一种基于永磁扰动探头的铣刀破损检测方法、装置及应用与流程

本发明属于数控加工刀具检测相关领域，更具体地，涉及一种基于永磁扰动探头的铣刀破损检测方法、装置及应用。

背景技术：

随着制造业的自动化程度和智能化水平的不断提高，在数控加工过程中，对切削过程的监测技术的要求也越来越高。特别是在断续铣削加工过程中铣刀的破损往往发生，轻则导致零件的报废，重则可能导致对机床的损坏，因此对铣刀的破损检测是很有必要的。

目前，对于铣刀的检测有直接测量和间接测量两种。具体而言，直接测量主要有：电阻测量法、刀具工件间距测量法、射线测量法、微结构镀层法、光学测量法、放电电流测量法、计算机图像处理法等；但这些方法往往要求的检测条件苛刻或者准备工作繁杂，导致实际的应用范围很窄。间接测量有：切削力检测法、声发射检测法、功率信号检测法、振动信号检测法、切削温度测量法、电流信号测量法、热电压测量法、工件表面粗糙度测量法等；但由于间接测量时间接影响因素较多，很难获得与铣刀外型直接相关的特征，因而导致检测准确度较低。

为了克服上述现有检测方法的缺陷，有必要进行研究设计，以获得一种全新的铣刀破损检测方法，实现铣刀破损的高精度检测。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于永磁扰动探头的铣刀破损检测方法、装置及应用，其通过引入永磁扰动探头来执行铣刀的破损检测，并对其布置方式及信号处理工序重新进行设计，较多的实际测试表明，具有检测准确、便于操控、适用性广等优点。

为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提出了一种基于永磁扰动探头的铣刀破损检测方法，其包括如下步骤：

s1针对作为待测对象的铁磁性材料铣刀，在其旁侧布置永磁扰动探头，并使得该永磁扰动探头的轴线与此待测铣刀的轴线垂直且共面；接着，将待测铣刀按预设转速旋转以使得所述永磁扰动探头产生电压信号，同步采集该电压信号；

s2对采集的电压信号进行处理以判断待测铣刀是否发生破损，该步骤具体包括下列子步骤：

s21从采集的电压信号中截取样本信号，然后对样本信号进行离散傅里叶变换以得到幅频谱；

s22获取待测铣刀的转频和刃数信息，根据该转频和刃数信息得出所述转频的各阶倍频所对应的频段，并根据所述幅频谱相应计算出各阶倍频所对应的频段的能量值；

s23对所述各阶倍频所对应的频段的能量值进行归一化处理，相应得出各阶倍频所对应的频段的能量比；接着，根据所述能量比求得对应的能量熵，再根据能量熵确定铣刀破损百分比；

s24将上述根据能量熵确定的铣刀破损百分比与预设的铣刀破损百分比阈值进行比较，以此方式来判定待测铣刀是否发生破损，进而完成铣刀破损的检测过程。

作为进一步优选的，检测时，所述永磁扰动探头的端面到所述铣刀外圆周面保持一段距离，该距离优选为1mm～2mm；所述铣刀的端面超出所述永磁扰动探头轴线一段长度，该长度优选为1mm～2mm。

作为进一步优选的，所述预设转速的范围优选为1000r/min～3000r/min。

作为进一步优选的，利用采集卡采集永磁扰动探头的信号，采样频率优选为1khz。

按照本发明的第二个方面，提供了一种数控铣削加工方法，其利用铣刀对待处理对象进行铣削加工，每加工预设时间后利用所述的方法进行铣刀破损检测。

按照本发明的第三个方面，提供了一种基于永磁扰动探头的铣刀破损检测装置，其包括永磁扰动探头、采集单元和数据处理单元，该永磁扰动探头设于待测铣刀的旁侧，且其轴线与待测铣刀的轴线垂直并共面，该待测铣刀为铁磁性材料铣刀，检测时，待测铣刀按预设转速旋转以使得设于其旁侧的永磁扰动探头产生信号，采集单元采集永磁扰动探头的信号并将其传输至数据处理单元中，数据处理单元对采集的信号进行处理以判断待测铣刀是否发生破损。

作为进一步优选的，所述永磁扰动探头包括永磁体和线圈，检测时，旋转的铣刀与永磁体作用产生磁扰动，该磁扰动使线圈产生信号，其中，正常铣刀使线圈产生正弦信号，而破损铣刀使线圈产生转频的各阶倍频的叠加信号。

