CN202317881U - 一种面向无心内圆磨床的在线防碰撞监控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种面向无心内圆磨床的在线防碰撞监控装置。在无心内圆磨床的工件支承上安装一个声发射(AE)传感器(1)，其输出信号线与前置放大器(2)连接；前置放大器(2)与滤波器(3)连接；滤波器(3)与A/D转换器(4)连接；A/D转换器(4)与DSP(5)连接；DSP(5)与PLC(6)连接；DSP(5)与PC上位机(8)连接；PLC(6)分别与显示报警系统(7)、PC上位机(8)和伺服驱动系统(9)连接；其中显示报警系统(7)包括触摸显示屏、报警灯和蜂鸣器。本实用新型可以在无心内圆磨床进刀时，实时准确地检测到砂轮与工件的意外触碰，从而及时控制伺服系统停止砂轮进给，防止恶性碰撞，并在报警显示装置上显示相关信息及报警。

Description

一种面向无心内圆磨床的在线防碰撞监控装置

技术领域

本实用新型涉及一种面向无心内圆磨床的在线防碰撞监控装置。

背景技术

在现代磨削加工中，自动化系统可以按照设定自动完成进刀和加工过程，这样可以减少外界干预，消除人因误差，提高精加工产品的质量。但是由于缺少在线监测系统，砂轮进给时有可能与工件发生碰撞，这样不仅产生了不合格品，还会损伤砂轮或机器，进而造成生产的中断。特别是在微型轴承高速磨削加工中，由于轴承孔径比较小，砂轮与轴承的相对定位要求更加高；而且在砂轮高速旋转中，一旦发生碰撞，对系统的损坏将会非常严重。因此，需要一种面向无心内圆磨床的在线防碰撞监控装置，在砂轮和工件发生意外接触时，及时监测到这种接触信号，并判断是否为碰撞，若是碰撞则及时控制砂轮回跳，阻止恶性碰撞的发生，同时该监控装置必须要有很低的误判率，以减少不必要的损失。

声发射(AE，Acoustic Emission)检测技术是一种灵敏度高、频响范围广、信息量大的动态无损检测技术，并具有实时、在线和整体检测的特点。利用材料断裂或碰磨时发生的AE信号的特征参数及其变化可以判断断裂或碰磨的产生及强度。基于这一原理的AE检测技术在石化、电力、航空、冶金、交通、机械等领域都有广泛的技术研究和应用。但是由于AE源的多样性和噪声干扰的复杂性，AE的特征识别和提取是一个比较难解决的问题。

在现有技术中，CN88103673.0发明专利提出了一种产品的声发射检测装置，其利用脉冲发生器和时间窗测量部件获取声发射信号；CN 91233425.8实用新型专利提出了一种声发射磨削接触检测装置，其利用峰值检测判断碰撞发生的方法；这些方法的信号处理过程过于简单，其准确性难以满足高速磨削加工的需要。而CN200780019078.6发明专利提出了一种针对损坏检测的装置和方法，并不能适用于碰撞检测；其它基于声发射传感器的碰撞监测装置有些仅仅通过波峰、幅值作为判断标准来判断碰撞，其准确性和可靠性较低，特别是在强噪声环境下，很容易发生误判，造成时间损失；而有些并没有提出具体的判断碰撞的算法，可操作性和实用性无法令人满意；还有些针对其他种类的加工方式，对于微型轴承套圈的高速无心内圆磨削有一定的局限性。

因此，有必要提出这样一种面向无心内圆磨床的在线防碰撞监控装置，它能够通过对AE信号和加工状态的监测和分析判断出是否会发生碰撞，防止恶性碰撞的发生，并把误判率降到最低程度；而且，该监控装置能够应用于微型轴承套圈的高速磨削中，并具有较高的实时性和准确性。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种面向无心内圆磨床的，特别是在微型轴承的高速磨削加工中，能够准确有效地监测和防止砂轮与工件碰撞的，基于声发射的在线防碰撞监控装置。

