刀具监控系统一、概述  随着时代的发展，科技的进步，企业对生产的优化，自动加工设备的广泛运用使得自动批量加工模式越来越普及。但在切削加工过程中由于刀具磨损状态的不可控性，便容易引起不良或是批量废品的异常现象。因此客户往往采用固定加工次数换刀来避免此类状况，却任需在加工过程中定时多次检查刀具状态以及工件各尺寸的要求。  刀具磨损监控系统能够实时记录刀具/砂轮加工过程中的信号变化，据此确定＊优化的换刀时间，提醒操作人员进行换刀，同时也可用于评价刀具性能。二，工作原理通过加工过程中的功率，振动和声音三种模式来进行实时检测磨损情况：1，功率：通过安装功率传感器在加工过程中实时测量功率信号，利用功率信号处理算法对功率进行分析和识别，判断刀具磨损情况。，振动：通过安装震动传感器在加工过程中实时检测振动信号，利用振动信号处理算法对振动进行分析和识别，判断刀具磨损情况。3，声音：利用高灵敏度声学传感器实时检测刀具磨损时产生的声音信号，利用声学信号处理算法对声学进行分析和识别，判断刀具磨损情况。特点：1，提供三种特征进行刀具磨损监控。2，学习一把新刀和磨损刀具的功率曲线，即可生成监控边界。3，可长期记录刀具磨损的特征曲线，可用于刀具性能的评估，为客户提供成本决策。三，产品效果和价值1，生产过程中为保证加工工件质量，通常选择保守使用刀具，无法＊大化的利用刀具。刀具磨损监控系统通过刀具加工工件所产生的信号变化，来判断当前刀具状态，提高刀具寿命、节省成本。2，通过设置刀具的磨损极限，实时监测刀具的磨损状态，当刀具的磨损到达极限时，及时给出换刀信号，避免因为刀具提前失效而导致的零件批量性缺陷。3，通过刀具磨损监控系统采集到的实时加工数据进行对比分析，可以评价刀具的性能。通过实时检测判断刀具磨损的情况，及时更换磨损的刀具，避免加工材料的损耗，时间的流失以及设备的损坏等，因刀具磨损产生的加工质量下降的问题。四，产品适用范围  刀具磨损监控系统适用于各种（磨削、车削、铣削、钻孔、铰孔、镗孔、攻丝等）形式的加工场景，更适用于如汽车制造，航天航空等领域的批量加工生产。

刀具监控系统随着工业互联网的快速发展，数控机床设备远程监控系统可以帮助用户及时、准确地掌握数控机床设备的运行情况，能够帮助用户及时发现异常问题并快速解决，从而提高数控机床设备的运行效率，降低生产成本，提升企业整体生产效率。目前国内用户对于数控机床设备远程监控系统的应用需求已逐渐提升，由此通过数控机床远程监控上云来提高企业整体的管理水平，提高管理效率降低能耗。一、应用场景1、在工厂中，设备的维护保养是非常重要的工作，它直接影响着生产效率和产品质量。随着工业互联网的快速发展，利用数控机床设备远程监控系统可以实时掌握设备运行情况，并提供一些简单易用的分析方法。2、在车间内，数控机床设备远程监控系统可以对车间内的设备进行统一管理，当发现异常时能够快速定位故障点并处理，从而提升车间内工作效率，降低生产成本。3、在工厂外，数控机床设备远程监控系统可以帮助客户管理工厂内生产设备的运行状况和生产信息，实时掌握工厂生产情况，提升客户满意度。4、在企业内部，数控机床设备远程监控系统可以帮助企业实现对工厂内部不同类型的数控机床进行统一管理和调度。二、系统组成物联网网关通过对对机床各项数据的采集，将实时运行状态及相关信息通过云平台上报至企业服务器，通过云平台实现对数控设备的远程监控；在云平台上通过对各种监测参数进行实时采集，利用软件或硬件实时监控数控设备运行情况，当数控设备出现异常时能及时发现并在第一时间发出报警信息；数控机床云平台远程监控系统是对各类数控设备的操作、维护、保养等相关信息进行统一管理，从而为企业管理提供数据支撑。数控机床设备远程监控系统可提供全过程监控与报警功能，实现了对数控机床的实时监控，同时支持报警功能，如遇异常情况能及时报警提醒相关人员进行处理。此外该系统还支持在线监测功能与故障诊断功能。