CN109001996B - 一种用于刀具信息管理的智能刀柄系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于刀具信息管理的智能刀柄系统，属于信息管理系统技术领域，包括刀具信息采集存储单元、信号接收单元和PC端信息处理单元。该智能刀柄系统可以实时监测刀具的加速度信号和角速度信号，可以将刀具信息存储在刀具信息采集存储单元中，并通过无线方式将信号传输到信号接收单元，再通过USB接口将信号传输到PC端信息处理单元。本发明的用于刀具信息管理的智能刀柄系统在使用时不需要对刀柄结构进行更改，可以同时实现刀具状态实时监测和刀具信息存储的功能，并且在使用的过程中信号会自动传输到PC机进行处理，可以实现刀具的自动化、信息化管理，提高刀具管理效率，最终提高生产效率，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明属于信息管理系统技术领域，特别涉及一种用于刀具信息管理的智能刀柄系统。
背景技术
目前由于市场对定制化产品的需求越来越大，制造企业已经逐渐扩大多品种、小批量生产模式的应用范围，同时激烈的市场竞争，使产品更新换代的时间越来越短，这些变化都对产品的生产过程提出了挑战。为了应对这些挑战，制造企业开始大量应用数控机床进行产品生产，数控机床在使用的过程中需要多种类型的刀具去完成加工任务，而且换刀频繁，整个加工过程中需要控制的刀具信息量很大，如果不能实行有效的刀具管理，产品生产的效率会受到很大影响。目前常用的刀具信息载体技术包括二维码技术和RFID(RadioFrequency Identification)技术，两者都存在一些缺点，其中二维码技术在加工过程中由于刀具处于高速旋转状态，扫码设备很难及时准确地读取到贴在刀具表面的二维码，同时在切削加工现场，贴在刀具表面的二维码容易受到金属切屑、润滑油污、切削液等物质遮蔽或损坏；RFID系统是基于电子标签进行工作的，在刀具管理领域，需要考虑电子标签和刀具结合在一起的问题，如果是将电子标签嵌入到刀具内部，不同的刀具尺寸不一样，需要不同尺寸的电子标签，尤其对于小尺寸刀具而言嵌入的过程比较复杂，需要对刀具结构进行更改，这样会影响刀具的性能；如果是将电子标签贴在刀具表面，由于刀具切削加工环境通常比较恶劣，会有切屑、油污等物质影响电子标签，造成电子标签的损坏或脱落，同时这两种刀具信息载体技术只能存储少量的刀具信息，不能对刀具的状态进行实时监测，这些缺点都阻碍着刀具管理效率的提高，进而对企业的生产效率和制造成本造成影响。
鉴于目前刀具信息载体技术的缺点，有必要设计一种新型的、可以同时完成刀具状态实时监测和刀具信息存储功能的智能刀柄系统。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题公开了一种用于刀具信息管理的智能刀柄系统，包括了刀具信息采集存储单元、信号接收单元和PC端信息处理单元，可以通过传感器实时监测，然后将信号传输、接收、处理。能够实现刀具的自动化、信息化管理，实时监测刀具的加工状态，同时能够满足刀具信息存储功能，解决了现有技术中存在的问题。
本发明是这样实现的：
一种用于刀具信息管理的智能刀柄系统包括刀具信息采集存储单元、信号接收单元和PC端信息处理单元，PC端信息处理单元在LabVIEW软件开发平台上完成。其中刀具信息采集存储单元通过无线方式连接于信号接收单元，信号接收单元通过USB接口连接于PC端信息处理单元；刀具信息采集存储单元主要包括单片机、MEMS传感器、无线传输芯片、电源电路(锂电池，充电电路、稳压电路)、晶振电路及其他辅助电路，且共同封装在载体环中，通过螺栓螺母将载体环固定在刀柄下端圆柱体部分。单片机和MEMS传感器通过I2C总线连接，单片机和无线传输芯片通过SPI总线连接。
