CN101718578B - 旋转式铣削振动测量仪 - Google Patents

Abstract

一种旋转式铣削振动测量仪，其包括铣刀刀柄、振动传感器、供电系统及信号传送系统，振动传感器包括内装IC压电晶体加速度传感器及恒流源电路；信号传送系统采集振动传感器输出的信号，再将数据存储，然后对数据进行编码后通过无线传输方式发送出去，并进行无线信号的接收、解码和存储；供电系统采用电磁感应的方式对铣刀刀柄内的传感器及电路进行供电。本发明在铣刀刀柄内安装了振动传感器，使铣刀刀柄自身具备振动信号的测试功能，且刀柄结构简单，制作方便；本发明的感应供电系统使得供电不受刀柄旋转影响；本发明的无线传输信号方式可使信号接收端适当地远离切削区域。

Description

旋转式铣削振动测量仪

技术领域

本发明属于金属切削加工领域，主要用来测量铣削过程的振动信号。

背景技术

旋转式铣削振动测量仪是用来测量铣削过程的振动信号，一般来讲，测量切削振动都使用压电晶体式加速度传感器，加速度传感器安装在工件上，见图1。铣削时铣刀刀柄14通过锥面安装在铣床主轴9上，铣刀10安装在铣刀刀柄14上；被切削工件13安装在铣床工作台12上(一般通过T形螺栓连接)；振动传感器11(压电晶体式加速度传感器)安装在工件13上(安装方法有螺钉固定、胶水粘接及磁力安装座等)。铣削时，切削系统产生的振动通过工件13传到振动传感器11上，振动传感器11拾取振动信号，经过电荷放大器放大后就实现了振动的测量。

这种测量方法的优点是：使用常规仪器，操作简单，不需要变动机床和刀具的结构。

一般来讲，切削振动主要指刀具的振动，随着刀具与工件的相对移动，上述方法的测振点(即振动传感器的安装点)与切削区域(切削区域是主要的振源)的距离是变化的，且距离较长，振动信号中包含了工件的振动，如果工件的形状特别是质量发生变化时，即使使用相同的机床、刀具和切削用量，测量出的振动信号也是不同的；另外，装夹后工件与铣床工作台之间的接触刚度也会影响振动信号。

发明内容

本发明的目的在于针对现有切削振动测量方法的不足，提供一种旋转式铣削振动测量仪，其在刀柄上安装了振动传感器，使刀柄(或者说刀具)自身具备振动测试功能，切削区域(主振源)相对于振动传感器的位置保持不变，且距离很小，所测量信号是刀具本身的振动信号，振动信号不再受工件的质量、形状和装夹方式的影响，且刀柄结构简单，制作方便。

本发明的技术解决方案如下：

一种旋转式铣削振动测量仪，其包括刀具刀柄、振动传感器、供电系统、信号传送系统，振动传感器安装在刀柄上测量出刀具的振动信号；信号传送系统接收振动信号并发送；供电系统提供电源。

所述供电系统采用感应供电方式。

所述供电系统包括高频振荡器、静止环和旋转环，静止环固定于机床床身上，静止环不是一个完整的环，是整个圆环的三分之一，其内嵌有内部固定有初级线圈的导磁铁芯；旋转环固定于刀柄上，其内嵌有内部固定有次级线圈的导磁铁芯，静止环上还设有插座用来将高频振荡器产生的电流信号输送给初级线圈。

所述高频振荡器的振荡信号发生电路产生高频振荡信号，经功率放大器进行功率放大及变压器提升电压，由插座输送至初级线圈中产生高频交变电流，从而在初级线圈周围产生高频电磁场，次级线圈被感应后产生交变电流，经过整流稳压电路后输出稳定的电压对旋转环内的所有电路供电。

所述振动传感器是内装IC压电晶体加速度传感器，这是一种低阻抗电压型传感器，压电传感器本身带有内置电路，将与加速度成正比的电荷信号直接转换和放大成低阻电压输出信号，所以不再需要外置的电荷放大器。振动传感器通过螺钉固定在刀柄上，通过恒流源电路供电。

所述恒流源电路置于供电系统的旋转环内，为内装IC压电晶体加速度传感器提供恒流电源；另外将内装IC压电晶体加速度传感器输出的叠加在直流偏压上的交流被测加速度信号通过CR高通隔直输出，隔掉直流偏压，只输出交流加速度信号。

