CN104015098B - 用于机加工中刀杆振动信号的实时监测装置及其监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于机加工中刀杆振动信号的实时监测装置，包括刀柄、刀杆、采集卡和计算机，刀杆设有第一轴向盲孔，该第一轴向盲孔的开口位于刀杆的后端，第一轴向盲孔内、且位于刀头端嵌装有压电式振动传感器；刀柄设有与第一轴向盲孔对正的第二轴向盲孔，第一、第二轴向盲孔的交界处设有数据接口，自压电式振动传感器的输出端至数据接口连接有传输线，第一轴向盲孔内填充有环氧树脂；刀柄的中部设有凹槽，凹槽内设有微处理器和蓝牙装置，微处理器和蓝牙装置之间及数据接口与微处理器之间均连接有数据线；蓝牙装置与采集卡之间、蓝牙装置与计算机之间均分别采用无线传输。本发明使用方便，通用性较强。本发明中还公开了对应的监测方法。

Description

用于机加工中刀杆振动信号的实时监测装置及其监测方法
技术领域
本发明涉及一种刀具磨损监测系统，尤其涉及一种刀具振动信号监测系统。
背景技术
目前，机加工振动数据的采集都是采用粘贴在机床或者主轴上的振动传感器来进行，然后通过传输线传到数据采集卡，计算机控制采集卡进行采集，然后把这些数据保存在计算机中或者实时处理来实现对加工误差的补偿。仪器较多，连线复杂，不易携带，给使用人员带来很多不必要的时间浪费。
发明内容
针对现有技术中存在技术问题，本发明用于机加工中刀杆振动信号的实时监测装置是将传感器嵌入到刀杆中，刀杆和刀柄之间通过一个标准的数据接口连接，刀柄中嵌装有采用有线连接的微处理器和蓝牙装置，蓝牙装置与采集器和计算机之间采用无线数据传输，本发明使用方便，通用性较强。
为了解决上述技术问题，本发明一种用于机加工中刀杆振动信号的实时监测装置，包括刀柄、刀杆、采集卡和计算机，所述刀杆设有第一轴向盲孔，该第一轴向盲孔的开口位于刀杆的后端，所述第一轴向盲孔内、且位于刀头端嵌装有压电式振动传感器；所述刀柄设有与所述第一轴向盲孔对正的第二轴向盲孔，所述第一轴向盲孔和所述第二轴向盲孔的交界处设有数据接口，自所述压电式振动传感器的输出端至所述数据接口连接有传输线，所述第一轴向盲孔内填充有环氧树脂；所述刀柄的中部设有凹槽，所述凹槽内设有微处理器和蓝牙装置，所述微处理器和蓝牙装置之间及所述数据接口与微处理器之间均连接有数据线；所述蓝牙装置与所述采集卡之间用无线传输。
本发明一种用于机加工中刀杆振动信号的实时监测方法，包括以下步骤：
步骤一、信号的采集：首先，压电式振动传感器将监测到的刀具振动信号转变为电压量的模拟信号，通过传输线将该电压量的模拟信号传输到刀柄中的微处理器中，所述微处理器中的A/D转换模块将该电压量的模拟信号转换成数字信号,微处理器中的储存器将转换后的数字信号储存起来，等待传输出去和被调用，微处理器中的控制器控制蓝牙装置是否开始或停止数据的传输；
步骤二、信号的传输：蓝牙装置在接到微处理器传输数据的指令后，
在发送模式下，采集的数据由基带模块输入，在合成器中进行载波调制，调制后的信号进入发送模块，在发送模块中，收发控制线选通低噪放大器，将调制信号放大，并由巴伦转为非平衡信号输出至收发控制开关；再由收发控制线选通至滤波器，通过天线向外发送；
在接收模式下，信号由天线接收，经过滤波器和收发控制开关进入接收模块，接收模块首先通过巴伦将从天线传来的不平衡信号转为平衡信号；然后通过接收模块的低噪放大器将接收的微弱信号放大，最后在解调电路中与从合成器提供的本振信号进行作用，将载波信号解调输出；
采集卡对接收模块接收到的数据进行采样，然后将采样后的数据传输到计算机上，以TXT的格式保存下来，进而进行处理和分析；
步骤三、信号的处理：在计算机中通过labview或者matlab软件对信号进行调用和处理，首先，采用小波变化或者快速傅里叶变换对数据进行处理；其次，进行特征信号提取，选取时域、频域以及时频域的特征；然后，应用神经网络、隐马尔科夫或者支持向量机进行模式识别，实现刀具磨损的识别，进而实时掌握刀具磨损的值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明监测装置可以在现有技术中普通监测系统基础上，通过对现有普通刀柄进行改装后获得，即：把传感器嵌入到刀杆中同时把微处理器和蓝牙无线传输装置嵌入到刀柄中，并通过微处理器和蓝牙装置即计算机实现信号的采集、处理、传输和控制反馈等。