CN109947046A - 一种基于物联网的数控机床智能监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于物联网的数控机床智能监测系统，利用振动测试模块、控制运算模块、故障检测模块以及显示模块实现对数控机床在振动异常情况下的供电电流和电压进行测试，不仅能够对数控机床的供电故障进行有效监测，而且只有在振动异常情况下才触发对供电电流和电压进行监测，节省了资源，不会因为引入了该监测系统而影响数控机床的正常运作，另一方面，在对数控机床的振动进行监测时，采用四个传感器分别对振动机床不同位置进行监测，并计算出振动机床x轴振动值和y轴振动值，同时使用振动传感器对振动信号最小的安装基座进行振动监测时，通过对信号的放大和滤波，大大提高了振动监测的准确度。

Description

一种基于物联网的数控机床智能监测系统

技术领域

本发明涉及智能测试领域，尤其涉及一种基于物联网的数控机床智能监测系统。

背景技术

数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。

数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。

数控机床的供电电压和电流是保障数控机床稳定运行的第一道保障，但是，目前在数控机床的监测系统中，并未涉及对数控机床的供电故障进行监测。

对此，亟需提供一种基于物联网的数控机床智能监测系统。

发明内容

因此，为了克服上述问题，本发明提供一种基于物联网的数控机床智能监测系统，利用振动测试模块、控制运算模块、故障检测模块以及显示模块实现对数控机床在振动异常情况下的供电电流和电压进行测试，不仅能够对数控机床的供电故障进行有效监测，而且只有在振动异常情况下才触发对供电电流和电压进行监测，节省了资源，不会因为引入了该监测系统而影响数控机床的正常运作，另一方面，在对数控机床的振动进行监测时，采用四个传感器分别对振动机床不同位置进行监测，并计算出振动机床x轴振动值和y轴振动值，同时使用振动传感器对振动信号最小的安装基座进行振动监测时，通过对信号的放大和滤波，大大提高了振动监测的准确度。

本发明提供的基于物联网的数控机床智能监测系统包括振动测试模块、控制运算模块、故障检测模块以及显示模块，振动测试模块与控制运算模块连接，故障检测模块与控制运算模块连接，显示模块与控制运算模块连接。

其中，振动测试模块用于对数控机床的振动信号进行监测，并将监测值传输至控制运算模块，控制运算模块对接收到的振动信号进行分析以判断数控机床的振动信号是否异常，若判断数控机床的振动信号为异常，则控制运算模块控制故障检测模块对数控机床的电压信号和电流信号进行采集，故障检测模块将采集到的电压信号与预设电压信号进行比较，将采集到的电流信号与预设电流信号进行比较，以判断是否为数控机床供电故障，故障检测模块将采集的电压信号、电流信号以及故障判断结果传输至控制运算模块，显示模块用于显示、存储振动测试模块采集的振动信号、故障检测模块采集的电压信号、电流信号以及故障判断结果。

优选的是，振动测试模块包括第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器以及第四振动传感器，其中，第一振动传感设置于数控机床的机床刀具的安装基座上，第一振动传感器与控制运算模块中的信号处理电路连接，第一振动传感器用于采集安装基座的振动值和振动方向，记为第一振动值A1和第一振动方向；第二振动传感器设置于与安装基座连接的基座连接部上，第二振动传感器用于采集基座连接部的振动值和振动方向，记为第二振动值A2和第二振动方向；第三振动传感器设置于与机床刀具连接的壳体上，第三振动传感器用于采集壳体的振动值和振动方向，记为第三振动值A3和第三振动方向；第四振动传感器设置于机床刀具上，第四振动传感器用于采集机床刀具的振动值和振动方向，记为第四振动值A4和第四振动方向；振动测试模块将第一振动值A1、第二振动值A2、第三振动值A3、第四振动值A4、第一振动方向、第二振动方向、第三振动方向以及第四振动方向传输至控制运算模块。

优选的是，控制运算模块包括信号处理电路、运算器、无线传输装置、中央处理装置、随机存储器、FLASH存储器、时钟电路、E2PROM以及接口电路，其中，信号处理电路、运算器、无线传输装置、随机存储器、FLASH存储器、时钟电路、E2PROM以及接口电路均与中央处理装置连接；信号处理电路对第一振动传感器采集的振动信号依次进行信号放大和信号滤波处理，中央处理装置将接收到的振动测试模块采集的第一振动值A1、第二振动值A2、第三振动值A3、第四振动值A4、第一振动方向、第二振动方向、第三振动方向以及第四振动方向传输至运算器进行分析计算，其中，设机床刀具所指方向为x轴方向，与机床刀具所指方向垂直方向为y轴方向，第一振动方向与x轴的夹角为μ1，第二振动方向与x轴的夹角为μ2，第三振动方向与x轴的夹角为μ3，第四振动方向与x轴的夹角为μ4。