刀具信息采集存储单元中，晶振电路与单片机连接，其中单片机作为系统的核心，分别与MEMS传感器、无线传输芯片连接；所述的刀具信息采集存储单元封装在载体环中。通过该系统三个单元的设置，本发明可以实时通过MEMS传感器监测刀具三个轴的加速度信号和角速度信号，并且可以将刀具信息存储在单片机闪存中，并在系统上电之后自动将刀具状态信号和刀具信息通过设置在刀具信息采集存储单元、信号接收单元中的无线传输芯片和USB接口传输到PC机。
进一步，所述的刀具信息采集存储单元中的单片机自带闪存程序存储器，至少包含一个集成电路通信总线I2C(Inter－Integrated Circuit)接口，一个串行外设SPI(Serial Peripheral Interface)接口，一个USB2.0全速接口；所述的MEMS传感器具备检测三个轴加速度信号和三个轴角速度信号的能力。
进一步，所述的电源电路依次包括充电电路、锂电池、稳压电路，并通过稳压电路向刀具信息采集存储单元的单片机、传感器和无线传输芯片等电子元器件供电。该电源单元包括电池电量指示灯，如果锂电池电量低于一定数值，该指示灯会闪烁报警。
进一步，所述的载体环采用有机玻璃材料制成，载体环四周均布八个平面，在其中相对的两个平面上开设有凹槽，在凹槽内部分别放置PCB板和锂电池，PCB板和锂电池通过胶结的方式固定在载体环的凹槽中；以这两个平面的中心点连线为对称轴，在对称轴一侧的三个平面上横向开设有线槽，用来放置连接PCB板和锂电池的杜邦线；在对称轴另一侧的两个相对的平面上有连接孔，用来放置螺栓、螺母；沿剩余一个平面的中线纵向将载体环切断，即形成切断缝隙，用来给螺栓、螺母夹紧载体环时留有活动空间。放置PCB板、锂电池的凹槽和放置杜邦线的线槽使用有机玻璃薄板通过胶结的方式进行封装。
进一步，所述的信号接收单元所有的电子元器件和电路集成在一块PCB板上；所述的刀具信息采集存储单元除了锂电池之外的电子元器件和电路集成在两块PCB板上，两块PCB板上下放置，通过排针排母连接。
进一步，所述的载体环连接于刀柄；且螺母、螺栓通过连接孔实现夹紧功能，将载体环固定于刀柄的下端圆柱体部分。
进一步，所述的信号接收单元主要包括单片机、无线传输芯片、晶振电路、USB接口及其他辅助电路，单片机是系统的核心，无线传输芯片、晶振电路分别单独与单片机连接，两者之间没有连接关系；USB接口为单片机自带。
进一步，所述的信号接收单元中单片机和无线传输芯片通过SPI总线连接，晶振电路采用晶振频率为8MHz的无源晶振，USB接口电路使用了单片机的USB2.0全速接口，包括两条总线，一条为数据正线USB DP，一条为数据负线USB DM，与PC机连接的端口共有五个引脚，除了USB DP和USB DM外，还包括一个电源引脚Vcc和两个接地引脚GND。
进一步，所述的PC端信息处理单元包括信号显示模块、信号存储模块、信号分析模块和刀具状态识别模块。其中信号显示模块可以实现刀具三个正交轴振动信号和刀具信息的显示。信号存储模块可以将下位机传来的刀具加速度信号和角速度信号连同时间一起保存到文本文件中。信号分析模块可以在离线状态下对信号采集模块采集的振动信号进行预处理，之后对数据进行时域分析和频域分析，获得刀具加工过程中振动信号的均值、均方根值、最大值、最小值和频谱图。刀具状态识别模块可以通过MEMS传感器实时获取刀具的加速度信号和角速度信号，并利用三个轴的加速度信号和一个轴的角速度信号对刀具所处的状态进行判断识别。
所述的信号显示模块同时设置了铣削加工预警模块。在该模块中可以设置X、Y、Z轴的振动信号的预警值，包括上限值和下限值，当采集的振动信号超出这个范围，则相应的报警灯闪烁，同时利用LabVIEW提供的蜂鸣器发出报警声。
本发明与现有技术的有益效果在于：
1)通过单片机自带的闪存可以存储大量的刀具信息，并且该信息在系统上电以后自动上传到PC端信息处理单元，无需扫码设备；该智能刀柄系统除了可以完成刀具信息的载体功能外，还可以通过MEMS传感器对刀具的状态进行实时监测；
2)采用载体环封装电子元器件和电路，能够保证硬件不会被加工现场的金属切屑、润滑油污、切削液等物质遮蔽或损坏；
