1. 應(yīng)用場(chǎng)景

在現(xiàn)代制造業(yè)中，數(shù)控機(jī)床作為精密加工設(shè)備，其加工效率和精度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。刀具作為數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量直接影響加工效率和工件表面質(zhì)量。傳統(tǒng)刀具質(zhì)量評(píng)估方法通常依賴于人工檢測(cè)和加工實(shí)驗(yàn)，不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且難以保證評(píng)估的一致性和準(zhǔn)確性。特別是在高精度和高效加工領(lǐng)域，對(duì)刀具質(zhì)量的要求日益嚴(yán)格，因此，有一種快速、準(zhǔn)確的刀具質(zhì)量評(píng)估方法顯得尤為重要。

本測(cè)試方案旨在利用振動(dòng)分析技術(shù)，結(jié)合高精度數(shù)采設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床刀具質(zhì)量的快速評(píng)估。該方法通過(guò)監(jiān)測(cè)刀具在敲擊激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)，利用振動(dòng)信號(hào)的特征參數(shù)來(lái)評(píng)估刀具的阻尼效果，進(jìn)而判斷其質(zhì)量?jī)?yōu)劣。

圖1 數(shù)控機(jī)床刀具展示圖

2. 測(cè)試方法的介紹

2.1 測(cè)試原理

刀具在受到外力激勵(lì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)信號(hào)中包含了刀具材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝等方面的信息。阻尼性能是衡量刀具質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，良好的阻尼效果意味著刀具在受到外力作用時(shí)，能夠更快地吸收并衰減振動(dòng)能量，從而保持加工過(guò)程的穩(wěn)定性和精度。我們則可以利用這一特點(diǎn)，根據(jù)不同阻尼效果的刀具振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)不同，來(lái)實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確辨別刀具質(zhì)量的好壞。測(cè)試框圖如下圖所示：

圖2 刀具阻尼測(cè)試系統(tǒng)框圖

圖3 刀具阻尼測(cè)試實(shí)物圖

2.2 測(cè)試步驟

1. 準(zhǔn)備階段：

• 先按照上述框圖將設(shè)備進(jìn)行連接，搭建好測(cè)試環(huán)境。
• 選擇待測(cè)刀具，確保其表面干凈無(wú)油污。
• 將振動(dòng)傳感器（加速度傳感器）安裝在刀具上，確保傳感器與刀具緊密貼合且不會(huì)因振動(dòng)而分開。
• 利用刀座和虎鉗將刀具固定，確保測(cè)試過(guò)程中刀具不會(huì)發(fā)生位移或松動(dòng)。
• 使用敲擊錘或其他非破壞性激勵(lì)方式，對(duì)刀具進(jìn)行敲擊，使其產(chǎn)生振動(dòng)。
• 敲擊應(yīng)快速且力度適中，確保每次敲擊產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)具有可重復(fù)性。
• 啟動(dòng)數(shù)采設(shè)備，開始采集刀具振動(dòng)信號(hào)。
• 記錄振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間歷程數(shù)據(jù)，包括振動(dòng)的幅度、頻率以及衰減速度等關(guān)鍵參數(shù)。
• 利用數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，得到被測(cè)刀具的振動(dòng)波形圖。
• 根據(jù)振動(dòng)波形圖上的波形衰減情況，評(píng)估刀具的阻尼效果，進(jìn)而判斷其質(zhì)量?jī)?yōu)劣。

1. 激勵(lì)階段：
2. 數(shù)據(jù)采集階段：
3. 數(shù)據(jù)分析階段：

圖4 刀具固定方式展示圖

2.3 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)振動(dòng)信號(hào)中振動(dòng)衰減的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)判斷刀具的阻尼效果。阻尼效果越好，振動(dòng)衰減越快，說(shuō)明刀具質(zhì)量越好。具體評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)定，如設(shè)定振動(dòng)衰減至某一閾值所需的時(shí)間作為判斷依據(jù)。還可以先通過(guò)加工實(shí)驗(yàn)等方式找到阻尼效果良好的刀具測(cè)出振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)，作為參考標(biāo)準(zhǔn)，用其他被測(cè)刀具的振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)與之作比較，來(lái)判斷得出被測(cè)刀具的質(zhì)量好壞，這組對(duì)照實(shí)驗(yàn)的前提要保證被測(cè)物刀具與標(biāo)準(zhǔn)刀具的規(guī)格大小保持一致。

