1 背景意义
先进制造技术（ＡＭＴ）的产生是人类历史发展和文明进步的必然结果，它集成了现代科学技术和工业创新的成果；对制造业的发展起到了举足轻重的作用。实现这一目标的关键的技术之一就是对加工过程的实时监测。刀具作为切削加工的直接执，行者，对刀具状态的监测更是这一技术的重要环节。
金属切削过程中不可避免的伴随着刀具磨损甚至破损的现象，在传统的切削加工过程中，加工者一般通过切削声音、刀具表面颜色或切屑状态来判断更换刀具的时机，然而这种判断是建立在主观经验基础上的，有时会由于更换刀具不及时，影响工件的加工表面质量和尺寸精度，严重时甚至会造成工件的损坏和机床故障；有时也会由于刀具更换过早，增加了刀具更换频率，造成生产成本的提高和生产效率的下降。据统计，大约２０％的机床停机时间是由于刀具破损引起的，而刀具本身和换刀带来的成本占据产品总成本的３％－１２％。
针对上述存在的问题，刀具状态监测技术得到了人们的关注与研究，它通常是利用切削过程中采集到的传感器信息，对刀具状态进行实时监测，进而预测需要换刀的时间，在保证产品质量的同时，延长刀具的使用时间。研究表明，数控加工机床配置刀具监系统后可减少７５％的故障停机时间，提高生产效率１０％－６０％，提高机床利用率５０％以上。
2 刀具检测常用方法
2.1 直接检测法
- 接触法 :检测刀具状态时，接触式侧头通过探针与刀具后刀面接触，根据刀具直径变化预测刀具的磨损量，并根据接触力的大小判断刀具的破损程度；
局限性：无法进行动态监测；检测到的刀具特征值有限，主要就是刀具直径；切削加工时接触式探头容易与工件发生接触而造成损坏；
- 放射线法：该方法是利用预先覆盖在刀具表面的放射性元素来实现刀具状态监测的一种方法。在刀片上涂覆一定量放射性元素，并在刀具正上方用一矩形阵列式射线传感器接收刀尖放射出的射线，同时对接受的图像信息进行处理，通过提取刀尖实际轮廓的特征点，从而进行判断刀具损坏状况；
局限性：放射性物质对人体有害；每个刀片都需涂放射性元素，重复利用率不高；
- 光学图像法：利用光学仪器和图像处理技术，对刀具表面形态图像分析确定刀具状态的监测方法；
2.2 间接检测法
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- 切削力：切削加工过程中，随着刀具的磨损，完成相同切削量的切削力也会发生变化。这种切削力的变化与刀具的磨损直接相关，所以也可以通过对切削力的检测，来间接反映刀具的磨损状态；其在切削力检测法中得到了广泛的应用，但是由于其安装对工件的体积和机床的要求较高，甚至影响加工或无法安装，所以这些缺点影响了其在实际应用中的推广；
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- 声发射检测法：通过分析切削过程中产生的AE信号来监测刀具的磨损状态，其原理是材料在切削过程中，会发出一中断裂波，这种波除了同工件材料本身的性质相关外，其频率范围及幅值还同刀具的磨损状态密切相关。其技术具有灵敏度高，响应速度快等优点；（市面上应用最为广泛）
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- 功率信号检测法：当切削力随刀具磨损而不断增大时，其扭矩和切削功率也会随之增大，所以通过对切削功率的提取来间接分析刀具的磨损状况；该方法具有信号检测方方便，可以避免切削环境中切削、油、烟、振动等因素的干扰，易于安装等优点；
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- 振动信号检测法：刀具与工件、切削之间的摩擦会引起切削力动态分量的变化，通过这些振动变化可以分析道很多与刀具磨损状态相关的信息，但是其有个缺点，那就是振动信号易受加工系统和环境振动的影响，其检测精度和可靠性可能还不如切削力检测和AE信号监测；
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- 温度检测法：刀具磨损和切削温度之间存在密切关系，一方面，刀具磨损的加剧会引起切削温度的升高，另一方面，切削温度的上升也会加剧刀具的磨损；传统的测量方法采用热电偶作为传感元件, 把热电偶嵌入刀具中测量切削温度, 可以实现刀具状态的在线监测, 但由于工件内部无法预先埋置热电偶，而且其热惯性大，响应慢，因此不适合；
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- 工件表面纹理检测法:工件表面纹理是对刀刃状态的一种映射，当刀刃锋利时，切削出的工件表面纹理清晰，连续性好；当刀刃磨钝时，切削出的工件纹理紊乱；目前通过这种机理检测的方法有两种，一类是划针式接触测量，可直接得出表面粗糙度的评价参数R。此类方法仅适于静态测量。目前，绝大多数此类方法仅适用于计量室或实验室环境。另一类是非接触式光学反射测量，得出的是工件表面粗糙度的相对值，自动监测中通常采用光纤传感器和激光测试系统两种类型。此类方法测试效率高，可以不留痕迹地测量软质材料的工件表面，但事先需采用样品标定，受切削液、切屑、工件材质、振动等的影响较大。当前还达不到实际应用水平。
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- 刀具与工件接触处电阻测量法：通过根据随着刀具的磨损，其与工件之间的接触电阻变小的效应来进行检测 ，但是这种守切削用量影响较大并有绝缘的要求；还有一种是在刀具后面贴一层薄膜导体，它会随着刀具的磨损而消耗，根据其电阻的变化可知刀具后刀面的磨损量。这种方法精度高，但是使用要求极高，因为工具加工过程中才生的高温，高压会导致薄膜电阻脱落；
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- 热电压测量法利用热点效应原理，即两种不同导体的接触点在受热时，将在两导体的另一端之间产生一个电压，这个电压的大小取决于导体的电特性 及接触点与自由端之间的温度差。当刀具和加工工件是由不同材料构成时，在刀具与工件之间就可以产生一个与切削温度相关的热电压。这个电压就可以作为刀具磨损量的一个度量，因为随着刀具磨损量的增大，热电压也随之增大。该方法的有点是价格便宜，精度较高，使用简便，特别适用于高速加工区，缺点是对传感器材料及精度要求高，只能进行间隔式检测。