引言

　　在數(shù)控加工中牌辛，刀具狀態(tài)的檢測具有非常重要的意義托猩，因為刀具的損壞不僅影響加工的質(zhì)量和效率摊矮，而且還可能導(dǎo)致嚴重的機床和人身事故以息。刀具的損壞有磨損和破損兩種情況固荷，磨損是刀具在加工過程中與工件發(fā)生接觸和摩擦而產(chǎn)生的表面材料的消耗的現(xiàn)象祥怖；而破損是刀具發(fā)生崩刃、斷裂应婴、塑變等而導(dǎo)致刀具失去切削能力的現(xiàn)象抽胁，它又包括脆性破損和塑性破損，脆性破損是刀具在機械和沖擊作用下林邪，在尚未發(fā)生明顯的磨損而出現(xiàn)的崩刃喜即、碎裂、剝落等初禁。而塑性破損是刀具在切削時套芦，由于高溫、高壓等作用棘魏，在與工件相接觸的表面層上發(fā)生塑性流動而失去切削能力的現(xiàn)象短材。目前，對刀具的檢測主要采用人工檢測烹豫、離線檢測和在線檢測三種策略搭独。人工檢測即是由工人在加工時憑經(jīng)驗對刀具的狀態(tài)進行檢測；離線檢測就是在加工之前對刀具進行專門檢測廊镜，并預(yù)測其壽命看是否勝任當(dāng)前的加工牙肝；在線檢測也稱實時檢測，就是在加工的過程中實時對刀具進行檢測期升，并依據(jù)檢測的結(jié)果做相應(yīng)的處理惊奇。目前，對刀具檢測的算法也不少播赁，有的采用從理論上計算刀具所受應(yīng)力的變化來判斷刀具的損壞情況，有的采用時序分析的方法對刀具進行檢測吼渡，有的采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對刀具進行檢測容为，還有的綜合采用小波變換理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對刀具進行檢測，但它們主要從理論上進行探討寺酪】脖常考慮到刀具在數(shù)控加工中塑性破損比較少見，而磨損對數(shù)控的安全性關(guān)系不是很大且其可通過離線檢測進行處理寄雀，本文以數(shù)控加工中常用的球頭刀具為研究對象得滤，對脆性破損中的脆性斷裂的實時檢測進行研究，該類斷裂的發(fā)生百睹，將對加工的質(zhì)量和機床本身產(chǎn)生嚴重的影響菊虏。我們認為刀具本身存在著微小的裂紋，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立球頭刀具的負載模型阳框，通過在線檢測判斷該微裂紋在此時的負載條件下是否會擴展桦材，若可能擴展屋赌，我們就認為該負載是危險的并通過減小刀具的進給量來減小刀具所受的負載，以保證刀具的安全炮惕。

　　1　刀具的實時檢測

　」峡病（1）球頭刀具負載模型的建立

　　如前所述，數(shù)控加工時射贡，刀具所受的負載與很多因素有關(guān)瞪歹，但考慮到球頭刀具的特點和實時加工的需要，本文只考慮影響較大的幾個因素演苍，即主軸的轉(zhuǎn)速蛇热、進給速度、切削的深度洋魂、加工材料的切削性能四個因素绷旗，則球頭負載的模型為

　　F=f(s,v,h,m) (1)

　　其中：F——負載向量；h——切削的深度副砍；

　　s——主軸的轉(zhuǎn)速衔肢；m——材料的切削性能。

　　v——進給量豁翎；

　　很顯然角骤，式（1）只是給出了負載與各個影響因素間的籠統(tǒng)的關(guān)系，為了求負載與各個影響因素之間的關(guān)系的具體表達式心剥，必須求出各個因素對負載影響的具體大小邦尊，為此，或者采用微分幾何等數(shù)學(xué)方法進行復(fù)雜的推導(dǎo)优烧，或者采用實驗的方法得出各個因素的影響系數(shù)蝉揍，但這樣建立的模型難以適應(yīng)變化的環(huán)境，用于數(shù)控加工中的實時檢測效果不是很理想畦娄。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)處理該模型并將之用于刀具的實時檢測中又沾。

　　（2）刀具實時檢測原理

　　本刀具實時檢測的原理是先實時測出刀具的切削深度和進給量并和主軸的轉(zhuǎn)速及加工零件的材料類型輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器進行負載計算熙卡，得出的負載輸入檢測器進行計算巷科、比較，若該負載超過刀具的疲勞條件下的裂紋擴展負載选曼，則減小刀具的進給速度底靴，并將進給速度的減小量反饋到CNC控制器的輸入信息，使CNC控制器作出相應(yīng)的控制失傍，以使得負載的大小改變到安全的水平贝崎。

