CN109590807A - 基于激光传感的刀具前刀面状态自动监控系统及监控方法 - Google Patents

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CN109590807A
CN109590807A CN201811509533.7A CN201811509533A CN109590807A CN 109590807 A CN109590807 A CN 109590807A CN 201811509533 A CN201811509533 A CN 201811509533A CN 109590807 A CN109590807 A CN 109590807A
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郭彩芬
董志
万长东
宁海霞
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Suzhou Vocational University
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/24—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools using optics or electromagnetic waves
    • B23Q17/2452—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools using optics or electromagnetic waves for measuring features or for detecting a condition of machine parts, tools or workpieces
    • B23Q17/2457—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools using optics or electromagnetic waves for measuring features or for detecting a condition of machine parts, tools or workpieces of tools

Abstract

本发明涉及基于激光传感的刀具前刀面状态自动监控系统，包括：PC机和电机；与PC机电相连，用于控制所述电机的电机控制系统；与电机相连的刀具；对所述刀具的磨损度进行检测的激光传感器；与激光传感器电相连的CCD采集装置，用于接受激光传感器测量的数据，并进行相应的处理后传输给PC机，本发明的基于激光传感的刀具前刀面状态自动监控系统及监控方法，采用激光传感器测量刀具前刀面数据，经过数据存储、滤波、压缩，输送到PC机中，再经相应的软件处理计算刀具前刀面的平面度误差，据以确定刀具前刀面的磨损状态，从而来确定电机是否继续驱动，保证了刀具前刀面的磨损状态处于可控范围内，避免造成损失，符合实际的使用需求。

