一种刀具磨损在线检测方法

1.本发明涉及刀具磨损检测技术领域，具体来说涉及一种基于电流体喷墨打印技术制备格栅式传感器进行刀具磨损状态在线检测的新方法。


背景技术：

2.刀具是数控加工过程中的重要工具，在切削过程中，刀具很容易产生磨损，严重的刀具磨损会导致加工精度不足以及加工效率低，针对刀具的磨损状态检测是十分有必要的。
3.目前，刀具磨损状态测量方法主要包括基于切削力、振动、声发射等切削过程信号的间接测量方法，以及基于图像处理的直接测量方法。
4.虽然有许多磨损检测方法，但是在实际应用中存在局限性。通过采集切削加工过程所获得的信息仅对当前的加工环境有效，当切削参数或切削过程发生变化，建立的刀具磨损状态识别模型失效，泛化能力不强。通过安装外置传感器获取切削信号的方式也有许多局限，安装传感器困难，以及传感器价格昂贵。上述的刀具磨损检测方法有其各自的局限性，难以大范围推广。


技术实现要素：

5.针对现有技术所存在的缺点，本发明提供一种刀具磨损状态在线检测方法，通过电流体喷墨打印技术在刀具表面打印电路制备格栅式传感器，检测传感器输出电压信号的变化，实现刀具磨损量的在线检测，此方法可以大大提高刀具磨损检测的精度和稳定性。
6.为了解决上述技术问题，本发明提出的一种刀具磨损在线检测方法，在刀具的后刀面上制备格栅式传感器，将所述格栅式传感器通过信号调理单元对传感器的输出信号进行放大和滤波，使用信号采集单元进行信号采集，最后在上位机系统进行信号的处理与分析，通过识别传感器输出电压的幅值，得到相对应的刀具磨损量。
7.进一步讲，本发明所述的刀具磨损在线检测方法，其中：
8.刀具磨损造成所述格栅式传感器的格栅出现断裂时，传感器的输出电压信号会出现大幅度的跳跃，通过该条格栅到刀具切削刃的距离得到此时的刀具磨损量，从而实现刀具磨损在线检测。
9.所述格栅式传感器连接有信号调节单元，所述的信号调节单元用于对所述格栅式传感器获得的输出电压进行整理；所述信号调节单元与所述信号采集单元相连接，所述的信号采集单元用于采集信号调节单元整理后的信号数据。
10.所述格栅式传感器是基于电流体喷墨打印在所述刀具表面上，过程是：首先，通过化学气相沉积法在刀具基体的所有表面上沉积一层硬质耐磨涂层；然后，将涂层刀具的后刀片找平后固定在电流体喷墨打印机的打印区域，所述电流体喷墨打印机的喷嘴内的油墨采用导电墨水，调节所述电流体喷墨打印机的电压，将电流体喷墨打印机的喷嘴按照预先设定的路径进行移动并进行喷墨打印，打印后的电路即形成了所述的格栅式传感器；将带
有打印好格栅式传感器的刀具放入干燥箱中，通过加热充分挥发导电墨水中的有机溶剂，保证打印电路的导电性良好；最后，通过磁控溅射法在打印有格栅式传感器的表面溅射一层绝缘封装涂层，用于保护格栅式传感器。
11.所述打印区域为矩形、自所述刀具的顶面向下至0.3mm为止，相邻两条格栅电路的间距为30μm，格栅电路的线宽为30μm，厚度为100nm
±
10nm。
12.所述硬质耐磨涂层的材质为氮化钛；所述的导电墨水为银纳米颗粒墨水；所述绝缘封装涂层的材质为氮化铝。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
14.通过在刀具后刀面上打印格栅式传感器用于检测刀具磨损状态，可以有效检测刀具的磨损量，便于及时更换刀具，保证加工精度。
15.本发明所制备的格栅式传感器的线宽为几十微米，可以精准测量刀具磨损量。
16.本发明通过检测传感器输出电压信号的变化情况获得刀具的磨损量，不需要复杂的信号处理方法，能在刀具切削加工过程中完成对刀具磨损量的实时检测。
17.本发明的磨损状态检测方法可以适应不同的加工材料和切削参数，相比于其他磨损状态检测方法泛化能力更强，适用于不同的切削环境。
附图说明
18.图1为本发明检测方法中格栅式传感器的打印电路图案示意图；
19.图2为本发明中在刀具上打印完电路后的刀具三维模型示意图；
20.图3为图2中a-a所示在刀具上完成传感器封装后的刀具截面示意图；
21.图4为本发明检测方法的工作流程图。
22.附图标记：1-后刀面、2-电路、3-涂层刀具、4-刀具基体、5-硬质耐磨涂层、6-银纳米颗粒电路、7-绝缘封装涂层、8-刀具切削刃。
具体实施方式
