CN105466321B - 一种切削刀具磨损检测方法 - Google Patents

Abstract

一种切削刀具磨损检测方法，包括：电容值确定步骤，获取设置在切削刀具中的梯形电容网络传感器中梯形电容网络的当前电容值；电容网络当前长度确定步骤，根据梯形电容网络的当前电容值确定梯形电容网络的当前长度；磨损量确定步骤，根据梯形电容网络的初始长度以及当前长度，确定梯形电容网络的长度变化值，并根据长度变化值确定切削刀具的磨损量。该方法能够更加准确地确定出切削刀具的磨损量，同时，在需要的情况下，通过配置多个传感器还可以确定出切削刀具的磨损形状。

Description

一种切削刀具磨损检测方法

技术领域

本发明涉及切削刀具技术领域，具体地说，涉及一种切削刀具磨损检测方法。

背景技术

盾构掘进机(简称盾构机)是隧道、地铁建设的大型装备，其是切削刀具设备的一种。在盾构机的施工中，刀具是掘进过程中最重要的工具之一，在刀具到达磨损极限之前，必须更换刀具，否则可能造成灾难性的工程事故。因此能否准确检查盾构机刀具磨损的情况直接关系到隧道施工能否正常进行。

目前对盾构机刀具磨损量的检测方法主要有停机检查法，阈值检测法、掘进参数估计法和在线检测法等。

停机检查法是在停机状态下由施工人员进入刀盘部位进行检查以及实施操作，该方式的检查方式虽然直观，但频繁停机可能造成因周边土体失稳引发重大事故。

阈值检测法主要利用添加在刀具内的金属探头或液体等判断刀具磨损状态，但是这种方法只有在磨损量达到磨损极限时才能有效，不能实现对刀具磨损的实时检测。

掘进参数估计法，其主要是由理想地质条件是掘进参数的经验曲线或由半经验公式得到估算值，预测滚刀的磨损量。但一般的经验公式只适用于特定单一的地质条件，缺乏普适性，试图从理论上精确计算盾构机刀具的磨损量有很大难度。

在线检测法主要分为厚度检测式、摄像头观察式、断电感应式和电容传感器检测式等。其中，厚度检测式主要包括压力传感器感知式和超声波探头探测式等。其中，压力传感器感知式主要采用的设备包括电磁压力传感器、接收器以及发射器，电磁压力传感器设置在刀头内，这种方式能够通过压力传感器感知磨损过程中外界的压力变化来监控刀具磨损状态。超声波探头探测式主要通过安装在周边刮刀内的超声波探头测量金属厚度，将数据由铺设在刀头里的信号线传送至蓝牙发射装置，再由蓝牙接收装置收集刮刀厚度信息，达到检测目的。然而，受到安装方式的影响，现有的在线检测法所检测到的刀具磨损量存在较大的误差。

基于上述情况，针对大型全断面掘进装备工作效率和安全运行的行业需求，研究开发满足要求的刀具磨损状态安全检测方法，已成为掘进设备中亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种切削刀具磨损检测方法，所述方法包括：

电容值确定步骤，获取设置在切削刀具中的梯形电容网络传感器中梯形电容网络的当前电容值；

电容网络当前长度确定步骤，根据所述梯形电容网络的当前电容值确定所述梯形电容网络的当前长度；

磨损量确定步骤，根据所述梯形电容网络的初始长度以及当前长度，确定所述梯形电容网络的长度变化值，并根据所述长度变化值确定所述切削刀具的磨损量。

根据本发明的一个实施例，所述切削刀具的磨损量等于所述梯形电容网络的长度变化值。

根据本发明的一个实施例，所述电容网络当前长度确定步骤包括：

根据所述梯形电容网络的当前电容值确定所述梯形电容网络的当前阶数；

根据所述梯形电容网络的当前阶数确定所述梯形电容网络的当前长度。

根据本发明的一个实施例，根据如下表达式确定所述梯形电容网络的当前阶数：

其中，C(i)表示当前阶数为i的梯形电容网络的当前电容，C₁表示第一电容的电容值，n表示第二电容与第一电容的电容值之比，A(i,k)和B(i,k)分别表示分子系数矩阵A和分母系数矩阵B中第i行第k列的元素。

根据本发明的一个实施例，所述梯形电容网络传感器包括梯形电容网络，其中，所述梯形电容网络包括：

若干第一电容，所述若干第一电容串联形成第一电容网络，所述第一电容网络的第一端形成所述梯形电容网络的第一外接端口；

若干第二电容，所述第一电容网络的两端以及第一电容网络中两个相邻第一电容的交点均与一第二电容的第一端连接，各个所述第二电容的第二端通过导线连接并形成所述梯形电容网络的第二外接端口。

