本发明涉及金属切削检测，具体涉及一种快速检测冷却液失效程度的方法及装置。
技术背景
冷却液在金属切削加工中是必不可少的，其在加工过程中起到冷却、润滑及防锈等作用，但由于加工环境和加工工艺的复杂性,冷却液在使用过程中容易失效,难以长时间维持理想状态。其中冷却液是水溶性的。冷却液一旦劣化失效，一方面会加快刀具的磨损，从而影响加工精度，同时还会增加机床负担，减少机床使用寿命；另一方面，由于缺乏有效快速的检测方法或产品为操作人员提供有效的鉴别信息，导致无法及时更换冷却液，长此以往，将造成加工企业巨大的经济损失。尽管目前通常使用PH测试仪、折光仪和盐度计来判断冷却液的酸碱度和浓度[1]，但这些检测指标并不能直接准确表征冷却液失效的程度，因为这些指标不仅和冷却液的失效程度之间没有必然关系，而且极易受环境因素的影响，不具备有效性。除此之外，在冷却液的润滑性能和缓蚀效果检测方面，目前主要依赖于大型精密检测设备或耗时复杂的线下试验，不适合大面积推广和应用。为此，亟需一种快速高效的检测方法或设备来解决上述难题。
就冷却液的失效机理而言，主要有以下几个方面：一是，机床加工产生的局部高温使得冷却液中有机分子发生高温聚合，形成大量有机大分子，从而降低冷却液的润滑效果；二是，微生物的滋生，微生物繁殖速度快，不仅会以杂质的形式影响冷却液的润滑性能，而且还因其新陈代谢产生大量大分子胞外分泌物和有机酸波坏冷却液的缓蚀效果；除此之外，环境中外来粉尘掺杂及导轨油的渗漏也会加速冷却液的失效速度[2、3]。由此可见，无论何种原因导致的冷却液失效，必然伴随大量的大分子有机物或杂质的出现，失效程度越大，形成的法分子有机物或杂质就越多，而这些有机分子或杂质粒径都在0.5微米～10微米之间，远大于常见冷却液中有效成分的分子大小。根据这一规律，本发明提出了一种快速检测冷却液失效程度的方法和装置。又不至于造成浪费。
技术实现要素：
本发明提出的快速监测冷却液失效程度的方法及装置，主要是利用物理过滤的原理，物理过滤是指在推动力或者外力的作用下，液体透过介质，固体颗粒及其他物质被过滤介质截留，从而使固体及其他物质与液体分离，将冷却液通过不同孔径的滤膜，即可通过其截留情况来初步判断冷却液的失效程度，从而来决定是否需要更换冷却液。同时，在此基础上设计了一套相应迅速、操作简便、效果明显的检测装置。
本发明所包含的部件及部件的连接关系如下：
本发明快速监测冷却液失效程度的装置是通过PCL控制，使用装置顶端的控制面板来操作。整个装置由不锈钢铸造，呈长方体形状，内为空心，壁厚3mm，装置内部分为5个空间，第一个空间用来布置第一电机和第二电机，第二个空间用来布置第三电机，第三、四、五个空间用来贮藏冷却液，刚进入的冷却液位于第一贮藏腔，正在检测的冷却液位于第二贮藏腔，检测之后的位于第三贮藏腔；装置最顶端设置有进口，控制面板、启动按钮、停止按钮、报警器和急停按钮，进口处是一根硅胶管，伸入到装置内部，冷却液由此进入检测装置，控制面板、启动按钮、停止按钮、报警器和急停按钮皆固定在装置顶端的外表面上，控制面板是检测装置的控制核心，启动按钮、停止按钮、报警器和急停按钮皆通过继电器于控制面板连接，控制面板能够实时监测各个部件的工作状态；
第一电机安装在装置内部的上方，带动着凸轮的转动，由进口伸入的硅胶管穿过凸轮，最终会将冷却液送到第一贮藏腔中，在第一电机的下方是第二电机，第二电机控制着一个齿轮，该齿轮于一个齿条啮合，该齿条同一个盖板焊接在一起，第二电机转动时，带动齿轮转动，齿轮带动齿条，齿条带动盖板移动，于盖板对应的底面处安装有一个电磁传感器，用于监测盖板于底面的距离；贮藏冷却液的壁面上都装有超声波传感器，可监测该腔内的液面高度；第一电机、第二电机、超声波传感器、电磁传感器皆通过继电器同控制面板连接，控制面板实时监测传感器的信号，并控制电机的启动和停止；
