CN202411967U - 旋转刀具在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种旋转刀具在线监测系统，包括：刀杆、信号检测装置、中间站和上位机，所述刀杆上设有套接于刀杆上的圆环基体，所述信号检测装置设置在所述圆环基体上，所述信号检测装置与所述中间站通过无线通信方式连接，所述中间站和所述上位机通过串口连接。通过上述方式，本实用新型能够直接在刀具处于旋转状态下监测其振动信号，且无需改变刀具结构，具有安装方便、响应速度快、抗干扰能力强等优点。利用无线通信技术克服了旋转类刀具布线困难的问题，实现了旋转刀具工作状态的在线监测。

Description

旋转刀具在线监测系统

技术领域

本实用新型涉及刀具监测领域，特别是涉及一种旋转刀具在线监测系统。

背景技术

当前机械制造业技术不断发展，精密和超精密加工已成为现代机械制造的重要组成部分，而刀具在精密与超精密机床中占有很重要的地位。使用破损的刀具继续加工不仅会造成被加工工件的报废，而且还会损坏加工设备。高精密镗床、铣床中使用的旋转刀具在切削过程中的工作状态对工件的加工质量具有重要作用。在机械加工过程中，刀具极易受到外界影响(如切削力)而引起振动，从而破坏加工过程的稳定性，致使工件加工表面质量急剧恶化，同时，降低刀具寿命，影响加工效率。

因此，对此类高精密机床的刀具工作状态进行在线监测显得十分重要，刀具在工作过程中的实时监测已成为现代自动化加工的关键技术之一。然而，由于刀具在工作过程中处于旋转状态，无法采用传统的有线检测方法测得刀具处的振动信号。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种旋转刀具在线监测系统，能够直接在刀具处于旋转状态下监测其振动信号，且无需改变刀具结构，安装方便。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种旋转刀具在线监测系统，包括：刀杆、信号检测装置、中间站和上位机，所述刀杆上设有套接于刀杆上的圆环基体，所述信号检测装置设置在所述圆环基体上，所述信号检测装置与所述中间站通过无线通信方式连接，所述中间站和所述上位机通过串口连接。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述信号检测装置包括传感器模块、第一信号处理模块、第一无线通信模块、存储模块和第一电源模块，所述传感器模块采用IC压电式加速度传感器，所述第一信号处理模块采用低功耗单片机作为处理器，所述第一无线通信模块采用低功耗射频芯片，所述存储模块采用超低功耗的FRAM，所述第一电源模块包括主电源电路、基准电路和恒流源电路。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述传感器模块包括第一传感器和第二传感器，且均为IC压电式加速度传感器。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述第一传感器与所述第二传感器呈正交形式布置于所述圆环基体上。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述信号检测装置采用圆环形电路板，所述圆环形电路板通过螺钉固定在所述圆环基体的侧面，所述第一信号处理模块、第一无线通信模块、存储模块和第一电源模块均采用贴片元件，各个贴片元件沿所述圆环基体的圆周均匀分布。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述中间站包括第二无线通信模块、第二信号处理模块和第二电源模块，所述第二无线通信模块采用低功耗射频芯片，所述第二信号处理模块采用低功耗单片机作为处理器。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述圆环基体通过紧固螺钉固定在所述刀杆上。

本实用新型的有益效果是：本实用新型揭示的旋转刀具在线监测系统，能够直接在刀具处于旋转状态下监测其振动信号，且无需改变刀具结构，具有安装方便、响应速度快、抗干扰能力强等优点。利用无线通信技术克服了旋转类刀具布线困难的问题，实现了旋转刀具工作状态的在线监测。

附图说明

图1是本实用新型旋转刀具在线监测系统的总体框架示意图；

图2是信号检测装置的结构框架示意图；

图3是中间站的结构框架示意图；

图4是上位机的框架示意图；

图5是信号检测装置安装的立体结构示意图；

图6是信号检测装置工作流程图；

图7是中间站工作流程图；

附图中各部件的标记如下：11、信号检测装置，12、中间站，13、上位机，21、传感器模块，22、存储模块，23、第一信号处理模块，24、第一无线通信模块，25、第一电源模块，31、第二无线通信模块，32、第二信号处理模块，33、第二电源模块，41、第一传感器，42、第二传感器，43、刀杆，44、圆环基体。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1-7，本实用新型实施例包括：

一种旋转刀具在线监测系统，包括：刀杆43、信号检测装置11、中间站12和上位机13，所述刀杆43上设有套接于刀杆43上的圆环基体44，所述信号检测装置11设置在所述圆环基体44上，所述信号检测装置11与所述中间站12通过无线通信方式连接，所述中间站12和所述上位机13通过串口连接，所述圆环基体44通过紧固螺钉固定在所述刀杆43上，随刀杆43一起转动。

