CN102179728A

CN102179728A - 一种数控刀具磨损智能检测装置

Info

Publication number: CN102179728A
Application number: CN 201110060365
Authority: CN
Inventors: 毛显源; 林军; 何凤琴
Original assignee: Shanghai Normal University
Current assignee: Shanghai Normal University; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明属于机械加工刀具磨损检测装置，一种数控刀具磨损智能检测装置：由传感器信号处理电路在线检测刀具在切削加工过程中的切削温度和切削振动值；在液晶显示电路显示被测参数值及其随时间变化的动态曲线；单片机控制电路根据曲线判断磨损速率，预先判断刀具的磨损，进行分析处理；当被测温度值与振动量中任意一个值超过临界值，报警电路自动报警。本发明不依靠检测人员感觉和人工估计，可以实现数控刀具切削温度和振动值的检测及磨损报警，使刀具和机床既发挥最大加工能力，又得到了有效的保护，提高刀具的使用寿命和加工质量，成本低，电路结构简单，控制方便，而且运行稳定，能应用于不同的切削加工工况，提高了系统的兼容性及适应性。

Description

一种数控刀具磨损智能检测装置

技术领域

本发明属于机械加工刀具磨损检测装置，具体是通过刀具切削过程中物理量的变化进行在线自动监测。

背景技术

在数控机床、柔性加工系统等自动化或半自动化机械加工技术中，刀具是影响零件加工质量及生产效率的最直接的因素。针对目前现有的刀具磨损检测装置中存在的非实时性和适用范围的局限性，不能精确针对刀具在切削过程中的磨损实际情况进行及时控制，因此，影响产品加工的质量和加工过程的自动化水平，亟需有所改进和进一步提高。

发明内容

本发明精确针对刀具在切削过程中的磨损实际情况进行及时控制，达到进一步提高刀具切削质量和自动控制的目的。

本发明的目的由如下技术方案实现：

一种数控刀具磨损智能检测装置，包括传感器信号处理电路、矩阵式薄膜按键电路、单片机控制电路、液晶显示电路、报警电路，其特征是：

由传感器信号处理电路在线检测刀具在切削加工过程中的切削温度和切削振动值；

在液晶显示电路显示被测参数值及其随时间变化的动态曲线；

单片机控制电路根据曲线判断磨损速率，预先判断刀具的磨损，进行分析处理；

当被测温度值与振动量中任意一个值超过临界值，报警电路自动报警。

进一步，所述传感器信号处理电路采用IEPE型压电加速器+TLC2543和K型热电偶+MAX6675。

进一步，所述矩阵式薄膜按键电路采用4X4矩阵键盘选择输入16种不同材料匹配。

进一步，所述单片机控制电路采用RS232接口进行信号传送。

本发明以市电通过AC-DC变换得到的稳压电源为供电电源。通过IEPE型压电加速计+TLC2543和热电偶+MAX6675及其信号调理电路，将采集到的模拟信号转化为12位的数字信号，经过进一步的数据处理得到所需的物理量(即温度值与振动量)，再将检测到的物理量送入MCU，控制物理量的动态显示并与设定的刀具磨损临界值相比较，同时微处理器还可以将采样温度以及振动值上传给计算机，通过计算机对不同加工材料和刀具材料的采样值进行分析，预判磨损速率，并当被测物理量超过临界值时，系统启动声光报警电路报警。

本发明在研究数控刀具在切削加工不同工件材料过程中，刀具磨损导致的切削温度以及切削振动的变化特征的基础上，提供了一种数控刀具磨损智能检测系统，完成了数控刀具磨损智能检测装置的产品样机，并进行了现场切削试验。此装置通过同时在线检测两种刀具磨损因子，能够更有效地实现刀具磨损情况的在线检测，能应用于不同的切削加工工况，并在液晶上显示温度和振动值，以及两参数随时间变化的动态曲线，并在特定临界温度和临界振动上报警，具有较宽的适用范围，有利于促进加工过程的自动化。