为了达到上述目的，本实用新型所述的面向无心内圆磨床的在线防碰撞监控装置包括如下几个部分：在无心内圆磨床的工件支承上安装一个声发射(AE)传感器(1)，其输出信号线与前置放大器(2)连接；前置放大器(2)与滤波器(3)连接；滤波器(3)与A/D转换器(4)连接；A/D转换器(4)与DSP(5)连接；DSP(5)与PLC(6)连接；DSP(5)与PC上位机(8)连接；PLC(6)分别与显示报警系统(7)、PC上位机(8)和伺服驱动系统(9)连接；其中显示报警系统(7)包括触摸显示屏、报警灯和蜂鸣器。

所述声发射传感器安装在微型轴承套圈高速磨床的工件台的工件支承上，面向磨削区，可以接收砂轮与工件接触时产生的声发射信号以及其它构件或液体之间碰撞、摩擦等产生的噪声和干扰信号。其一般输入频率为100KHz-400KHz。

所述前置放大器(简称前放)为声发射检测系统的一个重要部件，其主要作用为提高信噪比，保证高增益和低噪声。由于在微型高速磨削系统中，声发射检测通常在较强的机械噪声(频带通常低于50KHz)、液体噪声(频带通常100KHz-1MHz)和电气噪声的环境中进行，还要求前置放大器具有一定的强抗干扰能力和抑制噪声的能力。前放是模拟电路，输入为声发射传感器输出的电压信号，输出为放大后的模拟信号。

所述滤波器为适合砂轮与工件接触的声发射信号采集的带通滤波器，可以将信号中的各种频率幅度的混杂噪声信号最大程度的剔除，提取监测所需要的某频带信号。

所述A/D转换器是将输入的模拟信号转换为输出的数字信号的装置，其输出的数字信号可以输入DSP进行信号处理。

所述DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)是一种具有特殊结构的微处理器，具有强大的数据处理能力和高运行速度。在本装置中，依靠DSP强大的数据处理和高速运算能力，可以对从A/D转换器输入的数字信号实现高速实时的数字信号处理算法，准确提取判断碰撞的特征参数，保证很好的实时性。

所述PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)是一种数字运算操作的电子控制系统。本装置所用的PLC是应用本监控装置进行在线防碰撞监控的无心内圆磨床的控制系统PLC，而不需另行配置PLC，降低了成本。所述PLC由CPU模块、电源模块、数字输入模块、数字输出模块和通讯模块组成。所述数字输入模块与DSP连接，接收DSP发送的数字信号；所述数字输出模块与伺服驱动器、报警灯和蜂鸣器连接；所述PLC通过通讯模块与触摸显示屏连接；所述PLC通过通讯模块与PC上位机连接。PLC接收DSP的接触事件处理结果，再根据砂轮进给状态标志位，判断是否是在砂轮进给的过程中发生的意外接触事件，如果是，则认为将要发生恶性碰撞，此时PLC将会发送回跳指令至伺服系统，并向显示报警系统发送显示报警指令，同时，PLC向PC发送信号，PC将记录检测信号和报警；否则，PLC将不动作。

所述伺服系统是应用本监控装置进行在线防碰撞监控的无心内圆磨床的控制砂轮轴进给运动的伺服系统。所述伺服系统包括伺服驱动器和伺服电机。所述伺服电机通过减速器与滚珠丝杆连接，滚珠丝杆与砂轮主轴连接。PLC发送指令至伺服驱动器，伺服驱动器控制伺服电机停止，经过传动系统，及时控制砂轮轴回跳，就能够及时防止砂轮与工件碰撞。

所述显示报警系统是应用本监控装置进行在线防碰撞监控的无心内圆磨床的显示报警系统。所述显示报警系统包括触摸显示屏、报警灯和蜂鸣器。所述触摸显示屏接收到PLC的显示报警指令后，将在触摸显示屏上显示报警内容提醒操作人员，同时所述报警灯将会闪烁直到报警解除，所述蜂鸣器将会一直鸣叫直到报警解除。

所述PC上位机是应用本监控装置进行在线防碰撞监控的无心内圆磨床的PC上位机。所述PC上位机接收PLC发送的信号，记录监测结果和报警信息；所述PC上位机接收并存储DSP采集的信号数据；所述PC上位机将存储的报警记录和信号数据相关联。

本实用新型按工作流程分为信号采集、分析判断、控制报警和记录存档四个阶段。各个阶段的工作原理如下。

信号采集：声发射传感器安装在工件台的工件支承上，面向磨削区，一直采集磨削区的声发射信号；采集到的信号输入前置放大器，增大信号强度；然后输入滤波器，去除大部分的噪声和干扰，选取需要的信号频带；得到的模拟信号再输入A/D转换器，转换为数字信号。