所述旋转环内还安装有整流稳压电路和信号传送系统的发射电路，通过旋转环防护盖保护电路。

所述信号传送系统采用无线传输。

所述信号传送系统通过A/D转换将模拟信号转换成数字信号，并将数据进行存储，然后再将存储的数据进行编码并以无线电波的形式将信号发射出去并接收信号，实现信号的无线传输。

所述信号传送系统包括A/D转换电路，接收振动传感器的模拟量输出信号并转换成数字信号；采集数据存储电路，用来保存A/D转换后的数据；编码电路，对数字信号进行编码；发射电路，发射编码后的信号；接收电路，接收发射电路发出的信号；解码电路，对接收到的信号解码还原；还原数据存储电路，用来保存解码后的数据；串口通讯电路，输出解码还原后的数字信号。

所述A/D转换电路、采集数据存储电路、编码电路及发射电路置于供电系统的旋转环内，通过旋转环防护盖保护电路。

旋转式铣削振动测量仪包括安装了振动传感器的刀柄、松耦合感应电源、无线信号传送系统等部件。

1.刀柄型号为国家标准BT50，在刀柄上安装振动传感器，振动传感器直接测量出刀具的振动信号。

2.由于刀柄是旋转的，无法直接通过导线供电，所以本发明采用松耦合感应电源为刀柄提供电源。这种电源是通过电磁感应的方式将能量从静止的初级线圈传输到旋转的次级线圈上，只是初级线圈与次级线圈之间存在着间隙，且初级线圈所产生电磁场的频率较高，是一种非接触的供电方式。

3.同样由于刀柄是旋转的，难以直接通过导线将采集的振动信号输出，因此采用无线电载波的方式将振动信号发射出去，实现了信号的遥测。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：

1.在标准铣刀刀柄上直接安装振动传感器，使刀柄(即刀具)自身具备振动测试功能，切削区域(主振源)相对于振动传感器的位置保持不变，且距离很小，所测量信号是刀具本身的振动信号，振动信号不再受工件的质量、形状和装夹方式的影响。

2.采用松耦合感应电源实现了非接触、不限时连续供电，无论刀柄是否旋转均可平稳地提供电能，且不受刀柄转速的影响。

3.无线电遥测的方式实现了信号的传输，使信号接收端可以适当地远离切削区域。

附图说明

图1为常规铣削振动测量的工作原理图。

图2为本发明的安装振动传感器铣刀刀柄的结构图。

图3为本发明的松耦合感应电源的电路原理图。

图4为本发明的松耦合感应电源的结构图。

图5为本发明的无线信号传输系统原理图。

图6为本发明的电路板安装图。

图7为本发明的旋转式铣削振动测量刀柄装配图。

图8本发明在机床上的安装及整个系统的连接。

图9为本发明测量仪的剖视图。

图中：9——铣床主轴，10——铣刀，11——振动传感器，12——铣床工作台，13件，14——普通铣刀刀柄

1——安装振动传感器铣刀刀柄，2——静止环，3——旋转环，4——环形电路板，5——内装IC压电晶体加速度传感器，6——高频振荡器，7——射频接收电路，8——信号解码电路，15——传感器安装底座，16——螺钉，17——螺钉，18——振荡信号发生电路，19——功率放大器，20——变压器，21——初级线圈，22——次级线圈，23——整流稳压电路，24——插座，25——静止环导磁铁芯，26——旋转环导磁铁芯，27——AD转换电路，28——信号编码电路，29——射频发射电路，30——发射天线，31——接收天线，32——采集数据存储电路，34——串口通讯电路，35——螺钉，36——旋转环防护盖，37——螺钉，38——螺钉，39——铣刀

具体实施方式

以下结合附图所示实例对本发明作进一步的说明。本发明旋转式铣削振动测量仪包括：

1.安装振动传感器铣刀刀柄

安装振动传感器铣刀刀柄1是旋转振动测量仪的主体，用来将旋转振动测量仪与机床主轴进行连接(通过锥面)，并安装刀具，见图2，安装振动传感器铣刀刀柄1的圆锥柄部符合BT50国家标准(GB/T 10944.1-2006)。首先通过螺钉16将内装IC压电晶体加速度传感器5与传感器安装底座15固定在一起，然后通过螺钉17将内装IC压电晶体加速度传感器5和传感器安装底座15的组合体安装在刀柄1上。加速度传感器5上有插头通过电缆连接到恒流源电路上。