本实用新型旋转刀具在线监测系统采用信号检测装置11获取刀具的振动信号，通过无线传输方式将振动信号经中间站12传输至上位机13，由上位机13进行计算、识别刀具当前的工作状态是处于稳定状态或颤振状态。当刀具出现颤振时，上位机13发出报警，提醒工作人员注意。

所述信号检测装置11包括传感器模块21、第一信号处理模块23、第一无线通信模块24、存储模块22和第一电源模块25，可以对刀具工作状态进行实时监测。

所述第一电源模块25由主电源电路、基准电路和恒流源电路组成，主电源电路包括超低功耗稳压芯片和电池，稳压芯片具有微安级的工作电流和较宽的输入电压范围；基准电路为A/D转换提供基准电压，以提高A/D转换的精度；恒流源电路输出稳定电流，保证传感器模块21正常工作。为减小体积和重量，可使用纽扣电池为系统供电。

所述传感器模块21包括第一传感器41和第二传感器42，所述第一传感器41和第二传感器42均为IC压电式加速度传感器；所述第一传感器41和第二传感器42呈正交形式布置于所述圆环基体44上，分别测量刀具在水平和竖直两个方向上的振动情况。

IC压电式加速度传感器是一种低阻抗电压型传感器，传感器内置电荷放大器，将于加速度成正比的电荷信号直接转换和放大成低阻的电压输出信号；所述传感器模块21由内置于第一电源模块25中的恒流源电路供电，恒流源电路能在各种使用条件变化的情况下输出稳定电流，保证传感器正常工作。本实施例选择朗斯测试技术有限公司生产的型号为LC0101的内装IC低阻抗电压输出压电加速度传感器。

所述第一信号处理模块23采用低功耗单片机MSP430F42X0作为处理器，负责信号的放大和采样、与存储模块的数据交互、数据的编码和解码、配置第一无线通信模块24的运行参数并控制发送和接收数据。通过内置可编程增益放大器对传感器输出的信号进行放大，内置多通道16位∑-Δ模数转换器可同时对两路模拟信号进行采样，确保了采样结果在时域的一致性，信号经过A/D转换后存入存储模块22。处理器读取存储模块22中的数据，对数据进行编码后传输给第一无线通信模块24。第一信号处理模块23根据第一无线通信模块24接收的配置命令配置系统运行参数，配置监测信号的采样频率和一次采样时间，配置第一无线通信模块24的工作频率和发送功率等参数，第一信号处理模块23根据指令调整第一无线通信模块24的工作模式，第一信号处理模块23空闲时处于低功耗状态，当有处理请求时可迅速恢复到正常工作状态，其状态转换时间只需要几个微秒，可做到及时响应处理请求，延长系统的工作时间。

所述存储模块22采用超低功耗的FRAM(铁电随机存取存储器)，芯片具有1014次的擦写寿命，微安级数据读写电流，超强的安全性和稳定性，通过SPI接口与信号处理模块23连接。存储模块22中保存信号检测装置11的运行参数和监测数据。因为振动信号的采样频率较高，无法通过无线传输实现实时传输，即无法做到采集一个数据传输一个数据，所以需要将数据先存放到存储模块23中，FRAM的高速数据存取速度能及时将监测数据存入其中，避免数据丢失，保证数据的连续性。信号检测装置11初始化或复位后可从存储模块22中读取运行参数。

所述第一无线通信模块24采用低功耗射频芯片nRF905，该射频具有两种工作模式，实现数据的接收和发射，工作频率和发射功率的动态可调能满足不同监测环境的要求；通过SPI接口与第一信号处理模块23连接，保证通信质量和速度；第一无线通信模块24在空旷环境下通信距离1000米，满足通信要求；发射芯片内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。

所述信号检测装置11采用圆环形电路板，所述圆环形电路板通过螺钉固定在所述圆环基体44的侧面，所述第一信号处理模块23、第一无线通信模块24、存储模块22和第一电源模块25均采用贴片元件，各个贴片元件沿所述圆环基体44的圆周均匀分布，这样即可以实时监测刀具的工作状态，又不影响刀具工作。

所述中间站12包括第二无线通信模块31、第二信号处理模块32和第二电源模块33，所述第二无线通信模块31采用低功耗射频芯片，所述第二信号处理模块32采用低功耗单片机作为处理器。

