CN101712128B - 利用换能器的电学特性对超声椭圆振动切削状态进行在线监测的系统 - Google Patents
利用换能器的电学特性对超声椭圆振动切削状态进行在线监测的系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种利用换能器的电学特性对超声椭圆振动切削状态进行在线监测的系统,该在线监测系统的电学部分连接在椭圆振动换能器的压电振子与在线监测部分之间。在线监测部分中的切削状态在线监测模块包括有信号监测显示单元、工作参数记录单元、切削力变化关系图和切削状态图。电学部分由两路电压采样电路、两路电流采样电路、四路整流滤波电路、三路鉴相电路和信息采集卡构成。本发明利用换能器本身的电学特性变化,便可实现对切削状态的实时监测。在振动切削提高切削加工稳定性的基础上,基于换能器电学特性的切削状态监测方法进一步提高了加工系统的可靠性,对提高振动切削的自动化程度和零件的加工质量都有非常重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种本发明涉及一种对切削状态进行监测的系统,更特别地说,是指一种利用换能器的电学特性对超声椭圆振动切削状态进行在线监测的系统,属于机械加工领域。
背景技术
在超声椭圆振动切削过程中,切削状态的变化表现为换能器负载的变化,而负载变化又会对换能器电学特性(如电压、电流)产生影响,因此利用换能器电学特性变化可以估算出刀具切削力的变化情况,并据此判断出超声椭圆振动在实时切削时的切削状态。由于换能器是一种非线性的系统,在不同工作频率(15kHz~30kHz)和工作方式(可以是纵弯、双弯、纵扭等)下,换能器的机械特性和电学特性有较大差别。选择合理的换能器驱动方式既是保证超声椭圆振动切削加工效果的前提,也是实现利用换能器电学特性监测切削状态的前提。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用换能器的电学特性对超声椭圆振动切削状态进行在线监测的系统,该在线监测系统对切削状态进行监测是为了及时了解切削过程中出现的磨损、破损、切削颤振对工件的加工精度和表面粗糙度以及对整个加工系统的正常运行的影响。实时监测切削状态对保证加工过程的顺利进行,加工系统的安全、降低生产成本以及提高劳动生产率等方面具有重要的意义。
本发明是一种利用换能器的电学特性对超声椭圆振动切削状态进行在线监测的系统,包括有电学部分和在线监测部分,电学部分连接在椭圆振动换能器的压电振子与在线监测部分之间,在线监测部分存储在所述的计算机中;
所述切削状态在线监测模块包括有信号监测显示单元、工作参数记录单元、切削力变化关系图和切削状态图;所述的信号监测显示单元用于实时显示数字量的第一电压信号VA、第二电压信号VB、第三电压信号VC、第四电压信号VD、第一相位差φA、第二相位差φB和第三相位差φC;所述的工作参数记录单元用于将机床控制箱加载在超声椭圆振动换能器上的压电振子A(1)的工作电压Ua、工作电流Ia;压电振子B(2)的工作电压Ub、工作电流Ib进行显示;所述的切削力变化关系图是指切削力随切削时间的变化状态;所述的切削状态图是指加载在超声椭圆振动换能器中压电振子上的工作电压随着不同时间加载的不同,工作电压的变化情况;
电学部分由第一电压采样电路(11)、第二电压采样电路(21)、第一电流采样电路(13)、第二电流采样电路(23)、A整流滤波电路(12)、B整流滤波电路(14)、C整流滤波电路(22)、D整流滤波电路(24)、A鉴相电路(15)、B鉴相电路(25)、C鉴相电路(31)和PCI-1712采集卡构成;PCI-1712采集卡与计算机连接;第一电压采样电路(11)与第二电压采样电路(21)的结构相同,用于实现将高电压信号转换为低电压信号,并输出给A整流滤波电路(12)、C整流滤波电路(22);
