CN109048495A

CN109048495A - 柔性工装状态在线控制方法、在线检测装置及其检测方法

Info

Publication number: CN109048495A
Application number: CN201810803397.6A
Authority: CN
Inventors: 杨吟飞; 李亮; 周冬生; 郝秀清; 赵国龙; 陈妮; 李晓月; 樊龙欣
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2018-07-20
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2018-12-21
Anticipated expiration: 2038-07-20
Also published as: CN109048495B

Abstract

本发明公开了一种柔性工装在线控制方法、在线检测装置及其检测方法，检测装置包括机械共振结构、压电转换模块、编码无线发射模块、编码无线接收模块和数据分析与控制模块等。将所述机械共振结构、压电转换模块、编码无线发射模块封装为一个独立的检测模块；将若干检测模块安装于夹具的多个卡爪上，切削加工过程中切削冲击载荷由零件转递至卡爪引发机械共振结构振动，驱动压电陶瓷产生电压信号，进一步通过编码无线发射模块发射出状态编码无线信号；编码无线接收模块接受编码信号并传递至分析模块，分析模块根据多个检测模块发射的编码对工装系统状态进行分析并控制工装执行相应动作。

Description

柔性工装状态在线控制方法、在线检测装置及其检测方法

技术领域

本发明属于机械领域，具体的涉及一种柔性工装状态的在线检测装置及分析方法。

背景技术

传统夹具一般是专用夹具，其主要的功能为：定位、夹紧、对刀或导向，其功能相对而言十分简单。传统夹具为代表的专用夹具是为某一个工序的某一表面加工而专门设计的，结构完整复杂，制造周期长，用途单一，刚性，当产品变化时，专用夹具显得不能适应，甚至闲置。因此，在现代机械加工，尤其是先进的模具制造中，以传统夹具为代表的专用夹具已是力不从心。在结构件加工过程中，几乎不考虑加工过程中的颤振问题，无法在加工过程中对工装状态做出判断，很容易造成加工过程中结构件由于加工颤振导致报废，带来严重的经济损失。而且无法在加工过程中实现智能化对单个夹具进行松夹。

所谓的智能化制造技术就是以提高制造业企业对市场的快速反应能力和竞争力为目的，以人为主体，综合应用信息、加工、材料、能源、物流、环保等高新技术和现代系统管理技术，并将其综合应用于产品研发、设计、制造、检测、营销和售后服务的全过程，实现优质、高效、低耗、清洁和灵活生产，取得理想技术经济效果的制造技术总称。传统夹具无法“感知”结构件加工过程中的状态，限制智能化加工的发展，导致工具无法向着“工具智能化”的方向发展。因此，现有的传统夹具无法满足智能制造的要求。

为能够减少由于加工颤振所引起的经济损失以及促进工具智能化的发展，需要研究开发出在在线检测、反应速度快以及可靠性较高的工装状态检测装置。

基于以上问题，有必要提出一种柔性工装状态的在线检测装置，解决上述问题。

发明内容：

针对上述技术问题，本发明旨在发明一种柔性工装状态的在线检测装置及分析方法，该系统能够对工装系统状态进行分析并控制工装执行相应动作。该系统具有结构简单、成本低、易于实现、便于推广等特点。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种柔性工装的在线检测装置，其包括机械共振结构101、压电转换结构102、编码无线发射模块103、编码无线接收模块105以及数据分析与控制模块106等；将所述机械共振结构101、压电转换模块102、编码无线发射模块103封装为一个独立的检测模块104，其通过内置的弹性结构与压电陶瓷构成的机械共振结构采集所在位置处的振动信号，内置无线编码发射模块103将振动信号进行编码，并发射出去；所述无线编码接收模块105接受编码信号并传递至数据分析与控制模块106，所述数据分析与控制模块106根据接受的编码信号对工装系统状态进行分析并对控制工装执行相应的行动；将若干检测模块104安装于工装与工件之间或者工装侧壁上，切削加工过程中切削冲击载荷由零件转递至卡爪引发机械共振结构振动，驱动压电陶瓷产生电压信号，进一步通过编码无线发射模块发射出状态编码无线信号；编码无线接收模块接受编码信号并传递至分析模块，分析模块根据多个检测模块发射的编码对工装系统状态进行分析并控制工装执行相应动作。

