1. 應用場景

在現代制造業中，數控機床作為精密加工設備，其加工效率和精度對產品質量至關重要。刀具作為數控機床的關鍵部件，其質量直接影響加工效率和工件表面質量。傳統刀具質量評估方法通常依賴于人工檢測和加工實驗，不僅耗時費力，而且難以保證評估的一致性和準確性。特別是在高精度和高效加工領域，對刀具質量的要求日益嚴格，因此，有一種快速、準確的刀具質量評估方法顯得尤為重要。

本測試方案旨在利用振動分析技術，結合高精度數采設備，實現對數控機床刀具質量的快速評估。該方法通過監測刀具在敲擊激勵下的振動響應，利用振動信號的特征參數來評估刀具的阻尼效果，進而判斷其質量優劣。

圖1 數控機床刀具展示圖

2. 測試方法的介紹

2.1 測試原理

刀具在受到外力激勵時，會產生振動。振動信號中包含了刀具材料、結構設計和制造工藝等方面的信息。阻尼性能是衡量刀具質量的重要指標之一，良好的阻尼效果意味著刀具在受到外力作用時，能夠更快地吸收并衰減振動能量，從而保持加工過程的穩定性和精度。我們則可以利用這一特點，根據不同阻尼效果的刀具振動時長不同，來實現快速準確辨別刀具質量的好壞。測試框圖如下圖所示：

圖2 刀具阻尼測試系統框圖

圖3 刀具阻尼測試實物圖

2.2 測試步驟

1. 準備階段：

• 先按照上述框圖將設備進行連接，搭建好測試環境。
• 選擇待測刀具，確保其表面干凈無油污。
• 將振動傳感器（加速度傳感器）安裝在刀具上，確保傳感器與刀具緊密貼合且不會因振動而分開。
• 利用刀座和虎鉗將刀具固定，確保測試過程中刀具不會發生位移或松動。
• 使用敲擊錘或其他非破壞性激勵方式，對刀具進行敲擊，使其產生振動。
• 敲擊應快速且力度適中，確保每次敲擊產生的振動信號具有可重復性。
• 啟動數采設備，開始采集刀具振動信號。
• 記錄振動信號的時間歷程數據，包括振動的幅度、頻率以及衰減速度等關鍵參數。
• 利用數據分析軟件，對采集到的振動信號進行預處理，得到被測刀具的振動波形圖。
• 根據振動波形圖上的波形衰減情況，評估刀具的阻尼效果，進而判斷其質量優劣。

1. 激勵階段：
2. 數據采集階段：
3. 數據分析階段：

圖4 刀具固定方式展示圖

2.3 評估標準

根據振動信號中振動衰減的時間長短來判斷刀具的阻尼效果。阻尼效果越好，振動衰減越快，說明刀具質量越好。具體評估標準可根據實際需求進行設定，如設定振動衰減至某一閾值所需的時間作為判斷依據。還可以先通過加工實驗等方式找到阻尼效果良好的刀具測出振動時長，作為參考標準，用其他被測刀具的振動時長與之作比較，來判斷得出被測刀具的質量好壞，這組對照實驗的前提要保證被測物刀具與標準刀具的規格大小保持一致。

3. 測試結果（以32mm直徑阻尼刀具測試為例）

為了更好的展現刀具的測試結果，增加本測試方案的可靠性，我們采用對照實驗的方式對一組刀具進行振動測試；先通過加工實驗來找到一組同規格，但不同阻尼效果的刀具（一個阻尼效果良好，一個阻尼效果較差）。將兩種刀具固定好后，選擇兩種刀具的相同位置作為敲擊點，控制其他變量保持一致，多次敲擊刀具并采集下多組數據，多次重復采集過程是為了保證實驗結果的可靠性和一致性。再將測試結果通過設備軟件用波形圖的方式進行展現，能夠更直觀的分析兩種刀具振動結果的差異性。下面是兩個刀具測試結果的波形圖以及其分析的過程。