本发明克服现有刀具磨损检测系统存在的非实时性和使用范围窄的缺陷，通过同时在线检测刀具磨损导致的两个参数的变化，可提高数控机床及刀具工作的可靠性，具有较好的兼容性和较广的使用范围。本发明不仅能自动测出刀具的温度和振动，实现刀具磨损自动报警，还能够在液晶上显示被测参数值及其随时间变化的动态曲线，根据观察曲线斜率，可预先判断刀具的磨损速率，同时可通过RS232与PC相连，在上位机上动态刷新被测参数，实现实时预测与实时监测的功能。本发明开发的装置通过试验内置16种不同工件材料与刀具材料匹配的刀具磨损预设限值，便于不同加工工况下刀具磨损检测判断及报警。

本发明的有益效果是：

1)不依靠检测人员感觉和人工估计，可以实现数控刀具切削温度和振动值的检测及磨损报警，使刀具和机床既发挥最大加工能力，又得到了有效的保护，提高刀具的使用寿命和加工质量。

2)系统采用STC89S52芯片为控制核心，成本低，电路结构简单，控制方便，而且运行稳定，具有较高的通用性和实用价值。

3)系统通过同时检测两个刀具磨损因子，能应用于不同的切削加工工况，提高了系统的兼容性及适应性。

附图说明

图1是检测系统原理图

图2液晶显示电路

图3是薄膜按键电路

图4是MAX6675_AD K型热电偶测量转换电路

图5是TLC2543_AD转换电路

图6是声光报警电路

图7是系统主程序流

图8是温度测量电路MAX6675时序图

图9是MAX6675数据采样流程

图10是振动测量电路TLC2543时序图

图11是振动测量电路TLC2543的软件流程

图12是采样数据处理软件流程

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案作具体说明。

主要硬件部分

数控刀具磨损智能检测系统硬件，整个电路由传感器信号处理电路，矩阵式薄膜按键电路，单片机控制电路，报警电路，液晶显示电路，以及RS232接口电路组成。

1、液晶显示电路(如图2)

电路中使用的以ST7920为控制器和服务器的12864中文图形显示液晶。主要实现刀具加工前刀具材料选择界面的现实、相应操作提示说明的界面显示、以及刀具加工过程中被测参数的动态显示。液晶显示模块有并行和串行两种连接方法，为了提高系统的响应速度，本装置在合理安排I/O口资源的情况下采用并行连接方法。

利用ST7920驱动器在液晶面板上显示字母、数字字符、中文字型以及自定义图形，提供8位微处理器界面、4位微处理器界面以及串列界面三种控制界面；功能包含显示RAM、字型产生器、以及液晶驱动和控制器，都包含在一个单晶片里面，只要一个最小的微处理器，就可以操作本LCD控制/驱动IC。本ST7920的字型ROM包括8192个16*16点的中文字型以及126个16*8点半宽的字母符号字型，另外绘图显示界面提供一个64*256点的绘图区域(GDRAM)及240点的ICON RAM，可以和文字画面混合显示，而且ST7920内包含CGRAM提供4组软件可规划的16*16造字功能。

2、薄膜按键电路(如图3)

设计中所使用的按键，直接与单片机的P1口相连接。矩阵键盘由16个按键构成，分别对应16种不同刀具材料和工件材料的组合，主要用于被测刀具材料的选择和输入。在启动检测装置之前，通过按键输入需要检测的刀具材料种类，调用数据库中相应的检测数据，使MCU辨别出相应刀具的种类及其磨损时振动和温度的临界值。

3、温度传感器K型热电偶

热电传感器是利用转换元件的参数随温度变化的特性，将温度和与温度有关的参数变化转换为热电动势变化输出的装置，具有结构简单、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点。其产生的热电势满足下列关系：

E_AB(t，0)＝E_AB(t，t₀)+E_AB(t₀，0)——t为热端温度

——to为冷端温度，0代表0℃

由于在以K型热电偶为测温元件的工业测温系统中，热电偶输出的热电动势信号必须经过中间转换环节，才能输入基于单片机的控制系统。因此，我们选用了MAXIM公司的MAX6675，此芯片对其内部元器件的参数进行了激光校正，集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与12位数字转换器，可直接与单片机相连接，简化了系统设计，保证温度测量的快速、准确。

