1　刀具破损的监测原理
　　本系统采用声发射(AE)和电机转矩检测技术实现刀具破损的监测。声发射是指伴随固体材料在断裂时释放储存的能量产生弹性波的现象，AE信号由传感器检测，得到相应的电信号，它分为突发型和连续型两类，前者是伴随固体材料的微小裂纹和龟裂而产生的，后者是材料在塑性变形时表现出来的。刀具破损检测以突发型AE信号为对象，用AE信号检测发射源的位置和强度，了解被测对象内部结构的变化，以实现切削刀具状态的监测。在切削过程中，由于金属变形、挤压、摩擦等的影响以及切削环境变化，使直接来源于切削点的AE信号特征复杂，频谱丰富，加深了刀具破损时AE信号识别与测量的困难，从这些信号中提取刀具破损的AE信号是实现在线监测的关键。用图1所示装置提取切削刀具的AE信号特征，将AE传感器装置在刀架上，将传感器检测的AE信号经前置放大器和主放大器两级放大后，由采样频率达MHz的波形记录仪采集、存储，送至数字示波器进行时域特性分析，并由绘图仪绘出结果。图2所示为切削加工中AE信号的频率分布，图中表明，切削加工中机械噪声、机床空转噪声的频率在＜100kHz范围内，而刀具破损时AE信号的频率在300～500kHz范围内，且峰值较大，因此，要正确提取刀具破损的AE信号，应选好合适带宽的AE传感器以及带通滤波器的频率范围。同时，应采取多参数实域频域综合处理方法，以利有效抑制各种环境噪声，提高监测精度。

图1　切削刀具AE信号的提取装置

图2　切削刀具AE信号的频率分布

　　电机电流的监测，在切削过程中，刀具破损发生变化，导致切削力发生变化，切削力的变化引起主轴转矩发生变化，进而导致电机电流发生变化，监测电机电流的大小可间接地判断刀具的状态。采用某一时刻电流值与正常切削时电流值之差作为刀具破损的特征信号

I＝｜I₁－I₀｜ΣK_阈（1）

式中：I₁——某一时刻电流的实测值；
I₀——正常切削或切削开始的电流实测值。
　　当切削条件、刀具材料、工件材质等发生变化时，I₁值发生变化，I₀值也随之变化，但两者的差值变化不大，即I值变化主要取决于刀具的破损状态，而与切削条件变化的影响关系不大。但在实际生产中，较大的电网电压波动和周围设备的启动、停机都会影响I₁值，因此，还应监测电网电压的波动，并去除其对电机电流的影响。此时，用电机电流监测刀具破损的判别式应为

I＝｜I₁－I₀｜－F｜U₁－U₀｜ΣK_阈（2）

式中：U₁——某一时刻电压实测值；
U₀——切削开始时的电压值；
F——电网电压波动引起电流变化的比率。

2　监测系统的组成及其特点
　　刀具破损监测系统如图3所示。图中，电机电流处理模块用于处理霍尔传感器输出的表示电机电流大小的电压信号，此信号为时域幅值信号，经一定运算，得到式(2)的I和U值，再经A/D转换，由微机处理，AE信号处理模块的结构如图4所示。图2所示实验结果表明，切削刀具破损的AE信号频率范围在300～500kHz之间，为有效地放大AE传感器输出的mV级信号，需采用宽频高增益的两级放大电路。为正确地提取有用的AE信号，后接100～600kHz带通滤波器，经检波处理后，与检波器2输出的幅值信号同时送给计算机，作两路信号的比较处理，以得到刀具破损的AE信号的幅值及其频率分布。计算机对AE传感器的信号和霍尔传感器的信号进行综合处理、分析，以确定刀具的破损状态。