则数控机床x轴振动值。

则数控机床y轴振动值。

运算器将计算所得数控机床x轴振动值X、数控机床y轴振动值Y传输至中央处理装置，中央处理装置将接收到的数控机床x轴振动值X与预设阈值Xmin进行比较，中央处理装置将接收到的数控机床y轴振动值Y与预设阈值Ymin进行比较，若X≥Xmin或Y≥Ymin则中央处理装置向故障检测模块发出触发指令。

优选的是，故障检测模块包括触发器、电压传感器、电流传感器以及比较器，其中，电压传感器和电流传感器均与触发器连接，电压传感器和电流传感器均与比较器连接；触发器接收到触发指令后，电压传感器和电流传感器开始采集数控机床的工作电压U和工作电流I，电压传感器和电流传感器将采集到的工作电压U和工作电流I传输至中央处理装置，并将工作电压U和工作电流I传输至比较器，比较器将接收到的工作电压U与预设电压阈值Um进行比较，比较器将接收到的工作电流I与预设电流阈值Im进行比较，若或，即判断为数控机床供电故障，则故障检测模块向中央处理装置发送报警信号。

优选的是，显示模块包括显示器、存储器、远程监测端以及报警器，显示器、存储器以及报警器均与中央处理装置两极，远程监测端通过无线传输装置与中央处理装置连接；其中，中央处理装置将接收到的第一振动值A1、第二振动值A2、第三振动值A3、第四振动值A4、第一振动方向、第二振动方向、第三振动方向、第四振动方向、数控机床的工作电压U、工作电流I、报警信息、数控机床的x轴振动值和y轴振动值传输至显示器进行显示，中央处理装置将接收到的第一振动值A1、第二振动值A2、第三振动值A3、第四振动值A4、第一振动方向、第二振动方向、第三振动方向、第四振动方向、数控机床的工作电压U、工作电流I、报警信息、数控机床的x轴振动值和y轴振动值传输至存储器进行存储，中央处理装置通过无线传输装置将接收到的第一振动值A1、第二振动值A2、第三振动值A3、第四振动值A4、第一振动方向、第二振动方向、第三振动方向、第四振动方向、数控机床的工作电压U、工作电流I、报警信息、数控机床的x轴振动值和y轴振动值传输至远程监测端，中央处理装置在接收到故障检测模块发送的报警信号后控制报警器进行报警。

优选的是，第一振动传感器用于采集安装基座的振动信号，将采集的振动信号转换为电压信号V0，并将电压信号V0传输至信号处理电路，V1为经过信号处理电路处理后的电压信号，信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，第一振动传感器的输出端与信号放大单元的输入端连接，信号放大单元的输出端与信号滤波单元的输入端连接，信号滤波单元的输出端与中央处理装置的输入端连接。

优选的是，信号放大单元包括集成运放A1、电容C1-C2、三极管VT1-VT2、稳压管D1、二极管D2-D3、变压器T1和电阻R1-R5。

其中，第一振动传感器的输出端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与集成运放A1的同相输入端连接，电阻R1的另一端还与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与集成运放A1的输出端连接，电容C1的另一端与稳压管D1的阳极连接，电阻R2的一端与三极管VT2的集电极连接，电阻R2的另一端与三极管VT1的基极连接，三极管VT1的发射极接地，电阻R3的一端与三极管VT2的基极连接，电阻R3的另一端与三极管VT1的集电极连接，三极管VT2的发射极接地，集成运放A1的输出端与变压器T1一次侧的触头连接，三极管VT2的集电极与变压器T1一次侧的一端连接，三极管VT1的集电极与变压器T1一次侧的另一端连接，电容C2的一端与变压器T1二次侧的触头连接，稳压管D1的阴极与电容C2的另一端连接，二极管D1的阳极与变压器T1二次侧的一端连接，二极管D1的阴极与电容C2的另一端连接，二极管D2的阳极与变压器T1二次侧的另一端连接，二极管D2的阴极与电容C2的另一端连接，电容C2的另一端与信号滤波单元连接。

