CN104128845B - 一种超声切削主轴状态监测系统的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声切削主轴状态监测系统及方法，该系统包括主板、数据采集卡、LCD显示屏和传感器。主板与数据采集卡之间通过总线连接，LCD显示屏驱动单元通过VGA接口与主版相连来驱动触摸屏，传感器与采集卡之间通过排线连接，传感器采集到主轴系统的电压、电流、温度信号，经过数据采集卡进行A/D转换，然后将数据传送到主板，主板再通过VGA接口将数据传送到显示屏，显示屏来显示采集到的数据，判别系统状态。本发明能够对换能器两端的电压、电流在线监测，能够对功率管温度在线监测，能够对换能器温度在线监测，能够对节点温度在线监测，其监测具有实时性、准确性、可靠性和安全性。

Description

一种超声切削主轴状态监测系统的监测方法

技术领域

本发明涉及一种状态监测系统及方法，特别是一种超声切削主轴状态监测系统及方法。

背景技术

蜂窝复合材料具有极佳的抗压、抗弯特性和超轻型的结构，不易变形，不易开裂和断裂，并具有减震、隔音、隔热和极强的耐候性等优点。在航空航天、军事、电子、汽车和生物工程等领域正得到越来越广泛的应用，并且不断地向新的领域扩展。

随着近几十年超声加工技术的发展，我国在蜂窝复合材料切削机理、刀具材料、刀具结构、加工工艺、表面质量评价技术等方面取得了很多有益的成果。浙江大学机械工程系的谢坤等人对纸基蜂窝零件的新加工工艺研究。中航工业成飞数控加工厂高涛等人对超声波机床的蜂窝芯数控加工技术的研究。浙江大学刘刚对纸基蜂窝芯零件高速铣削加工固持系统的研究。

然而蜂窝复合材料超声切削加工过程中的可靠性研究相对较少，缺乏一套完整的对超声切削主轴综合故障参数的监测装置以及监测方法。因此，对超声切削主轴系统的状态监测，对提高加工过程的可靠性、安全性，提高加工质量、加工效率具有十分重要的作用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种能够实时、准确、快速的监测超声切削主轴状态的超声切削主轴状态监测系统及方法。

一种超声切削主轴状态监测系统，包括PCM-3362N-S6A1E主板、PCH2155数据采集卡、10.4SVGA TFT LCD显示屏和传感器。主板与PCH2155数据采集卡之间通过PCI104总线连接，即通过120针2mm孔堆栈插座连接，10.4SVGA TFT LCD显示屏驱动单元通过VGA接口与主版相连来驱动触摸屏，触摸屏用于完成各界面之间的相互切换、阀值参数的设置和动态曲线的显示。传感器与采集卡之间用杜邦线连接，传感器采集到主轴系统的电压、电流、温度信号，经过数据采集卡进行A/D转换，然后将数据传送到PCM-3362N-S6A1E主板，主板再通过VGA接口将数据传送到10.4寸显示屏，显示屏来显示采集到的数据，判别系统状态。

一种超声切削主轴状态监测方法，具体包含以下步骤：

步骤一：数据采集卡校准。

安装好采集卡PCH2155，打开电源，预热15分钟后对其进行零点校准和满度调节。

步骤二：数据采集。将电压、电流传感器分别接在超声切削主轴系统的超声发生器的输出导线上，第一接触式温度传感器固定于变幅杆所位于的法兰处，第二接触式温度传感器用螺栓固定于发生器内部的功率管处，非接触式温度传感器的感应接头正对换能器的外侧面，非接触式温度传感器的感应接头与换能器的外侧面水平距离为8-10cm；打开超声发生器的电源开关，设置发生器的工作频率在20KHZ，点击启动，使超声切削主轴系统处于工作状态。待主轴系统工作1—2分钟后开始利用传感器采集温度、电压、电流相关数据。

步骤三：A/D转换。传感器将采集到的温度、电压、电流数据以电压量的形式传送到数据采集卡PCH2155.采集卡接收到数据后进行A/D转换。

步骤四：将转换后的数据传送到主板PCM3362。

步骤五：数据处理。PCM3362主板对传送过来的温度数据，首先进行滤波，然后利用公式T＝t/0.01进行计算，t表示传感器传送给主板的温度值，得到主轴系统工作中监测点的温度真值T。对传送过来的电流电压数据，利用正交相关变换，计算得到阻抗角。正交相关变换计算得到阻抗角的步骤具体如下：

