用于機加工中刀桿振動信號的實時監(jiān)測裝置及其監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于機加工中刀桿振動信號的實時監(jiān)測裝置，包括刀柄、刀桿、采集卡和計算機，刀桿設有第一軸向盲孔，該第一軸向盲孔的開口位于刀桿的后端，第一軸向盲孔內(nèi)、且位于刀頭端嵌裝有壓電式振動傳感器；刀柄設有與第一軸向盲孔對正的第二軸向盲孔，第一、第二軸向盲孔的交界處設有數(shù)據(jù)接口，自壓電式振動傳感器的輸出端至數(shù)據(jù)接口連接有傳輸線，第一軸向盲孔內(nèi)填充有環(huán)氧樹脂；刀柄的中部設有凹槽，凹槽內(nèi)設有微處理器和藍牙裝置，微處理器和藍牙裝置之間及數(shù)據(jù)接口與微處理器之間均連接有數(shù)據(jù)線；藍牙裝置與采集卡之間、藍牙裝置與計算機之間均分別采用無線傳輸。本發(fā)明使用方便，通用性較強。本發(fā)明中還公開了對應的監(jiān)測方法。
【專利說明】用于機加工中刀桿振動信號的實時監(jiān)測裝置及其監(jiān)測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種刀具磨損監(jiān)測系統(tǒng)，尤其涉及一種刀具振動信號監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]目前，機加工振動數(shù)據(jù)的采集都是采用粘貼在機床或者主軸上的振動傳感器來進行，然后通過傳輸線傳到數(shù)據(jù)采集卡，計算機控制采集卡進行采集，然后把這些數(shù)據(jù)保存在計算機中或者實時處理來實現(xiàn)對加工誤差的補償。儀器較多，連線復雜，不易攜帶，給使用人員帶來很多不必要的時間浪費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術中存在技術問題，本發(fā)明用于機加工中刀桿振動信號的實時監(jiān)測裝置是將傳感器嵌入到刀桿中，刀桿和刀柄之間通過一個標準的數(shù)據(jù)接口連接，刀柄中嵌裝有采用有線連接的微處理器和藍牙裝置，藍牙裝置與采集器和計算機之間采用無線數(shù)據(jù)傳輸，本發(fā)明使用方便，通用性較強。
[0004]為了解決上述技術問題，本發(fā)明一種用于機加工中刀桿振動信號的實時監(jiān)測裝置，包括刀柄、刀桿、采集卡和計算機，所述刀桿設有第一軸向盲孔，該第一軸向盲孔的開口位于刀桿的后端，所述第一軸向盲孔內(nèi)、且位于刀頭端嵌裝有壓電式振動傳感器；所述刀柄設有與所述第一軸向盲孔對正的第二軸向盲孔，所述第一軸向盲孔和所述第二軸向盲孔的交界處設有數(shù)據(jù)接口，自所述壓電式振動傳感器的輸出端至所述數(shù)據(jù)接口連接有傳輸線，所述第一軸向盲孔內(nèi)填充有環(huán)氧樹脂；所述刀柄的中部設有凹槽，所述凹槽內(nèi)設有微處理器和藍牙裝置，所述微處理器和藍牙裝置之間及所述數(shù)據(jù)接口與微處理器之間均連接有數(shù)據(jù)線；所述藍牙裝置與所述采集卡之間用無線傳輸。
[0005]本發(fā)明一種用于機加工中刀桿振動信號的實時監(jiān)測方法，包括以下步驟:
[0006]步驟一、信號的采集:首先，壓電式振動傳感器將監(jiān)測到的刀具振動信號轉變?yōu)殡妷毫康哪M信號，通過傳輸線將該電壓量的模擬信號傳輸?shù)降侗械奈⑻幚砥髦?，所述微處理器中的A/D轉換模塊將該電壓量的模擬信號轉換成數(shù)字信號，微處理器中的儲存器將轉換后的數(shù)字信號儲存起來，等待傳輸出去和被調(diào)用，微處理器中的控制器控制藍牙裝置是否開始或停止數(shù)據(jù)的傳輸；
[0007]步驟二、信號的傳輸:藍牙裝置在接到微處理器傳輸數(shù)據(jù)的指令后，
[0008]在發(fā)送模式下，采集的數(shù)據(jù)由基帶模塊輸入，在合成器中進行載波調(diào)制，調(diào)制后的信號進入發(fā)送模塊，在發(fā)送模塊中，收發(fā)控制線選通低噪放大器，將調(diào)制信號放大，并由巴倫轉為非平衡信號輸出至收發(fā)控制開關；再由收發(fā)控制線選通至濾波器，通過天線向外發(fā)送;