第一电流采样电路(13)与第二电流采样电路(23)的结构相同,用于实现将电流信号转换为电压信号,并输出给B整流滤波电路(14)、D整流滤波电路(24);A整流滤波电路(12)、B整流滤波电路(14)、C整流滤波电路(22)和D整流滤波电路(24)的结构相同,用于实现对接收的电压信号进行整流、滤波后输出给PCI-1712采集卡;
A鉴相电路(15)、B鉴相电路(25)和C鉴相电路(31)的结构相同,用于实现将接收到的两路信号进行大小比较,同时确定出两路信号的相位先后关系。
本发明的一种利用换能器的电学特性对超声椭圆振动切削状态进行在线监测的系统的优点在于:
(1)通过计算机,以及存储于计算机内的利用换能器电学特性监测切削状态的方法,使得本发明的在线监测系统无需增加传感器设备。
(2)利用换能器本身的电学特性变化便可实现对切削状态的实时监测,还可以在测量精度要求不高的场合代替测力仪的功能。
(3)本发明的监测系统还可以在某些不适合使用传感器的场合方便获得切削力和切削状态。在振动切削提高切削加工稳定性的基础上,基于换能器电学特性的切削状态监测方法进一步提高了加工系统的可靠性,对提高振动切削的自动化程度和零件的加工质量都有非常重要的意义。
附图说明
图1是本发明超声椭圆振动切削状态在线监测系统的结构框图。
图2是本发明的电压取样电路的电路原理图。
图3是本发明的整流滤波电路的电路原理图。
图4是本发明的鉴相电路的电路原理图。
图4A是本发明的鉴相电路输出波形的结构示图。
图5是本发明在线监测部分的显示单元的结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示,本发明是一种利用换能器的电学特性对超声椭圆振动切削状态进行在线监测的系统,该在线监测系统包括有电学部分和在线监测部分,电学部分连接在椭圆振动换能器的压电振子与在线监测部分之间。
参见图5所示,在本发明中,在线监测部分由计算机以及存储在该计算机硬盘中的切削状态在线监测模块构成。所述切削状态在线监测模块包括有信号监测显示单元、工作参数记录单元、切削力变化关系图和切削状态图。
参见图1所示,在本发明中,电学部分由第一电压采样电路11、第二电压采样电路21、第一电流采样电路13、第二电流采样电路23、A整流滤波电路12、B整流滤波电路14、C整流滤波电路22、D整流滤波电路24、A鉴相电路15、B鉴相电路25、C鉴相电路31和PCI-1712采集卡构成。
在电学部分中,第一电压采样电路11和第二电压采样电路21的电路结构相同,用于实现将高电压信号转换为低电压信号。参见图2所示,电压采样电路为两个串联的电容形成,电容C1的1端与换能器的输出电压端连接,电容C1的2端连接至整流滤波电路的电阻R1上,电容C1的2端与数字地之间接有电容C2。在本发明中,为适应长时间测量的需要,电压采样电路中采用了电容分压的方式。电路中使用的分压电容是耐压值为3000V的共形同轴线无感电容,电容值分别为C2=100nF,C1=200pF。两电容串联后的电容值不到200pF,换能器的静态电容约10nF,换能器两端的并联电容约30nF,因此分压电容对换能器谐振系统的影响可以忽略不计。即第一电压采样电路11对压电振子A1的输出电压Ua进行分压后输出小电压Ua′(称为第一取样电压Ua′)给A整流滤波电路12。第二电压采样电路21对压电振子B2的输出电压Ub进行分压后输出小电压Ub′(称为第二取样电压Ub′)给C整流滤波电路22。
在电学部分中,第一电流采样电路13和第二电流采样电路23的结构相同,用于实现将电流信号转换为电压信号。第一电流采样电路13和第二电流采样电路23都选用测量频率为100kHz的闭环霍尔电流传感器,该电流传感器原边内阻小于0.02Ω,对换能器输出电流Ia或Ib的影响非常小;反应时间为0.3μs,在测量频率为20kHz的信号时,传感器输出信号滞后原信号约2°,且为恒定值。即第一电流采样电路13对压电振子A1的输出电流Ia进行电流转电压后输出第三取样电压Uc′给B整流滤波电路14。第二电流采样电路23对压电振子B2的输出电流Ib进行电流转电压后输出第四取样电压Ud′给D整流滤波电路24。