3. 測(cè)試結(jié)果（以32mm直徑阻尼刀具測(cè)試為例）

為了更好的展現(xiàn)刀具的測(cè)試結(jié)果，增加本測(cè)試方案的可靠性，我們采用對(duì)照實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)一組刀具進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試；先通過(guò)加工實(shí)驗(yàn)來(lái)找到一組同規(guī)格，但不同阻尼效果的刀具（一個(gè)阻尼效果良好，一個(gè)阻尼效果較差）。將兩種刀具固定好后，選擇兩種刀具的相同位置作為敲擊點(diǎn)，控制其他變量保持一致，多次敲擊刀具并采集下多組數(shù)據(jù)，多次重復(fù)采集過(guò)程是為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和一致性。再將測(cè)試結(jié)果通過(guò)設(shè)備軟件用波形圖的方式進(jìn)行展現(xiàn)，能夠更直觀的分析兩種刀具振動(dòng)結(jié)果的差異性。下面是兩個(gè)刀具測(cè)試結(jié)果的波形圖以及其分析的過(guò)程。

圖5 阻尼特性較差的刀具的振動(dòng)波形圖

圖6 阻尼特性良好的刀具的振動(dòng)波形圖

1. 圖片分析：從兩張圖片中可以看出，我們?cè)谙嗤瑮l件下進(jìn)行了對(duì)比，選取的時(shí)間間隔均為約100ms，波形幅度值均為±1g，以保證完全相同的測(cè)試環(huán)境。紅圈標(biāo)記的位置代表了高頻振動(dòng)分量消失的時(shí)刻。盡管兩個(gè)減振棒在該位置均達(dá)到了高頻振動(dòng)的消失狀態(tài)，但阻尼特性差的減振棒所需的衰減時(shí)間顯著長(zhǎng)于阻尼特性好的減振棒，這表明其對(duì)高頻振動(dòng)的抑制能力較弱，而阻尼特性好的減振棒在更短時(shí)間內(nèi)能夠消除高頻成分并恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)，從而表現(xiàn)出更優(yōu)異的減震效果。
2. 高頻振動(dòng)分量：從上述波形圖可以看出，高頻振動(dòng)分量表現(xiàn)為快速變化的波形，而低頻分量則表現(xiàn)為變化速度較為緩慢的波形，畫圈位置是高頻振動(dòng)分量完全消失的時(shí)刻。在測(cè)試一開始時(shí)，高頻振動(dòng)分量的幅度非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)低頻分量。這是因?yàn)楦哳l分量主要來(lái)源于敲擊刀具所引發(fā)的瞬時(shí)沖擊振動(dòng)，而低頻分量則由測(cè)試平臺(tái)的自然振動(dòng)所引起，不屬于本次測(cè)試所需關(guān)注的部分。因此，我們只關(guān)心高頻振動(dòng)的衰減情況，以評(píng)估刀具的減震性能。
3. 數(shù)據(jù)表：通過(guò)表格形式將測(cè)試數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行記錄和分析，通過(guò)這些數(shù)據(jù)可以更直觀地觀察不同刀具的減震性能差異。