优选的是，信号滤波单元包括电阻R6-R14、电容C3-C4以及集成运放A2-A5。

其中，信号放大单元的输出端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与集成运放A2的反相输入端连接，电阻R7的一端与集成运放A2的反相输入端连接，集成运放A2的同相输入端接地，电阻R7的另一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R8的一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R8的另一端与集成运放A3的反相输入端连接，集成运放A3的同相输入端接地，电阻R11的一端与电阻R10的一端连接，电阻R11的另一端与集成运放A5的反相输入端连接，集成运放A5的同相输入端接地，电阻R10的另一端与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与集成运放A2的反相输入端连接，电阻R12的一端与集成运放A3的反相输入端连接，电阻R12的另一端与集成运放A5的输出端连接，电阻R13的一端与集成运放A3的输出端连接，电阻R13的另一端与集成运放A4的反相输入端连接，集成运放A4的同相输入端接地，电阻R14的一端与集成运放A4的反相输入端连接，电阻R14的另一端与集成运放A4的输出端连接，电容C3的一端与集成运放A3的反相输入端连接，电容C3的另一端与集成运放A3的输出端连接，电容C4的一端与集成运放A5的反相输入端连接，电容C4的另一端与集成运放A5的输出端连接，集成运放A5的输出端与中央处理装置连接，集成运放A5将处理后的电压信号V1传输至中央处理装置。

优选的是，显示器、存储器与报警器均与控制运算模块中的接口电路连接。

优选的是，报警器为声光报警器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）本发明提供一种基于物联网的数控机床智能监测系统，利用利用振动测试模块、控制运算模块、故障检测模块以及显示模块实现对数控机床在振动异常情况下的供电电流和电压进行测试，不仅能够对数控机床的供电故障进行有效监测，而且只有在振动异常情况下才触发对供电电流和电压进行监测，节省了资源，不会因为引入了该监测系统而影响数控机床的正常运作，另一方面，在对数控机床的振动进行监测时，采用四个传感器分别对振动机床不同位置进行监测，并计算出振动机床x轴振动值和y轴振动值，同时使用振动传感器对振动信号最小的安装基座进行振动监测时，通过对信号的放大和滤波，大大提高了振动监测的准确度。

（2）本发明提供的一种基于物联网的数控机床智能监测系统，本发明的发明点还在于由于第一振动传感器采集的信号为微弱的电压信号，因而信号放大单元通过集成运放A1、电容C1-C2、三极管VT1-VT2、稳压管D1、二极管D2-D3、变压器T1和电阻R1-R5对第一振动传感器输出的电压V0进行放大处理，由集成运放A1、电容C1-C2、三极管VT1-VT2、稳压管D1、二极管D2-D3、变压器T1和电阻R1-R5构成的信号放大单元只有0.3μV/℃的漂移、2μV以内的偏移、100pA偏置电流和0.1Hz到10Hz宽带内7nV的噪声。其中，信号滤波单元使用电阻R6-R14、电容C3-C4以及集成运放A2-A5对经过放大后的电压信号进行低通滤波处理，从而提高了振动检测的精度。

附图说明

图1为本发明的基于物联网的数控机床智能监测系统的结构图。

图2为本发明的基于物联网的数控机床智能监测系统的示意图。

图3为本发明的信号处理电路的电路图。

附图标记：

1-中央处理装置；2-安装基座；3-基座连接部；4-壳体；5-电源连接口；6-第一振动传感器；7-第二振动传感器；8-第三振动传感器；9-第四振动传感器；10-机床刀具。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的基于物联网的数控机床智能监测系统进行详细说明。

如图1-2所示，本发明提供的基于物联网的数控机床智能监测系统包括振动测试模块、控制运算模块、故障检测模块以及显示模块，振动测试模块与控制运算模块连接，故障检测模块与控制运算模块连接，显示模块与控制运算模块连接。

其中，振动测试模块用于对数控机床的振动信号进行监测，并将监测值传输至控制运算模块，控制运算模块对接收到的振动信号进行分析以判断数控机床的振动信号是否异常，若判断数控机床的振动信号为异常，则控制运算模块控制故障检测模块对数控机床的电压信号和电流信号进行采集，故障检测模块将采集到的电压信号与预设电压信号进行比较，将采集到的电流信号与预设电流信号进行比较，以判断是否为数控机床供电故障，故障检测模块将采集的电压信号、电流信号以及故障判断结果传输至控制运算模块，显示模块用于显示、存储振动测试模块采集的振动信号、故障检测模块采集的电压信号、电流信号以及故障判断结果。

上述实施方式中，利用振动测试模块、控制运算模块、故障检测模块以及显示模块实现对数控机床在振动异常情况下的供电电流和电压进行测试，不仅能够对数控机床的供电故障进行有效监测，而且只有在振动异常情况下才触发对供电电流和电压进行监测，节省了资源，不会因为引入了该监测系统而影响数控机床的正常运作，另一方面，在对数控机床的振动进行监测时，采用四个传感器分别对振动机床不同位置进行监测，并计算出振动机床x轴振动值和y轴振动值，同时使用振动传感器对振动信号最小的安装基座进行振动监测时，通过对信号的放大和滤波，大大提高了振动监测的准确度。