分析判断：数字信号输入DSP，按预定的时间窗将信号分段，每得到一个完整时间窗的信号段，立刻计算该信号段的能量值，再除以时间窗长度求得平均值，得到该段信号段的时域处理结果；将此结果与设定的阈值范围(该阈值范围由实验确定)进行对比；如果连续三个信号段(这是为了防止脉冲干扰)得到的结果都超过了设定的阈值范围，那么说明采集到了接触信号，此时DSP将向PLC的某一数字信号输入口发送高电平信号，指出这一情况的发生；否则，DSP不向PLC发送信号。当PLC的上述数字信号输入口接收到DSP的高电平信号后，由该高电平信号的上升沿触发的硬件中断OB40被触发。在该中断OB40中，PLC检查此时磨床的砂轮轴进给状态标志位，如果这一接触事件是在砂轮轴进给的时候发生的，则判断发生了砂轮与工件的意外接触，将要发生恶性碰撞；如果在其他时间发生，则判断为正常接触，不进行处理。

控制报警：这是分析判断阶段判断出将会发生碰撞时才会进行的工作阶段。当判断将会发生碰撞时，PLC被触发的硬件中断OB40将调用用于防碰撞的子程序；一方面，PLC向伺服驱动器发送回跳指令，控制砂轮轴回跳，防止恶性碰撞的发生；另一方面，PLC向显示报警系统发送信息，触摸显示屏将显示这一异常情况；同时，启动报警灯和蜂鸣器。

记录存档：这是分析判断阶段判断出将会发生碰撞时才会进行的工作阶段。当判断将会发生碰撞时，PLC向PC上位机发送报警信息，PC上位机记录该报警信息。同时，DSP会将数字信号传送至PC上位机并由PC上位机记录为信号数据。PC上位机将报警信息和信号数据相关联存档。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

1)实时监测，响应迅速

声发射传感器一直处于工作状态，不停的采集信号，而DSP高速的运算保证了信号处理的实时性，一旦发现砂轮轴与工件的接触，马上通知PLC做出反应。而当PLC接收到发生接触的信号，经过碰撞判断后立即向伺服系统和显示报警系统发送指令，采取措施防止恶性碰撞，并向PC发送信息记录本次报警。整个过程完全自动化。

2)判断准确，误判率低

本装置采用声发射传感器采集信号，是一种动态检验方法，对于动态缺陷很敏感。本方法对于异常信号的判断以大量实验数据为基础设定阈值范围，能够得到准确性很高的判断，配合PLC的加工状态辅助判断，进一步减少了其他接触干扰，降低误判率。

3)针对性强，成本较低

本装置是针对无心内圆磨床，特别是微型轴承套圈的高速磨削所设计，其信号采集和分析判断方法也以该型磨床为实验对象，通过实验确定的数据处理方法最大程度的提升了判断的准确性，很好的适用于该型磨床。而且，本装置的PLC、伺服系统、PC上位机、触摸显示屏等组件直接借用了该型磨床的控制系统组件，附加成本较低。另外，本装置也可以移植于类似的机械加工机床，需要改变信号特征提取参数和阈值设定等，具有一定的可移植性。

4)波形存档，对照分析

本装置的声发射信号采集的数据可以存入PC上位机，以便于实验或维护的对比分析，报警信息的记录也方便了对于车间机床的监管和维护。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的无心夹持及AE传感器放置点示意图；

图3是本实用新型的PLC接线示意图；

图4是本实用新型的中断程序示意图；

图5是本实用新型的方法流程示意图。

图1中：1、声发射(AE)传感器；2、前置放大器；3、滤波器；4、A/D转换器；5、DSP；6、PLC；7、显示报警系统；8、PC上位机；9、伺服驱动系统；10、伺服电机；11、滚珠丝杆；12、砂轮主轴电机；13、砂轮；14、工件；15、左滚轮；16、工件支承；17、工件台。

图2中：1、声发射(AE)传感器；13、砂轮；14、工件；15、左滚轮；16、工件支承；17、工件台；18、右滚轮；19、料道；20、推料杆；21、后挡板；22、前挡板。

