机床刀具磨损状态监测可以从以下几个方面做起：
1. 确定监测目标和要求
· 明确刀具类型和加工工艺
· 不同类型的刀具（如车刀、铣刀、钻头等）在不同的加工工艺（如粗加工、精加工）下磨损情况不同。例如，车刀在车削外圆时，主要磨损部位是刀尖和前刀面；而铣刀在铣削平面时，刃口和侧面磨损较为关键。了解刀具类型和加工工艺有助于确定重点监测的磨损区域。
· 考虑加工材料的影响，加工硬度高的材料（如淬火钢）会使刀具磨损速度加快，而加工软质材料（如铝合金）对刀具磨损相对较慢。因此，在监测刀具磨损状态时，需要结合加工材料的特性来确定合理的监测频率和阈值。
· 确定监测精度和频率要求
· 根据加工精度要求确定磨损监测精度。例如，对于精密加工，刀具磨损监测精度可能需要达到 0.01mm 甚至更高，以确保加工尺寸精度。而对于一般的粗加工，监测精度要求可以相对较低。
· 确定监测频率，对于连续长时间加工的情况，可能需要较高的监测频率，如每隔几分钟监测一次；对于加工时间较短、刀具更换频繁的情况，监测频率可以适当降低。
2. 选择合适的监测方法
· 直接测量法
· 光学测量：利用光学显微镜、激光扫描共聚焦显微镜等设备直接观察刀具磨损表面的微观几何形状变化。例如，通过激光扫描共聚焦显微镜可以获取刀具刃口磨损带的三维形貌，精确测量磨损宽度和深度。这种方法精度高，但设备成本也较高，且测量过程可能需要中断加工过程。
· 触针式测量：使用触针式轮廓仪，将触针在刀具表面划过，通过传感器测量触针的位移来获取刀具表面轮廓，从而确定磨损程度。这种方法可以直接测量磨损尺寸，但触针可能会对刀具表面造成轻微损伤，而且测量速度相对较慢。
· 间接测量法
· 切削力监测：在加工过程中，刀具磨损会导致切削力发生变化。通过安装在机床主轴或工作台上的力传感器来监测切削力的大小和方向变化。例如，当刀具磨损后，切削力的轴向力和径向力分量可能会增加。可以建立切削力与刀具磨损量之间的数学模型，根据切削力的变化来推断刀具磨损状态。
· 振动监测：刀具磨损会引起切削过程中的振动变化。在机床的关键部位（如主轴箱、工作台等）安装加速度传感器来监测振动信号。磨损的刀具在切削时会产生更高频率和更大幅度的振动。对振动信号进行分析，如通过频域分析（快速傅里叶变换）来提取与刀具磨损相关的特征频率，以此判断刀具磨损情况。
· 声发射监测：在刀具切削过程中，材料的变形和断裂会产生声发射信号。当刀具磨损时，声发射信号的特征（如能量、频率等）会发生变化。在机床附近安装声发射传感器，收集并分析这些信号来监测刀具磨损。这种方法对刀具早期磨损比较敏感，但声发射信号容易受到外界噪声干扰，需要进行有效的信号处理。
3. 安装和配置监测系统
传感器安装
· 根据所选的监测方法，正确安装传感器。对于切削力传感器，要确保其安装在能够准确测量切削力的位置，如在机床主轴和刀柄之间。安装加速度传感器时，要选择机床振动传递路径上的合适位置，以获取最能反映刀具切削状态的振动信号。
· 注意传感器的安装精度，确保传感器的轴线方向与测量方向一致，并且安装牢固，以避免测量误差。例如，力传感器如果安装不平行，会导致测量的切削力分量出现偏差。
信号采集和处理设备配置
· 连接传感器与信号采集设备，如数据采集卡。配置采集参数，包括采样频率、采样精度等。对于振动监测，根据切削过程中的振动频率范围，一般采样频率设置为几千赫兹到几万赫兹。
· 安装信号处理软件，对采集到的原始信号进行滤波、放大、特征提取等处理。例如，对切削力信号进行低通滤波，去除高频噪声干扰，然后提取力信号的均值、方差等特征参数用于刀具磨损状态判断。
4. 建立刀具磨损模型和判断标准
· 刀具磨损模型建立
· 根据实验数据和理论分析，建立刀具磨损量与监测信号（如切削力、振动、声发射等）之间的数学模型。可以采用线性回归、神经网络等方法建立模型。例如，通过大量的切削实验，测量不同磨损程度下的切削力和振动信号，然后利用神经网络建立刀具磨损量与切削力和振动特征参数之间的映射关系。
· 考虑加工参数（如切削速度、进给量、切削深度）对刀具磨损模型的影响，将加工参数作为模型的输入变量之一，使模型更加准确地反映实际加工情况。
· 磨损判断标准确定
· 根据加工精度要求和刀具使用寿命，确定刀具磨损的阈值。例如，对于车刀，当后刀面磨损带宽度达到 0.3mm（精加工）或 0.6mm（粗加工）时，判定刀具达到磨损极限。
· 结合加工过程中的实际情况，如加工表面质量的变化、切削声音的异常等，综合判断刀具磨损状态。当加工表面出现粗糙度明显增大、切削声音变得尖锐等情况时，即使监测信号未达到磨损阈值，也可能需要考虑刀具更换。
那么如何选择适合机床刀具磨损状态监测的传感器？
一、根据监测方法选择传感器类型
加速度传感器：加速度传感器是振动监测中最常用的传感器。它可以测量机床在切削过程中的振动加速度。根据工作原理可分为压电式加速度传感器和电容式加速度传感器。压电式加速度传感器具有较高的灵敏度和宽频响应，能够测量从低频到高频的振动信号。电容式加速度传感器则具有精度高、稳定性好的特点。在安装加速度传感器时，需要考虑其安装位置，一般安装在机床的主轴箱、工作台等容易传递振动的部位，以获取最能反映刀具切削状态的振动信号。