第二个空间内布置有第三电机，第三电机于一个旋转盘直接连接，旋转盘上装有不同的滤膜，当冷却液恰好能够顺利通过滤膜时，滤膜的孔径便是该冷却液的分子半径；第二贮藏腔开有四个通孔，空上各安装一个气动阀门，第一气动阀门于第二气动阀门之间有一个通管，通管中间是旋转盘上的滤膜，在滤膜的两侧装有两个压力传感器，用于监测管内的液压，气动阀门和传感器可以给控制面板传输电信号，后者则可以以此为依据控制第三电机的工作状态整个装置共包含3个电机：第一电机、第二电机和第三电机；6个传感器：第一超声波传感器、第二超声波传感器、水平传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和电磁传感器；4个气动阀门：第一气动阀门、第二气动阀门、第三气动阀门、第四气动阀门以及旋转盘、传动齿轮和传动齿条等。其中旋转盘上装有多种不同孔径的滤膜，用来安装不同孔径的滤膜，滤膜采用有机系滤膜，孔径的范围为0.2μm—10μm；滤膜的压降在1.5MPa以下，同时要旋转盘更换滤膜的反馈信号即第一压力传感器和第二压力传感的压差等于滤膜的压降；在整个装置的顶端设置启动按钮、停止按钮、报警器和急停按钮。当装置工作时，各个部分的工作状态均会在控制界面中显示。
失效程度的计算方法已编辑成程序储存在PLC控制中心内，结果可以通过控制面板显示；失效程度计算公式：
这里D待测是指新吸入的待检测液的分子半径，D原是指未使用的冷却液的分子半径；D原要求操作者输入；默认值为0.01μm。
本发明检测冷却液失效程度的方法，其特征包括以下步骤：
步骤一：该步骤主要是冷却液的吸入过程；启动装置之前，先将进口接入冷却液中，然后按下启动按钮，此时第一电机启动，同时带动凸轮旋转，凸轮挤压引流管，使得引流管内部产生负压，从而将冷却液吸入第一贮存腔；整个过程中第三气动阀门打开，其他气动阀门关闭；同时，第一超声波传感器工作，此时第一超声波传感器会不断的发出超声波同时会接收同等频率的超声波，通过记录从发出超声波到接受的时间间隔，从而计算出液面的高度，当冷却液达到指定高度时，第一超声波传感器去发送第一电机停止工作的信号给PLC控制中心，控制面板通过调节输出电压的高低来控制与第一电机相连的继电器的开关，进一步来控制第一电机的停止和启动；
步骤二：这个过程是冷却液的检测过程，步骤一结束后，第一电机停止工作，第三气动阀门关闭；然后，第一气动阀门和第二气动阀门打开，第四气动阀门关闭；紧接着控制面板会控制第二电机开始工作，此时，第二电机会带动传动齿条工作，第二贮存腔顶端的盖板与传动齿条固定在一起，随着传动齿条的工作，第二贮存腔的盖板会向下运动，第二贮存腔中的冷却液受到挤压，经过引流管从第一气动阀门流入第二气动阀门；于此同时，第一压力传感器和第二压力传感器开始工作，监测管内两处的液压；如果第一压力传感器同第二压力传感器之间的压力差大于0.5MPa，则说明冷却液流经过滤膜时受到阻碍，此时控制中心会控制启动阀门和关闭，第三电机启动，带动旋转盘转动，实现滤膜更换；此时旋转盘上的6个滤膜等角度分布，第三电机的转动速度为6°/s，第三电机工作10s自动停止工作，待滤膜更换完毕后，启动第一气动阀门和第二气动阀门再度开启，然后，第二电机开始工作，旋转盘上装有不同孔径的滤膜，孔径分别为0.22μm、0.45μm、0.5μm、0.7μm、0.8μm、1.0μm，控制中心会控制冷却液依次流过不同孔径的滤膜，当第一压力传感器同第二压力传感器之间的压力差降到0.5MPa时，即压力差等于滤膜压降，说明冷却液可以流畅的流过滤膜，从而判定该滤膜的孔径即为该冷却液的分子半径。这种情况出现时，整个装置停止工作，控制界面输出改冷却液的分子半径，同时计算失效程度，当失效程度达到100％时，更换冷却液。失效程度的计算方法已编辑成程序储存在PLC控制中心内，结果可以通过控制面板显示；
失效程度计算公式：
这里D待测是指新吸入的待检测液的分子半径，D原是指未使用的冷却液的分子半径。D原要求操作者输入。默认值为0.01μm。