作为进一步优选的，所述数据处理单元为采集卡，采样频率优选为1khz。

作为进一步优选的，所述数据处理单元采用如下步骤对对采集的信号进行处理以判断待测铣刀是否发生破损：

s21从采集的电压信号中截取样本信号，然后对样本信号进行离散傅里叶变换以得到幅频谱；

s22获取待测铣刀的转频和刃数信息，根据该转频和刃数信息得出所述转频的各阶倍频所对应的频段，并根据所述幅频谱相应计算出各阶倍频所对应的频段的能量值；

s23对所述各阶倍频所对应的频段的能量值进行归一化处理，相应得出各阶倍频所对应的频段的能量比；接着，根据所述能量比求得对应的能量熵，再根据能量熵确定铣刀破损百分比；

s24将上述根据能量熵确定的铣刀破损百分比与预设的铣刀破损百分比阈值进行比较，以此方式来判定待测铣刀是否发生破损，进而完成铣刀破损的检测过程。

按照本发明的第四个面，提供了一种数控铣削系统，其包括数控机床以及所述的基于永磁扰动探头的铣刀破损检测装置，所述铣刀破损检测装置中的永磁扰动探头设于数控机床的工作台上，该永磁扰动探头的轴线与机床工作台的台面平行。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过设置永磁扰动探头，以利用永磁扰动探头与待测铣刀的相互作用实现铣刀的损伤检测，具有检测简单，无需对机床和刀具做任何改变，所要求的检测条件较宽松，重复检测时更加方便，能够对铣刀是否发生破损做出准确的判断，检测精度高等优点。

2.本发明通过对信号处理流程的研究与设计，具体的对检测信号进行离散傅里叶变换得到幅频谱，求得幅频谱中转频的各阶倍频所对应的频段的能量值，进而求得各阶倍频所对应的频段的能量比并获得对应的能量熵，然后根据能量熵确定铣刀破损的百分比，从而实现铣刀的破损检测，具有处理流程简单方便，检测结果准确，自动化和智能化程度高等优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于永磁扰动探头的铣刀破损检测方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的基于永磁扰动探头的铣刀破损检测装置的结构示意图；

图3是本发明实施例中永磁扰动探头的结构及与铣刀相对位置的示意图；

图4是本发明实施例中正常铣刀加工时的信号时域波形、幅频谱及其频段划分的示意图，其中(a)为正常铣刀的时域波形图，(b)为正常铣刀的幅频谱及频段划分示意图。

图5是本发明实施例中破损铣刀加工时的信号时域波形、幅频谱及其频段划分的示意图，其中(a)为破损铣刀的时域波形图，(b)为破损铣刀的幅频谱及频段划分示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-铣刀，2-永磁扰动探头，3-采集卡，4-工控机，5-机床工作台，21-永磁体，22-线圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于永磁扰动探头的铣刀破损检测方法，其包括如下步骤：

s1待测铣刀1按预设转速旋转以使得设于其旁侧的永磁扰动探头2产生信号，采集永磁扰动探头2的信号以供后续处理，永磁扰动探头的轴线与待测铣刀的轴线垂直且共面；

s2对采集的信号进行处理以判断待测铣刀是否发生破损：

s21从采集的信号中截取样本信号，然后对样本信号进行离散傅里叶变换以得到幅频谱，优选的从采集的信号中截取样本信号并进行预处理，对预处理后的信号进行离散傅里叶变换得到幅频谱，具体的，截取采集信号的整数次幂个采样点作为样本信号，例如可以截取n个采样点，记样本信号为：

xn(n＝1,2,…,n)

然后对样本信号进行低通滤波，记滤波后的信号为：

再对滤波后的信号进行离散傅里叶变换，取正频率部分得到幅频谱，记为：

x(f)n(n＝1,2,…,n/2)

s22获取待测铣刀的转频和刃数信息，根据该转频和刃数信息得出所述转频的各阶倍频所对应的频段，并根据所述幅频谱相应计算出各阶倍频所对应的频段的能量值：

根据待测铣刀的预设转速s计算转频f0：

f0＝s/60

根据转频f0和待测铣刀的刃数z求得转频的各阶倍频所对应的频段，其中，第i阶倍频所对应的频段ωi为：

ωi＝[(i-0.5)f0,(i+0.5)f0](i＝1,2,…,z)