具体地，振动测试模块包括第一振动传感器6、第二振动传感器7、第三振动传感器8以及第四振动传感器9，其中，第一振动传感6设置于数控机床的机床刀具10的安装基座2上，第一振动传感器6与控制运算模块中的信号处理电路连接，第一振动传感器6用于采集安装基座2的振动值和振动方向，记为第一振动值A1和第一振动方向；第二振动传感器7设置于与安装基座2连接的基座连接部3上，第二振动传感器7用于采集基座连接部3的振动值和振动方向，记为第二振动值A2和第二振动方向；第三振动传感器8设置于与机床刀具10连接的壳体4上，第三振动传感器8用于采集壳体4的振动值和振动方向，记为第三振动值A3和第三振动方向；第四振动传感器9设置于机床刀具10上，第四振动传感器10用于采集机床刀具10的振动值和振动方向，记为第四振动值A4和第四振动方向；振动测试模块将第一振动值A1、第二振动值A2、第三振动值A3、第四振动值A4、第一振动方向、第二振动方向、第三振动方向以及第四振动方向传输至控制运算模块。

具体地，控制运算模块包括信号处理电路、运算器、无线传输装置、中央处理装置1、随机存储器、FLASH存储器、时钟电路、E2PROM以及接口电路，其中，信号处理电路、运算器、无线传输装置、随机存储器、FLASH存储器、时钟电路、E2PROM以及接口电路均与中央处理装置1连接；信号处理电路对第一振动传感器6采集的振动信号依次进行信号放大和信号滤波处理，中央处理装置1将接收到的振动测试模块采集的第一振动值A1、第二振动值A2、第三振动值A3、第四振动值A4、第一振动方向、第二振动方向、第三振动方向以及第四振动方向传输至运算器进行分析计算，其中，设机床刀具10所指方向为x轴方向，与机床刀具10所指方向垂直方向为y轴方向，第一振动方向与x轴的夹角为μ1，第二振动方向与x轴的夹角为μ2，第三振动方向与x轴的夹角为μ3，第四振动方向与x轴的夹角为μ4。

则数控机床x轴振动值。

则数控机床y轴振动值。

其中，中央处理装置1为AM1808，AM1808，是美国德州仪器(TI)推出全新高性能ARM处理器，这款芯片拥有丰富的外设资源，也是业界功耗最低的ARM9处理器之一，可充分满足高能效、连通性设计对高集成度外设、更低热量耗散以及更长电池使用寿命的需求。不仅具备通用并行端口 (uPP)，同时也是 TI 首批集成串行高级技术附件 (SATA)的器件。

TI AM1808处理器（Pin to Pin兼容TMS320C6748，OMAPL138处理器），主频为456MHz；可采用128/256MByte工业级DDR2，或128M/256M/512MByteNAND Flash作为存储器；带1个3.5mm Line in音频输入接口，1个3.5mm Mic in音频输入接口，1个3.5mm Line out音频输出接口；UART1，3线串口，RS232电平；UART2，3线串口，RS232电平；1个RS485接口（RS485和UART1复用）；1 x USB2.0 OTG（Mini USB-B母座接口）；4 x USB1.1 HOST（2 x 双层USB Type A座）；1个标准SD卡座（SD/MMC信号，支持1.8V及3.3V逻辑电压）；1个10/100Mbps以太网络接口（RJ45连接器）；1个SATA接口（7pin SATA硬盘接口）；1个RTC座（RC1220 RTC座）；1 个JTAG接口（14Pin TI Rev B JTAG接口）；1路SPI总线；1路IIC总线；1路UART信号；1路VPIF总线；1路uPP总线；1路EMIF总线；可设置多个GPIO；1个非屏蔽中断按键；1个可编程按键；1个复位按键；2个电源指示灯；1个系统指示灯；4个可编程指示灯；一个VGA接口；一个24bit真彩色LCD接口（50pinFPC排座；含4电阻式线触摸屏接口，分辨率可支持1366x768）。

工作电压：3.8V~5.5V（典型值：5V）；工作温度：-45~85℃；环境湿度：20% ~ 90% ，非冷凝；开发板：180mm*130mm；核心板：55mm*33mm；电压：5V；电流：232mA；功耗：1.16W。

其中，时钟电路，为ARM处理器提供所需的起振时钟频率，保障其稳定运行，E2PROM，主要作用是存放本发明的软件在运行过程中所需要的重要参数。

外扩的FLASH存储器采用SPR4096A，主要用来存储及备份原始文件数据信息。

SPR4096A FLASH具有如下特征：512K×8位的存储空间；内嵌4K×8位的SRAM；外部CPU可以通过串行接口或8位并行接口来访问Flash／SRAM；I／O接口的电压范围为2.25～3.6V，并支持stand by的省电模式；可以大大降低系统的成本。在使用时，数据处理过程中，ARM处理器结合随机存储器和FLASH存储器可有效完成数据交换，以达到良好的数据处理效果；能有效保障110KV电力传输系统上的用于进行运营管理的微机系统安全稳定的正常运行，并且能够及时的发现传输线路是否存在短路或断路故障，确保传输线路正常运营，整个电路具有设计科学合理、安全稳定、实用性强等特点；采用多种存储器相结合的方式，能根据不同的数据处理需要而选择不同的存储器，从而保障数据处理的良好效果；所述的FLASH存储器可有效的进行数据备份存储，以备后期进行信息调阅等操作时有据可依。