本发明将在线监测的理念和数据无线传输相结合，使得加工过程监测更加方便，刀具振动的信号被刀杆上的振动传感器采集，经传输线传到刀杆与刀柄的接口，再传到刀柄上的微处理器中，经放大器进行信号的放大，经滤波装置进行信号的去噪与预处理，然后经过微处理器的A/D转换，得到的数据通过蓝牙装置无线传输到计算机中，计算机中的采集卡对数据进行采集和处理，通过对数据进行分析得到结果。本发明实用性强，通用性好，由于是嵌入式的结构，所以结构简单可靠，除此之外，传感器距离加工位置较近，所以精度较高，并且效果更好，采用无线的信号传输，使得安装和使用起来更加方便。本发明监测方法与现有技术中的监测方法相比，携带方便，对加工精度、加工质量和机床刀具寿命的提高都有很好的效果。
附图说明
图1是本发明监测装置的结构示意图；
图2是本发明监测装置中刀杆的结构示意图
图3是本发明监测装置实现信号传递的流程图。
图中：1-刀柄，2-刀杆，3-第一轴向盲孔，4-压电式振动传感器，6-数据接口，7-传输线，8-微处理器，9-蓝牙装置，10-环氧树脂。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1和图2所示，本发明一种用于机加工中刀杆振动信号的实时监测装置，包括刀柄1、刀杆2、采集卡和计算机，所述刀杆2设有第一轴向盲孔3，该第一轴向盲孔3的开口位于刀杆2的后端，所述第一轴向盲孔3内、且位于刀头端嵌装有压电式振动传感器4；所述刀柄1设有与所述第一轴向盲孔3对正的第二轴向盲孔，所述第一轴向盲孔3和所述第二轴向盲孔的交界处设有数据接口6，自所述压电式振动传感器4的输出端至所述数据接口6连接有传输线7，所述第一轴向盲孔内填充有环氧树脂10；所述刀柄1的中部设有凹槽，所述凹槽内设有微处理器8和蓝牙装置9，所述微处理器8和蓝牙装置9之间及所述数据接口6与微处理器8之间均连接有数据线；所述蓝牙装置9与所述采集卡之间、所述蓝牙装置9与计算机之间均分别采用无线传输。
本发明实施过程中，可以在现有的普通刀杆上进行加工得到：在普通刀杆上打盲孔，在孔的顶端安装压电式振动传感器，利用工业上用胶把该传感器粘在孔的最顶端固定起来。通过环氧树脂将该传感器的数据线在孔内密封固定起来，另外，环氧树脂还有绝缘的作用。刀杆上的数据接口就是该传感器的输出接头，本发明中采用的是3-56的接头，相应地，在刀柄的一端上采用的就是3-56的对应接口，保证数据的流畅传输，接头用胶粘在刀杆上固定起来，接口利用胶固定在刀柄上。刀柄的加工是在普通刀柄的中间部分切削出一个方形洞，在里面安装微处理器和蓝牙装置。刀柄与刀杆连接的一端端面打一个孔直接通到方洞的内部，使接口处的线能够直接连到微处理器上，使该传感器的数据能够通过传输线传输过来。微处理器和蓝牙装置通过数据线连接起来，微处理器和蓝牙装置都粘在该方形洞的内壁上固定起来，相应的连线也都固定在内壁上。本发明中，所述采集卡插装在计算机的主机板上，所述微处理器和蓝牙装置均采用的是内置电源，使用一段时间后可以更换。
采用上述本发明用于机加工中刀杆振动信号的实时监测装置，其中，采用PCB的352C23微型单轴传感器来采集加工过程中的振动信号，所述微处理器采用ATMEGA128单片机，所述蓝牙装置采用HC-06蓝牙装置，通过对振动信号的分析来实时掌握刀具磨损的值，进而对加工过程进行优化控制，如图3所示，其步骤如下：
步骤一、信号的采集：首先，压电式振动传感器进行信号的采集,由于压电效应，刀具中的压电式振动传感器把监测到的刀具振动信号变成传感器中电荷的变化，进而通过相应的电路变成电压的变化。其次，这些电压量的模拟信号通过传输线传输到刀柄中的微处理器ATMEGA128主控芯片中，由该芯片中的A/D转换模块将电压量的模拟信号转换成数字信号,完成了信号的模数转换。该芯片中还有储存器和控制器两个部分，控制部分通过相应的指令控制蓝牙装置传输数据的开始与停止，该芯片中的储存器把这些转换后到的数字信号信息储存起来，等待传输出去和被调用。
步骤二、信号的传输：本发明采用蓝牙装置实现串行通信是通过无线射频链接。蓝牙装置主要由无线收发单元、链路控制单元和链路管理及主机I/O这三个单元组成。就其基本原理来说，蓝牙射频模块一般由接收模块、发送模块和合成器这三个模块组成，具体在本发明中发送模块就是安装在刀柄中的蓝牙发射器，接收模块就是连接采集卡的蓝牙接收器，蓝牙装置在接到微处理器传输数据的指令后，
当射频模块在发送模式下时，采集的数据由基带模块输入，在合成器中进行载波调制，调制后的信号进入发送模块。在发送模块中，收发控制线选通低噪放大器，将调制信号放大，并由巴伦转为非平衡信号输出至收发控制开关。再由收发控制线选通至滤波器，通过天线向外发送。