Description

基于激光传感的刀具前刀面状态自动监控系统及监控方法
技术领域
本发明涉及刀具磨损测量领域，尤其涉及一种基于激光传感的刀具前刀面状态自动监控系统及监控方法。
背景技术
金属切削刀具上切屑流过的表面定义为前刀面。在切屑与前刀面紧密接触地方，在磨料磨损、粘结磨损、扩散磨损、氧化(化学)磨损共同作用下，前刀面逐步形成凹坑,即出现月牙洼磨损，过度的月牙洼磨损会降低切削刃强度，最终导致刀具崩刃。
刀具前刀面月牙洼磨损多发生于加工塑性金属、切削速度较高及切削厚度较大的情况下，此时刀具前刀面的摩擦阻力大、温度高，切屑在刀具前刀面上磨出月牙洼凹坑。一般认为,月牙洼最大深度、月牙洼最大深度位置、距刀刃的距离和月牙洼宽度是评价刀具寿命的关键值。
生产和科学研究实践中可以采用多种方法提高刀具质量，延长其前刀面出现缺陷的时间，如采用新型的刀具材料、优化切削用量和刀具几何参数、降低工件材料的缺陷率、合理使用切削液等。但刀具加工过程中前刀面出现缺陷是不可避免的，因此应采取合理的措施监控刀具前刀面状态并预警，以降低刀具突然破损对加工精度造成的灾难性影响。
但是，目前利用传统的通用量仪(如工具显微镜、三坐标测量机等)来实现刀具几何形状的三维测量存在着各种困难和限制，主要是难于完成凹曲面的三维测量。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种能实时监控刀具的磨损情况，从而及时的对刀具的前刀面进行预警操作，避免造成损失的基于激光传感的刀具前刀面状态自动监控系统及监控方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：基于激光传感的刀具前刀面状态自动监控系统，包括：
PC机和电机；
与PC机电相连，用于控制所述电机的电机控制系统；
与电机相连的刀具；
对所述刀具的磨损度进行检测的激光传感器；
与激光传感器电相连的CCD采集装置，用于接受激光传感器测量的数据，并进行相应的处理后传输给PC机；
上述PC机用于对CCD采集装置传输的数据进行处理后，通过电机控制系统来控制电机转动/停止。
进一步的，所述CCD采集装置包括电荷放大部件、微积分运算部件、功率放大部件、A/D转换部件和数据收集部件。
基于激光传感的刀具前刀面状态自动监控系统的监控方法,包括如下步骤：
一、数据采集
(1)激光传感器测量刀具前刀面的数据，并将测量的数据传输给CCD采集装置；
(2)CCD采集装置根据三角测距法原理，将激光传感器传送过来的刀具前刀面上被测点到激光传感器之间的距离转换成该点的坐标，并传送给PC机；
二、数据处理
(1)PC机首先将采集到的坐标数据以数组的形式进行存储，然后通过二次取中滤波法对噪音点进行数据滤波处理，使数据点更为平滑，最后采用自适应压缩算法对采集数据进行自适应处理，以消除数据冗余；
(2)计算月牙洼的深度KT，据以确定刀具前刀面的磨损状态，计算方法如下：
平行度公差带是距离为公差值P的两平行平面之间的区域；平面方程在空间直角坐标系中可以简化为：z＝a0+a1x+a2y。采用最小二乘原理，使得刀具前刀面上实际被测各点(xi,yi,zi)(i＝1,2,3,…,n,n为实际被测点数)到最小二乘平面的距离的平方和为最小，即
为了求出系数[a0,a1,a2]，依据极值原理可使目标函数偏导为0，即
也即满足
然后通过求解下列的矩阵方程式：
最后可得到[a0,a1,a2]，从而得到平面度如此得到的平面度P对应月牙洼的深度KT。
三、预警措施
(1)若PC机判断P值在可控范围内，说明刀具前刀面的磨损程度较弱，则PC机继续通过驱动电机驱动电机转动，刀具正常工作；
(2)若PC机判断P值不在可控范围内，说明刀具前刀面的磨损程度较弱，则PC机继续通过驱动电机驱动电机停止转动，刀具停止工作。
进一步的，所述激光传感器包括激光束、聚透镜、成像透镜和处理系统；上述激光束经会聚透镜投射到刀具前刀面上，其漫反射光经成像透镜通过处理系统处理形成光斑后传送给CCD采集装置。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明方案的基于激光传感的刀具前刀面状态自动监控系统及监控方法，采用激光传感器测量刀具前刀面数据，经过数据存储、滤波、压缩，输送到PC机中，再经相应的软件处理计算刀具前刀面的平面度误差，据以确定刀具前刀面的磨损状态，从而来确定电机是否继续驱动，保证了刀具前刀面的磨损状态处于可控范围内，避免造成损失，符合实际的使用需求。
附图说明
附图1为本发明中的的原理图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如附图1所示的本发明所述的基于激光传感的刀具前刀面状态自动监控系统，包括PC机和电机；与PC机电相连，用于控制所述电机的电机控制系统；与电机相连的刀具；对所述刀具的磨损度进行检测的激光传感器；与激光传感器电相连的CCD采集装置，用于接受激光传感器测量的数据，并进行相应的处理后传输给PC机；上述PC机用于对CCD采集装置传输的数据进行处理后，通过电机控制系统来控制电机转动/停止。
进一步的，其中，CCD采集装置包括电荷放大部件、微积分运算部件、功率放大部件、A/D转换部件和数据收集部件等半导体器件。
具体的，还公开了基于激光传感的刀具前刀面状态自动监控系统的监控方法,包括如下步骤：
一、数据采集
(1)激光传感器测量刀具前刀面的数据，并将测量的数据传输给CCD采集装置；其中，激光传感器包括激光束、聚透镜、成像透镜和处理系统；上述激光束经会聚透镜投射到刀具前刀面上，其漫反射光经成像透镜通过处理系统处理形成光斑后传送给CCD采集装置。
(2)CCD采集装置根据三角测距法原理，将激光传感器传送过来的刀具前刀面上被测点到激光传感器之间的距离转换成该点的坐标，并传送给PC机；
二、数据处理
(1)PC机首先将采集到的坐标数据以数组的形式进行存储，然后通过二次取中滤波法对噪音点进行数据滤波处理，使数据点更为平滑，最后采用自适应压缩算法对采集数据进行自适应处理，以消除数据冗余；
(2)计算月牙洼的深度KT，据以确定刀具前刀面的磨损状态，计算方法如下：
平行度公差带是距离为公差值P的两平行平面之间的区域；平面方程在空间直角坐标系中可以简化为：z＝a0+a1x+a2y。采用最小二乘原理，使得刀具前刀面上实际被测各点(xi,yi,zi)(i＝1,2,3,…,n,n为实际被测点数)到最小二乘平面的距离的平方和为最小，即
为了求出系数[a0,a1,a2]，依据极值原理可使目标函数偏导为0，即
也即满足
然后通过求解下列的矩阵方程式：
最后可得到[a0,a1,a2]，从而得到平面度如此得到的平面度P对应月牙洼的深度KT。
三、预警措施
(1)若PC机判断P值在可控范围内，说明刀具前刀面的磨损程度较弱，则PC机继续通过驱动电机驱动电机转动，刀具正常工作；
(2)若PC机判断P值不在可控范围内，说明刀具前刀面的磨损程度较弱，则PC机继续通过驱动电机驱动电机停止转动，刀具停止工作。
曲线拟合就是用解析表达式逼近离散数据的一种方法。
非线性最小二乘拟合(借助求解非线性方程组或用最优化方法求得所需参数，进而得到拟合曲线)。
曲线拟合法应用于单一变量的二维平面曲线关系分析；曲面拟合法则用于两个变量作用的三维空间空间曲面关系分析。
所谓曲面拟合，就是根据实际试验测试数据，求取函数f(x,y)与变量x和y之间的解析式，使其所确定的曲面通过或近似通过所有的实验测试点。也就是说，使所有实验数据点能近似地分布在函数f(x,y)所表示的空间曲面上。
插值法主要研究的是牛顿插值法，解析法主要研究的是最小二乘法。通过最小二乘法做曲线拟合函数，然后再从二维的曲线拟合过渡到三维的曲面拟合。在曲面拟合过程中，通过最小二乘法得到一个一个的非线性方程组，然后利用牛顿法求解，便得到拟合函数或拟合参数
本发明的基于激光传感的刀具前刀面状态自动监控系统及监控方法，采用激光传感器测量刀具前刀面数据，经过数据存储、滤波、压缩，输送到PC机中，再经相应的软件处理计算刀具前刀面的平面度误差，据以确定刀具前刀面的磨损状态，从而来确定电机是否继续驱动，保证了刀具前刀面的磨损状态处于可控范围内，避免造成损失，符合实际的使用需求。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (4)