运算器将计算所得数控机床x轴振动值X、数控机床y轴振动值Y传输至中央处理装置1，中央处理装置1将接收到的数控机床x轴振动值X与预设阈值Xmin进行比较，中央处理装置1将接收到的数控机床y轴振动值Y与预设阈值Ymin进行比较，若X≥Xmin或Y≥Ymin则中央处理装置1向故障检测模块发出触发指令。

具体地，故障检测模块包括触发器、电压传感器、电流传感器以及比较器，其中，电压传感器和电流传感器均与触发器连接，电压传感器和电流传感器均与比较器连接；触发器接收到触发指令后，电压传感器和电流传感器开始采集数控机床的工作电压U和工作电流I，电压传感器和电流传感器将采集到的工作电压U和工作电流I传输至中央处理装置1，并将工作电压U和工作电流I传输至比较器，比较器将接收到的工作电压U与预设电压阈值Um进行比较，比较器将接收到的工作电流I与预设电流阈值Im进行比较，若或，即判断为数控机床供电故障，则故障检测模块向中央处理装置1发送报警信号。

具体地，显示模块包括显示器、存储器、远程监测端以及报警器，显示器、存储器以及报警器均与中央处理装置1两极，远程监测端通过无线传输装置与中央处理装置1连接；其中，中央处理装置1将接收到的第一振动值A1、第二振动值A2、第三振动值A3、第四振动值A4、第一振动方向、第二振动方向、第三振动方向、第四振动方向、数控机床的工作电压U、工作电流I、报警信息、数控机床的x轴振动值和y轴振动值传输至显示器进行显示，中央处理装置1将接收到的第一振动值A1、第二振动值A2、第三振动值A3、第四振动值A4、第一振动方向、第二振动方向、第三振动方向、第四振动方向、数控机床的工作电压U、工作电流I、报警信息、数控机床的x轴振动值和y轴振动值传输至存储器进行存储，中央处理装置1通过无线传输装置将接收到的第一振动值A1、第二振动值A2、第三振动值A3、第四振动值A4、第一振动方向、第二振动方向、第三振动方向、第四振动方向、数控机床的工作电压U、工作电流I、报警信息、数控机床的x轴振动值和y轴振动值传输至远程监测端，中央处理装置1在接收到故障检测模块发送的报警信号后控制报警器进行报警。

如图3所示，第一振动传感器6用于采集安装基座2的振动信号，将采集的振动信号转换为电压信号V0，并将电压信号V0传输至信号处理电路，V1为经过信号处理电路处理后的电压信号，信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，第一振动传感器6的输出端与信号放大单元的输入端连接，信号放大单元的输出端与信号滤波单元的输入端连接，信号滤波单元的输出端与中央处理装置1的输入端连接。

具体地，信号放大单元包括集成运放A1、电容C1、电容C2、三极管VT1、三极管VT2、稳压管D1、二极管D2、二极管D3、变压器T1和电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5。

其中，第一振动传感器6的输出端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与集成运放A1的同相输入端连接，电阻R1的另一端还与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与集成运放A1的输出端连接，电容C1的另一端与稳压管D1的阳极连接，电阻R2的一端与三极管VT2的集电极连接，电阻R2的另一端与三极管VT1的基极连接，三极管VT1的发射极接地，电阻R3的一端与三极管VT2的基极连接，电阻R3的另一端与三极管VT1的集电极连接，三极管VT2的发射极接地，集成运放A1的输出端与变压器T1一次侧的触头连接，三极管VT2的集电极与变压器T1一次侧的一端连接，三极管VT1的集电极与变压器T1一次侧的另一端连接，电容C2的一端与变压器T1二次侧的触头连接，稳压管D1的阴极与电容C2的另一端连接，二极管D1的阳极与变压器T1二次侧的一端连接，二极管D1的阴极与电容C2的另一端连接，二极管D2的阳极与变压器T1二次侧的另一端连接，二极管D2的阴极与电容C2的另一端连接，电容C2的另一端与信号滤波单元连接。

具体地，信号滤波单元包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、R13、电阻R14、电容C3、电容C4以及集成运放A2、集成运放A3、集成运放A4、集成运放A5。

