CN1058164A - 声发射刀具失效监控仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种声发射刀具失效监控仪，属于检 测、监控和故障诊断技术领域。是由传感器、模拟电 路、数字电路、软件包及多种输出方式等部分组成。 仪器是以声发射技术为基础，用最快速的单片微型计 算机MCS-96为核心，配以足够的外围支持器件构 成。用其检测与监控多种刀具在加工过程中的工 况。由于本发明构思及选件先进合理，结构紧凑，它 具有速度快、可靠性高、抗干扰能力强、使用安全、体 积小、重量轻、成本低等优点。具有社会经济效益，易 于推广使用。

Description

声发射刀具失效监控仪属于检测、故障诊断技术领域。用于各类数控机床及系统和专用机床在加工过程中对刀具失效的实时监控。

由清华大学研制的AE刀具综合监视仪，已于1989年申报发明专利，其申请公开号为CN1041721A，名称为“一种声发射（AE）刀具综合监视（控）方法与装置”。该专利发明的特征是用声发射信号的“振铃记数”、“一次包络信号幅值的均值”、“一次包络信号的峰值”、“一次包络信号的微分峰峰值”、“二次包络信号的峰值”、“一次包络信号的峰值记数”、“二次包络信号波延续时间”等七个参数作为判断刀具（砂轮）破损的特征指标。依据该产品的公开资料，它的主要技术参数为：

刀具破损分辨率 0.01mm²（粗加工，典型0.2mm²）

响应时间  0.3ms～0.5s

报警输出方式  报警灯、报警蜂鸣器、交联传输接口

仪器外形尺寸  450×440×210（长×宽×高）mm

仪器净重  12Kg

AE车削监视仪售价高达4.5万元，AE刀具综合监视仪则更贵。该仪器所用特征参数多达七个，按其方法制成的声发射刀具综合监视仪结构复杂，仪器大而笨重，工作程序庞杂，响应时间长等由其引起的另一个缺点是价格昂贵，给应用推广造成极大的困难。

本发明是为避免上述现有声发射刀具监视系统的不足，提出了一种声发射刀具失效监控仪。它是由传感器、模拟电路、数字电路、软件包、开关电源、前后面板、底座、加高板支架、上盖、输出接口及报警器等部分组成。仪器工作时，首先将它安放在被监视设备的适当位置，将声发射传感器安装在机床的合适位置，接通仪器电源，把仪器后面板电源开关置于接通位置，然后将后面板“自检-监控”的扭子开关置于“自检”位置，再按前面板的“自检”键。仪器即开始自检，数码显示值将渐增直至报警。则说明系统工作正常。这时将后面板扭子开关搬向、“监控”。其次进行工序设置。按工种要求按“工序设置”键，每按一次改变一个工种，数码首位加“1”直到“5”再回到“1”。再次调整“阈值”。阈值调整按工种分破损和磨损阈值进行调整，分别按“阈值调整Ⅰ”和“阈值调整Ⅱ”键，并调整各自的“电位器”及观察显示值，直到合适为止。最后按“启动”键，仪器开始运行：采样、比较和处理直至报警。报警时仪器后面板RS-232C接口和主机交换信息，同时前面板数码显示器低四位显示当前磨损值，报警灯亮，蜂鸣器发声。当报警处理完毕后，按“复位”键，仪器又进入初始状态，并显示1  8097，如需继续工作，按“工序设置”和启动“键即可。

本仪器是以当今世界上具有最高性能的单片微型计算机系列MCS-96为核心设计的智能化监控仪。主机芯片的主频为12MHz，芯片内集成有10位A/D，转换速度为42μs，配置有容量为16～64K  ROM，主机功能极强。