3)载体环通过螺栓螺母夹紧后靠摩擦力固定在刀柄下端圆柱体部分，无需考虑对刀柄结构进行更改，同时也不需要对刀具本身做任何更改；
4)使用该智能刀柄系统可以实时通过MEMS传感器检测刀具的三个轴的加速度信号和角速度信号，通过单片机自带的闪存存储刀具信息，并通过无线传输芯片和USB接口将信号自动上传到PC端信息处理单元，实现刀具的自动化、信息化管理，提高刀具管理效率，最终提高生产效率，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明刀具信息管理的智能刀柄系统的结构示意图；
图2是本发明刀具信息管理的智能刀柄系统中载体环与刀柄连接关系结构示意图；
图3是本发明刀具信息管理的智能刀柄系统中载体环与刀柄连接关系截面剖视图；
图4是本发明刀具信息管理的智能刀柄系统的信号传输示意图；
图5是本发明刀具信息管理的智能刀柄系统工作流程图；
图中：1-刀柄，2-载体环，3-切断缝隙，4-平面，5-螺母，6-PCB板，7-凹槽，8-有机玻璃薄板，9-线槽，10-锂电池，11-连接孔，12-螺栓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本实施例中，刀具信息采集存储单元中采用单片机STM32F103C8T6、MEMS传感器MPU9250、无线传输芯片NRF24L01；充电电路采用TP4056芯片，稳压电路采用RT9193芯片，晶振电路采用晶振频率为8MHz的3225无源晶振；信号接收单元包括单片机STM32F103C8T6、无线传输芯片NRF24L01、晶振电路采用晶振频率为8MHz的3225无源晶振。具体如下：
如图1所示，本发明的用于刀具信息管理的智能刀柄系统包括刀具信息采集存储单元、信号接收单元和PC端信息处理单元。刀具信息采集存储单元包括单片机STM32F103C8T6、MEMS传感器MPU9250、无线传输芯片NRF24L01、锂电池，充电电路、稳压电路、晶振电路，其中单片机STM32F103C8T6和MEMS传感器MPU9250通过I2C总线连接，单片机STM32F103C8T6和无线传输芯片NRF24L01通过串行外设接口SPI连接。
单片机STM32F103C8T6作为系统的核心，控制着系统各个部分正常运行，并通过其自带的闪存存储刀具信息，充电电路采用TP4056芯片，稳压电路采用RT9193芯片，晶振电路采用晶振频率为8MHz的3225无源晶振。
信号接收单元包括单片机STM32F103C8T6、无线传输芯片NRF24L01、晶振电路及其他辅助电路，晶振电路采用晶振频率为8MHz的3225无源晶振，单片机STM32F103C8T6和无线传输芯片NRF24L01通过串行外设接口SPI连接，USB接口电路使用了STM32F103C8T6单片机的USB2.0全速接口，包括两条总线，一条为数据正线USB DP，一条为数据负线USB DM，与PC机连接的端口共有5个引脚，除了USB DP和USB DM外，还包括一个电源引脚Vcc和两个接地引脚GND。PC端信息处理单元包括信号显示模块、信号存储模块、信号分析模块和刀具状态识别模块。
如图2和图3所示，刀具信息采集存储单元中除了锂电池10之外的电子元器件和电路集成在两块PCB板6上，本实施例中，PCB板6的尺寸为15mm×30mm×1.6mm，两块PCB板6通过1.27mm间距的排针和排母相连，PCB板6上无线传输模块的天线附近不予布线和敷铜。锂电池10的尺寸为10mm×30mm×4mm，容量为150mAh。载体环2装在BT40-ER32-100L标准刀柄1上使用，采用有机玻璃材料制成，厚度为20mm，中间孔的直径为