步骤三：该过程是该装置的监测报警系统，实时监测整个装置的工作状态，当第二电机工作时，如果传动齿条高度过低时，电磁传感器上的继电器由于磁力作用闭合，此时输出相应的电信号会传送给控制中心，控制面板会自动输出电信号让第二电机停止工作，整个装置恢复到最初的启动装置，然后控制第一电机工作，重新加入冷却液；当第一压力传感器的输出信号达到1.5MPa时，说明装置未能及时更换滤膜，此时控制中心会控制装置停止工作，待检查出故障部位，重新启动；当第二超声波传感器的输出信号是检测液面高度的，当液面过高时，需停止工作，将冷却液排出再重新工作。整个检测过程结束后，控制面板会控制所有的气动阀门打开，同时第一电机反转，将检测结束的冷却液排出检测装置。
附图说明：
图1冷却液失效检测装置俯视图
图2冷却液失效检测装置侧视局部剖视图
图3冷却液失效检测装置主视局部剖视图
图4冷却液失效检测装置主视局部剖视图
图5冷却液失效检测装置俯视局部剖视图
图6是本发明快速检测冷却液失效程度的方法的流程图
具体实施方式：
下面将结合附图对本发明的快速监测冷却液失效程度的装置的构造和工作步骤作进一步详细说明：
本发明快速监测冷却液失效程度的装置是通过PCL控制，使用装置顶端的控制面板来操作。整个装置由不锈钢铸造，呈长方体形状，内为空心，壁厚3mm，装置内部分为5个空间，第一个空间用来布置第一电机和第二电机，第二个空间用来布置第三电机，第三、四、五个空间用来贮藏冷却液，刚进入的冷却液位于第一贮藏腔，正在检测的冷却液位于第二贮藏腔，检测之后的位于第三贮藏腔；装置最顶端设置有进口，控制面板、启动按钮、停止按钮、报警器和急停按钮，如图1所示，进口处是一根硅胶管，伸入到装置内部，冷却液由此进入检测装置，控制面板、启动按钮、停止按钮、报警器和急停按钮皆固定在装置顶端的外表面上，控制面板是检测装置的控制核心，启动按钮、停止按钮、报警器和急停按钮皆通过继电器于控制面板连接，控制面板能够实时监测各个部件的工作状态；
第一电机安装在装置内部的上方，带动着凸轮的转动，如图2所示，由进口伸入的硅胶管穿过凸轮，最终会将冷却液送到第一贮藏腔中，在第一电机的下方是第二电机，如图4所示，第二电机控制着一个齿轮，该齿轮于一个齿条啮合，该齿条同一个盖板焊接在一起，第二电机转动时，带动齿轮转动，齿轮带动齿条，齿条带动盖板移动，于盖板对应的底面处安装有一个电磁传感器，用于监测盖板于底面的距离；贮藏冷却液的壁面上都装有超声波传感器，可监测该腔内的液面高度；第一电机、第二电机、超声波传感器、电磁传感器皆通过继电器同控制面板连接，控制面板实时监测传感器的信号，并控制电机的启动和停止；
第二个空间内布置有第三电机，如图3，第三电机于一个旋转盘直接连接，旋转盘上装有不同的滤膜，当冷却液恰好能够顺利通过滤膜时，滤膜的孔径便是该冷却液的分子半径；第二贮藏腔开有四个通孔，空上各安装一个气动阀门，第一气动阀门于第二气动阀门之间有一个通管，如图5，通管中间是旋转盘上的滤膜，在滤膜的两侧装有两个压力传感器，用于监测管内的液压，气动阀门和传感器可以给控制面板传输电信号，后者则可以以此为依据控制第三电机的工作状态整个装置共包含3个电机：第一电机、第二电机和第三电机；6个传感器：第一超声波传感器、第二超声波传感器、水平传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和电磁传感器；4个气动阀门：第一气动阀门、第二气动阀门、第三气动阀门、第四气动阀门以及旋转盘、传动齿轮和传动齿条等。其中旋转盘上装有多种不同孔径的滤膜，用来安装不同孔径的滤膜，滤膜采用有机系滤膜，孔径的范围为0.2μm—10μm；滤膜的压降在1.5MPa以下，同时要旋转盘更换滤膜的反馈信号即第一压力传感器和第二压力传感的压差等于滤膜的压降。在整个装置的顶端设置启动按钮、停止按钮、报警器和急停按钮。当装置工作时，各个部分的工作状态均会在控制界面中显示。
失效程度的计算方法已编辑成程序储存在PLC控制中心内，结果可以通过控制面板显示；失效程度计算公式：