[0009]在接收模式下，信號由天線接收，經(jīng)過濾波器和收發(fā)控制開關進入接收模塊，接收模塊首先通過巴倫將從天線傳來的不平衡信號轉為平衡信號；然后通過接收模塊的低噪放大器將接收的微弱信號放大，最后在解調(diào)電路中與從合成器提供的本振信號進行作用，將載波信號解調(diào)輸出；
[0010]采集卡對接收模塊接收到的數(shù)據(jù)進行采樣，然后將采樣后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上，以TXT的格式保存下來，進而進行處理和分析；
[0011]步驟三、信號的處理:在計算機中通過Iabview或者matlab軟件對信號進行調(diào)用和處理，首先，采用小波變化或者快速傅里葉變換對數(shù)據(jù)進行處理；其次，進行特征信號提取，選取時域、頻域以及時頻域的特征；然后，應用神經(jīng)網(wǎng)絡、隱馬爾科夫或者支持向量機進行模式識別，實現(xiàn)刀具磨損的識別，進而實時掌握刀具磨損的值。
[0012]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0013]本發(fā)明監(jiān)測裝置可以在現(xiàn)有技術中普通監(jiān)測系統(tǒng)基礎上，通過對現(xiàn)有普通刀柄進行改裝后獲得，即:把傳感器嵌入到刀桿中同時把微處理器和藍牙無線傳輸裝置嵌入到刀柄中，并通過微處理器和藍牙裝置即計算機實現(xiàn)信號的采集、處理、傳輸和控制反饋等。本發(fā)明將在線監(jiān)測的理念和數(shù)據(jù)無線傳輸相結合，使得加工過程監(jiān)測更加方便，刀具振動的信號被刀桿上的振動傳感器采集，經(jīng)傳輸線傳到刀桿與刀柄的接口，再傳到刀柄上的微處理器中，經(jīng)放大器進行信號的放大，經(jīng)濾波裝置進行信號的去噪與預處理，然后經(jīng)過微處理器的A/D轉換，得到的數(shù)據(jù)通過藍牙裝置無線傳輸?shù)接嬎銠C中，計算機中的采集卡對數(shù)據(jù)進行采集和處理，通過對數(shù)據(jù)進行分析得到結果。本發(fā)明實用性強，通用性好，由于是嵌入式的結構，所以結構簡單可靠，除此之外，傳感器距離加工位置較近，所以精度較高，并且效果更好，采用無線的信號傳輸，使得安裝和使用起來更加方便。本發(fā)明監(jiān)測方法與現(xiàn)有技術中的監(jiān)測方法相比，攜帶方便，對加工精度、加工質量和機床刀具壽命的提高都有很好的效果O
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明監(jiān)測裝置的結構示意圖；
[0015]圖2是本發(fā)明監(jiān)測裝置中刀桿的結構示意圖
[0016]圖3是本發(fā)明監(jiān)測裝置實現(xiàn)信號傳遞的流程圖。
[0017]圖中:1-刀柄,2-刀桿,3-第一軸向盲孔,4-壓電式振動傳感器,6-數(shù)據(jù)接口，7-傳輸線，8-微處理器，9-藍牙裝置，10-環(huán)氧樹脂。
【具體實施方式】
[0018]下面結合【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細地描述。
[0019]如圖1和圖2所示，本發(fā)明一種用于機加工中刀桿振動信號的實時監(jiān)測裝置，包括刀柄1、刀桿2、采集卡和計算機，所述刀桿2設有第一軸向盲孔3，該第一軸向盲孔3的開口位于刀桿2的后端,所述第一軸向盲孔3內(nèi)、且位于刀頭端嵌裝有壓電式振動傳感器4 ；所述刀柄I設有與所述第一軸向盲孔3對正的第二軸向盲孔，所述第一軸向盲孔3和所述第二軸向盲孔的交界處設有數(shù)據(jù)接口 6，自所述壓電式振動傳感器4的輸出端至所述數(shù)據(jù)接口 6連接有傳輸線7，所述第一軸向盲孔內(nèi)填充有環(huán)氧樹脂10 ;所述刀柄I的中部設有凹槽，所述凹槽內(nèi)設有微處理器8和藍牙裝置9，所述微處理器8和藍牙裝置9之間及所述數(shù)據(jù)接口 6與微處理器8之間均連接有數(shù)據(jù)線；所述藍牙裝置9與所述采集卡之間、所述藍牙裝置9與計算機之間均分別采用無線傳輸。[0020]本發(fā)明實施過程中，可以在現(xiàn)有的普通刀桿上進行加工得到:在普通刀桿上打盲孔，在孔的頂端安裝壓電式振動傳感器，利用工業(yè)上用膠把該傳感器粘在孔的最頂端固定起來。通過環(huán)氧樹脂將該傳感器的數(shù)據(jù)線在孔內(nèi)密封固定起來，另外，環(huán)氧樹脂還有絕緣的作用。