在上述柔性工装在线检测装置中，机械共振结构如图2所示，其包括上壳体202、弹性结构、绝缘体206、压电陶瓷207以及下壳体208，编码无线发射模块103与所述机械共振结构101串联；所述弹性结构包括第一弹簧203、第二弹簧204与第三弹簧205，第二弹簧204、第三弹簧205弹性系数相等，其中，第一弹簧203分别与压电陶瓷207一面的中间位置以及上壳体202连接，第二弹簧204、第三弹簧205位于压电陶瓷207另一面的两端，且分别连接到下壳体208上；通过调节所述的三只弹簧的弹性系数、所述绝缘体206的质量或者单独调节所述压电陶瓷质量207来设置机械共振结构的共振频率；所述压电陶瓷207均为d33方向极化的压电薄膜。

在上述柔性工装在线检测装置中，所述的检测模块与工装之间采用胶粘或焊接的方式连接。

在上述柔性工装在线检测装置的检测方法中，所述的编码无线发射模块的编码是对压电陶瓷产生电压信号进行编码，并将所述编码发送给无线编码接收模块，再将所述编码传送给数据分析与控制模块，通过数据分析与控制模块对所接收编码综合分析检测模块附近的振动状态从而实现工装状态检测。

在上述柔性工装在线控制方法中，当所述数据分析与控制模块综合分析出所有的检测模块附件均未产生振动，控制模块发出“机床未进行加工”的信号；当所述数据分析与控制模块分析所有检测模块附件均未发生颤振，但都发生振动时，控制模块发出“加工状态良好”的信号，并且通过数据分析与控制模块综合分析所接收编码信号，判断出检测模块附件的振动状态变化过程以及进行相应工装移动，实现“卡爪避让”和“卡爪重夹”功能；当所述数据分析与控制模块分析出检测模块附件部分发生颤振、部分发生振动或者全部发生颤振时，控制模块发出“机床停机”的警报信号，并通过数据分析与控制进行机床停机的操作。

在上述的控制方法中，所述编码的格式为“频率编码+幅值编码+频率变化编码+地址编码”，当检测模块没有产生信号，编码无线发射模块直接编码成“000000+地址”，所述的“地址”表示为检测模块的标号；当检测模块产生信号，经过A/D转换器提取电压信号的频率以及幅值，根据机床激振频率经验公式设定最大频率B，并根据最大频率B设定频率阈值A；根据测量初始电压值实测结果或者长期测量的统计值设定最大幅值D，并根据最大幅值D设定幅值阈值C；当频率f小于A，编码成“01”；当频率f属于A与B之间，编码成“10”；当频率f大于B，编码成“11”，当幅值u小于C，编码成“01”；当幅值u属于C与D之间，编码成“10”；当幅值u大于D，编码成“11”，根据相应检测模块测量的初始频率值作为初始比较值H0，与下一采样值Hi相比较，取大着作为接下来的初始比较值Hj，以此类推，并根据测量数据统计值设置阈值G，当Hj大于H0，且Hj/H0≥G，编码成“01”；当Hj小于H0，且H0/Hj≥G，编码成“10”；当1/G≤Hj/H0≤G，编码成“00”。

在上述控制方法中，所述的编码为“000000+地址N”表示该标号为N的检测模块附件未产生振动，所述的频率编码为“01”表示该检测模块附件未产生振动；所述的频率编码为“10”表示该检测模块附件产生振动但未发生颤振；所述的频率编码为“11”表示该检测模块附件发生颤振，所述的幅值编码为“01”表示该检测模块附件未产生振动；所述的幅值编码为“10”表示该检测模块附件产生振动但未发生颤振；所述的幅值编码为“11”表示该检测模块附件发生颤振，所述的频率变化编码为“00”表示检测模块附近产生频率几乎不变化的振动；所述的频率变化编码为“01”表示检测模块附近产生频率由低到高的振动；所述的频率变化编码为“10”表示检测模块附近产生频率由高到低的振动，当编码组合为“0101+地址N”、“0110+地址N”表示标号为N检测模块附件未产生振动；当编码组合为“1001+地址N”、“1010+地址N”、“1011+地址N”表示标号为N检测模块附件产生振动但未发生颤振；当编码组合为“1110+地址N”、“1111+地址N”表示标号为N检测模块附件发生颤振，当编码组合为“100100+地址N”、“101000+地址N”、“101100+地址N”表示标号为N检测模块附近产生频率几乎不变的振动；当编码组合为“100101+地址N”、“101001+地址N”、“101101+地址N”表示标号为N检测模块附近产生振动的剧烈程度从低到高；当编码组合为“100110+地址N”、“101010+地址N”、“101110+地址N”表示标号为N检测模块附近产生振动的剧烈程度从高到低。