这里D待测是指新吸入的待检测液的分子半径，D原是指未使用的冷却液的分子半径。D原要求操作者输入。默认值为0.01μm。
本发明快速检测冷却液失效程度的方法的流程图见图6，具体步骤如下：
第一步：整个装置的控制窗口如图1所示，图1主要包括进口1、控制面板2、启动按钮3、停止按钮4、急停按钮5、报警灯6，在工作之前，先将进口1接入冷却液中，然后按下启动按钮3，，此时图2中所示的第一电机7会带动凸轮9旋转，图2中包含第一电机7、第二电机8、传动齿条11和超声波传感器12，凸轮9在图3中标示，凸轮挤压引流管，凸轮9的转动会使得引流管25内部产生负压，从而将冷却液吸入第一贮存腔26，此时第三气动阀门22打开，其他气动阀门关闭。整个过程中第一超声波传感器12会不断的发出超声波同时会接收同等频率的超声波，通过记录从发出超声波到接受的时间间隔，从而计算出液面的高度，当冷却液达到指定高度时，第一超声波传感器去发送第一电机7停止工作的信号给PLC控制中心，控制面板通过调节输出电压的高低来控制与第一电机相连的继电器的开关，进一步来控制第一电机的停止和启动。
第二步：图5是装置底部的剖视图，包含4个气动阀门和两个压力传感器18、19；当第一电机7停止工作后，图5所示的第三气动阀门22关闭，同时，第一气动阀门20和第二气动阀门21打开，第四气动阀门23关闭，紧接着控制面板会自动控制第二电机8开始工作，带动传动齿条11工作，其中图4主要展示的便是齿轮齿条传动装置，如图4所示，第二贮存腔顶端的盖板与传动齿条固定在一起。随着传动齿条11的工作，第二贮存腔的盖板会向下运动，第二贮存腔27中的冷却液受到挤压，经过引流管从第一气动阀门20流入第二气动阀门21。于此同时，第一压力传感器18和第二压力传感器19会输出信号，监测管内两处的液压。如果第一压力传感器18同第二压力传感器19之间的压力差大于0.5MPa，则说明冷却液流经过滤膜时受到阻碍，此时控制中心会控制图5中，启动阀门20和21关闭；图3展示的是整个装置的核心部分，主要包含的是旋转盘16，第三电机17和确定冷却液分子半径的滤膜15，图3中的第三电机17启动，会带动旋转盘16转动，实现滤膜更换；第三电机17的转动速度为6o/s，旋转盘上的6个滤膜等角度分布，第三电机工作10s自动停止工作，待滤膜更换完毕后，启动阀门20和21再度开启，然后，第二电机8开始工作，旋转盘上装有不同孔径的滤膜，孔径分别为0.22μm、0.45μm、0.5μm、0.7μm、0.8μm、1.0μm，图1中的控制中心会控制冷却液依次流过不同孔径的滤膜，当第一压力传感器18同第二压力传感器19之间的压力差降到0.5MPa时，即压力差等于滤膜压降，说明冷却液可以流畅的流过滤膜，从而判定该滤膜的孔径即为该冷却液的分子半径。这种情况出现时，整个装置停止工作，控制界面2输出改冷却液的分子半径，同时计算失效程度，当失效程度达到100％时，更换冷却液。
第三步：该装置自带报警系统，在第二电机8工作时，如果传动齿条11高度过低时，电磁传感器14上的继电器由于磁力作用闭合，此时输出相应的电信号会传送给控制中心，控制面板会自动输出电信号让第二电机8停止工作，整个装置恢复到最初的启动装置，然后控制第一电机7工作，重新加入冷却液；当第一压力传感器18的输出信号达到1.5MPa时，说明装置未能及时更换滤膜，此时控制中心会控制装置停止工作，待检查出故障部位，重新启动；当第二超声波传感器13的输出信号是检测液面高度的，当液面过高时，需停止工作，将冷却液排出再重新工作。整个检测过程结束后，控制面板会控制所有的气动阀门打开，同时第一电机7反转，将检测结束的冷却液排出检测装置。
参考文献：
[1]朱明,冯军勇.切削液浓度的现场检测与管理[J].金属加工:冷加工,2009(14):36-37.
[2]晓新.切削液失效和应采取的措施[J].新技术新工艺,1994(3).
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