刀桿上的數(shù)據(jù)接口就是該傳感器的輸出接頭，本發(fā)明中采用的是3-56的接頭，相應地，在刀柄的一端上采用的就是3-56的對應接口，保證數(shù)據(jù)的流暢傳輸，接頭用膠粘在刀桿上固定起來，接口利用膠固定在刀柄上。刀柄的加工是在普通刀柄的中間部分切削出一個方形洞，在里面安裝微處理器和藍牙裝置。刀柄與刀桿連接的一端端面打一個孔直接通到方洞的內(nèi)部，使接口處的線能夠直接連到微處理器上，使該傳感器的數(shù)據(jù)能夠通過傳輸線傳輸過來。微處理器和藍牙裝置通過數(shù)據(jù)線連接起來，微處理器和藍牙裝置都粘在該方形洞的內(nèi)壁上固定起來，相應的連線也都固定在內(nèi)壁上。本發(fā)明中，所述采集卡插裝在計算機的主機板上，所述微處理器和藍牙裝置均采用的是內(nèi)置電源，使用一段時間后可以更換。
[0021]采用上述本發(fā)明用于機加工中刀桿振動信號的實時監(jiān)測裝置，其中，采用PCB的352C23微型單軸傳感器來采集加工過程中的振動信號，所述微處理器采用ATMEGA128單片機，所述藍牙裝置采用HC-06藍牙裝置，通過對振動信號的分析來實時掌握刀具磨損的值，進而對加工過程進行優(yōu)化控制，如圖3所示，其步驟如下:
[0022]步驟一、信號的采集:首先，壓電式振動傳感器進行信號的采集，由于壓電效應，刀具中的壓電式振動傳感器把監(jiān)測到的刀具振動信號變成傳感器中電荷的變化，進而通過相應的電路變成電壓的變化。其次，這些電壓量的模擬信號通過傳輸線傳輸?shù)降侗械奈⑻幚砥鰽TMEGA128主控芯片中，由該芯片中的A/D轉換模塊將電壓量的模擬信號轉換成數(shù)字信號，完成了信號的模數(shù)轉換。該芯片中還有儲存器和控制器兩個部分，控制部分通過相應的指令控制藍牙裝置傳輸數(shù)據(jù)的開始與停止，該芯片中的儲存器把這些轉換后到的數(shù)字信號信息儲存起來，等待傳輸出去和被調(diào)用。
[0023]步驟二、信號的傳輸:本發(fā)明采用藍牙裝置實現(xiàn)串行通信是通過無線射頻鏈接。藍牙裝置主要由無線收發(fā)單元、鏈路控制單元和鏈路管理及主機I/o這三個單元組成。就其基本原理來說，藍牙射頻模塊一般由接收模塊、發(fā)送模塊和合成器這三個模塊組成，具體在本發(fā)明中發(fā)送模塊就是安裝在刀柄中的藍牙發(fā)射器，接收模塊就是連接采集卡的藍牙接收器，藍牙裝置在接到微處理器傳輸數(shù)據(jù)的指令后，
[0024]當射頻模塊在發(fā)送模式下時，采集的數(shù)據(jù)由基帶模塊輸入，在合成器中進行載波調(diào)制，調(diào)制后的信號進入發(fā)送模塊。在發(fā)送模塊中，收發(fā)控制線選通低噪放大器，將調(diào)制信號放大，并由巴倫轉為非平衡信號輸出至收發(fā)控制開關。再由收發(fā)控制線選通至濾波器，通過天線向外發(fā)送。
[0025]當射頻模塊在接收模式下時，信號由天線接收，經(jīng)過濾波器和收發(fā)控制開關進入接收模塊。接收模塊首先通過巴倫將從天線傳來的不平衡信號轉為平衡信號(這樣可以得到較高的共模抑制比)；然后通過一個低噪放大器將接收的微弱信號放大，最后在解調(diào)電路中與從合成器提供的本振信號作用，將載波信號解調(diào)輸出。
[0026]接收模塊接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過采集卡采樣，然后經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上，以TXT的格式保存下來，進而進行處理和分析。
[0027]步驟三、信號的處理:在計算機中通過Iabview或者matlab軟件對信號進行調(diào)用和處理，首先，采用小波變化或者快速傅里葉變換對數(shù)據(jù)進行處理；其次，進行特征信號提取，選取時域、頻域以及時頻域的特征；然后，應用神經(jīng)網(wǎng)絡、隱馬爾科夫或者支持向量機進行模式識別，實現(xiàn)刀具磨損的識別，進而實時掌握刀具磨損的值，對得到的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，設置警戒值，使機床，刀具更好的工作。