三、系统功能数控机床设备远程监控系统是基于工业物联网、云计算等技术，为企业提供对机床设备数据采集、监测和预警功能，帮助用户及时掌握数控机床设备运行情况，提升生产效率。 1、数控机床设备状态监测：实时对数控机床设备的各项信息进行采集、分析和处理，包括设备运行状态、故障信息和报警信息等。2、数控机床状态分析：根据采集到的信息进行数据分析，生成相关报表和图表。 3、异常报警功能：当数控机床发生异常时，会通过短信、APP、消息推送或电话语音报警及时提醒用户。 4、数据统计分析：基于不同的应用场景可以设置不同的统计分析指标。例如，可以将设备状态数据和报警数据进行统计对比，分析报警原因；也可以对设备运行状态和性能进行统计分析等。5、故障诊断功能：通过对故障发生的位置进行定位，然后根据所采集到的设备数据，通过计算就可以找出故障原因。

刀具监控应用背景随着生产自动化和智能化程度的提高，对刀具破损在线监控提出了更高的要求。在切削加工过程中，刀具的切削刃不仅承受着很高的切削力和切削温度，同时由于加工材料中含有的硬质点也会给高速运行中的刀具造成冲击，这些复杂的工况都容易造成刀具在加工过程中的破损。加工过程中破损的刀具如果未及时更换而继续加工将会导致切削力和切削温度急剧升高，加工出来的工件表面粗糙度和尺寸超差，严重时甚至会导致机床的损坏以及危及到操作人员。因此对于生产线批量生产刀具破损在线监控是非常有必要的。近年来随着生产人工成本的增加，制造企业对机械加工过程的效率要求越来越高，这种市场的要求使得越来越多的机械制造企业将更大的资金投入到自动化程度更高、智能化程度更高的数控生产线的应用领域。虽然这些先进的生产模式大大的节约了人工成本，提高了加工效率，但是对工艺系统的实时监控提出了很高的要求。工艺系统中对刀具的监控是＊关键的，刀具的状态不仅影响产线节拍、还关系到产线的加工效率以及机床等工艺系统的安全。传统的机械加工方式中刀具的状态一般都是凭借机床操作人员的观察与经验判断刀具是否破损，这种判断方法带有很强的主观性。随着生产车间自动化和智能程度的大大提高，车间的生产线大多数都是由很少的人来管理或者智能化更高的产线甚至出现无人值守，显然传统的依靠机床操作人员个人经验来判断切削过程中刀具的是否需要更换已经不能满足当前这些先进的制造模式。当前很多的生产线都是统计刀具当前的加工时间或加工件数作为换刀的依据，而这种方法作为换刀的依据往往在设置加工件数或加工时间的时候较为保守，很可能会导致刀具寿命的浪费，同时如果在刀具寿命内出现刀具突然的破损也是无法预测的。刀具失效主要形式有刀具磨损和刀具破损。在加工过程中刀具的磨损是一个逐渐变化的过程，只要是运动中的刀具与工件接触就会发生刀具磨损。一般刀具都有一个磨钝标准，刀具在切削过程中没有达到该磨钝标准就失去了切削加工的能力，这种现象就是刀具破损。以刀具在切削加工中破损现象出现的时间来划分，刀具破损有前期破损和后期破损之分。在刚开始切削加工时切削刃和刀面并没有出现明显的磨损但是刀具失去了切削能力，刀具出现的这种现象称为前期破损。刀具后期破损则是刀具在切削一段时间后导致的刀具失去切削能力。刀具破损的另一种划分是根据破损形式分为塑性破损与脆性破损。

刀具监控系统一般由信号检测、特征提取和状态识别三部分组成，其关键技术有智能传感、信息融合、信号处理和智能学习决策。1.智能传感1.1智能传感技术多传感器信息融合与单一传感器信号处理有着本质区别。多传感器的信息更复杂，能够在不同层次上融合集成。经融合后的信息具有冗余、互补、实时与低成本性，且多传感器融合的信息更全面、更准确。1.2智能传感技术的发展趋势信息采集由单传感器向多传感器发展，特征提取由单特征值向多特征值发展；多传感器信息采集成为趋势。多传感器获取多种信号，进行多参数的智能决策；开发灵敏度高、结构紧凑、安装方便、抗干扰的传感器；向多传感器信息融合的方向发展，尤其是基于神经网络的多传感器信息融合。2.