在上述控制方法中，其特征在于：工装状态处于“加工状态良好”下，所述数据分析与控制模块分析出振动的剧烈程度从低到高时，控制模块发出指令并控制相应工装移动，实现“卡爪避让”功能；所述数据分析与控制模块分析出振动的剧烈程度由高到底时，控制模块发出指令并控制相应工装移动，实现“卡爪重夹”功能。

从上述技术方案可以看出，本发明具有如下突出实质性特点和显著技术进步：

本发明将若干检测模块安装到夹具的多个卡爪上，切削加工过程中切削冲击载荷由零件转递至卡爪引发机械共振结构振动，驱动压电陶瓷产生电压信号，进一步通过编码无线发射模块发射出状态编码无线信号；编码无线接收模块接受编码信号并传递至分析模块，分析模块根据多个检测模块发射的编码对工装系统状态进行分析并控制工装执行相应动作。本系统结构简单，成本低，易于实现。

附图说明：

图1为本发明柔性工装的在线检测装置组成图；

图2为机械共振结构示意图；

图3为本发明柔性工装的在线检测装置流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明：

如图3所示，柔性工装的在线检测装置的流程图，将机械共振结构、压电转换模块、编码无线发射模块封装为一个独立的检测模块；将若干检测模块安装于夹具多个卡爪上，切削加工过程中切削冲击载荷由零件转递至卡爪引发机械共振结构振动，驱动压电陶瓷产生电压信号，产生的电压信号进过A/D转换器提取电压信号的频率以及幅值，根据机床激振频率经验公式设定最大频率B，并根据最大频率设定频率阈值A，根据测量初始电压值实测结果或者长期测量的统计值设定最大幅值D，并根据最大幅值设定幅值阈值C，根据测量数据统计值设置频率变化阈值G，结合上述阈值进行编码，并经由编码无线发射模块发射出去，通过编码无线接收模块接收编码并传递至数据分析与控制模块，对工装系统的状态进行分析并控制工装执行相应动作。

工作状况Ⅰ：所有编码无线发射模块产生的编码都为“000000+地址N”时，数据分析与控制模块分析出所有的检测模块附件均未产生振动，控制模块发出“机床未进行加工”的信号，表明此时机床未进行加工。

工作状况Ⅱ：部分编码无线发射模块产生的编码为“1001+地址N”、“1010+地址N”、“1011+地址N”，其他的编码无线发射模块产生的编码为“0101+地址N”、“0110+地址N”，或者全部的编码无线发射模块产生的编码都为“1001+地址N”、“1010+地址N”、“1011+地址N”，数据分析与控制模块分析出所有检测模块附件均未发生颤振，但都发生振动，控制模块发出“加工状态良好”的信号，表明机床加工的状态良好。当编码组合为“100100+地址N”、“101000+地址N”、“101100+地址N”表示标号为N检测模块附近产生频率几乎不变的振动。

工作状况Ⅲ：存在编码无线发射模块产生的编码为“1110+地址N”、“1111+地址N”中的任一，其他的编码无线发射模块产生的编码都为“1001+地址N”、“1010+地址N”、“1011+地址N”；或者所有编码无线发射模块都为“1110+地址N”、“1111+地址N”，数据分析与控制模块分析出检测模块附件部分发生颤振、部分发生振动或者全部发生颤振时，控制模块发出“机床停机”的警报信号，表示机床发生严重颤振现象，应当立即停止加工。

工作模式IV：存在编码无线发射模块产生的编码为“100101+地址N”、“101001+地址N”、“101101+地址N”，数据分析与控制模块分析出标号为N检测模块附近产生剧烈程度从低到高的振动，控制模块发出“卡爪避让”功能指令，控制动力模块实现在加工过程中夹具的卡爪的避让。当编码组合为“100101+地址N”、“101001+地址N”、“101101+地址N”表示标号为N检测模块附近产生振动的剧烈程度从低到高；当编码组合为“100110+地址N”、“101010+地址N”、“101110+地址N”表示标号为N检测模块附近产生振动的剧烈程度从高到低。

工装模式V：存在编码无线发射模块产生的编码为“100110+地址N”、“101010+地址N”、“101110+地址N”，数据分析与控制模块分析出标号为N检测模块附近产生剧烈程度从高到低的振动，控制模块发出“卡爪重夹”功能指令，控制动力模块实现在加工过程中夹具的卡爪的重新夹紧。