即以转频f0的各阶倍频为中心，以转频f0为频带宽度进行划分，划分的频段数为铣刀的刃数z；

计算幅频谱x(f)n中转频的各阶倍频所对应的频段的能量值，其中，第i阶倍频所对应的频段ωi的能量值ei为：

s23对所述各阶倍频所对应的频段的能量值进行归一化处理，相应得出各阶倍频所对应的频段的能量比，根据所述能量比求得对应的能量熵，再根据能量熵确定铣刀破损百分比：

对能量值进行归一化处理得到转频的各阶倍频所对应的频段的能量比，其中，第i阶倍频所对应的频段ωi的能量比为：

根据转频的各阶倍频所对应的频段的能量比求得能量熵h为：

再根据能量熵h确定铣刀破损的百分比p(即频谱中谐波成分的大小)为：

p＝(h/logz)×100％

s24将上述根据能量熵确定的铣刀破损百分比与预设的铣刀破损百分比阈值p＇(即实际加工所能容忍的铣刀破损量)进行比较，以此方式来判定待测铣刀是否发生破损，进而完成铣刀破损的检测过程。具体的，当p≤p＇时，认为铣刀未破损，当p>p＇时，认为铣刀破损，进行更换。例如阈值p＇为20％，计算出的铣刀破损的百分比p为5％，即小于20％，则认为铣刀未破损，若计算出的铣刀破损的百分比p为50％，即大于20％，则认为铣刀破损。

具体的，检测时永磁扰动探头的端面到铣刀外圆周面保持一段距离，该距离优选为1mm～2mm；铣刀的端面超出永磁扰动探头轴线一段长度，该长度优选为1mm～2mm。通过上述设置可以使检测信号的信噪比较高，从而得到较高的判别准确度。

进一步的，通过机床主轴带动铣刀按预设转速s旋转，预设转速s的范围优选为1000r/min～3000r/min。具体的，利用采集卡3采集永磁扰动探头的信号，采样频率优选为1khz。在上述转速范围内按照上述采样频率采集到的检测信号的信噪比较高，从而得到较高的判别准确度。

如图2所示，本发明还提供了一种基于永磁扰动探头的铣刀破损检测装置，其包括永磁扰动探头、采集单元和数据处理单元，该永磁扰动探头设于待测铣刀的旁侧，对准铣刀下端刃部，永磁扰动探头的轴线与待测铣刀的轴线垂直并共面，检测时，待测铣刀按预设转速旋转以使得设于其旁侧的永磁扰动探头产生信号，采集单元采集永磁扰动探头的信号并将其传输至数据处理单元中，数据处理单元接收采集的信号并对采集的信号进行处理以判断待测铣刀是否发生破损。

具体的，永磁扰动探头包括永磁体21和线圈22，线圈22绕于永磁体21的外圆柱面上，永磁扰动检测根据被检测的铁磁性材料与永磁体相互作用，当材料有一定损伤或破损时，会产生磁扰动现象，使得永磁体内的磁场突变，进而使线圈产生电压信号，以达到损伤检测的作用。检测时，旋转的铣刀与永磁体作用产生磁扰动，该磁扰动使线圈产生电压信号，具体的，铣刀在旋转时，铣刀的刀刃和排屑槽交替与永磁扰动探头的永磁体相互作用产生磁扰动，使得永磁体内的磁场发生变化，进而使线圈产生电压信号。进一步的，数据处理单元为采集卡，采样频率优选为1khz。数据处理单元为工控机4，对采集的信号进行处理，通过频谱分析和谐波成分判断来确定铣刀是否发生破损，具体的采用上述步骤s21～s24完成铣刀的破损检测。

具体而言，正常铣刀稳定旋转时会使线圈产生正弦信号，具体的，正常铣刀在稳定旋转时，刀刃和排屑槽周期地交替与永磁扰动探头的永磁体相互作用产生磁扰动，使得永磁体内的磁场周期性地发生变化，进而使线圈产生周期的正弦电压信号，且正弦电压信号的频率为铣刀转频的整数倍，倍数为铣刀的刃数。而破损铣刀刀刃的改变会使线圈产生转频的各阶倍频的叠加信号，具体的，当铣刀破损时，不同刃的形状发生不同的变化，导致不同刃的磁扰动的强度不同，最终产生铣刀转频的各阶倍频的叠加信号。

如图3所示，h代表永磁扰动探头端面到铣刀外圆周面的距离，e代表铣刀端面超出永磁扰动探头轴线的长度，d代表永磁体直径，l代表永磁体长度，a代表线圈宽度，b代表线圈内径，c代表线圈的提离高度，d代表线圈的线径。具体的，永磁体的直径d优选为4mm～6mm，永磁体的长度l优选为10mm～14mm，线圈的线径d优选为0.03mm～0.06mm，线圈的内径b和永磁体的直径保持一致，线圈的匝数优选为50匝～150匝，线圈的宽度a优选为2mm～3mm，线圈的提离高度c优选为0～1mm，且永磁扰动探头端面到铣刀外圆周面的距离h优选为1mm～2mm，铣刀端面超出永磁扰动探头轴线的长度e优选为1mm～2mm。通过上述设计，可使得采集到的检测信号的信噪比较高，从而得到较高的判别准确度。