内装IC压电晶体加速度传感器5将电荷放大电路直接集成到传感器内部，所以不再需要外置的电荷放大器，只要与恒流源电路相配就可以测量出振动信号。这种传感器的体积很小，可以安装到刀柄上。生产这种传感器的厂家有：上海北智技术有限公司(B&W)、朗斯测试技术有限公司等，本发明选择的传感器为上海北智技术有限公司生产的型号为12510的内装IC低阻抗电压输出三轴向压电晶体加速度传感器，可以同时测量正交的三个方向的切削振动信号。

振动传感器还包括恒流源电路，这个电路有两个作用：首先为内装IC压电晶体加速度传感器5提供恒流电源；其次，由于内装IC压电晶体加速度传感器5的输出信号是叠加在直流偏压上的，通过恒流源电路实现CR高通隔直，隔掉直流偏压，只输出交流加速度信号。

2.松耦合感应电源

通过非接触电磁感应的方式为安装振动传感器铣刀刀柄提供电源，感应电源的原理见图3，振荡信号发生电路18产生高频振荡信号，经过功率放大器19进行功率放大，然后通过变压器20提升电压，并在初级线圈21中产生高频交变电流，从而在初级线圈21周围产生高频电磁场，次级线圈22被感应后产生交变电流，经过整流稳压电路23后输出稳定的电压，为恒流源电路、信号传送系统提供电源。振荡信号发生电路18、功率放大器19和变压器20共同构成高频振荡器6。

感应电源结构如图4所示，主要分为两部分：静止环2和旋转环3，静止环2是整个圆环的三分之一，其与机床床身固定，是静止不动的，旋转环3与安装振动传感器铣刀刀柄1连接在一起并随同刀柄1一起旋转。静止环2内嵌有导磁铁芯25，初级线圈21通过胶水固定在导磁铁芯25的槽内，旋转环3内嵌有导磁铁芯26，次级线圈22也通过胶水固定在导磁铁芯26的槽内。变压器20的次级线圈通过安装在静止环2上的插座24向静止环2中的初级线圈21提供高频电流，在初级线圈21周围形成交变的电磁场，通过两组相对的导磁铁芯25和26使次级线圈22感应到电磁场，从而在次级线圈22中产生交变电流，经过整流稳压电路23后就形成直流稳压电源。

由于静止环2和旋转环3之间有一定的间隙，所以实现了非接触供电。无论旋转环3是静止还是旋转均可平稳地提供电源。

3.无线信号传输系统

用来实现信号的遥测，无线信号传输系统的电路原理见图5：内装IC压电晶体加速度传感器5产生的模拟信号进入A/D转换电路27后变成数字信号，因为振动信号的采样频率较高，无法通过无线传输系统实现实时传输，即无法做到采集一个数据传输一个数据，所以需要将数据存放到采集数据存储电路32中，采集数据存储电路32起到缓冲的作用；接着进入信号编码电路28进行编码，使用SPI编码方式；编码后的信号进入射频发射电路29并通过发射天线30发射出去，射频接收电路7通过接收天线31接收到信号，然后经信号解码电路8进行解码，最后经串口通讯电路34输出。

信号编码电路28和信号解码电路8的核心芯片是可编程门阵列(简称FPGA)，所用FPGA芯片为Altera公司CycloneII系列的EP2C5。

射频发射电路29和射频接收电路7的核心是挪威Nordic Semiconductor ASA生产的射频发射/接收芯片nRF2401，这个芯片是载波频率为2.4GHz(ISM，即工业、科学和医用频段)的无线射频收发芯片。

图6说明了电路板的安装方式，其中感应电源的整流稳压电路23、AD转换电路27、采集数据存储电路32、信号编码电路28、射频发射电路29、发射天线30及恒流源电路制成一块环形电路板4，然后通过螺钉35安装在旋转环3内，旋转环防护盖36通过螺钉37固定在旋转环3上，用来保护环形电路板4。