例如，选取转速n＝3000rmp/min，刀具为2刃整体硬质合金铣刀，Ф＝16mm，底角直径r＝0.2mm进行7075-T7751铝合金预拉伸板的铣削。

①关于最大频率以及频率阈值计算

首先根据机床激振频率经验公式

上式中，n表示主轴的转速；z表示刀具的齿数；c表示采集通道数目。

将上式计算出机床激振频率的95％设定为最大频率f_B，即

根据最大频率f_B的10％设定为频率阈值f_A，即

f_A＝0.1f_B

根据上述例子的铣削，可以计算出最大频率f_B以及频率阈值f_A：

f_A＝28.5Hz；f_B＝285Hz

②关于最大幅值以及幅值阈值计算

首先在上述例子中进行切削加工实验，通过改变切削参数实现这四种情况下的切削加工实验，包括机床发生颤振的切削过程、刀具接近卡爪的切削过程、刀具远离卡爪的切削过程以及正常切削这些情况，利用压电陶瓷实时测出加工过程中电压值的变化曲线，然后对所得到的实验数据进行分析，利用上述几种情况，分析出机床正常加工过程中的最大电压幅值u₀，根据上述最大电压幅值u₀的95％设定为最大幅值u_D，即

u_D＝0.95u₀

根据最大幅值u_D的10％设定为幅值阈值u_C，即

u_C＝0.95u_D

根据上述例子的铣削，根据电压值的变化曲线分析可以计算出最大幅值u_D以及幅值阈值u_C：

u_C＝0.05225V；u_D＝0.5225V

③关于频率变化的阈值设定

研究上述实验中测得的电压值的变化曲线中两种情况，刀具接近卡爪的切削过程与刀具远离卡爪的切削过程，将上述电压变化曲线变换成为频率变化曲线，研究分析出刀具接近(远离)卡爪的切削过程中，用一条直线将整个上升(下降)频率变化曲线置于此直线之下且直线距离曲线的距离最小，并计算出直线斜率k。每次采样时间为t₀，离最大频率值H_j的总共的取样次数为n₀以，用数学关系式表示斜率，如下式：

化简得到：

H_j＝k₀·n₀·t₀+H₀

定义频率变化的阈值为

将上式化简得到

上述例子中分析出刀具接近卡爪的切削过程中斜率为用上述计算公式以及结合实验数据，最后得到该加工过程的频率变化的阈值为：

G＝1.00133333

结合上述最大值、阈值等进行编码，并将编码发射出去，由后续相关的模块进行分析以及执行相关的命令。

虽然已经通过上述具体实施方案对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解,以上例子仅是为了进行说明,而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解,可在不脱离本发明的范围情况下,对以上实施例进行修改。本专利的范围由所附权利要求来限定。

Claims

1.一种柔性工装在线检测装置，其特征在于：所述在线检测装置包括若干检测模块，所述检测模块安装于工装与工件之间或者工装侧壁上，其通过内置的弹性结构与压电陶瓷构成的机械共振结构采集所在位置处的振动信号，内置无线编码发射模块将振动信号进行编码，并发射出去；所述在线检测装置还包括无线编码接受模块和数据分析与控制模块，所述无线编码接收模块接受编码信号并传递至数据分析与控制模块，所述数据分析与控制模块根据接受的编码信号对工装系统状态进行分析并对控制工装执行相应的行动。

2.根据权利要求书1所述的一种柔性工装在线检测装置，其特征在于：所述检测模块是由机械共振结构、压电转换模块、编码无线发射模块构成，并且所述的检测模块是由上述部分封装成为一个整体，其安装于夹具的多个卡爪上，切削加工过程中切削冲击载荷由零件传递至卡爪引发机械共振结构振动，驱动压电陶瓷产生电压信号，进一步通过编码无线发射模块发射出状态编码无线信号。

3.根据权利要求2所述的一种柔性工装在线检测装置，其特征在于：所述的机械共振结构包括上壳体、弹性结构、绝缘体、压电陶瓷以及下壳体，编码无线发射模块与所述机械共振结构串联；所述弹性结构包括第一弹簧、第二弹簧与第三弹簧，第二弹簧、第三弹簧的弹性系数相等，其中，第一弹簧连接在压电陶瓷一面的中间位置以及上壳体之间，第二弹簧、第三弹簧位于压电陶瓷另一面的两端，且分别连接到下壳体上；通过调节所述的三只弹簧的弹性系数、所述绝缘体的质量或者单独调节所述压电陶瓷质量来设置机械共振结构的共振频率；所述压电陶瓷均为d33方向极化的压电薄膜。