用来装在刀柄1下端圆柱体部分。载体环2四周均布八个平面4，每个平面4的尺寸为20mm×40mm，在其中相对的两个平面上有凹槽7，分别用来放置PCB板6和锂电池10，凹槽7的尺寸为16mm×34mm×6mm。以这两个平面的中心点连线为对称轴，在对称轴一侧的三个平面上有线槽9用来放置连接PCB板6和锂电池10的杜邦线。在对称轴另一侧的两个相对的平面上有连接孔11，用来放置螺栓12、螺母5，连接孔11的直径为
使用的螺栓12规格为M5×50，沿剩余一个平面的中线将载体环2切断，形成切断缝隙3，用来给螺栓12、螺母5夹紧载体环2时留有活动空间，断口宽度为5mm。
如图4所示，图4是本发明的用于刀具信息管理的智能刀柄系统的信号传输示意图，本发明的用于刀具信息管理的智能刀柄系统能够完成两个功能：1)刀具状态监测；2)刀具信息存储。由MEMS传感器MPU9250采集的刀具三个轴的加速度信号和角速度信号传输到单片机STM32F103C8T6，由单片机进行处理，同时单片机的闪存可以存储刀具信息，这些信号通过无线传输芯片NRF24L01传输到信号接收单元的无线传输芯片NRF24L01后，经过单片机STM32F103C8T6处理，之后通过USB接口传输到PC端信息处理单元进行后续的显示、判断和分析。
如图5所示，本发明的用于刀具信息管理的智能刀柄系统中刀具信息采集存储单元和信号接收单元在上电之后进行初始化，完成各个电子元器件的引脚配置和其他设置，初始化之后，保存在单片机STM32F103C8T6闪存中的刀具信息开始通过无线传输芯片NRF24L01传输，完成刀具信息的传输之后，MEMS传感器MPU9250开始工作，采集刀具的加速度信号和角速度信号，通过单片机处理之后由无线传输芯片传输，信号上传到PC端信息处理单元之后可以实时监测刀具的状态，如果已完成刀具状态的监测工作，可以通过断电使刀具信息采集存储单元和信号接收单元停止工作。
具体地，运用本发明的智能刀柄系统，三个轴的振动信号预警值为±4g时采集的振动信号时域波形图，得出本发明的用于刀具信息管理的智能刀柄系统的PC端信息处理单元具体实现四个功能：1)将振动信号以时域波形图的形式显示，用户可以直观地观测振动信号的波形、幅值，实时监测刀具的切削状态，并设置加工预警功能，可以根据以往的试验数据设置三个坐标轴的振动预警值；显示刀具的型号、尺寸等信息，为用户制定试验方案提供参考；2)将下位机采集的加速度信号和角速度信号以文本格式存储，为离线数据分析模块提供数据源；3)对振动信号进行处理分析，包括消除趋势项、平滑处理、滤波以及时域和频域分析，得到振动信号的最大值、最小值、均方根值等时域特征值和频谱图；4)根据刀具的加速度信号和角速度信号，实现刀具状态的识别，根据企业生产制造的实际情况，刀具在整个使用周期内所处的状态可以划分成四个阶段：“刀架或刀库中”、“推车运输”、“加工进行”和“其他状态”，其中“其他状态”是“刀架或刀库中”、“推车运输”、“加工进行”三个阶段之间的过渡阶段，包括刀具的装卸、临时摆放、临时移动等状态。根据试验结果，本系统刀具状态识别模块每采集2000个数据点进行一次判断，求取刀具三个轴的加速度信号和绕Z轴的角速度信号的均值
和加速度向量模的极差Rs，判断策略如下(其中g为重力加速度)：
1)当
时，判定刀具处于“刀架或刀库中”阶段。
2)当
且|Rs|>0.5g时，判定刀具处于“推车运输”阶段。
3)当
判定刀具处于“加工进行”阶段。
4)当上述三个阶段的条件都不满足时，判定刀具处于“其他状态”阶段。
PC端信息处理单元的信号分析模块，包括信号预处理、时域分析和频域分析。信号预处理部分中本系统采用最小二乘法多项式拟合振动信号中的趋势项，然后在振动信号中减去拟合的趋势项；采用五点三次法对振动信号进行平滑处理，用于削弱干扰信号的影响，同时达到消除不规则趋势项的目的；采用了切比雪夫滤波器进行数字滤波。时域分析部分中本系统求取了振动信号的均值、均方根值、最大值、最小值。频域分析部分中本系统进行了频谱分析。