本发明与现有声发射监控仪相比具有以下优点：

1.探测监视系统是车、镗、钻智能化高精度声发射刀具失效监控系统。

2.刀具磨、破损分辨率为0.01mm²。

3.报警输出方式多，除设有报警指示灯，报警数字显示、蜂鸣器报警外，还设有交联传输RS-232C接口，直流24v报警输出。

4.响应速度快  快速报警响应时间＜0.1ms

计算机报警响应时间＜30ms

5.仪器体积小  仪器外形尺寸235×205×85（长×宽×高）mm

6.仪器重量轻  仪器总重量＜2Kg，为已有仪器重量的六分之一

7.系统抗干扰能力强和仪器操作使用十分方便，安全。

8.结构紧凑合理，易于生产，成本低，便于推广。

附图的说明如下：

图1.声发射刀具失效监控仪示意图

图2.前面板图

图3.后面板图

图4.声发射刀具失效监控仪原理框图

根据附图结合实施例详述如下：

图1  由模拟电路（8、29）、数字电路（9、3）、开关电源（77）、前面板（2）、后面板（4）、底座（5）、加高板支架（6）、上盖（1）、输出接口及报警器等部分组成。装配时，首先把开关电源（7）用快压螺钉（82×6）固定在底座（5）的右边。其次将模拟电路板（8）用快压螺钉（16×6）安装并固定在底座（5）的左边。再按顺序将插头（F1、F2、F11）分别插入插座（E1、E2、E11），再将套塑料垫（12×8）后把胶垫（11×4）分别套在四个螺杆（10×4）上插入底座（5）的安装孔内。再把加高板支架（6）按定位槽装在底座（5）上。将垫片（21×3）、（19×3）分别装在引长垫（20×3）的两边用螺钉（18×3）固定在数字电路（9）上，把数字电路（9）用螺钉（23×2）通过引长垫（20×2）固定在加高板支架（6）上，用套上绝缘垫圈（22）的螺栓（85）及螺帽（86）固紧在角架（84）上，和用螺帽（14）旋在事先套上小管（87）的螺栓上，将数字电路（9）自然放平拧紧。再按顺序把插头（F3、F4、F5、F6、F7和F8）分别装入插座（E3、E4、E5、E6、E7和E8）上，并将数字电路板（3）对准两个方孔位置套在前面板（2）上插入底座（5）的前端槽内，套塑料垫（12×8）于长螺拴（10×4）的上端，并给模拟电路（29）通过螺钉（27）螺帽（83×1）装上引长片（82），将该电路板通孔（28）及套管（24×2）用螺栓（81×3）安装并固定在开关电源（77）开阔部的上方。按顺序将插头（F12、F13）插进插座（E12、E13）上，最后盖上盖（1）于加高板支架（6）的槽内，并拧紧长螺钉（10×4），则声发射刀具失效监控仪装成。

图2  标号码的器件全部装在数字电路（3）上，而前面板（2）上则是加工出大小、形状不同的圆孔和方或长方形孔使有关元器件漏出显示罢了。现说明如下：

衰减器按钮（30、31）：衰减-10dB（30），衰减-20dB（31）

阈值调整孔（32、33）：破损阈值调整（32），磨损阈值调整（33）

功能显示灯（34）、工序设置显示灯（35）、仪器运行指示灯（36）、采集信号指示灯（38）、暂停指示灯（39）。

数码显示器（37），用其显示工序号、仪器等待用户命令状态，破、磨损阈值设置，磨损电压计算值及磨损报警当前值显示等。

报警显示灯（40、41）：磨损报警显示灯（40）、破损报警显示灯（41）。

仪器人工操作9位小键盘（42～50）：工序设置键（42），启动键（43），破损阈值调整显示键（44），继续执行键（45），暂停执行键（46），磨损阈值调整显示键（47），自检键（48），复位键（49）和背景噪声设置键（50）构成。

图3  由自检-监控开关（51），传感器输入插座（52）及（54），通线孔（53），输出交联RS-232C接口插座（55），直流24v输出接线柱（56）和（57），RS-232C接口输出绿红指示灯（58×2），仪器电源开关（59）构成。

图4  该图由模拟电路（8、29），数字电路（9、3）及开关电源（77）三部分组成。模拟电路（8、29）部分由前置放大器（60），衰减器（76）、选频放大器（61）、峰值检波器（62）、比较器（75），低通滤波器（63），报警接口电路（71），RS-232C接口（68），蜂鸣器（70）、直流24v输出电路（67）等组成。数字电路（9，3）部分由A/D转换器（64），微型计算机主机8097-90芯片（65），可编程存贮器（72）、存贮器（73）、键盘（74）、D/A转换器（66），直流24v输出电路（67），磨损量计算显示器（69）和RS-232C接口（68），蜂鸣器（70）等组成。

开关电源（77）承担为模拟电路（8、29）及数字电路（9、3）提供所需电源。

Claims (2)

1、本专利提供一种声发射刀具失效监控仪。它由声发射传感器、模拟电路、数字电路、开关电源、前后面板、多种输出接口及显示等部分组成。其特征在于以MCS-96系列单片微型计算机为核心，用声发射信号上升斜率及包含最大峰值电压前若干采样点的均值电压作为特征量，来判断刀具磨损的程度。对于刀具破损采用少环节的模拟电路处理，只采用峰值检波后的电压值作为特征量来构成。

2、根据权利1所述声发射刀具失效监控仪的要求，本发明是将由声发射传感器拾取并经过预处理后的AE信号，通过模拟电路单元处理刀具破损及数字电路单元处理刀具极度磨损和多种传输接口单元及抗干扰的开关电源系统所组成的声发射刀具失效监控仪，其特征是按声发射信号的斜率、均峰值电压与经验建立起来的特征参数模式识别和识别判断程序并将其固化在单片微型计算机中的可编程存贮器中的智能化识别判断的一种自动化多工种刀具监控系统来形成。

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