(1)首先在τ＝0和τ＝1条件下实时获取变化后的信号频率f₁，τ表示时间常数；

(2)通过变化后的信号频率f₁计算角度偏差α

①

其中，f₁是步骤一中获取的频率，fs为采样频率，温度的采样频率为2HZ，电压电流的采样频率为100KHZ，N₀为正整数；

(3)修正u₁(t)与u₂(t）互为正交相关

换能器电压数字量和电流数字量分别做时间常数等于0和1的相关计算，其运算结果如下公式∶

$R_{{\mathrm{iu}}_1}\left(0\right)=\frac{UI}{2}cos({\mathrm{\θ}}_U-{\mathrm{\θ}}_I)$ ②

$R_{{\mathrm{iu}}_1}\left(1\right)=\frac{UI}{2}cos(\frac{2{\mathrm{\πf}}_1}{f_s}-{\mathrm{\θ}}_U+{\mathrm{\θ}}_I)$ ③

所引入的与换能器电压成正交关系的换能器电压数字量与电流数字量做时间常数等于0的相关计算；考虑到信号与白噪声之间的非相关性，其运算结果如下公式：

$R_{{\mathrm{iu}}_2}\left(0\right)=\frac{UI}{2}sin({\mathrm{\θ}}_U-{\mathrm{\θ}}_I+\mathrm{\α})$ ④

其中，u₁(t)为换能器的电压，相位角为θ_U，i(t)为换能器的电流，相位角为θ_I，u₂(t)为u₁(t)向右平移90°所得，相位角为θ₂，其中θ_U-θ₂＝90°。U为换能器的峰值电压、I为换能器的峰值电流；

根据公式⑤可以求得偏移后的换能器电压、电流的频率，从而可以求得公式①中的角度偏差α。

$f_1=\frac{arccos\left(\frac{2R_{{\mathrm{iu}}_1}\left(1\right)}{UI}\right)-arccos\left(\frac{2R_{{\mathrm{iu}}_1}\left(0\right)}{UI}\right)}{2\mathrm{\π}}\×f_s$ ⑤

(4)计算得到换能器阻抗角θ

由方程②和④得：

$\frac{R_{{\mathrm{iu}}_2}\left(0\right)}{R_{{\mathrm{iu}}_1}\left(0\right)}=tan({\mathrm{\θ}}_U-{\mathrm{\θ}}_I)cos\mathrm{\α}+sin\mathrm{\α}$ ⑥

由式⑥得：

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_U-{\mathrm{\θ}}_I=arctan\left(\frac{\frac{R_{{\mathrm{iu}}_2}\left(0\right)}{R_{{\mathrm{iu}}_1}\left(0\right)}-sin\mathrm{\α}}{cos\mathrm{\α}}\right)$ ⑦

步骤六：加载主界面。数据处理完之后，加载主界面。主界面的显示是在10.4寸TFTLCD显示屏上。

步骤七：加载主轴监测界面。在主轴监测界面里面，有数值显示模块来显示采集、处理后的功率管温度、换能器温度、节点温度和阻抗角。

步骤八：实时曲线显示，判别主轴状态。

加载实时曲线显示界面，将步骤七中的数值显示模块显示监测点的真实数据在实时曲线显示界面内自动生成实时曲线。实时曲线显示界面内设置有功率管温度阈值、换能器温度阈值、节点温度阈值、发生器的输出电压阈值和输出电流阈值。超出所设置的阈值，则在曲线上会出现较大的跳动，此时监测系统发出声、光报警。实时曲线反应了主轴系统是否发生了故障。

从上述方案可以看出，利用本发明的状态监测系统及方法：

(1)能够对换能器两端的电压、电流在线监测，能够对功率管温度在线监测，能够对换能器温度在线监测，能够对节点温度在线监测，其监测具有实时性、准确性、可靠性和安全性；

(2)显示屏是10.4SVGA TFT LCD，四线电阻式触摸屏，精确度高，减小了触摸面积，避免了使用外接键盘带来的不便；

(3)10.4寸TFT LCD显示屏将状态监测中的监测点的数据显示和实时曲线显示一一对应，能够及时、清晰的查看各监测点所处的状态；

(4)主板与PCH2155数据采集卡之间通过PCI104总线连接，即通过120针2mm孔堆栈插座连接，该连接小巧、紧凑且牢固，极大的避免了连接不稳固造成数据传送速率低、数据易丢失的弊端。

附图说明

图1为超声切削主轴状态监测系统图

图2为监测流程图

图3为传感器布局图

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，以下对本发明进一步详细说明。

如图1所示，一种超声切削主轴状态监测系统，包括PCM-3362N-S6A1E主板、PCH2155数据采集卡、10.4SVGA TFT LCD显示屏和传感器。主板与PCH2155数据采集卡之间通过PCI104总线连接，即通过120针2mm孔堆栈插座连接，10.4SVGA TFT LCD显示屏驱动单元通过VGA接口与主版相连来驱动触摸屏，触摸屏用于完成各界面之间的相互切换、阀值参数的设置和动态曲线的显示。传感器与采集卡之间用杜邦线连接，传感器采集到主轴系统的电压、电流、温度信号，经过数据采集卡进行A/D转换，然后将数据传送到PCM-3362N-S6A1E主板，主板再通过VGA接口将数据传送到10.4寸显示屏，显示屏来显示采集到的数据，判别系统状态。