其中，信号放大单元的输出端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与集成运放A2的反相输入端连接，电阻R7的一端与集成运放A2的反相输入端连接，集成运放A2的同相输入端接地，电阻R7的另一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R8的一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R8的另一端与集成运放A3的反相输入端连接，集成运放A3的同相输入端接地，电阻R11的一端与电阻R10的一端连接，电阻R11的另一端与集成运放A5的反相输入端连接，集成运放A5的同相输入端接地，电阻R10的另一端与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与集成运放A2的反相输入端连接，电阻R12的一端与集成运放A3的反相输入端连接，电阻R12的另一端与集成运放A5的输出端连接，电阻R13的一端与集成运放A3的输出端连接，电阻R13的另一端与集成运放A4的反相输入端连接，集成运放A4的同相输入端接地，电阻R14的一端与集成运放A4的反相输入端连接，电阻R14的另一端与集成运放A4的输出端连接，电容C3的一端与集成运放A3的反相输入端连接，电容C3的另一端与集成运放A3的输出端连接，电容C4的一端与集成运放A5的反相输入端连接，电容C4的另一端与集成运放A5的输出端连接，集成运放A5的输出端与中央处理装置1连接，集成运放A5将处理后的电压信号V1传输至中央处理装置1。

上述实施方式中，信号处理电路的噪声在7nV以内，漂移为0.3μV/℃，集成运放A1为LM10低漂移集成运放，集成运放A2、集成运放A3、集成运放A4、集成运放A5为LT1013低漂移放大器，由于集成运放A1的直流偏移与漂移并不会影响电路的整体偏移，从而使得电路有着极低的偏移和漂移。

在信号放大单元中，电阻R1的阻值为100KΩ，电阻R2的阻值为15KΩ，电阻R3的阻值为15KΩ，电阻R4为阻值为10MΩ，电阻R5的阻值为100KΩ， C1的电容值为0.033μF，电容C2的电容值为10μF，三极管VT1和VT2的型号为2N3904，稳压管D1的型号为HP5082-2810，二极管D1-D2的型号为1N4148，变压器T1型号为TRIADSP-29；在信号滤波单元中，电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14的阻值、电容C3、电容C4的电容值均为工作人员根据具体情况而设。

在信号放大单元中，信号放大单元提供0-10V的输出，最大电流75μA，集成运放A1驱动自激式变频器关闭反馈电路，二极管D2、二极管D3旁路变频器以获得低电压输出，辅助输出噪声性能，变频器导通阈值和二极管正向击穿之间的重叠确保了在过渡点的纯净动态行为，为了增加效率，电容C1提供了一个交流正反馈，致使集成运放A1输出输出稳定的电压信号。

在信号滤波单元中，信号滤波单元为低通滤波单元，其中，Ui为信号放大单元的输出电压信号，U1为集成运放A2的输出电压信号，U0为集成运放A4的输出电压信号，U2为集成运放A3的输出电压信号，s为传递函数中的变量；其中，

。

。

。

信号滤波单元的频率。

信号滤波单元的质量。

由于第一振动传感器6采集的信号为微弱的电压信号，因而信号放大单元通过集成运放A1、电容C1、电容C2、三极管VT1、三极管VT2、稳压管D1、二极管D2、稳压管D3、变压器T1和电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5对第一振动传感器6输出的电压V0进行放大处理，由集成运放A1、电容C1、电容C2、三极管VT1、三极管VT2、稳压管D1、二极管D2、二极管D3、变压器T1和电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5构成的信号放大单元只有0.3μV/℃的漂移、2μV以内的偏移、100pA偏置电流和0.1Hz到10Hz宽带内7nV的噪声。其中，信号滤波单元使用电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R1、电容C3、电容C4以及集成运放A2、集成运放A3、集成运放A4、集成运放A5对经过放大后的电压信号进行低通滤波处理，从而提高了振动检测的精度。

具体地，显示器、存储器与报警器均与控制运算模块中的接口电路连接。

具体地，报警器为声光报警器。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于物联网的数控机床智能监测系统，其特征在于，所述基于物联网的数控机床智能监测系统包括振动测试模块、控制运算模块、故障检测模块以及显示模块，所述振动测试模块与所述控制运算模块连接，所述故障检测模块与所述控制运算模块连接，所述显示模块与所述控制运算模块连接；