其中,A电流整流滤波电路12、B电流整流滤波电路14、C整流滤波电路22和D整流滤波电路24的电路结构相同,用于实现对接收的电压信号进行整流、滤波后输出滤波后电压信号给PCI-1712采集卡。
参见图3所示,在本发明中,A整流滤波电路12的电路连接关系为:运算放大器U1的2端与数字地之间联接有电阻R4,且2端与6端之间串联有电阻R3;
运算放大器U1的3端与数字地之间联接有电阻R2;运算放大器U1的3端作为整流滤波电路的信号接收端,因此3端与第一电压采样电路11之间联接有电阻R1;
运算放大器U1的4端接-15V电压;
运算放大器U1的7端接+15V电压;
运算放大器U1的6端与信息采集卡的A端之间接有二极管D1;且第一运算放大器U1的6端与数字地之间顺次接有二极管D1、电容C3。
在本发明中,A整流滤波电路12中的电阻R1、电阻R2、二极管D1和第一运算放大器U1构成有源半波整流电路。电容C3主要功能是消除经第一运算放大器U1后输出的第一滤波后电压信号VA中的脉动成分。该第一滤波后电压信号VA为数字式平稳电压信号。
同理可得,B电流整流滤波电路14与第一电流采样电路13的联接,用于输出第三滤波后电压信号VC。
C整流滤波电路22与第二电压采样电路21的联接,用于输出第二滤波后电压信号VB。
D整流滤波电路24与第二电流采样电路23的联接,用于输出第四滤波后电压信号VD。
在图3中的整流滤波电路有效地减小了非线性失真。当取样电压(第一取样电压Ua′)为正时,二极管D1导通,运算放大器U1的输出电压跟随取样电压变化;当取样电压(第一取样电压Ua′)为负时,二极管D1截止,输出电压为零。电容C3和电阻R2、R6构成了一个RC滤波电路,其主要功能是消除输出电压中的脉动成分。经过取样、整流、滤波,换能器两端高电压、大电流的超声频信号变成了能被PCI-1712采集卡识别的平稳电压信号(VA,VB,VC,BD)。
在电学部分中,A鉴相电路15、B鉴相电路16和C鉴相电路17的电路结构相同。
参见图4所示,在本发明中,A鉴相电路15的电路连接关系为:
A鉴相电路15接收超声椭圆振动换能器中的压电振子A输出的工作电压Ua和工作电流Ia,并分别对工作电压Ua、工作电流Ia进行波形转换获得方波电压和方波电流,然后对方波电压和方波电流进行相位大小判断,最后输出平滑的相位差电压信号(即第一相位信号φA)给PCI-1712采集卡;
A鉴相电路15包括有第一触发器U4、第一异或门U5和第一模拟开关U3。异或门U5的1端接压电振子A的工作电压Ua,2端接压电振子A的工作电流Ia,3端输出工作电压Ua和工作电流Ia的相位差给模拟开关U3的12、2端。
D触发器U4的2端接压电振子A的工作电流Ia,3端接压电振子A的工作电压Ua作为时钟信号,5端输出表征工作电压Ua和工作电流Ia相位差方向的电平信号给模拟开关U3的11端,6端输出表征相位差方向电平信号的反转信号给模拟开关U3的10端,14端接+5V电压,1端、4端和7端接数字地,D触发器U4的其它端子悬空;
模拟开关U3的13端、1端、5端、3端、6端、9端、7端接数字地;
模拟开关U3的14端与15端与PCI-1712采集卡的C端之间串联有电容C5、电阻R9,且模拟开关U3的14端和15端作为压电振子A的工作电压Ua与工作电流Ia的相位(简称为第一相位信号φA)输出端,即模拟开关U3输出第一相位信号φA给PCI-1712采集卡。