如图2、图3所示，一种超声切削主轴状态监测方法，具体包含以下步骤：

步骤一：数据采集卡校准。

安装好采集卡PCH2155，打开电源，预热15分钟后对其进行零点校准和满度调节。

步骤二：数据采集。将电压、电流传感器分别接在超声切削主轴系统的超声发生器的输出导线上，第一接触式温度传感器固定于变幅杆所位于的法兰处，第二接触式温度传感器用螺栓固定于发生器内部的功率管处，非接触式温度传感器的感应接头正对换能器的外侧面，非接触式温度传感器的感应接头与换能器的外侧面水平距离为8-10cm；打开超声发生器的电源开关，设置发生器的工作频率在20KHZ，点击启动，使超声切削主轴系统处于工作状态。待主轴系统工作1—2分钟后开始利用传感器采集温度、电压、电流相关数据。

步骤三：A/D转换。传感器将采集到的温度、电压、电流数据以电压量的形式传送到数据采集卡PCH2155.采集卡接收到数据后进行A/D转换。

步骤四：将转换后的数据传送到主板PCM3362。

步骤五：数据处理。PCM3362主板对传送过来的温度数据，首先进行滤波，然后利用公式T＝t/0.01进行计算，t表示传感器传送给主板的温度值，得到主轴系统工作中监测点的温度真值T。对传送过来的电流电压数据，利用正交相关变换，计算得到阻抗角。正交相关变换计算得到阻抗角的步骤具体如下：

(1)首先在τ＝0和τ＝1条件下实时获取变化后的信号频率f₁，τ表示时间常数；

(2)通过变化后的信号频率f₁计算角度偏差α

①

其中，f₁是步骤一中获取的频率，fs为采样频率，温度的采样频率为2HZ，电压电流的采样频率为100KHZ，N₀为正整数；

(3)修正u₁(t)与u₂(t)互为正交相关

换能器电压数字量和电流数字量分别做时间常数等于0和1的相关计算，其运算结果如下公式∶

$R_{{\mathrm{iu}}_1}\left(0\right)=\frac{UI}{2}cos({\mathrm{\θ}}_U-{\mathrm{\θ}}_I)$ ②

$R_{{\mathrm{iu}}_1}\left(1\right)=\frac{UI}{2}cos(\frac{2{\mathrm{\πf}}_1}{f_s}-{\mathrm{\θ}}_U+{\mathrm{\θ}}_I)$ ③

所引入的与换能器电压成正交关系的换能器电压数字量与电流数字量做时间常数等于0的相关计算；考虑到信号与白噪声之间的非相关性，其运算结果如下公式：

$R_{{\mathrm{iu}}_2}\left(0\right)=\frac{UI}{2}sin({\mathrm{\θ}}_U-{\mathrm{\θ}}_I+\mathrm{\α})$ ④

其中，u₁(t)为换能器的电压，相位角为θ_U，i(t)为换能器的电流，相位角为θ_I，u₂(t)为u₁(t)向右平移90°所得，相位角为θ₂，其中θ_U-θ₂＝90°。U为换能器的峰值电压、I为换能器的峰值电流；

根据公式⑤可以求得偏移后的换能器电压、电流的频率，从而可以求得公式①中的角度偏差α。

$f_1=\frac{arccos\left(\frac{2R_{{\mathrm{iu}}_1}\left(1\right)}{UI}\right)-arccos\left(\frac{2R_{{\mathrm{iu}}_1}\left(0\right)}{UI}\right)}{2\mathrm{\π}}\×f_s$ ⑤

(4)计算得到换能器阻抗角θ

由方程②和④得：

$\frac{R_{{\mathrm{iu}}_2}\left(0\right)}{R_{{\mathrm{iu}}_1}\left(0\right)}=tan({\mathrm{\θ}}_U-{\mathrm{\θ}}_I)cos\mathrm{\α}+sin\mathrm{\α}$ ⑥

由式⑥得：

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_U-{\mathrm{\θ}}_I=arctan\left(\frac{\frac{R_{{\mathrm{iu}}_2}\left(0\right)}{R_{{\mathrm{iu}}_1}\left(0\right)}-sin\mathrm{\α}}{cos\mathrm{\α}}\right)$ ⑦