检测时，永磁扰动探头设于机床工作台5上，具体的，永磁扰动探头的安装位置应在机床工作台的一侧，以避免影响正常的切削加工过程。永磁扰动探头的轴线与机床工作台的台面平行，具体的，永磁扰动探头的轴线与机床工作台面的平行度误差在0.5mm以内，为了操作方便，永磁扰动探头的轴线可以与机床的x轴或y轴平行。

具体的，通过移动机床工作台及机床各种轴，使得永磁扰动探头和铣刀满足检测位置要求，包括：移动机床工作台使永磁扰动探头轴线与铣刀轴线共面，并使永磁扰动探头端面到铣刀外圆周面保持一段距离，具体的，使机床工作台沿机床的x轴和y轴移动，使永磁扰动探头轴线与铣刀轴线共面，误差在1mm范围内，并使永磁扰动探头端面到铣刀外圆周面保持1mm～2mm的距离；移动机床的z轴(与铣刀的轴线平行)，使铣刀的下端面超出永磁扰动探头轴线1mm～2mm长度。

图4是本发明实施例中正常铣刀加工时的信号时域波形、幅频谱及其频段划分的示意图，其中(a)为正常铣刀的时域波形图，(b)为正常铣刀的幅频谱及频段划分示意图。图5是本发明实施例中破损铣刀加工时的信号时域波形、幅频谱及其频段划分的示意图，其中(a)为破损铣刀的时域波形图，(b)为破损铣刀的幅频谱及频段划分示意图。

结合图4和图5对步骤s22中谐波频率频段ωi的划分进行进一步的解释。以铣刀的刃数z＝4为例，将幅频谱划分成4段，其中频段1是以转频f0的1倍频为中心，以转频f0为频段宽度，频段2、3、4分别是以转频f0的2、3、4倍频为中心，以转频f0为频段宽度进行划分。如图4中的(a)所示，正常铣刀在稳定旋转时，刀刃和排屑槽周期地交替与永磁扰动探头的永磁体相互作用产生磁扰动，使得永磁体内的磁场周期性地发生变化，进而使线圈产生周期的正弦电压信号，且正弦信号的频率为铣刀转频的整数倍，倍数为铣刀的刃数4，因此只有频段4处会出现明显的幅值尖峰。如图5中的(a)所示，当铣刀破损时，刃的形状发生变化，导致刃的磁扰动的强度不同，最终在各频段会产生铣刀转频的各阶倍频的叠加信号，因此，频段1、2、3处也会出现明显的幅值尖峰。例如，根据s23求得图4正常铣刀和图5破损铣刀的幅频谱中转频的各阶倍频所对应的频段的能量为0、0、0、1和0.4、0.2、0.4、1，进一步求得两图中转频的各阶倍频所对应的频段的能量比为0、0、0、1和0.2、0.1、0.2、0.5；然后根据s24求得两图中信号的能量熵分别为0和0.53，进一步求得破损百分比分别为0％和88％。若设定破损百分比的阈值设为20％，则可以判定图4中的检测信号所对应的铣刀为正常铣刀，图5中的检测信号所对应的铣刀为破损铣刀，即对铣刀是否破损进行了有效的检测。

在实际铣削加工时，利用铣刀对待处理对象进行连续铣削加工，每隔固定时间(具体时间可根据实际需要进行限定)将铣刀移到检测位置，并利用本发明的上检测方法对铣刀进行破损检测，若破损则更换铣刀，以有效避免因刀具破损带来的损失，若未破损则继续进行洗削加工。

本发明利用材料有一定损伤或破损时会产生磁扰动现象使得永磁体内的磁场突变进而使线圈产生电压信号的原理达到损伤检测的目的，能够方便快捷地根据永磁扰动探头的信号间接获取铣刀刃部的形貌信息，因为正常铣刀与破损铣刀的幅频谱存在区别，正常铣刀的幅频谱为正弦信号，破损铣刀的幅频谱为谐波信号，因此根据获得的信号即可间接获取铣刀刃部的形貌信息，然后通过对信号进行处理即能够对铣刀是否发生破损做出准确判断，提高数控加工过程的自动化程度和智能化水平。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。