在本发明中,压电振子A1的两端电压和电流之间的相位差测量(A鉴相电路15)为例,将过零比较器得到的电压、电流方波信号分别送入U2和U4中。U2为异或门,用于取得相位差的大小;两路信号经过异或门后得到的波形为图4A中的第三种方波信号,该信号的占空比越大,说明原方波信号的相位差越大。U4为触发器,以电压方波作为时钟信号,以电流方波作为数据输入端;电压超前电流时1Q输出值为0,反之为1。将表征相位差大小的方波信号和表征相位差方向的电平信号输入到模拟开关U3中,当电压超前电流时,U3第14脚相对于第15脚电压为正,反之为负。R5和C4组成RC滤波电路,滤去异或门输出方波信号中的高频成分,最终得到平滑的相位差输出信号。
信息采集卡选用北京研华公司生产的PCI-1712板卡。PCI-1712是一款功能强大的低成本多功能PCI总线数据采集卡,它有1M转换速度的12位A/D转换器,卡上带有FIFO缓冲器(可存储1KA/D采样值和32KA/D转换数据)。PCI-1712提供16路单端或8路差分的模拟量输入(也可以单端差分混合使用),2路12位D/A模拟量输出通道,16路数字量输出通道,以及3个10MHz时钟的16位多功能计数器通道。
信息采集卡对接收的第一滤波后电压信号VA、第三滤波后电压信号VC、第二滤波后电压信号VB、第二滤波后电压信号VD、第一相位信号φA、第二相位信号φB和第三相位信号φC转换成相对应的数字量信息后,输出给计算机,然后通过计算机的显示屏显示给操作者,以较为直观的信息显示供操作者观察到超声椭圆振动的切削状态。
参见图5所示,信号监测显示单元中显示的第一滤波后电压信号VA、第三滤波后电压信号VC、第二滤波后电压信号VB、第四滤波后电压信号VD、第一相位信号φA、第二相位信号φB和第三相位信号φC的参数为数字量信息。参数设置单元中的参数是加载在超声椭圆振动换能器上的参数。两幅图为切削时所用电压与切削时间之间的关系曲线。
在本发明中,工作参数记录单元用于将机床控制箱加载在超声椭圆振动换能器上的压电振子A的工作电压ua、压电振子A的工作电流Ia、压电振子B的工作电压Ib和压电振子B的工作电流Ib进行记录。
在本发明中,切削力变化关系图是指切削力(单位为牛/N)随切削时间(单位为秒/s)的变化状态。
在本发明中,切削状态图是指加载在超声椭圆振动换能器中压电振子上的工作电压(单位伏/V)随着不同时间加载的不同,工作电压的变化情况。工作电压是指压电振子A的工作电压Ua和压电振子B的工作电压UB。
在本发明中,通过比较图5中的两幅图可以看出,换能器支路的电学参数随切削力的变化发生相应的改变情况。在选定了的加工条件和振动参数下,都随切削力的改变而变化。通过多次重复数据的采集、存储,并将测量得到的数据汇总制成表单,然后通过查表法即可得到不同换能器状态下对应的切削力值。本发明的测量系统能够利用换能器电学特性变化反映切削力方法的可靠性。
本发明利用换能器电学特性监测切削状态的方法无需增加其它传感器设备,利用换能器本身的电学特性变化便可实现对切削状态的实时监测,还可以在测量精度要求不高的场合代替测力仪的功能。这种监测方法还可以在某些不适合使用传感器的场合方便获得切削力和切削状态。在振动切削提高切削加工稳定性的基础上,基于换能器电学特性的切削状态监测方法进一步提高了加工系统的可靠性,对提高振动切削的自动化程度和零件的加工质量都有非常重要的意义。
Claims (5)
1.一种利用超声椭圆振动换能器的电学特性对超声椭圆振动切削状态进行在线监测的系统,包括有计算机,其特征在于:还包括有电学部分和在线监测部分,电学部分连接在超声椭圆振动换能器的压电振子A和压电振子B与在线监测部分之间,在线监测部分包括存储在所述计算机硬盘中的切削状态在线监测模块;
所述切削状态在线监测模块包括有信号监测显示单元、工作参数记录单元、切削力变化关系图和切削状态图;所述的信号监测显示单元用于实时显示数字量的第一电压信号VA、第二电压信号VB、第三电压信号VC、第四电压信号VD、第一相位差信号φA、第二相位差信号φB和第三相位差信号φC;所述的工作参数记录单元用于将机床控制箱加载在超声椭圆振动换能器上的压电振子A(1)的工作电压Ua和工作电流Ia以及压电振子B(2)的工作电压Ub和工作电流Ib进行显示;所述的切削力变化关系图是指切削力随切削时间的变化状态;所述的切削状态图是指加载在超声椭圆振动换能器中压电振子A和压电振子B上的工作电压随着不同时间加载的不同,工作电压的变化情况;