340A-80侧出接头工业加速度传感器 森瑟科技,340A-80侧出接头工业加速度传感器是一款振动测量用通用型IEPE加速度传感器， 其特点是采用环形剪切模式的陶瓷晶体为敏感元件，具有长 期保持输出稳定的特性。此加速度传感器的内部电路是在 IEPE系统的两线制上同时提供恒流激励和传输低阻抗电压输 出信号，信号地内部屏蔽，并与外壳隔离；同时信号放大电 路设计考虑了极性反向保护。外壳采用激光焊接工艺以保证 产品的密封性；输出连接头采用标准的MIL-C-5015玻璃绝缘 连接器以满足不同环境下使用时输出的稳定性；340A-80侧出接头工业加速度传感器支持粘合剂安装，也支持1/4-28或M6通孔螺丝牢 固安装。340A系列加速度传感器具有宽频带响应和抗冲击的 特性，所以对环境比较恶劣的工业振动监控和测量使用来 说，340A-80侧出接头工业加速度传感器绝对是一款理想的加速度传感器。
LVDT直线位移传感器：位移传感器可用于在线测量刀具的磨损。它通过发射激光束并接收反射光来测量刀具表面到传感器的距离变化。当刀具磨损时，表面轮廓发生改变，激光位移传感器可以检测到这种距离变化。这种传感器具有非接触、高精度的特点，测量精度可以达到微米级，能够满足刀具磨损监测的精度要求。
L3001-0.64LVDT位移传感器 森瑟科技,L3001-0.64LVDT位移传感器可以在安装空间非常有限的应用中 提供高精度的位置测量。该型号产品外径9.5毫米，内径3.3 毫米，并提供轻量级的铁芯，L3001-0.64LVDT位移传感器可以有效避免铁芯 重量引起的测量误差：在位移量较大的情况下，质量惯性越 小，越容易获得准确的位移信号。微型铁芯也能减少机械应 力和有利于保持铁芯的安装结构强度。基于线圈和铁芯之 间的闭环耦合，通过外围的信号调理器或调理电路，传感器 可以产生高灵敏度/高分辨率的输出信号。磁性不锈钢外壳 为传感器提供了电磁和静电屏蔽。特殊场合应用，我们可以 定制高温（200°C）工作的产品，或者在高压力环境测试的 定制产品。L3001-0.64可以匹配森瑟公司的LVDT信号调理 器轻松实现直流输出。和我们的大多数LVDT产品一样，L3001-0.64LVDT位移传感器采用真空的浸渍工艺，特殊配方的绝缘和安装环氧树 脂保证了线圈组件在传感器内部的长期可靠性，该产品适 用于严酷的工业环境：如高湿度环境，长期振动和偶发冲击 的设备上使用。
二、考虑传感器的性能参数
1. 精度：对于刀具磨损监测，传感器的精度至关重要。例如，在测量切削力时，精度要求可能达到几牛顿甚至更小，以准确捕捉切削力的微小变化。在选择传感器时，要查看其精度指标，如线性度、重复性等。线性度表示传感器输出信号与输入物理量之间的线性关系程度，重复性则反映了传感器在相同输入条件下多次测量结果的一致性。
2. 分辨率：分辨率决定了传感器能够分辨的最小变化量。在刀具磨损监测中，高分辨率的传感器能够更细致地监测磨损状态的变化。例如，对于激光位移传感器，分辨率可能达到微米甚至纳米级，这对于精确测量刀具磨损引起的表面轮廓变化非常重要。
3. 频率响应：频率响应特性影响传感器对动态信号的测量能力。在高速切削等动态加工过程中，切削力、振动等信号的频率较高。例如，在高速铣削加工中，切削力变化频率可能达到几千赫兹。因此，选择的传感器（如压电式传感器）需要具有足够高的频率响应，以准确地捕捉这些快速变化的信号。
4. 量程：传感器的量程要满足实际监测的物理量范围。例如，在切削力监测中，要根据机床的加工能力和刀具类型确定切削力的大致范围，然后选择量程合适的传感器。如果量程过小，可能会导致传感器在测量过程中出现饱和现象，无法正确测量；而量程过大，可能会影响测量精度。
5. 稳定性和可靠性：传感器需要在机床加工环境中长时间稳定工作。机床加工车间通常存在温度变化、振动、油污等不利因素。因此，选择的传感器要具有良好的温度稳定性、抗振性和密封性。例如，一些高精度的传感器采用了特殊的封装材料和结构设计，以提高其在恶劣环境下的稳定性和可靠性。
三、结合机床和刀具的实际情况
1. 机床结构和工作环境：考虑机床的结构特点，选择易于安装和维护的传感器。例如，对于结构紧凑的数控机床，要选择体积小、安装方式灵活的传感器。同时，要考虑机床工作环境中的温度、湿度、电磁干扰等因素。如果机床工作环境中存在较强的电磁干扰，就需要选择具有良好电磁兼容性的传感器，如采用屏蔽电缆连接的传感器。
2. 刀具的类型和尺寸：不同类型的刀具（如车刀、铣刀、钻头等）对传感器的安装位置和类型有不同的要求。例如，对于钻头的磨损监测，由于钻头在加工过程中是旋转的，需要选择能够适应旋转运动的传感器，如非接触式的激光位移传感器或声发射传感器。刀具的尺寸也会影响传感器的选择，对于小尺寸刀具，要选择小型化的传感器，以避免影响刀具的正常工作。