[0028]本發(fā)明監(jiān)測裝置采用嵌入式傳感器的刀桿，由于傳感器位置距離加工位置比較近，所以采集到的信號更加準確。同時，把傳感器嵌入到刀桿，把微處理器嵌入到刀柄中以及采用藍牙裝置的無線傳輸使得本發(fā)明的監(jiān)測裝置更加便捷，使用更方便。
[0029]盡管上面結合圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種用于機加工中刀桿振動信號的實時監(jiān)測裝置，包括刀柄(I)、刀桿(2)、采集卡和計算機，其特征在于， 所述刀桿(2)設有第一軸向盲孔(3)，該第一軸向盲孔(3)的開口位于刀桿(2)的后端，所述第一軸向盲孔(3)內(nèi)、且位于刀頭端嵌裝有壓電式振動傳感器(4)； 所述刀柄(I)設有與所述第一軸向盲孔(3)對正的第二軸向盲孔，所述第一軸向盲孔(3)和所述第二軸向盲孔的交界處設有數(shù)據(jù)接口 (6)，自所述壓電式振動傳感器(4)的輸出端至所述數(shù)據(jù)接口(6)連接有傳輸線(7)，所述第一軸向盲孔內(nèi)填充有環(huán)氧樹脂(10)； 所述刀柄(I)的中部設有凹槽，所述凹槽內(nèi)設有微處理器(8)和藍牙裝置(9)，所述微處理器(8)和藍牙裝置(9)之間及所述數(shù)據(jù)接口(6)與微處理器(8)之間均連接有數(shù)據(jù)線.所述藍牙裝置(9)與所述采集卡之間采用無線傳輸。
2.根據(jù)權利要求1所述用于機加工中刀桿振動信號的實時監(jiān)測裝置，其特征在于，所述壓電式振動傳感器為PCB的352C23微型單軸傳感器。
3.根據(jù)權利要求1所述用于機加工中刀桿振動信號的實時監(jiān)測裝置，其特征在于，所述微處理器采用ATMEGA128單片機。
4.根據(jù)權利要求1所述用于機加工中刀桿振動信號的實時監(jiān)測裝置，其特征在于，所述藍牙裝置采用HC-06藍牙裝置。
5.一種用于機加工中刀桿振動信號的實時監(jiān)測方法，其特征在于，采用如權利要求1~4中任一所述用于機加工中刀桿振動信號的實時監(jiān)測裝置，并包括以下步驟: 步驟一、信號的采集:首先，壓電式振動傳感器將監(jiān)測到的刀具振動信號轉變?yōu)殡妷毫康哪M信號，通過傳輸線將該電壓量的模擬信號傳輸?shù)降侗械奈⑻幚砥髦?，所述微處理器中的A/D轉換模塊將該電壓量的模擬信號轉換成數(shù)字信號，微處理器中的儲存器將轉換后的數(shù)字信號儲存起來，等待傳輸出去和被調(diào)用，微處理器中的控制器控制藍牙裝置是否開始或停止數(shù)據(jù)的傳輸； 步驟二、信號的傳輸:藍牙裝置在接到微處理器傳輸數(shù)據(jù)的指令后， 在發(fā)送模式下，采集的數(shù)據(jù)由基帶模塊輸入，在合成器中進行載波調(diào)制，調(diào)制后的信號進入發(fā)送模塊，在發(fā)送模塊中，收發(fā)控制線選通低噪放大器，將調(diào)制信號放大，并由巴倫轉為非平衡信號輸出至收發(fā)控制開關；再由收發(fā)控制線選通至濾波器，通過天線向外發(fā)送； 在接收模式下，信號由天線接收，經(jīng)過濾波器和收發(fā)控制開關進入接收模塊，接收模塊首先通過巴倫將從天線傳來的不平衡信號轉為平衡信號；然后通過接收模塊的低噪放大器將接收的微弱信號放大，最后在解調(diào)電路中與從合成器提供的本振信號進行作用，將載波信號解調(diào)輸出； 采集卡對接收模塊接收到的數(shù)據(jù)進行采樣，然后將采樣后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上，以TXT的格式保存下來，進而進行處理和分析； 步驟三、信號的處理:在計算機中通過Iabview或者matlab軟件對信號進行調(diào)用和處理，首先，采用小波變換或者快速傅里葉變換對數(shù)據(jù)進行處理；其次，進行特征信號提取，選取時域、頻域以及時頻域的特征；然后，應用神經(jīng)網(wǎng)絡、隱馬爾科夫或者支持向量機進行模式識別，實現(xiàn)刀具磨損的識別，進而實時掌握刀具磨損的值。
【文檔編號】B23Q17/12GK104015098SQ201410177269
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權日:2014年4月29日
【發(fā)明者】王國鋒, 楊印衛(wèi), 劉暢, 李志猛, 謝慶陸, 張彥超 申請人:天津大學