具体实施方式

本实用新型的一种面向无心内圆磨床的在线防碰撞监控装置的结构示意图如图1所示，在该装置中，在无心内圆磨床的工件支承上安装一个声发射(AE)传感器(1)，其输出信号线与前置放大器(2)连接；前置放大器(2)与滤波器(3)连接；滤波器(3)与A/D转换器(4)连接；A/D转换器(4)与DSP(5)连接；DSP(5)与PLC(6)连接；DSP(5)与PC上位机(8)连接；PLC(6)分别与显示报警系统(7)、PC上位机(8)和伺服驱动系统(9)连接；其中显示报警系统(7)包括触摸显示屏、报警灯和蜂鸣器。

各部分的具体实施方法如下：

1)声发射传感器，用于测量磨削区产生的应力波，可采用SR150C型声发射传感器。该传感器的尺寸为φ19×19.5，重量28g，外壳材料为不锈钢，接受面为陶瓷，接口位置在上端面，信号频率范围为60～400KHz，谐振频率150KHz，灵敏度大于-65dB。声发射信号依次经过前置放大器和滤波器后，输出至A/D转换器。

2)前置放大器和滤波器：用于对磨削区声发射信号进行滤波和放大处理，可采用与SR150C型声发射传感器配套的PA I型宽带前置放大器。该宽带前置放大器的带宽为10KHz～2MHz，增益40dB±1dB，动态范围大于74dB，不失真输出Vpp大于13V，最大输出Vpp大于20V，最大输入Vpp大于200mV，输入阻抗大于50MΩ，输出阻抗50Ω，输入方式为单端输入，供电要求28V直流100mA，静态电流20～25mA，发射脉冲输出幅度-24V，发射脉冲触发-24V，几何尺寸116×36×30mm，外壳材料为铸铝，接口类型为BNC。前置放大器包含输入与输出端口，输入端口连接声发射传感器，输出端口连接滤波器，滤波器的输出端接入A/D转换器。

3)A/D转换器：用于将滤波器接出的模拟信号转换为数字信号，并接入DSP运算处理。可采用ADI公司生产的AD7952型A/D转换器，电压输入，输入范围可选：+5V(10V p-p)，+10V(20V p-p)，±5V(20V p-p)，±10V(40V p-p)；ADC吞吐速率为1MSPS，分辨率为14-bit，信噪比为85dB2kHz，功耗235mW1MSPS和10mW1kSPS，并行14或8位总线，串行5V或3V接口，输出DSP兼容，工作温度-40℃到+85℃。A/D转换器以DSP兼容接口与DSP连接。

4)DSP：用于运算处理A/D转换器接入的数字信号，判断是否发生接触，并将结果输出至PLC。可采用ADSP-2181型DSP，16bit，指令周期时间为25ns，20MHz晶体，40MIPS持续性能，核心电压5V，包括ADSP-2100系列的基础架构和两个串行端口、一个16位内部DMA端口、一个字节DMA端口、一个可编程计时器等，集成了80K字节的RAM，包括16K程序RAM和16K数据RAM，有4MB存储器接口。

5)PLC：用于接收DSP的接触提示，并通过砂轮轴进给状态标志位辅助判断是否会发生砂轮与工件的恶性碰撞，发送显示报警指令和伺服控制指令，并向PC上位机发送报警信息。可采用无心内圆磨床的控制系统PLC，如S7-300，CPU型号为312，指令处理时间为位指令0.1μs，字指令0.24μs，整数运算0.32μs，浮点数运算1.1μs，数字量通道256I/256O，模拟量通道64I/64O，内置存储器32kB，内置RS485接口。

6)触摸显示屏：用于接收PLC的报警指令，显示报警信息。可采用无心内圆磨床的控制系统触摸显示屏，如SIMATIC TP277，全图形化5.7”TFT显示屏，256色，分辨率320×240，用户存储器4MB，集成RS422/485接口、USB接口和Ethernet接口，软件时钟，DC24V电源。

