一、背景

数控切削加工作为制造技术的核心及关键，再怎么强调也不为过。机床作为“工业母机”，是完成各类复杂结构件生产制造的基础。高端数控机床是人类智慧的结晶，国外一流发达国家在这方面长期领先，而国内的数控机床产业却是大而不强。如何“造好”及“用好”这些高端制造装备，不断解释及揭示更多的物理本质及内涵，成为科研界与产业界的动力。数控刀具是机床对零件毛坯进行材料去除（雕刻）的最终执行者，是机床的“牙齿”。刀具种类众多，几何参数复杂，最重要的是在加工过程中，随着毛坯材料的不断去除，锋利的刀具切削刃会逐渐发生磨损。刀具后刀面与工件之间的接触面积增大，导致刀具总切削力增加，主轴扭矩增大，引起主轴功率及电流的间接变化。此外，因为刀具质量差异及工件材料等不可预测因素也为引发刀具的异常破损。

图1 数控切削加工过程

自动化生产线的发展，尤其是近些年来不断被提及的“无人生产线”的需求，使得通过智能方法代替人工自动诊断识别刀具状态的技术越来越迫切。此外，通过智能方法自动判别刀具磨损状态及异常破损展现出很好的潜力，不仅能够最大程度上利用刀具的有效寿命，而且可以将刀具过度磨损及破损对零件的不良影响降到最低。因此，刀具状态监测实时监测技术对于高端数控机床来说至关重要。在生产一线调研发现，刀具的失效问题主要体现在这几个方面：1）刀具的累积磨损；2）切削刃异常破损；3）刀具断刀等。针对刀具的监测问题，至少超过了30年。机床及加工国际著名的专家，Altintas教授博士的学位论文就与刀具破损监测相关。由此可见，刀具状态监测技术很早就引起了学术界的重视。