步骤六：加载主界面。数据处理完之后，加载主界面。主界面的显示是在10.4寸TFTLCD显示屏上。

步骤七：加载主轴监测界面。在主轴监测界面里面，有数值显示模块来显示采集、处理后的功率管温度、换能器温度、节点温度和阻抗角。

步骤八：实时曲线显示，判别主轴状态。

加载实时曲线显示界面，将步骤七中的数值显示模块显示监测点的真实数据在实时曲线显示界面内自动生成实时曲线。实时曲线显示界面内设置有功率管温度阈值、换能器温度阈值、节点温度阈值、发生器的输出电压阈值和输出电流阈值。超出所设置的阈值，则在曲线上会出现较大的跳动，此时监测系统发出声、光报警。实时曲线反应了主轴系统是否发生了故障。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实例所做的任何简单修改，变更，以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种超声切削主轴状态监测系统的监测方法，该方法所依托的装置包括PCM-3362N-S6A1E主板、PCH2155数据采集卡、10.4 SVGA TFT LCD显示屏和传感器；主板与PCH2155数据采集卡之间通过PCI104总线连接，即通过120针2mm孔堆栈插座连接；10.4 SVGA TFT LCD显示屏驱动单元通过VGA接口与主板相连来驱动触摸屏，传感器与PCH2155数据采集卡之间用杜邦线连接，传感器采集到主轴系统的电压、电流、温度信号，经过PCH2155数据采集卡进行A/D转换，然后将数据传送到PCM-3362N-S6A1E主板，主板再通过VGA接口将数据传送到10.4SVGA TFT LCD显示屏；

其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：PCH2155数据采集卡校准：安装好PCH2155数据采集卡，打开电源，预热15分钟后对其进行零点校准和满度调节；

步骤二：数据采集：将电压、电流传感器分别接在超声切削主轴系统的超声发生器的输出导线上，第一接触式温度传感器固定于变幅杆所位于的法兰处，第二接触式温度传感器用螺栓固定于发生器内部的功率管处，非接触式温度传感器的感应接头正对换能器的外侧面，非接触式温度传感器的感应接头与换能器的外侧面水平距离为8-10cm；打开超声发生器的电源开关，设置发生器的工作频率在20KHZ，点击启动，使超声切削主轴系统处于工作状态；待主轴系统工作1—2分钟后开始利用传感器采集温度、电压、电流相关数据；

步骤三：A/D转换；传感器将采集到的温度、电压、电流数据以电压量的形式传送到PCH2155数据采集卡，PCH2155数据采集卡接收到数据后进行A/D转换；

步骤四：将转换后的数据传送到PCM-3362N-S6A1E主板；

步骤五：数据处理；PCM-3362N-S6A1E主板对传送过来的温度数据，首先进行滤波，然后利用公式T＝t/0.01进行计算，t表示第一接触式温度传感器、第二接触式温度传感器、非接触式温度传感器传送给主板的温度值，得到主轴系统工作中监测点的温度真值T；对传送过来的电流电压数据，利用正交相关变换，计算得到阻抗角；正交相关变换计算得到阻抗角的步骤具体如下：

(1)首先在τ＝0和τ＝1条件下实时获取变化后的信号频率f₁，τ表示时间常数：

(2)通过变化后的信号频率f₁计算角度偏差α

其中，f₁是步骤一中获取的频率，fs为采样频率，温度的采样频率为2Hz，电压电流的采样频率为100KHz，N₀为正整数；

(3)修正u₁(t)与u₂(t)互为正交相关

换能器电压数字量和电流数字量分别做时间常数等于0和1的相关计算，其运算结果如下公式:

所引入的与换能器电压成正交关系的换能器电压数字量与电流数字量做时间常数等于0的相关计算，考虑到信号与白噪声之间的非相关性，其运算结果如下公式：

其中，u₁(t)为换能器的电压，相位角为θ_U，i(t)为换能器的电流，相位角为θ_I，u₂(t)为u₁(t)向右平移90°所得，相位角为θ₂,其中θ_U-θ₂＝90°；U为换能器的峰值电压、I为换能器的峰值电流；

根据公式⑤可以求得偏移后的换能器电压、电流的频率，从而可以求得公式①中的角度偏差α；

(4)计算得到换能器阻抗角θ

由方程②和④得：

由式⑥得：

步骤六：加载主界面；数据处理完之后，加载主界面；主界面的显示是在10.4 SVGA TFTLCD显示屏上；

步骤七：加载主轴系统监测界面；在主轴系统监测界面里面，有数值显示模块来显示采集、处理后的功率管温度、换能器温度、节点温度和阻抗角；

步骤八：实时曲线显示，判别主轴系统状态；

加载实时曲线显示界面，将步骤七中的数值显示模块显示监测点的真实数据在实时曲线显示界面内自动生成实时曲线；实时曲线显示界面内设置有功率管温度阈值、换能器温度阈值、节点温度阈值、发生器的输出电压阈值和输出电流阈值；超出所设置的阈值，则在曲线上会出现较大的跳动，此时监测系统发出声、光报警；实时曲线反映了主轴系统是否发生了故障。