图7说明了本发明的的旋转式铣削振动测量刀柄装配图，先通过螺钉17将内装IC压电晶体加速度传感器5和传感器安装底座15的组合体安装在刀柄1上；然后将旋转环3套入刀柄1，并用螺钉38固定；将环形电路板4通过螺钉35安装到旋转环3内；通过螺钉37将旋转环防护盖36固定到旋转环3上；然后将铣刀39安装到刀柄1上。

图8说明了本发明在机床上的安装及整个系统的连接：将静止环2通过强力磁铁吸附到铣床床身上，随后将安装振动传感器铣刀刀柄1、加速度传感器5、旋转环3及铣刀39等的组合体安装在铣床的主轴上，静止环2和旋转环3之间保证0.5mm左右的间隙；再通过导线将高频振荡器6和静止环2上的插座24连接；振荡信号发生电路18、功率放大器19、变压器20、射频接收电路7、信号解码电路8、串口通讯电路34放置在一个电器箱内，整个系统的连接完成。

本发明旋转式铣削振动测量仪的一种优选方案的技术指标为：

锥柄形式：ISO50

测量物理量：铣削振动

测量方向：正交的3个方向

采样频率：290kHz(单方向)，100kHz(三方向)

振动传感器灵敏度：20mV/g

振动传感器测量范围：250g peak

宽频带分辨率：0.0005g rms

幅值线性：1％

频率范围：0.5-6kHz

安装谐振频率：41kHz

横向灵敏度：≤5％

感应电源可提供电能：0.5W(最大)

感应电源传输效率：约30％

感应电源静止环和旋转环之间间隙：0.5～0.8mm

无线传输载波频率：2.4GHz

无线发射天线：内置式

无线信号传输距离：＜3m

无线信号传输编码方式：SPI协议

无线传输频率：3.1kHz(最高)

A/D转换：12位

输出信号通讯方式：RS232

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铣削振动测量仪，其包括刀具刀柄、供电系统、信号传送系统，其特征在于：其还包括振动传感器，振动传感器安装在刀柄上测量出刀具的振动信号；信号传送系统接收振动信号并发送；供电系统提供电源；所述供电系统包括高频振荡器、静止环和旋转环，静止环固定于机床床身上，静止环不是一个完整的环，是整个圆环的三分之一，其内嵌有内部固定有初级线圈的导磁铁芯；旋转环固定于刀柄上，其内嵌有内部固定有次级线圈的导磁铁芯，还包括置于旋转环内的恒流源电路，静止环上还设有用来将高频振荡器产生的电流信号输送给初级线圈的插座。

2.如权利要求1所述的铣削振动测量仪，其特征在于：所述振动传感器采用恒流源电路供电，恒流源电路置于供电系统内。

3.如权利要求1所述的铣削振动测量仪，其特征在于：所述振动传感器采用内置IC压电晶体加速度传感器。

4.如权利要求1所述的铣削振动测量仪，其特征在于：所述供电系统采用感应供电方式。

5.如权利要求1所述的铣削振动测量仪，其特征在于：所述高频振荡器的振荡信号发生电路产生高频振荡信号，经功率放大器进行功率放大及变压器提升电压，由插座输送至初级线圈中产生高频交变电流，从而在初级线圈周围产生高频电磁场，次级线圈被感应后产生交变电流，经过整流稳压电路后输出稳定的电压对旋转环内的所有电路供电。

6.如权利要求1所述的铣削振动测量仪，其特征在于：所述旋转环内还安装有整流稳压电路，通过旋转环防护盖保护电路。

7.如权利要求1所述的铣削振动测量仪，其特征在于：所述信号传送系统通过A/D转换将模拟信号转换成数字信号，并将数据进行存储，然后再将存储的数据进行编码并以无线电波的形式将信号发射出去并接收信号，实现信号的无线传输。

8.如权利要求7所述的铣削振动测量仪，其特征在于：所述信号传送系统包括A/D转换电路，接收振动传感器的模拟量输出信号并转换成数字信号；采集数据存储电路，用来保存A/D转换后的数据；编码电路，对数字信号进行编码；发射电路，发射编码后的信号；接收电路，接收发射电路发出的信号；解码电路，对接收到的信号解码还原；还原数据存储电路，用来保存解码后的数据；串口通讯电路，输出解码还原后的数字信号。

9.如权利要求8所述的铣削振动测量仪，其特征在于：所述A/D转换电路、采集数据存储电路、编码电路及发射电路置于供电系统的旋转环内，通过旋转环防护盖保护电路。

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