根据本发明的一个实施例，所述第一电容与第二电容的容值之比大于预设比值，所述预设比值的取值范围包括[800，1200]。

根据本发明的一个实施例，所述第一电容网络的形状呈直线状。

根据本发明的一个实施例，所述第一电容网络中相邻第一电容之间的间距相等。

根据本发明的一个实施例，相邻第一电容之间的间距的取值范围包括[1mm,3mm]。

根据本发明的一个实施例，所述方法分别获取设置在切削刀具中不同位置处的多个梯形电容网络传感器中梯形电容网络的当前电容值，并根据各个所述梯形电容网络的当前电容值确定各个所述梯形电容网络传感器所处位置的所述切削刀具的磨损量。

根据本发明的一个实施例，所述方法还根据各个所述梯形电容网络传感器所处位置的所述切削刀具的磨损量，确定所述切削刀具的磨损形状。

本发明提供了一种用于切削刀具磨损检测方法，该方法采用梯形电容网络的传感器来对盾构机刀具的磨损量进行检测。该传感器结构简单，易于实现。同时，为了更加准确地检测出盾构机刀具的磨损量，本发明中将传感器中梯形电容网络配置为整个网络的电容值随阶数的减小而近似线性减小。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的切削刀具磨损检测方法的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的传感器中梯形电容网络的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的盾构机刀具与传感器的配置关系示意图；

图4是根据本发明一个实施例的盾构机刀具中多个传感器的排布示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1示出了本实施例所提供的切削刀具磨损检测方法的流程图。

如图1所示，该方法首先在电容值确定步骤S101中获取设置在切削刀具中的梯形电容网络传感器中梯形电容网络的当前电容值。其中，图2示出了本实施例所采用的梯形电容网络的结构示意图。

如图2所示，本实施例中，梯形电容网络包括若干第一电容C₁和若干第二电容C₂。这些第一电容C₁串联形成第一电容网络201，其中，第一电容网络201的第一端A形成整个梯形电容网络的第一外接端口。同时，第一电容网络201的两端(包括第一端A和第二端B)以及第一电容网络中相邻第一电容C₁的交点均与一第二电容C₂的第一端连接，各个第二电容C₂的第二端通过导线连接并形成整个梯形电容网络的第二外接端口。

从上述描述可以看出，图2所示的梯形电容网络可以根据所包含的第二电容C₂的数量而视为具有对应的阶数。例如，假设梯形电容网络包含有i个第二电容C₂，那么该梯形电容网络的阶数则为i。

需要指出的是，在本发明的不同实施例中，梯形电容网络的总阶数(即梯形电容网络初始所包含的第二电容C₂的数量)可以根据实际需要进行配置，本发明不限于此。例如，在保证检测结果具有相同准确性和精确性时，如果所要检测的切削刀具的厚度较厚，那么所选择的梯形电容网络的总阶数则需要较高，这样梯形电容网络的总长度也就较长；而如果所需要检测的切削刀具的厚度较薄时，那么所选择的梯形电容网络的总阶数则可以较低，这样梯形电容网络的总长度也就较短。

为了保证检测结果的准确性，本实施例中，梯形电容网络中第一电容网络201呈直线状，同时，第一电容网络201中相邻第一电容C₁之间的间距相等。具体地，本实施例中，第一电容网络201中相邻第一电容C₁之间的间距优选地设置为2mm。需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据检测需要，梯形电容网络中第一电容网络的形状还可以为其他合理形状(例如波浪状等)，本发明不限于此。

同时，在本发明的其他实施例中，第一电容网络201中相邻第一电容C₁之间的间距也可以不相等，并且第一电容网络201中相邻第一电容C₁之间的间距还可以为其他合理值(例如[1mm,3mm]中的其他合理值等)，本发明同样不限于此。

对于现有的采用电阻来进行切削刀具磨损量在线检测的方法来说，由于随着电阻磨损量的增加，电阻网络的阻值变化并未是线性增长的，而这也就导致了检测到的磨损量存在较大误差。

为了保证传感器所检测到的刀具磨损量更加准确，本实施例中将梯形电容网络配置为容值随刀具磨损量的增加而近似线性减小。为此，本实施例将梯形电容网络中的第一电容C₁的容值与第二电容C₂容值之比配置为大于预设比值，具体地，该预设比值优选地设置为1000。这样，梯形电容网络的容值将会随电容网络阶数的增加而近似呈线性增长，当梯形电容网络的阶数随切削刀具磨损量的增大而减小时，梯形电容网络的容值将随其阶数的减小而近似线性减小，从而有助于提高最终检测结果的准确性。