本实用新型的无心夹持及AE传感器放置点示意图如图2，AE传感器(1)安装于工件支承(16)上，正对着工件磨削区。

本实用新型的PLC接线示意图如图3，显示了在本实用新型的监控装置中，PLC与其他设备的连接方式。如图所示，PLC通过多点接口(MPI)与触摸显示屏和PC上位机连接，其中，PC上位机需要MPI/PC适配卡进行连接；PLC通过输入输出模块与DSP和伺服驱动器连接。其中，从DSP输入的信号是接触报警信号，即可以触发硬件中断OB40的高电平信号；向DSP输出的信号是解除报警信号；向伺服驱动器输出的信号是启动、脉冲、方向、停止信号；从伺服驱动器输入的信号是Ready、故障、反馈信号。DSP通过RS485与PC上位机连接。

本实用新型的中断程序示意图如图4，这是一个由PLC的某一个数字信号输入口的上升沿信号触发的硬件中断OB40，上述数字信号输入口用于接收DSP监测到接触后向PLC发送的高电平信号(即接触报警信号)。在该硬件中断OB40中，M7.0为砂轮轴进给状态标志位，1为正在进给，0为没有进给；FB18为砂轮回跳子程序；FB20为显示报警子程序。在PLC循环扫描过程中，当DSP发送高电平信号至上述数字信号输入口时，该硬件中断OB40被触发，如果此时M7.0＝1，则调用FB18和FB20，完成回跳和显示报警；如果此时M7.0＝0，则不调用FB18和FB20；退出硬件中断OB40，继续主程序循环扫描。

本实用新型的方法流程图如图5，其工作步骤为：

1)由AE传感器实时采集磨削区声发射信号，输送到前置放大器；

2)由前置放大器对所述信号进行放大处理，将处理后的上述信号输入到滤波器；

3)由滤波器对所述信号进行滤波处理，将处理后的上述信号输入到A/D转换器；

4)由A/D转换器将所述信号转换为数字信号，将处理后的上述信号输入到DSP；

5)由DSP将所述信号进行时域分段处理，每接收到一个完整的信号段，将计算该信号段的信号能量平均值，并将得到的结果与阈值比较，如果超过阈值，则超过阈值的次数加一；否则，超过阈值的次数清零；

6)由DSP判断所述超过阈值的次数是否达到三次，如果是，则判断有接触事件发生，同时，所述超过阈值的次数清零；否则，不动作；

7)当DSP判断有接触事件发生时，DSP将发送高电平数字信号至PLC某一数字信号输入口；

8)当PLC上述数字信号输入口接收到所述来自DSP的高电平信号时，该信号的上升沿触发硬件中断OB40，PLC循环扫描暂停，进入硬件中断OB40程序，此时将检查当前磨床砂轮轴是否在进给，如果是，PLC判断将会发生恶性碰撞，执行回跳和报警子程序；否则，PLC忽略所述来自DSP的高电平信号；

9)当PLC执行回跳和报警子程序时，将分别发送指令至伺服驱动系统、触摸显示屏、报警灯、蜂鸣器；

10)当伺服驱动系统接收到所述PLC发送的回跳指令时，将控制伺服电机停止并反转，使砂轮轴回跳，直至报警解除；

11)当触摸显示屏接收到所述PLC发送的报警指令时，将显示报警信息，直至报警解除；

12)当报警灯接收到所述PLC发送的报警指令时，将一直闪烁，直至报警解除；

13)当蜂鸣器接收到所述PLC发送的报警指令时，将一直鸣叫，直至报警解除；

14)当报警启动后，DSP将发生接触事件时采集的数字信号输送至PC上位机存储；

15)当报警启动后，PLC发送报警信息至PC上位机存储；

16)PC上位机将所述通过DSP采集的声发射数字信号和所述PLC发送的报警信息相关联并存档。

Claims (2)

1.一种面向无心内圆磨床的在线防碰撞监控装置，其特征在于包括在该无心内圆磨床的工件支承上安装一个声发射(AE)传感器(1)，其输出信号线与前置放大器(2)连接；前置放大器(2)与滤波器(3)连接；滤波器(3)与A/D转换器(4)连接；A/D转换器(4)与DSP(5)连接；DSP(5)与PLC(6)连接；DSP(5)与PC上位机(8)连接；PLC(6)分别与显示报警系统(7)、PC上位机(8)和伺服驱动系统(9)连接；其中显示报警系统(7)包括触摸显示屏、报警灯和蜂鸣器。

2.使用权利要求1所述的一种面向无心内圆磨床的在线防碰撞监控装置，其特征在于上述AE传感器(1)安装于工件支承(16)上，正对着工件磨削区。

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