1.基于激光传感的刀具前刀面状态自动监控系统，其特征在于，包括：
PC机和电机；
与PC机电相连，用于控制所述电机的电机控制系统；
与电机相连的刀具；
对所述刀具的磨损度进行检测的激光传感器；
与激光传感器电相连的CCD采集装置，用于接受激光传感器测量的数据，并进行相应的处理后传输给PC机；
上述PC机用于对CCD采集装置传输的数据进行处理后，通过电机控制系统来控制电机转动/停止。
2.根据权利要求1所述的基于激光传感的刀具前刀面状态自动监控系统，其特征在于：所述CCD采集装置包括电荷放大部件、微积分运算部件、功率放大部件、A/D转换部件和数据收集部件。
3.如权利要求1所述的基于激光传感的刀具前刀面状态自动监控系统的监控方法,其特征在于，包括如下步骤：
一、数据采集
(1)激光传感器测量刀具前刀面的数据，并将测量的数据传输给CCD采集装置；
(2)CCD采集装置根据三角测距法原理，将激光传感器传送过来的刀具前刀面上被测点到激光传感器之间的距离转换成该点的坐标，并传送给PC机；
二、数据处理
(1)PC机首先将采集到的坐标数据以数组的形式进行存储，然后通过二次取中滤波法对噪音点进行数据滤波处理，使数据点更为平滑，最后采用自适应压缩算法对采集数据进行自适应处理，以消除数据冗余；
(2)计算月牙洼的深度KT：据以确定刀具前刀面的磨损状态，计算方法如下：
平行度公差带是距离为公差值P的两平行平面之间的区域；平面方程在空间直角坐标系中可以简化为：z＝a0+a1x+a2y。采用最小二乘原理，使得刀具前刀面上实际被测各点(xi,yi,zi)(i＝1,2,3,…,n,n为实际被测点数)到最小二乘平面的距离的平方和为最小，即
为了求出系数[a0,a1,a2]，依据极值原理可使目标函数偏导为0，即
也即满足
然后通过求解下列的矩阵方程式：
最后可得到[a0,a1,a2]，从而得到平面度如此得到的平面度P对应月牙洼的深度KT。
三、预警措施
(1)若PC机判断P值在可控范围内，说明刀具前刀面的磨损程度较弱，则PC机继续通过驱动电机驱动电机转动，刀具正常工作；
(2)若PC机判断P值不在可控范围内，说明刀具前刀面的磨损程度较弱，则PC机继续通过驱动电机驱动电机停止转动，刀具停止工作。
4.根据权利要求3所述的基于激光传感的刀具前刀面状态自动监控系统的监控方法，其特征在于：所述激光传感器包括激光束、聚透镜、成像透镜和处理系统；上述激光束经会聚透镜投射到刀具前刀面上，其漫反射光经成像透镜通过处理系统处理形成光斑后传送给CCD采集装置。
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