需要指出的是，为了保证梯形电容网络的总容值将随电容网络阶数的增加近似呈线性增长，在本发明的其他实施例中，上述预设比值还可以配置为其他合理值(例如预设比值的取值还可以为[800，1200]中的其他合理值)，本发明不限于此。

当梯形电容网络中的第一电容C₁的容值与第二电容C₂容值之比大于预设比值时，整个梯形电容网络的容值可以根据如下表达式求得：

其中，C(i)表示当前阶数为i的梯形电容网络的当前电容，C₁表示第一电容的电容值，n表示第二电容与第一电容的电容值之比，A(i,k)和B(i,k)分别表示分子系数矩阵A和分母系数矩阵B中第i行第k列的元素。

本实施例中，A(i,k)和B(i,k)可以分别分别根据如下表达式确定得到：

再次如图1所示，在得到梯形电容网络的当前电容值后，该方法将在电容挽网络当前长度确定步骤S102中根据所述得到的梯形电容网络的当前电容值确定梯形电容网络的当前长度。

具体地，在确定梯形电容网络的当前长度的过程中，该方法首先根据梯形电容网络的当前电容值C(i)确定梯形电容网络的当前阶数i，随后再根据梯形电容网络的当前阶数i确定出梯形电容网络的当前长度。具体地，本实施例中，由于梯形电容网络的阶数与电容值存在如表达式(1)所示的关系，因此在步骤S102中，该方法也就可以利用表达式(1)来根据梯形电容网络的当前电容值C(i)确定梯形电容网络的当前阶数i。

由于对于某一传感器来说，其梯形电容网络的结构是固定的，因此梯形电容网络的阶数与梯形网络的长度(即传感器的长度)之间的对应关系也是固定的，这样本实施例所提供的方法也就可以根据梯形电容网络的当前阶数i确定出梯形电容网络的当前长度。

在得到梯形电容网络的当前长度后，该方法在磨损量确定步骤中便可以根据梯形电容网络的当前长度确定出切削刀具的磨损量。具体地，如图1所示，本实施例所提供的方法步骤S103中根据梯形电容网络的初始长度以及当前长度，确定梯形电容网络的长度变化值，最后在步骤S104中根据梯形电容网络的长度变化值确定出切削刀具的磨损量。

本实施例中，通过合理配置梯形电容网络在切削刀具中的位置，梯形电容网络的长度变化值也即切削刀具的磨损量。当然，在本发明的其他实施例中，通过合理配置梯形电容网络在切削刀具中的位置，还可以通过配置梯形电容网络与切削刀具中其他对应关系来确定出切削刀具的磨损量，本发明不限于此。

具体地，如图3所示，本实施例中，梯形电容网络传感器通过形成在切削刀具301中的导孔302安装在切削刀具内部。该导孔的尾部形成有与传感器的螺纹套配合的螺纹孔303，这样传感器便可以可靠地安装固定在切削刀具内部。传感器产生的信号便可以通过信号线304(包括第一外接线和第二外接线)传导出切削刀具301。为了准确确定出切削刀具的磨损量，本实施例中，传感器中梯形电容网络远离螺纹套的一段优选地延伸至靠近切削刀具的刀面305位置处。

需要指出的是，在本发明的不同实施例中，传感器与盾构机刀具本体所呈的角度根据实际需要还可以配置为不同的角度值，本发明不限于此。例如，对于同一传感器，其与切削刀具的刀面所呈的角度越小，其对于切削刀具磨损量的检测也就越精确。

本实施例中，梯形电容网络中第一电容C₁的电容值优选地设置为10nF，第二电容C₂的电容值优选地设置为10pF，这样第一电容C₁与第二电容C₂的比值为则1000，即第二电容C₂与第一电容C₁的比值n为0.001。相邻的第一电容C₁的间距优选地设置为2mm。

此时，当切削刀具每磨损2mm，相当于梯形电容网络的阶数减少1阶。根据实际需要，如果切削刀具的最大磨损量为40mm，那么则采用20阶梯形电容网络的传感器。

表1示出了本实施例中1～20阶梯形电容网络的电容值与磨损量的具体对应关系：

表1

从表1所示的数据可以看出，在本实施例所提供的方法中，随着刀具磨损量的增加，传感器的梯形电容网络的总容值是近似线性减小的，这样也就使得利用该传感器所检测到的刀具磨损量更加准确。