4、MAX6675_AD转换电路(如图4所示)

MAX6675是美国MAXIM公司生产的带有冷端温度补偿、线性校正、热电偶断线检测等功能的K型热电偶测量转换电路，其输出为12位二进制数字量。测温范围0～1023.75℃，温度分辨能力为0.25℃，在0～700℃范围内温度显示误差不大于8LSB。冷端补偿范围为-20～+85℃，工作电压3.0～5.5V其中的U4接口接热电偶的两端，其片选端、时钟信号断和数据传输端直接与单片机的P2口相连。

MAX6675在测温应用中，由于冷端温度不稳定、芯片自发热和电源噪声的影响而使其测量精度急剧降低。为了降低芯片的测量误差，使MAX6675获得最佳的测量精度，应采取相应的补偿措施。补偿措施包括冷端补偿、热补偿以及噪声补偿。为了最大限度地降低冷端误差，采取在MAX6675附近不放置任何发热元器件的冷端补偿措施。为降低芯片自热引起的测量误差，采取在布线时使用大面积接地技术的热补偿措施。为降低电源噪声的影响，采取在MAX6675的电源引脚附近接入一只0.1F陶瓷旁路电容的噪声补偿措施。

5、IEPE型压电加速器

采用BW Sensor 100系列的141通用传感器为振动传感器，配备恒流电压源，输出为-5V至+5V的电压信号，灵敏度为10m V/ms^-2，分辨率为0.001m/s²，测量范围为1000m/s²，绝缘电阻大于1x10⁸Ω，可直接与AD相连无需其它二次仪表。IEPE型加速度传感器中换能器输出的电荷通过装在传感器内部的前置放大器，将振动信号转换成与加速度成正比的低阻抗电压输出。通常为二线输出形式，即采用恒电流电压源供电，直流供电和信号使用同一根线。其中，直流电部分在恒电流电源的输出端通过高通滤波器滤去，具有测量信号质量好、噪声小、抗外界干扰能力强和远距离测量等优点。

由于一般数控加工环境都会有强电磁场、噪声等干扰，在线监测刀具的振动情况时，高阻抗的电荷信号在从传感器传输到数字采集系统时非常容易受到干扰。从理论上分析，在剪切力作用下压电材料产生的电荷信号受外界干扰的影响较小，又由于压电陶瓷具有较高的压电系数和居里点，因此选用以具有剪切形式的压电陶瓷为敏感芯体的、带内置电路的电压输出型加速度传感器。结合考虑温度、湿度和腐蚀对传感器的影响，选择灵敏度为10mV/ms^-2。传感器的外壳与被测物体间采用螺钉安装，安装底座对地绝缘，使传感器浮地以免形成接地回路。采用M6或TNC接头、BNC传输线和双层屏蔽外壳，降低外界干扰。

6、TLC2543_AD转换电路(如图5)

电路设计中，采用TLC2543模数转换芯片，用于转换IEPE型加速度变送器送来的模拟信号。将恒流源输出端与TL2543_IN的任意通道相连，将被测到的电压信号转换成12位数字信号送入MCU的P2口。

在电路设计时，还注意电源去耦、接地以及电路板布线的问题。当使用TLC1543时，每一个模拟IC的电源端用一个0.1uf并一个10uf的陶瓷电容连接到地，作为去耦电容。将模拟地与数字地分开，防止数字部分的噪声电流通过模拟地回路引入，产生噪声高压，从而对模拟信号产生影响等。

7、声光报警电路(如图6)

当单片机检测到的温度或振动信号超过临界值时，单片机P2^0口输出低电平使三极管导通，启动声光报警电路报警。

软件部分

1、系统主程序流程(如图7)