23.本发明提出的刀具磨损在线检测方法的设计构思是：通过在刀具的后刀面1上制备格栅式传感器，将所述格栅式传感器通过信号调理单元对传感器的输出信号进行放大和滤波，使用信号采集单元进行信号采集，最后在上位机系统进行信号的处理与分析，通过识别传感器输出电压的幅值，得到相对应的刀具磨损量；格栅式传感器的格栅由于刀具磨损会出现断裂，当每条格栅出现断裂时，传感器的输出电压信号会出现大幅度的跳跃，通过该条格栅到刀具切削刃8的距离可以得到此时的刀具磨损量，从而实现刀具磨损在线检测。
24.本发明中，所述格栅式传感器连接有信号调节单元，所述的信号调节单元用于对所述格栅式传感器获得的输出电压进行整理；所述信号调节单元与所述信号采集单元相连接，所述的信号采集单元用于采集信号调节单元整理后的信号数据。
25.所述格栅式传感器是基于电流体喷墨打印在所述刀具表面上，过程主要是：首先、通过化学气相沉积法在刀具基体4表面沉积一层硬质耐磨涂层5,完成涂层刀具3的制备；然后，将涂层刀具3的后刀面1找平后固定于电流体喷墨打印机的打印区域，所述电流体喷墨打印机的喷嘴内的油墨采用导电墨水，调节所述电流体喷墨打印机的电压，将电流体喷墨打印机的喷嘴按照预先设定的路径进行移动并进行喷墨打印，打印后的电路形成了所述的
格栅式传感器；将带有打印好格栅式传感器的刀具放入干燥箱中，通过加热充分挥发导电墨水中的有机溶剂；最后，通过磁控溅射法在打印有格栅式传感器的表面溅射一层绝缘封装涂层7。
26.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
27.实施例：
28.刀具基体的材质为硬质合金，通过化学气相沉积法在刀具基体上沉积一层硬质耐磨涂层，完成涂层刀具的制备。其中刀具基体上的涂层为氮化钛材料(工艺温度为900-1100℃)。本实施例中，电流体喷墨打印机的喷嘴内的墨水为导电的银纳米颗粒墨水。
29.将涂层刀具放入超声波清洗机中进行清洗，避免刀具表面的杂质影响打印效果。
30.对涂层刀具3的表面进行电学测试：将涂层刀具3放置在探针台上，通过探针将其与半导体测试仪进行连接，通过四探针测试仪对刀具表面涂层进行测试，测试涂层的绝缘性，不会影响后续制备的传感器的导电性能。
31.将涂层刀具3的后刀面1找平后使用夹具将涂层刀具3固定在电流体喷墨打印机的打印区域，如图1和图2所示，所述打印区域为矩形、自所述刀具的顶面向下至h1为止，h1＝0.3mm；相邻两条银纳米颗粒电路6的间距(即每条格栅间隔)为h2，h2＝30μm；银纳米颗粒电路6的线宽为30μm；银纳米颗粒电路6的厚度为100nm左右。调整电流体喷墨打印机的喷嘴与涂层刀具3表面的距离为20微米左右。将电流体喷墨打印机的电压调至500v，并将电流体喷墨打印机的喷嘴对准需要打印银纳米颗粒电路6的位置进行喷墨，喷嘴按照预先设定的路径进行移动，直到银纳米颗粒电路6打印完成，打印后的银纳米颗粒电路6的线宽为30微米左右。然后将打印好银纳米颗粒电路6的涂层刀具3放入真空干燥箱中，调节干燥箱温度到130℃，加热40分钟，挥发导电墨水中的有机溶剂，保证打印的银纳米颗粒电路6的导电性良好，完成格栅式传感器的制备。
32.在涂层刀具3的后刀面1上打印完银纳米颗粒电路6后，使用显微镜对打印的银纳米颗粒电路6的形貌进行观察，是否有明显的断裂，再将所打印的银纳米颗粒电路6进行电学测试，通过四探针测试仪检测其电学性质是否稳定，导电性是否良好。检测完成后对打印的银纳米颗粒电路6进行封装，使用磁控溅射法将氮化铝材料(工艺温度为200-300℃)溅射在涂层刀具3的后刀面1上，通过该方法所形成的氮化铝涂层可以保护打印的银纳米颗粒电路6，至此，完成格栅式传感器的封装。
33.然后将该格栅式传感器与检测系统连接，通过信号调理单元对该格栅式传感器的输出信号进行放大和滤波，使用信号采集单元进行信号采集，然后在上位机系统分析和处理所采集的电压信号数据，建立电压信号与刀具的磨损量的关系。格栅式传感器的格栅由于刀具磨损会出现断裂，导致传感器的阻值发生变化，当每条格栅出现断裂时，传感器的输出电压信号会出现大幅度的跳跃，通过该条格栅到刀具切削刃8的距离可以得到此时的刀具磨损量，从而实现刀具磨损在线检测。
34.尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。