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于刀具信息管理的智能刀柄系统，其特征在于，所述的系统包括刀具信息采集存储单元、信号接收单元和PC端信息处理单元，其中刀具信息采集存储单元通过无线方式连接于信号接收单元，信号接收单元通过USB接口连接于PC端信息处理单元；所述的刀具信息采集存储单元包括单片机、MEMS传感器、无线传输芯片、晶振电路、电源电路；单片机是系统的核心，MEMS传感器、无线传输芯片、晶振电路分别单独与单片机连接；电源电路同时与单片机、MEMS传感器和无线传输芯片连接；所述的刀具信息采集存储单元封装在载体环（2）中且固定在刀柄（1）下端；所述的载体环（2）四周均布八个平面（4），在其中相对的两个平面上开设有凹槽（7），在凹槽（7）内部分别放置PCB板（6）和锂电池（10）；所述的信号接收单元中，所有的电子元器件和电路集成在一块PCB板上；所述的刀具信息采集存储单元中，除了锂电池之外，电子元器件和电路集成在两块PCB板（6）上，两块PCB板（6）上下放置，通过排针排母连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于刀具信息管理的智能刀柄系统，其特征在于，所述的刀具信息采集存储单元中的单片机自带闪存程序存储器，至少包含一个集成电路通信总线I2C接口，一个串行外设SPI接口，一个USB2.0全速接口；所述的MEMS传感器具备检测三个轴加速度信号和三个轴角速度信号的能力；所述的单片机和MEMS传感器通过I2C总线连接，单片机和无线传输芯片通过SPI总线连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于刀具信息管理的智能刀柄系统，其特征在于，所述的电源电路依次包括充电电路、锂电池、稳压电路，并通过稳压电路向刀具信息采集存储单元的单片机、传感器和无线传输芯片电子元器件供电，电源电路中还设置有电池电量指示灯。
4.根据权利要求3所述的一种用于刀具信息管理的智能刀柄系统，其特征在于，所述的充电电路采用充电芯片，稳压电路采用稳压芯片，晶振电路采用晶振频率为8MHz的无源晶振。
5.根据权利要求1所述的一种用于刀具信息管理的智能刀柄系统，其特征在于，所述的载体环（2）采用有机玻璃材料制成，载体环（2）四周均布八个平面（4），在其中相对的两个平面上开设有凹槽（7），在凹槽（7）内部分别放置PCB板（6）和锂电池（10）；以这两个平面的中心点连线为对称轴，在对称轴一侧的三个平面上横向开设有线槽（9）；在对称轴另一侧的两个相对的平面上有连接孔（11）；沿剩余一个平面的中线纵向将载体环切断，即形成切断缝隙（3）。
6.根据权利要求5所述的一种用于刀具信息管理的智能刀柄系统，其特征在于，所述的载体环（2）连接于刀柄（1）；通过连接孔（11）实现螺母（5）、螺栓（12）夹紧功能，将载体环（2）固定于刀柄（1）的下端圆柱体部分。
7.根据权利要求1所述的一种用于刀具信息管理的智能刀柄系统，其特征在于，所述的信号接收单元包括单片机、无线传输芯片、晶振电路，单片机是系统的核心，无线传输芯片、晶振电路分别单独与单片机连接；所述的单片机自带USB接口。
8.根据权利要求7所述的一种用于刀具信息管理的智能刀柄系统，其特征在于，所述的信号接收单元中的单片机和无线传输芯片通过SPI总线连接，晶振电路采用晶振频率为8MHz的无源晶振，USB接口电路使用了单片机的USB2.0全速接口，包括两条总线，一条为数据正线USB DP，一条为数据负线USB DM，与PC机连接的端口共有五个引脚，除了USB DP和USB DM外，还包括一个电源引脚Vcc和两个接地引脚GND。
9.根据权利要求1所述的一种用于刀具信息管理的智能刀柄系统，其特征在于，所述的PC端信息处理单元包括信号显示模块、信号存储模块、信号分析模块和刀具状态识别模块，四个模块之间相互独立；所述的信号显示模块同时设置了铣削加工预警模块。
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