基于神经网络的多传感器信息融合信息融合需要有效算法和较强的数据处理，神经网络和计算机分别满足此要求，因此信息融合在刀具监测中广泛应用。多传感器信息融合与神经网络相结合，构成多参数、多模型系统，应用于刀具监测中，前景广阔。基于神经网络的多传感器信息融合具有如下优点：（1）信息存储在网络的联接权值和联接结构上，形式统一，便于建知识库及管理。（2）神经网络增加容错性。当传感器出现故障或检测失效时，神经网络的容错功能允许检测系统正常工作，并输出可靠信息。（3）神经网络具有自学习和自组织功能，能自适应检测环境的变化及检测信息的不确定。（4）神经网络具有并行机制，处理信息速度快，满足实时处理需要。3.信号处理3.1信号处理技术信号处理是分析处理采集的信号，获取特征值，对特征值决策分析，达到监测目的。刀具监控的信号处理方法极为丰富，有时域分析、频域分析、时频分析、统计分析、智能分析、神经网络等。传统的信号处理多集中时域或频域分析。近年来，信号处理方法则逐渐向时频分析和智能方向发展。（1）傅立叶变换将瞬时多变的时域信号转换到频域上，更有利于分析其特征和性质，而傅立叶变换是频域分析的重要方法。离散傅立叶变换（DFT）的时域和频域均离散化，可用计算机作傅立叶分析。快速傅立叶变换（FFT）使DFT 的运算效率提高1至2 个数量级。傅立叶变换用频谱特性分析表现时域信号，但也有其局限性。（2）小波分析小波分析是多分辨率分析的时频分析方法，在时域、频域都能够表征信号局部特征，其窗口大小固定不变但形状可变。小波、小波包能分析微弱故障，适应于探测正常信号中夹带的瞬态反常现象，应用前景广宽。连续小波变换是一种特征提取方法，通过将信号在时间—频率尺度上的特征提取，反映原信息的特征，但不能准确反映信号的能量大小。基于多分辨率的小波分析具有变化的时间或频率分辨率，能准确反映信号的能量大小。基于信号的小波包分析将信号分解在带宽相同、首尾相接的频带上，对高频和低频都具有较高的时频分辨率。（3）广义自适应小波广义自适应小波分析是指在小波分析中，根据信号特点，依照某种算法对一个或几个参量进行适应性选择，以取得＊好的分析效果。这些参量包括小波基、小波分解尺度、平移系数和加权系数等。

一、涂层刀具分类涂层刀具有四种:高速钢涂层刀具，硬质合金涂层刀具，以及在陶瓷和超硬材料（金刚石或立方氮化硼）刀片上的涂层刀具。二、刀具磨损机理及涂层作用涂层是指在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢（HSS）基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物，使刀具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性。刀具磨损机理研究表明,在高速切削时,刀刃温度＊高可达900℃，此时刀具磨损不仅是机械摩擦磨损，还有粘结磨损、扩散磨损、摩擦氧化磨损和疲劳破损，这5种磨损直接影响刀具的使用寿命。而刀具涂层所起的作用表现为:1. 涂层作为一个化学屏障和热屏障，在刀具与被切削材料之间形成隔离层。2. 通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低热冲击。涂层刀具的构成减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了物理磨损。3. 有效减少摩擦力及摩擦热。刀具通过涂层处理,实现固体润滑,减少摩擦和粘结,使刀具吸收热量减少,从而可承受较高的切削温度。4. 在陶瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料，目的是为了提高刀片表面的断裂韧度，可减少刀片的崩刃及破损，扩大应用范围。三、刀具表面硬质层对涂层材料的一般性要求：1.硬度高，耐磨性能好。2.化学性能稳定，不与工件材料发生化学反应。3.耐热耐氧化，摩擦系数低，与基体附着牢固等。