2、温度测量模块软件设计

温度测量模块的数据采集设计重点在测量电路MAX6675测温数据的读取。MAX6675的时序图如图10所示。

温度值＝1023.75×转换后的数字量/4095

MAX6675与MCU通过SPI接口进行通讯。通过SPI采集数据，这个数据流向是双向的，即当MAX6675把数据一位一位传给单片机时，单片机也必须输出一定时序脉冲，每次采集必须连续输出16个脉冲。MAX6675的工作时序如下图所示，当CS引脚由高电平变为低电平时，MAX6675停止任何信号的转换并在时钟SCK的作用下向外输出已转换的数据；当CS从低电平变回到高电平时，MAX6675将进行新一轮的转换。数据的读取在SCK的下降沿进行，一个完整的数据读取需要16个时钟周期。

MAX6675的输出数据为16位，输出时高位在前，低位在后。第一位D15为无用位；第D14-D3为热电偶模拟输出电势转换的12位数字量；D2位为热电偶断线检测位，当D2位为1时表明热电偶断线；D1位为MAX6675标识符；D0为三态。MAX6675数据采样流程如图11所示。

3.振动测量模块软件设计

振动测量模块的数据采集设计重点在测量电路TLC2543数模转换数据的读取。TLC2543的工作过程包括两个周期：I/O口周期和实际转换周期。TLC2543的时序图如图10所示。

I/O口周期有外部提供的I/O CLOCK定义、延续8、12或者16个时钟周期，这取决于选定的输出数据的长度。在I/O CLOCK的前8个脉冲上升沿，以MSB前导方式从DATA INPUT端输入8为数据流到输入寄存器。其中四位为模拟通道地址，控制14通道模拟多路器从11个模拟输入和3个内部自测电压中，选通一路送到采样保持电路，该电路从第四个I/O CLOCK的下降沿开始对所选信号进行采样，一直到最后一个脉冲的下降沿。I/O口周期的时钟脉冲个数与输出数据长度同时由输入数据的D3、D2位选择为8、12或16。当作用在12或者16位时，在前8个时钟脉冲之后，DATA INPUT便无效。

在DATA OUT端串行输出8、12或16位数据。当/CS保持为低时，第一个数据出现在EOC的上升沿，若转换是由/CS控制，则第一个数据出现在/CS的下降沿。这个数据串是前一次转换的结果，在第一个输出数据位之后的每个后续位，由后续的I/O时钟每个下降沿输出。

I/O口周期的最后一个I/O CLOCK下降沿之后，EOC变低，采样值保持不变，转换周期开始，片内转换器对采样值进行逐次逼近式A/D转换，其工作由I/O CLOCK同步的内部时钟控制。转换完成之后EOC变高，转换结果锁存在输出数据寄存器中，等待下一个I/O周期输出。I/O周期和转换周期交替进行，从而减小外部的数字噪声对转换精度的影响。TLC2543的软件流程如图11所示。

4.采样数据处理软件设计

由于输入信号为温度信号，信号的变化频率不大，精度要求也不高，故0.1秒采样一次，同时采用中位值平均滤波的方法进行软件滤波处理干扰信号。这种方法兼容了递推平均滤波算法和中值滤波算法的优点，先用中值滤波算法滤掉采样值中的脉冲干扰信号，再把剩余的各采样值进行递推平均滤波。无论对缓变信号还是快速变化的信号都能取得较好的滤波效果。其基本算法如下：

y₁≤y₂≤...≤y_n，其中，3≤N≤4；

\overset{&OverBar;}{y} = (y_{2} + y_{3} + \cdot \cdot \cdot + y_{n - 1}) / (N + 2)

采样数据处理的软件流程如图12所示。

Claims

1.一种数控刀具磨损智能检测装置，包括传感器信号处理电路、矩阵式薄膜按键电路、单片机控制电路、液晶显示电路、报警电路，其特征是：

2.根据权利要求1所述数控刀具磨损智能检测装置，其特征在于所述传感器信号处理电路采用IEPE型压电加速器+TLC2543和K型热电偶+MAX6675。

3.根据权利要求1所述数控刀具磨损智能检测装置，其特征在于所述矩阵式薄膜按键电路采用4X4矩阵键盘选择输入16种不同材料匹配。

4.根据权利要求1所述数控刀具磨损智能检测装置，其特征在于所述单片机控制电路采用RS232接口进行信号传送。