　　（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)對整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特性具有決定性的影響咒祠。本負載自適應(yīng)控制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用三層的BP結(jié)構(gòu)智复。根據(jù)上面的分析捺再，顯然輸入層有四個節(jié)點，輸出層有三個節(jié)點光樱，即負載在xyz三個方向的大小∶恿ィ現(xiàn)在的問題就是確定中間隱層的節(jié)點數(shù)，中間隱層的節(jié)點數(shù)的選擇對網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和計算特性具有非常重要的影響尿愿，是該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成敗的關(guān)鍵会激，若中間隱層的節(jié)點過少，則網(wǎng)絡(luò)難以處理復(fù)雜的問題呛梆，但若中間隱層的節(jié)點過多锐涯，則將使網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)時間急劇增加，而且還可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過度填物，使網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力下降纹腌。目前，還沒有完善的理論來指導(dǎo)中間隱層節(jié)點數(shù)的選擇而只是結(jié)合實際情況進行試探性選擇再逐步優(yōu)化滞磺∩恚考慮到本負載自適應(yīng)控制系統(tǒng)的特性，我們認為負載是進給速度的連續(xù)函數(shù)击困，根據(jù)Kolmogorov定理（連續(xù)函數(shù)表示定理）涎劈，為了理論上能精確模擬該連續(xù)的函數(shù)，若三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層為M個節(jié)點阅茶，輸出層為N個節(jié)點蛛枚，則中間層應(yīng)為2M+1個節(jié)點。為此我們選擇中間的隱層的節(jié)點數(shù)應(yīng)為2M+1=2×4+1=9個節(jié)點脸哀。因此蹦浦，本神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為輸入層四個節(jié)點，中間層九個節(jié)點摧垄，輸出層三個節(jié)點投篇。

　　（4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的離線學(xué)習(xí)

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個重要的特性就是具有學(xué)習(xí)的功能厦湘，即能夠根據(jù)一定量樣本的輸入輸出關(guān)系，自動調(diào)整連接各個節(jié)點的權(quán)值的大小以滿足既定的目標(biāo)讯策。在學(xué)習(xí)過程中哺里，樣本數(shù)的選擇是非常重要的，若樣本太少购烹，經(jīng)過學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)的性能不好骄鸽，若樣本數(shù)增加，勢必增加采集樣本數(shù)據(jù)的工作量及網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)時間底教。同時铅粉，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較好的內(nèi)插性能而外插性能較差戴悔，故樣本數(shù)據(jù)必須包括全部模式和考慮可能的隨機噪聲的影響。對于本神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)負載自適應(yīng)控制系統(tǒng)蓄盘，其具有四個輸入節(jié)點俏汇，根據(jù)上面的分析，我們采取每個節(jié)點給定四個值羡微，以它們不同的組合作為樣本輸入數(shù)據(jù)谷饿，這樣可得256個樣本。具體做法是將各個輸入量在可能的變化范圍內(nèi)大體分成四等份妈倔，并用實驗的方法測出在每種輸入情況下的負載值博投。在得到256個樣本之后，我們采用離線進行學(xué)習(xí)盯蝴，得出每個連接節(jié)點間的權(quán)值留量，這樣經(jīng)過學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就建立了相應(yīng)的刀具負載模型匿又，為刀具的實時檢測提供條件。

　　（5）檢測器的設(shè)計

　　該檢測器的功能是檢測刀具所受負載是否超過應(yīng)力疲勞條件下的裂紋擴展負載腥浪。若可能擴展，我們就認為該負載是危險的潭枣，并通過減小刀具的進給量來減小刀具所受的負載择克，以保證刀具的安全。為此鸣峭，我們首先建立刀具的力學(xué)模型宏所，我們將加工中的刀具簡化為端點受力的懸臂梁，且端點所受的力即為用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求出的負載音虹，這樣穴示，根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)理論可以得出刀具中應(yīng)力最大的部分為刀具與機床的結(jié)合處， 并可求出此處的應(yīng)力次新。之后爽步，根據(jù)斷裂力學(xué)的相關(guān)理論有公式da/dn=f(σ,a,c)，其中傲枕，a為裂紋的長度沪峰，N為應(yīng)力的頻率，σ為正應(yīng)力辩芦，c為與材料有關(guān)的常數(shù)嘀拂。上式中，σ遥加、N袱蔓、c為已知量或通過資料可查得，有待確定的為函數(shù)f和裂紋的長度a观复。對于f偏序，我們采取的措施是：假定刀具在與機床結(jié)合處的微裂紋為Ⅰ页畦、Ⅱ、Ⅲ類裂紋的復(fù)合裂紋研儒，并根據(jù)此處正應(yīng)力和剪應(yīng)力的大小確定該三類裂紋的比例豫缨，這樣，即可根據(jù)各類具體的裂紋類型建立公式殉摔。至于a州胳，我們根據(jù)該類刀具在使用壽命中的平均裂紋長度，該平均長度可通過無損探傷的方法對不同使用期的刀具進行檢測得到逸月。

　　2　結(jié)論

　　本文提出了通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了對數(shù)控加工中的球頭刀具實時檢測的方法栓撞，該方法能實時的對加工中球頭刀具所受負載的大小進行計算，并通過實時檢測判斷該負載是否超過刀具在應(yīng)力疲勞條件下裂紋擴展的負載水平并作出相應(yīng)的處理碗硬。該方法對影響負載的因素進行了合理的簡化瓤湘，使得該控制模型的算法效率很高，因此特別適合實時檢測的需要恩尾。本文雖然以數(shù)控中的球頭刀具為研究對象弛说，其實，該方法的原理也可用到其它加工和其它刀具中翰意，比如舷到，電加工等。

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