当射频模块在接收模式下时，信号由天线接收，经过滤波器和收发控制开关进入接收模块。接收模块首先通过巴伦将从天线传来的不平衡信号转为平衡信号(这样可以得到较高的共模抑制比)；然后通过一个低噪放大器将接收的微弱信号放大，最后在解调电路中与从合成器提供的本振信号作用，将载波信号解调输出。
接收模块接收到的数据经过采集卡采样，然后经数据传输到计算机上，以TXT的格式保存下来，进而进行处理和分析。
步骤三、信号的处理：在计算机中通过labview或者matlab软件对信号进行调用和处理，首先，采用小波变化或者快速傅里叶变换对数据进行处理；其次，进行特征信号提取，选取时域、频域以及时频域的特征；然后，应用神经网络、隐马尔科夫或者支持向量机进行模式识别，实现刀具磨损的识别，进而实时掌握刀具磨损的值，对得到的数据实时监测，设置警戒值，使机床，刀具更好的工作。
本发明监测装置采用嵌入式传感器的刀杆，由于传感器位置距离加工位置比较近，所以采集到的信号更加准确。同时，把传感器嵌入到刀杆，把微处理器嵌入到刀柄中以及采用蓝牙装置的无线传输使得本发明的监测装置更加便捷，使用更方便。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种用于机加工中刀杆振动信号的实时监测装置，包括刀柄(1)、刀杆(2)、采集卡和计算机，其特征在于，
所述刀杆(2)设有第一轴向盲孔(3)，该第一轴向盲孔(3)的开口位于刀杆(2)的后端，所述第一轴向盲孔(3)内、且位于刀头端嵌装有压电式振动传感器(4)；
所述刀柄(1)设有与所述第一轴向盲孔(3)对正的第二轴向盲孔，所述第一轴向盲孔(3)和所述第二轴向盲孔的交界处设有数据接口(6)，自所述压电式振动传感器(4)的输出端至所述数据接口(6)连接有传输线(7)，所述第一轴向盲孔内填充有环氧树脂(10)；
所述刀柄(1)的中部设有凹槽，所述凹槽内设有微处理器(8)和蓝牙装置(9)，所述微处理器(8)和蓝牙装置(9)之间及所述数据接口(6)与微处理器(8)之间均连接有传输线；
所述蓝牙装置(9)与所述采集卡之间采用无线传输。
2.根据权利要求1所述用于机加工中刀杆振动信号的实时监测装置，其特征在于，所述压电式振动传感器为PCB的352C23微型单轴传感器。
3.根据权利要求1所述用于机加工中刀杆振动信号的实时监测装置，其特征在于，所述微处理器采用ATMEGA128单片机。
4.根据权利要求1所述用于机加工中刀杆振动信号的实时监测装置，其特征在于，所述蓝牙装置采用HC-06蓝牙装置。
5.一种用于机加工中刀杆振动信号的实时监测方法，其特征在于，采用如权利要求1～4中任一所述用于机加工中刀杆振动信号的实时监测装置，并包括以下步骤：
步骤一、信号的采集：首先，压电式振动传感器将监测到的刀具振动信号转变为电压量的模拟信号，通过传输线将该电压量的模拟信号传输到刀柄中的微处理器中，所述微处理器中的A/D转换模块将该电压量的模拟信号转换成数字信号,微处理器中的储存器将转换后的数字信号储存起来，等待传输出去和被调用，微处理器中的控制器控制蓝牙装置开始或停止数据的传输；
步骤二、信号的传输：蓝牙装置在接到微处理器传输数据的指令后，
在发送模式下，采集的数据由基带模块输入，在合成器中进行载波调制，调制后的信号进入发送模块，在发送模块中，收发控制线选通低噪放大器，将调制信号放大，并由巴伦转为非平衡信号输出至收发控制开关；再由收发控制线选通至滤波器，通过天线向外发送；
在接收模式下，信号由天线接收，经过滤波器和收发控制开关进入接收模块，接收模块首先通过巴伦将从天线传来的不平衡信号转为平衡信号；然后通过接收模块的低噪放大器将接收的微弱信号放大，最后在解调电路中与从合成器提供的本振信号进行作用，将载波信号解调输出；
采集卡对接收模块接收到的数据进行采样，然后将采样后的数据传输到计算机上，以TXT的格式保存下来，进而进行处理和分析；
步骤三、信号的处理：在计算机中通过labview或者matlab软件对信号进行调用和处理，首先，采用小波变换或者快速傅里叶变换对数据进行处理；其次，进行特征信号提取，选取时域、频域以及时频域的特征；然后，应用神经网络、隐马尔科夫或者支持向量机进行模式识别，实现刀具磨损的识别，进而实时掌握刀具磨损的值。
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