圖5 阻尼特性較差的刀具的振動波形圖

圖6 阻尼特性良好的刀具的振動波形圖

1. 圖片分析：從兩張圖片中可以看出，我們在相同條件下進行了對比，選取的時間間隔均為約100ms，波形幅度值均為±1g，以保證完全相同的測試環境。紅圈標記的位置代表了高頻振動分量消失的時刻。盡管兩個減振棒在該位置均達到了高頻振動的消失狀態，但阻尼特性差的減振棒所需的衰減時間顯著長于阻尼特性好的減振棒，這表明其對高頻振動的抑制能力較弱，而阻尼特性好的減振棒在更短時間內能夠消除高頻成分并恢復平穩狀態，從而表現出更優異的減震效果。
2. 高頻振動分量：從上述波形圖可以看出，高頻振動分量表現為快速變化的波形，而低頻分量則表現為變化速度較為緩慢的波形，畫圈位置是高頻振動分量完全消失的時刻。在測試一開始時，高頻振動分量的幅度非常大，遠遠超過低頻分量。這是因為高頻分量主要來源于敲擊刀具所引發的瞬時沖擊振動，而低頻分量則由測試平臺的自然振動所引起，不屬于本次測試所需關注的部分。因此，我們只關心高頻振動的衰減情況，以評估刀具的減震性能。
3. 數據表：通過表格形式將測試數據的結果進行記錄和分析，通過這些數據可以更直觀地觀察不同刀具的減震性能差異。

表1 測試結果數據表

iv. 通過對高頻振動分量消失時間、波形峰峰值以及振動波形特征的對比分析，可以有效區分阻尼性能好的刀具和差的刀具：阻尼性能好的刀具具有更短的高頻振動分量消失時間以及更加平滑的低頻振動波形，表現出優良的減震特性。阻尼性能差的刀具表現出更長的高頻振動消失時間且波形不穩定，表明減震效果較差。這種基于高頻振動分量消失時間以及波形特征的分析方法可以幫助準確地判斷和區分刀具的減震效果。

4. 數采設備介紹

圖7 測試板卡模塊展示圖

4.1 設備概述

本測試方案采用的高精度數采設備，搭配了高靈敏度的振動傳感器，數采設備由數據采集模塊（功能板卡）、采集分析軟件和控制主機組成。該設備具有高精度、高靈敏度、實時性強等特點，能夠準確捕捉刀具振動信號，并進行實時處理和分析。

圖8 數采設備實物圖

4.2 設備特點

• 高精度采集：搭配高精度加速度傳感器，能夠準確捕捉刀具振動的高頻成分，確保數據的真實性和完整性。
• 實時處理能力：內置強大的信號處理算法，能夠實時分析振動數據，提取關鍵特征參數，如振動波形、時間和衰減情況等。
• 用戶友好界面：提供直觀的操作界面和數據分析工具，便于操作人員快速理解測試結果，做出判斷。
• 擴展性與兼容性：支持多種傳感器接入，不同的傳感器可搭配不同的信號采集模塊，控制主機通過選擇安裝不同的采集模塊，可以實現不同種類信號的數據采集工作，易于集成到現有的生產監控系統中，實現數據的無縫對接和深度分析。
• 數據存儲與導出：提供大容量數據存儲功能，支持數據導出和分享，便于后續的數據分析和報告生成。

3.3 設備應用場景

• 環境適應性測試：數采系統可以檢測設備在極端溫度和濕度條件下的測試，如熱管理測試、機械和地震振動測試、電磁干擾抗擾性測試等，確保產品在嚴苛環境下的穩定性和可靠性，適用于多種環境適應性測試。
• 臺架測試：數采設備被廣泛用于汽車和航空航天等領域的臺架測試中，確保在苛刻條件下的重要部件的可靠性。數采系統可以與臺架進行簡單集成，通過多種接口（比如CAN）進行數據傳輸和遠程控制。
• 振動和噪聲測試：通過使用IEPE傳感器和階次分析功能，數采設備可以在旋轉機械和結構測試中進行噪聲和振動的階次分析和模態測試。
• 高精度信號采集：數采模塊支持包括電壓、電流、振動、噪聲和熱電多種信號類型的高精度采集，適用于科研、工業和國防等多種領域的精密測試。

綜上所述，本測試方案利用振動分析技術和高精度數采設備，實現了對數控機床刀具質量的快速評估。該方法具有操作簡便、評估準確、效率高等優點，適用于多種類型數控機床刀具的質量評估，為制造業的智能化、精細化生產提供了一種有效的解決方案。

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