所述中间站12的作用是接收信号检测装置11发送的监测数据，通过第二信号处理模块32对数据进行处理后由串口发送到上位机13；所述中间站12还将上位机13发出的控制指令通过第二无线通信模块31发送到信号检测装置11；所述第二无线通信模块31和第二信号处理模块32与信号检测装置11中对应的模块采用相同的硬件；中间站12与上位机13的通信采用RS232串口通信，实现与上位机13的可靠数据传输。中间站12的供电方式相对信号检测装置11具有较大的灵活性，第二电源模块33可采用电池和外接直流电源的双供电模式。当外接电源方便时，可直接接直流电源，否则可采用电池供电。电池供电模式采用与信号检测装置11中对应模块相同的硬件。

所述上位机13对接收到的监测数据进行分析处理，主要包括以下几个步骤：

1)、分别对每组历史振动信号经过特征参数提取得到振动信号的典型特征参数，建立特征向量；通过时频分析获取每组历史振动信号的状态信息；将每组特征向量与对应的状态信息分别作为输入参数和输出参数构建支持向量机的学习样本；所述的状态信息指的是刀具处于稳定状态或颤振状态；

2)、选择核函数，输入学习样本到支持向量机中进行样本学习，获得输入参数和输出参数的精确映射关系，该映射关系为基于支持向量机的分类模型；

3)、计算来自信号检测装置11的实时振动信号的特征向量，将该特征向量作为待识别样本，将待识别样本输入到分类模型中进行模式识别，模式识别判断当前刀具处于稳定状态或颤振状态；

4)、待识别样本作为新的学习样本增添到支持向量机中，以提高分类模型的识别能力。

本实用新型旋转刀具在线监测系统工作原理如下：

所述信号检测装置11开机后进入初始化，初始化主要完成第一无线通信模块24运行参数的配置和分配各类数据的存储空间；初始化完成后，系统处于等待状态，等待接收中间站12发送的上位机13配置指令；如果接收到配置指令，则按指令对装置进行参数配置，完成配置后，系统处于等待状态；如果接收上位机13发送的采样指令，则按设定的采样频率和采样时间对加速度传感器输出的信号进行采样并存储在存储模块22内；如果接收上位机13发送的发送指令，则读取存储模块22中的监测数据并对数据进行编码，然后通过第一无线通信模块24进行发送。

所述中间站12开机完成初始化后，第二信号处理模块32处于等待状态；判断是否接收到经串口发送的上位机13控制指令，如果接收到上位机13的控制指令，则将指令由第二无线通信模块31发送给信号检测装置11；如果没有接收到串口通信，则判断是否接收到信号检测装置11发送的信号，如果接收到信号检测装置11发送的信号并判断为振动数据，则将接收到的数据通过串口发送到上位机13中进行保存。

本实用新型揭示的旋转刀具在线监测系统，能够直接在刀具处于旋转状态下监测其振动信号，且无需改变刀具结构，具有安装方便、响应速度快、抗干扰能力强等优点。利用无线通信技术克服了旋转类刀具布线困难的问题，实现了旋转刀具工作状态的在线监测。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种旋转刀具在线监测系统，其特征在于，包括：刀杆、信号检测装置、中间站和上位机，所述刀杆上设有套接于刀杆上的圆环基体，所述信号检测装置设置在所述圆环基体上，所述信号检测装置与所述中间站通过无线通信方式连接，所述中间站和所述上位机通过串口连接。

2.根据权利要求1所述的旋转刀具在线监测系统，其特征在于，所述信号检测装置包括传感器模块、第一信号处理模块、第一无线通信模块、存储模块和第一电源模块，所述传感器模块采用IC压电式加速度传感器，所述第一信号处理模块采用低功耗单片机作为处理器，所述第一无线通信模块采用低功耗射频芯片，所述存储模块采用超低功耗的FRAM，所述第一电源模块包括主电源电路、基准电路和恒流源电路。

3.根据权利要求2所述的旋转刀具在线监测系统，其特征在于，所述传感器模块包括第一传感器和第二传感器，且均为IC压电式加速度传感器。

4.根据权利要求3所述的旋转刀具在线监测系统，其特征在于，所述第一传感器与所述第二传感器呈正交形式布置于所述圆环基体上。

5.根据权利要求2所述的旋转刀具在线监测系统，其特征在于，所述信号检测装置采用圆环形电路板，所述圆环形电路板通过螺钉固定在所述圆环基体的侧面，所述第一信号处理模块、第一无线通信模块、存储模块和第一电源模块均采用贴片元件，各个贴片元件沿所述圆环基体的圆周均匀分布。

6.根据权利要求1所述的旋转刀具在线监测系统，其特征在于，所述中间站包括第二无线通信模块、第二信号处理模块和第二电源模块，所述第二无线通信模块采用低功耗射频芯片，所述第二信号处理模块采用低功耗单片机作为处理器。

7.根据权利要求1所述的旋转刀具在线监测系统，其特征在于，所述圆环基体通过紧固螺钉固定在所述刀杆上。

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