表1 測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)表

iv. 通過(guò)對(duì)高頻振動(dòng)分量消失時(shí)間、波形峰峰值以及振動(dòng)波形特征的對(duì)比分析，可以有效區(qū)分阻尼性能好的刀具和差的刀具：阻尼性能好的刀具具有更短的高頻振動(dòng)分量消失時(shí)間以及更加平滑的低頻振動(dòng)波形，表現(xiàn)出優(yōu)良的減震特性。阻尼性能差的刀具表現(xiàn)出更長(zhǎng)的高頻振動(dòng)消失時(shí)間且波形不穩(wěn)定，表明減震效果較差。這種基于高頻振動(dòng)分量消失時(shí)間以及波形特征的分析方法可以幫助準(zhǔn)確地判斷和區(qū)分刀具的減震效果。

4. 數(shù)采設(shè)備介紹

圖7 測(cè)試板卡模塊展示圖

4.1 設(shè)備概述

本測(cè)試方案采用的高精度數(shù)采設(shè)備，搭配了高靈敏度的振動(dòng)傳感器，數(shù)采設(shè)備由數(shù)據(jù)采集模塊（功能板卡）、采集分析軟件和控制主機(jī)組成。該設(shè)備具有高精度、高靈敏度、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確捕捉刀具振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析。

圖8 數(shù)采設(shè)備實(shí)物圖

4.2 設(shè)備特點(diǎn)

• 高精度采集：搭配高精度加速度傳感器，能夠準(zhǔn)確捕捉刀具振動(dòng)的高頻成分，確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性。
• 實(shí)時(shí)處理能力：內(nèi)置強(qiáng)大的信號(hào)處理算法，能夠?qū)崟r(shí)分析振動(dòng)數(shù)據(jù)，提取關(guān)鍵特征參數(shù)，如振動(dòng)波形、時(shí)間和衰減情況等。
• 用戶友好界面：提供直觀的操作界面和數(shù)據(jù)分析工具，便于操作人員快速理解測(cè)試結(jié)果，做出判斷。
• 擴(kuò)展性與兼容性：支持多種傳感器接入，不同的傳感器可搭配不同的信號(hào)采集模塊，控制主機(jī)通過(guò)選擇安裝不同的采集模塊，可以實(shí)現(xiàn)不同種類信號(hào)的數(shù)據(jù)采集工作，易于集成到現(xiàn)有的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)縫對(duì)接和深度分析。
• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與導(dǎo)出：提供大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出和分享，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和報(bào)告生成。

3.3 設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景

• 環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試：數(shù)采系統(tǒng)可以檢測(cè)設(shè)備在極端溫度和濕度條件下的測(cè)試，如熱管理測(cè)試、機(jī)械和地震振動(dòng)測(cè)試、電磁干擾抗擾性測(cè)試等，確保產(chǎn)品在嚴(yán)苛環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性，適用于多種環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試。
• 臺(tái)架測(cè)試：數(shù)采設(shè)備被廣泛用于汽車和航空航天等領(lǐng)域的臺(tái)架測(cè)試中，確保在苛刻條件下的重要部件的可靠性。數(shù)采系統(tǒng)可以與臺(tái)架進(jìn)行簡(jiǎn)單集成，通過(guò)多種接口（比如CAN）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制。
• 振動(dòng)和噪聲測(cè)試：通過(guò)使用IEPE傳感器和階次分析功能，數(shù)采設(shè)備可以在旋轉(zhuǎn)機(jī)械和結(jié)構(gòu)測(cè)試中進(jìn)行噪聲和振動(dòng)的階次分析和模態(tài)測(cè)試。
• 高精度信號(hào)采集：數(shù)采模塊支持包括電壓、電流、振動(dòng)、噪聲和熱電多種信號(hào)類型的高精度采集，適用于科研、工業(yè)和國(guó)防等多種領(lǐng)域的精密測(cè)試。

綜上所述，本測(cè)試方案利用振動(dòng)分析技術(shù)和高精度數(shù)采設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)控機(jī)床刀具質(zhì)量的快速評(píng)估。該方法具有操作簡(jiǎn)便、評(píng)估準(zhǔn)確、效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種類型數(shù)控機(jī)床刀具的質(zhì)量評(píng)估，為制造業(yè)的智能化、精細(xì)化生產(chǎn)提供了一種有效的解決方案。

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