监测系统不仅提高了刀具本身的利用率，而且可避免刀具失效所导致的工件报废和机床故障，节约费用达30％。因此，为有效防止设备的损坏、工件的报废并保证机床无故障运行，就必须发展加工过程的刀具状态监测技术。2.国内外研究现状分析综合国内外刀具磨损检测的诸多方法，根据刀具磨损量检测原理的不同，主要分为两种：直接监测方法和间接监测方法。直接测量刀具磨损量或刀具破损的方法，称为刀具状态的直接监测方法。常用的方法主要有接触法、放射线法和光学检测方法。直接检测刀具磨损的传感器有接触探测传感器、光学显微镜，高速摄像机等。通过监测与刀具磨损或破损密切相关的传感器信号，并利用建立的刀具磨损或破损和信号特征之间的数学模型，间接获得刀具磨损状态的方法称为刀具状态的间接监测方法。间接监测刀具磨损的传感器有：测力仪，振动传感器，声发射传感器，扭矩传感器，电流传感器和功率传感器等。与直接监测刀具磨损的方法相比，间接测量方法具有不影响加工过程，可以连续监测加工过程的优点，更适宜于加工中的在线监测。因此，大多数国内外学者都利用这种方法来研究刀具磨损监测中的相关技术难题。国内外学者对刀具磨损监测技术的研究很多，也已经取得了一定的研究成果：1.大连理工大学成功研制了压电石英刀杆式三向车削测力仪。这种测力仪适用于在线测量动态、瞬态及静态切削力。测力仪体采用体积小、重量轻、刚度大的刀杆式结构。刀杆前部带有装敏感元件的弹性环，用一个三向压电石英力敏元件代替