其中，所述振动测试模块用于对所述数控机床的振动信号进行监测，并将监测值传输至所述控制运算模块，所述控制运算模块对接收到的振动信号进行分析以判断所述数控机床的振动信号是否异常，若判断所述数控机床的振动信号为异常，则所述控制运算模块控制所述故障检测模块对所述数控机床的电压信号和电流信号进行采集，所述故障检测模块将采集到的电压信号与预设电压信号进行比较，将采集到的电流信号与预设电流信号进行比较，以判断是否为所述数控机床供电故障，所述故障检测模块将采集的电压信号、电流信号以及故障判断结果传输至所述控制运算模块，所述显示模块用于显示、存储所述振动测试模块采集的振动信号、所述故障检测模块采集的电压信号、电流信号以及故障判断结果。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的数控机床智能监测系统，其特征在于，所述振动测试模块包括第一振动传感器（6）、第二振动传感器（7）、第三振动传感器（8）以及第四振动传感器（9），其中，所述第一振动传感（6）设置于所述数控机床的机床刀具（10）的安装基座（2）上，所述第一振动传感器（6）与所述控制运算模块中的信号处理电路连接，所述第一振动传感器（6）用于采集所述安装基座（2）的振动值和振动方向，记为第一振动值A1和第一振动方向；所述第二振动传感器（7）设置于与所述安装基座（2）连接的基座连接部（3）上，所述第二振动传感器（7）用于采集所述基座连接部（3）的振动值和振动方向，记为第二振动值A2和第二振动方向；所述第三振动传感器（8）设置于与所述机床刀具（10）连接的壳体（4）上，所述第三振动传感器（8）用于采集所述壳体（4）的振动值和振动方向，记为第三振动值A3和第三振动方向；所述第四振动传感器（9）设置于所述机床刀具（10）上，所述第四振动传感器（10）用于采集所述机床刀具（10）的振动值和振动方向，记为第四振动值A4和第四振动方向；所述振动测试模块将所述第一振动值A1、第二振动值A2、第三振动值A3、第四振动值A4、第一振动方向、第二振动方向、第三振动方向以及第四振动方向传输至所述控制运算模块。

3.根据权利要求2所述的基于物联网的数控机床智能监测系统，其特征在于，所述控制运算模块包括信号处理电路、运算器、无线传输装置、中央处理装置（1）、随机存储器、FLASH存储器、时钟电路、E2PROM以及接口电路，其中，所述信号处理电路、所述运算器、所述无线传输装置、所述随机存储器、所述FLASH存储器、所述时钟电路、所述E2PROM以及所述接口电路均与所述中央处理装置（1）连接；所述信号处理电路对所述第一振动传感器（6）采集的振动信号依次进行信号放大和信号滤波处理，所述中央处理装置（1）将接收到的所述振动测试模块采集的第一振动值A1、第二振动值A2、第三振动值A3、第四振动值A4、第一振动方向、第二振动方向、第三振动方向以及第四振动方向传输至所述运算器进行分析计算，其中，设所述机床刀具（10）所指方向为x轴方向，与所述所述机床刀具（10）所指方向垂直方向为y轴方向，第一振动方向与x轴的夹角为μ1，第二振动方向与x轴的夹角为μ2，第三振动方向与x轴的夹角为μ3，第四振动方向与x轴的夹角为μ4；

则所述数控机床x轴振动值；

则所述数控机床y轴振动值；

所述运算器将计算所得所述数控机床x轴振动值X、所述数控机床y轴振动值Y传输至所述中央处理装置（1），所述中央处理装置（1）将接收到的所述数控机床x轴振动值X与预设阈值Xmin进行比较，所述中央处理装置（1）将接收到的所述数控机床y轴振动值Y与预设阈值Ymin进行比较，若X≥Xmin或Y≥Ymin则所述中央处理装置（1）向所述故障检测模块发出触发指令。

4.根据权利要求3中任一权利要求所述的基于物联网的数控机床智能监测系统，其特征在于，所述故障检测模块包括触发器、电压传感器、电流传感器以及比较器，其中，所述电压传感器和所述电流传感器均与所述触发器连接，所述电压传感器和所述电流传感器均与所述比较器连接；所述触发器接收到所述触发指令后，所述电压传感器和所述电流传感器开始采集所述数控机床的工作电压U和工作电流I，所述电压传感器和所述电流传感器将采集到的工作电压U和工作电流I传输至所述中央处理装置（1），并将所述工作电压U和所述工作电流I传输至所述比较器，所述比较器将接收到的所述工作电压U与预设电压阈值Um进行比较，所述比较器将接收到的所述工作电流I与预设电流阈值Im进行比较，若或，即判断为所述数控机床供电故障，则所述故障检测模块向所述中央处理装置（1）发送报警信号。