电学部分由第一电压采样电路(11)、第二电压采样电路(21)、第一电流采样电路(13)、第二电流采样电路(23)、A整流滤波电路(12)、B整流滤波电路(14)、C整流滤波电路(22)、D整流滤波电路(24)、A鉴相电路(15)、B鉴相电路(25)、C鉴相电路(31)和PCI-1712采集卡构成;PCI-1712采集卡与计算机连接;
第一电压采样电路(11)与第二电压采样电路(21)的结构相同,用于实现将高电压信号转换为低电压信号,并输出给A整流滤波电路(12)和C整流滤波电路(22);
第一电流采样电路(13)与第二电流采样电路(23)的结构相同,用于实现将电流信号转换为电压信号,并输出给B整流滤波电路(14)和D整流滤波电路(24);
A整流滤波电路(12)、B整流滤波电路(14)、C整流滤波电路(22)和D整流滤波电路(24)的结构相同,用于实现对接收的电压信号进行整流和滤波后输出给PCI-1712采集卡;
A鉴相电路(15)、B鉴相电路(25)和C鉴相电路(31)的结构相同,用于实现将接收到的两路信号进行大小比较,同时确定出两路信号的相位先后关系。
2.根据权利要求1所述的利用超声椭圆振动换能器的电学特性对超声椭圆振动切削状态进行在线监测的系统,其特征在于:第一电流采样电路(13)与第二电流采样电路(23)选用测量频率为100kHz的闭环霍尔电流传感器。
3.根据权利要求1所述的利用超声椭圆振动换能器的电学特性对超声椭圆振动切削状态进行在线监测的系统,其特征在于第一电压采样电路(11)的电路结构为:电容C1的2端连接至A整流滤波电路(12)的电阻R1上,电容C1的2端与数字地之间接有电容C2。
4.根据权利要求1所述的利用超声椭圆振动换能器的电学特性对超声椭圆振动切削状态进行在线监测的系统,其特征在于A整流滤波电路(12)的电路结构为:第一运算放大器U1的2端与数字地之间联接有电阻R4,且2端与6端之间串联有电阻R3;第一运算放大器U1的3端与数字地之间联接有电阻R2;第一运算放大器U1的3端作为A整流滤波电路(12)的信号接收端,因此3端与第一电压采样电路(11)之间联接有电阻R1;第一运算放大器U1的4端接-15V电压;第一运算放大器U1的7端接+15V电压;第一运算放大器U1的6端与PCI-1712采集卡的A端之间接有二极管D1;且第一运算放大器U1的6端与数字地之间顺次接有二极管D1、电容C3。
5.根据权利要求1所述的利用超声椭圆振动换能器的电学特性对超声椭圆振动切削状态进行在线监测的系统,其特征在于A鉴相电路(15)的电路结构为:A鉴相电路(15)包括有第一触发器U4、第一异或门U5和第一模拟开关U3;第一异或门U5的1端接压电振子A的工作电压Ua,2端接压电振子A的工作电流Ia,3端输出工作电压Ua和工作电流Ia的相位差给模拟开关U3的12、2端;第一触发器U4的2端接压电振子A的工作电流Ia,3端接压电振子A的工作电压Ua作为时钟信号,5端输出表征工作电压Ua和工作电流Ia相位差方向的电平信号给模拟开关U3的11端,6端输出表征相位差方向电平信号的反转信号给模拟开关U3的10端,14端接+5V电压,1端、4端和7端接数字地,第一触发器U4的其它端子悬空;模拟开关U3的13端、1端、5端、3端、6端、9端和7端接数字地;模拟开关U3的14端与15端与PCI-1712采集卡的C端之间串联有电容C5和电阻R9,且模拟开关U3的14端和15端作为压电振子A的工作电压Ua与工作电流Ia的第一相位差信号φA输出端,输出第一相位差信号φA给PCI-1712采集卡。
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110727 Termination date: 20111022 |