对于某一传感器来说，其只能够通过自身电容的变化反映出该传感器自身位置处的刀具磨损量，却无法准确、全面地的反映出整个刀具不同位置处的磨损量以及磨损形状。

为了更加准确、全面的获取盾构机刀具的磨损状态，在本发明的一个实施例中，该方法还可以采用多个梯形电容网络传感器来对切削刀具的磨损量进行检测。这些传感器可以根据需要安装在盾构机刀具的不同位置处。具体地，如图4所示，在该实施例中，同一盾构机刀具中的传感器优选地采用等间距且相互平行的方式进行配置。当然，在本发明的其他实施例中，同一盾构机刀具中传感器的配置方式还可以采用其他合理方式，本发明不限于此。

在该实施例中，该方法可以根据多个传感器中梯形电容网络的当前电容值，确定出各个传感器所处位置的切削刀具的磨损量。而根据切削刀具不同位置出的磨损量，该方法还可以进一步分析得到切削刀具的磨损形状。

由此可以看出，相较于现有的切削刀具磨损量检测方法，本发明所提供的方法能够更加准确地确定出切削刀具的磨损量，同时，在需要的情况下，通过配置多个传感器还可以确定出切削刀具的磨损形状。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (15)

1.一种切削刀具磨损检测方法，其特征在于，所述方法包括：

电容值确定步骤，获取设置在切削刀具中的梯形电容网络传感器中梯形电容网络的当前电容值；

电容网络当前长度确定步骤，根据所述梯形电容网络的当前电容值确定所述梯形电容网络的当前长度；

磨损量确定步骤，根据所述梯形电容网络的初始长度以及当前长度，确定所述梯形电容网络的长度变化值，并根据所述长度变化值确定所述切削刀具的磨损量，

所述电容网络当前长度确定步骤包括：

根据所述梯形电容网络的当前电容值确定所述梯形电容网络的当前阶数；

根据所述梯形电容网络的当前阶数确定所述梯形电容网络的当前长度，

根据如下表达式确定所述梯形电容网络的当前阶数：

其中，C(i)表示当前阶数为i的梯形电容网络的当前电容，C₁表示第一电容的电容值，n表示第二电容与第一电容的电容值之比，A(i,k)和B(i,k)分别表示分子系数矩阵A和分母系数矩阵B中第i行第k列的元素。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切削刀具的磨损量等于所述梯形电容网络的长度变化值。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述梯形电容网络传感器包括梯形电容网络，其中，所述梯形电容网络包括：

若干第一电容，所述若干第一电容串联形成第一电容网络，所述第一电容网络的第一端形成所述梯形电容网络的第一外接端口；

若干第二电容，所述第一电容网络的两端以及第一电容网络中两个相邻第一电容的交点均与一第二电容的第一端连接，各个所述第二电容的第二端通过导线连接并形成所述梯形电容网络的第二外接端口。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一电容与第二电容的容值之比大于预设比值，所述预设比值的取值范围包括[800，1200]。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一电容网络的形状呈直线状。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一电容网络的形状呈直线状。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一电容网络中相邻第一电容之间的间距相等。

8.如权利要求4～6中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一电容网络中相邻第一电容之间的间距相等。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，相邻第一电容之间的间距的取值范围包括[1mm,3mm]。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，相邻第一电容之间的间距的取值范围包括[1mm,3mm]。

11.如权利要求1、2、4～7、9、10中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法分别获取设置在切削刀具中不同位置处的多个梯形电容网络传感器中梯形电容网络的当前电容值，并根据各个所述梯形电容网络的当前电容值确定各个所述梯形电容网络传感器所处位置的所述切削刀具的磨损量。

12.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法分别获取设置在切削刀具中不同位置处的多个梯形电容网络传感器中梯形电容网络的当前电容值，并根据各个所述梯形电容网络的当前电容值确定各个所述梯形电容网络传感器所处位置的所述切削刀具的磨损量。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法分别获取设置在切削刀具中不同位置处的多个梯形电容网络传感器中梯形电容网络的当前电容值，并根据各个所述梯形电容网络的当前电容值确定各个所述梯形电容网络传感器所处位置的所述切削刀具的磨损量。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还根据各个所述梯形电容网络传感器所处位置的所述切削刀具的磨损量，确定所述切削刀具的磨损形状。

15.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述方法还根据各个所述梯形电容网络传感器所处位置的所述切削刀具的磨损量，确定所述切削刀具的磨损形状。