5.根据权利要求4所述的基于物联网的数控机床智能监测系统，其特征在于，所述显示模块包括显示器、存储器、远程监测端以及报警器，所述显示器、所述存储器以及所述报警器均与所述中央处理装置（1）两极，所述远程监测端通过所述无线传输装置与所述中央处理装置（1）连接；其中，所述中央处理装置（1）将接收到的第一振动值A1、第二振动值A2、第三振动值A3、第四振动值A4、第一振动方向、第二振动方向、第三振动方向、第四振动方向、所述数控机床的工作电压U、工作电流I、报警信息、所述数控机床的x轴振动值和y轴振动值传输至所述显示器进行显示，所述中央处理装置（1）将接收到的第一振动值A1、第二振动值A2、第三振动值A3、第四振动值A4、第一振动方向、第二振动方向、第三振动方向、第四振动方向、所述数控机床的工作电压U、工作电流I、报警信息、所述数控机床的x轴振动值和y轴振动值传输至所述存储器进行存储，所述中央处理装置（1）通过所述无线传输装置将接收到的第一振动值A1、第二振动值A2、第三振动值A3、第四振动值A4、第一振动方向、第二振动方向、第三振动方向、第四振动方向、所述数控机床的工作电压U、工作电流I、报警信息、所述数控机床的x轴振动值和y轴振动值传输至所述远程监测端，所述中央处理装置（1）在接收到所述故障检测模块发送的报警信号后控制所述报警器进行报警。

6.根据权利要求2-5中任一权利要求所述的基于物联网的数控机床智能监测系统，其特征在于，所述第一振动传感器（6）用于采集所述安装基座（2）的振动信号，将采集的振动信号转换为电压信号V0，并将电压信号V0传输至所述信号处理电路，V1为经过所述信号处理电路处理后的电压信号，所述信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，所述第一振动传感器（6）的输出端与所述信号放大单元的输入端连接，所述信号放大单元的输出端与所述信号滤波单元的输入端连接，所述信号滤波单元的输出端与所述中央处理装置（1）的输入端连接。

7.根据权利要求6所述的基于物联网的数控机床智能监测系统，其特征在于，所述信号放大单元包括集成运放A1、电容C1-C2、三极管VT1-VT2、稳压管D1、二极管D2-D3、变压器T1和电阻R1-R5；

其中，所述第一振动传感器（6）的输出端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与集成运放A1的同相输入端连接，电阻R1的另一端还与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与集成运放A1的输出端连接，电容C1的另一端与稳压管D1的阳极连接，电阻R2的一端与三极管VT2的集电极连接，电阻R2的另一端与三极管VT1的基极连接，三极管VT1的发射极接地，电阻R3的一端与三极管VT2的基极连接，电阻R3的另一端与三极管VT1的集电极连接，三极管VT2的发射极接地，集成运放A1的输出端与变压器T1一次侧的触头连接，三极管VT2的集电极与变压器T1一次侧的一端连接，三极管VT1的集电极与变压器T1一次侧的另一端连接，电容C2的一端与变压器T1二次侧的触头连接，稳压管D1的阴极与电容C2的另一端连接，二极管D1的阳极与变压器T1二次侧的一端连接，二极管D1的阴极与电容C2的另一端连接，二极管D2的阳极与变压器T1二次侧的另一端连接，二极管D2的阴极与电容C2的另一端连接，电容C2的另一端与所述信号滤波单元连接。

8.根据权利要求7所述的基于物联网的数控机床智能监测系统，其特征在于，所述信号滤波单元包括电阻R6-R14、电容C3-C4以及集成运放A2-A5；

其中，所述信号放大单元的输出端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与集成运放A2的反相输入端连接，电阻R7的一端与集成运放A2的反相输入端连接，集成运放A2的同相输入端接地，电阻R7的另一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R8的一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R8的另一端与集成运放A3的反相输入端连接，集成运放A3的同相输入端接地，电阻R11的一端与电阻R10的一端连接，电阻R11的另一端与集成运放A5的反相输入端连接，集成运放A5的同相输入端接地，电阻R10的另一端与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与集成运放A2的反相输入端连接，电阻R12的一端与集成运放A3的反相输入端连接，电阻R12的另一端与集成运放A5的输出端连接，电阻R13的一端与集成运放A3的输出端连接，电阻R13的另一端与集成运放A4的反相输入端连接，集成运放A4的同相输入端接地，电阻R14的一端与集成运放A4的反相输入端连接，电阻R14的另一端与集成运放A4的输出端连接，电容C3的一端与集成运放A3的反相输入端连接，电容C3的另一端与集成运放A3的输出端连接，电容C4的一端与集成运放A5的反相输入端连接，电容C4的另一端与集成运放A5的输出端连接，集成运放A5的输出端与所述中央处理装置（1）连接，集成运放A5将处理后的电压信号V1传输至所述中央处理装置（1）。

9.根据权利要求5所述的基于物联网的数控机床智能监测系统，其特征在于，所述显示器、所述存储器与所述报警器均与所述控制运算模块中的接口电路连接。

10.根据权利要求5所述的基于物联网的数控机床智能监测系统，其特征在于，所述报警器为声光报警器。