引言

　　在數(shù)控加工中，刀具狀態(tài)的檢測具有非常重要的意義常携，因為刀具的損壞不僅影響加工的質(zhì)量和效率堤谴，而且還可能導(dǎo)致嚴重的機床和人身事故。刀具的損壞有磨損和破損兩種情況本洁，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;而破損是刀具發(fā)生崩刃泻磅、斷裂、塑變等而導(dǎo)致刀具失去切削能力的現(xiàn)象搔片，它又包括脆性破損和塑性破損煞松，脆性破損是刀具在機械和沖擊作用下，在尚未發(fā)生明顯的磨損而出現(xiàn)的崩刃脸缆、碎裂芳争、剝落等。而塑性破損是刀具在切削時别粮，由于高溫隐锭、高壓等作用，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)象计贰。目前钦睡，對刀具的檢測主要采用人工檢測、離線檢測和在線檢測三種策略躁倒。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荞怒，并預(yù)測其壽命看是否勝任當(dāng)前的加工;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秧秉，并依據(jù)檢測的結(jié)果做相應(yīng)的處理褐桌。目前，對刀具檢測的算法也不少象迎，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荧嵌，有的采用時序分析的方法對刀具進行檢測，有的采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對刀具進行檢測砾淌，還有的綜合采用小波變換理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對刀具進行檢測啦撮，但它們主要從理論上進行探討⊥舫考慮到刀具在數(shù)控加工中塑性破損比較少見例是，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，本文以數(shù)控加工中常用的球頭刀具為研究對象蛙檐，對脆性破損中的脆性斷裂的實時檢測進行研究狐怯，該類斷裂的發(fā)生，將對加工的質(zhì)量和機床本身產(chǎn)生嚴重的影響贪犁。我們認為刀具本身存在著微小的裂紋颜肥，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立球頭刀具的負載模型缭柄，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，若可能擴展退厕，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软架，以保證刀具的安全。

　　1　刀具的實時檢測

　　(1)球頭刀具負載模型的建立

　　如前所述个荔，數(shù)控加工時杂虐，刀具所受的負載與很多因素有關(guān)返工，但考慮到球頭刀具的特點和實時加工的需要易贿，本文只考慮影響較大的幾個因素，即主軸的轉(zhuǎn)速嫡纠、進給速度烦租、切削的深度、加工材料的切削性能四個因素除盏，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;

　　s——主軸的轉(zhuǎn)速;m——材料的切削性能叉橱。

　　v——進給量;

　　很顯然，式(1)只是給出了負載與各個影響因素間的籠統(tǒng)的關(guān)系者蠕，為了求負載與各個影響因素之間的關(guān)系的具體表達式窃祝，必須求出各個因素對負載影響的具體大小，為此踱侣，或者采用微分幾何等數(shù)學(xué)方法進行復(fù)雜的推導(dǎo)粪小，或者采用實驗的方法得出各個因素的影響系數(shù)，但這樣建立的模型難以適應(yīng)變化的環(huán)境抡句，用于數(shù)控加工中的實時檢測效果不是很理想探膊。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。

　　(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待榔，得出的負載輸入檢測器進行計算逞壁、比較，若該負載超過刀具的疲勞條件下的裂紋擴展負載锐锣，則減小刀具的進給速度债轰，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)的控制缕翁，以使得負載的大小改變到安全的水平气凫。

　　(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。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)旭眼。根據(jù)上面的分析市协，顯然輸入層有四個節(jié)點，輸出層有三個節(jié)點料害，即負載在xyz三個方向的大小∷裁ⅲ現(xiàn)在的問題就是確定中間隱層的節(jié)點數(shù)凯辆，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，是該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成敗的關(guān)鍵接吠，若中間隱層的節(jié)點過少宜裂，則網(wǎng)絡(luò)難以處理復(fù)雜的問題，但若中間隱層的節(jié)點過多缕圣，則將使網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)時間急劇增加掀哎，而且還可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過度，使網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力下降旺坠。目前乔遮，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∪∪校考慮到本負載自適應(yīng)控制系統(tǒng)的特性蹋肮，我們認為負載是進給速度的連續(xù)函數(shù)，根據(jù)Kolmogorov定理(連續(xù)函數(shù)表示定理)璧疗，為了理論上能精確模擬該連續(xù)的函數(shù)坯辩，若三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層為M個節(jié)點，輸出層為N個節(jié)點崩侠，則中間層應(yīng)為2M 1個節(jié)點漆魔。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。因此却音，本神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為輸入層四個節(jié)點改抡，中間層九個節(jié)點，輸出層三個節(jié)點僧家。

　　(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)的功能雀摘，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)侦演。在學(xué)習(xí)過程中编喊，樣本數(shù)的選擇是非常重要的，若樣本太少左撤，經(jīng)過學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)的性能不好潭均，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)時間三二。同時号找，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，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会刀。對于本神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)負載自適應(yīng)控制系統(tǒng)泥碳，其具有四個輸入節(jié)點，根據(jù)上面的分析掏绍，我們采取每個節(jié)點給定四個值泰牵，以它們不同的組合作為樣本輸入數(shù)據(jù)锭测，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)大體分成四等份芥吟，并用實驗的方法測出在每種輸入情況下的負載值侦铜。在得到256個樣本之后，我們采用離線進行學(xué)習(xí)钟鸵，得出每個連接節(jié)點間的權(quán)值钉稍，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，為刀具的實時檢測提供條件棺耍。

　　(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贡未。若可能擴展，我們就認為該負載是危險的烈掠，并通過減小刀具的進給量來減小刀具所受的負載羞秤，以保證刀具的安全缸托。為此左敌，我們首先建立刀具的力學(xué)模型，我們將加工中的刀具簡化為端點受力的懸臂梁俐镐，且端點所受的力即為用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求出的負載矫限，這樣，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)合處佩抹， 并可求出此處的應(yīng)力叼风。之后，根據(jù)斷裂力學(xué)的相關(guān)理論有公式da/dn=f(σ,a,c)飒晴，其中威众，a為裂紋的長度，N為應(yīng)力的頻率拙位，σ為正應(yīng)力哼股，c為與材料有關(guān)的常數(shù)〔10〕。上式中属胖，σ荧肴、N、c為已知量或通過資料可查得莲疤，有待確定的為函數(shù)f和裂紋的長度a恃定。對于f，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砍机、Ⅱ寞殿、Ⅲ類裂紋的復(fù)合裂紋，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铭莱，這樣骡尽，即可根據(jù)各類具體的裂紋類型建立公式忿檩。至于a，我們根據(jù)該類刀具在使用壽命中的平均裂紋長度爆阶，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燥透。

　　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，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辨图，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)的處理班套。該方法對影響負載的因素進行了合理的簡化，使得該控制模型的算法效率很高故河，因此特別適合實時檢測的需要吱韭。本文雖然以數(shù)控中的球頭刀具為研究對象，其實鱼的，該方法的原理也可用到其它加工和其它刀具中理盆，比如，電加工等凑阶。

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