4.根据权利要求2所述的一种柔性工装在线检测装置，其特征在于：所述的检测模块与工装之间采用胶粘或焊接的方式连接。

5.根据权利要求1所述的一种柔性工装在线检测装置的检测方法，其特征在于：所述的编码无线发射模块的编码对压电陶瓷产生电压信号进行编码，并将所述编码发送给无线编码接收模块，再将所述编码传送给数据分析与控制模块，通过数据分析与控制模块对所接收编码综合分析检测模块附近的振动状态从而实现工装状态检测。

6.根据权利要求5所述的一种柔性工装在线控制方法，其特征在于：

当所述数据分析与控制模块综合分析出所有的检测模块附件均未产生振动，控制模块发出“机床未进行加工”的信号；

当所述数据分析与控制模块分析所有检测模块附件均未发生颤振，但都发生振动时，控制模块发出“加工状态良好”的信号，并且通过数据分析与控制模块综合分析所接收编码信号，判断出检测模块附件的振动状态变化过程以及进行相应工装移动，实现“卡爪避让”和“卡爪重夹”功能；

当所述数据分析与控制模块分析出检测模块附件部分发生颤振、部分发生振动或者全部发生颤振时，控制模块发出“机床停机”的警报信号，并通过数据分析与控制进行机床停机的操作。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述编码的格式为“频率编码+幅值编码+频率变化编码+地址编码”，当检测模块没有产生信号，编码无线发射模块直接编码成“000000+地址”，所述的“地址”表示为检测模块的标号；当检测模块产生信号，经过A/D转换器提取电压信号的频率以及幅值，根据机床激振频率经验公式设定最大频率B，并根据最大频率B设定频率阈值A；根据测量初始电压值实测结果或者长期测量的统计值设定最大幅值D，并根据最大幅值D设定幅值阈值C；当频率f小于A，编码成“01”；当频率f属于A与B之间，编码成“10”；当频率f大于B，编码成“11”，当幅值u小于C，编码成“01”；当幅值u属于C与D之间，编码成“10”；当幅值u大于D，编码成“11”，根据相应检测模块测量的初始频率值作为初始比较值H0，与下一采样值Hi相比较，取大着作为接下来的初始比较值Hj，以此类推，并根据测量数据统计值设置阈值G，当Hj大于H0，且Hj/H0≥G，编码成“01”；当Hj小于H0，且H0/Hj≥G，编码成“10”；当1/G≤Hj/H0≤G，编码成“00”。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述的编码为“000000+地址N”表示该标号为N的检测模块附件未产生振动，所述的频率编码为“01”表示该检测模块附件未产生振动；所述的频率编码为“10”表示该检测模块附件产生振动但未发生颤振；所述的频率编码为“11”表示该检测模块附件发生颤振，所述的幅值编码为“01”表示该检测模块附件未产生振动；所述的幅值编码为“10”表示该检测模块附件产生振动但未发生颤振；所述的幅值编码为“11”表示该检测模块附件发生颤振，所述的频率变化编码为“00”表示检测模块附近产生频率几乎不变化的振动；所述的频率变化编码为“01”表示检测模块附近产生频率由低到高的振动；所述的频率变化编码为“10”表示检测模块附近产生频率由高到低的振动，当编码组合为“0101+地址N”、“0110+地址N”表示标号为N检测模块附件未产生振动；当编码组合为“1001+地址N”、“1010+地址N”、“1011+地址N”表示标号为N检测模块附件产生振动但未发生颤振；当编码组合为“1110+地址N”、“1111+地址N”表示标号为N检测模块附件发生颤振，当编码组合为“100100+地址N”、“101000+地址N”、“101100+地址N”表示标号为N检测模块附近产生频率几乎不变的振动；当编码组合为“100101+地址N”、“101001+地址N”、“101101+地址N”表示标号为N检测模块附近产生振动的剧烈程度从低到高；当编码组合为“100110+地址N”、“101010+地址N”、“101110+地址N”表示标号为N检测模块附近产生振动的剧烈程度从高到低。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：工装状态处于“加工状态良好”下，所述数据分析与控制模块分析出振动的剧烈程度从低到高时，控制模块发出指令并控制相应工装移动，实现“卡爪避让”功能；所述数据分析与控制模块分析出振动的剧烈程度由高到底时，控制模块发出指令并控制相应工装移动，实现“卡爪重夹”功能。