專利名稱：鏜桿工作狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種鏜桿工作狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)
背景技術(shù)：
當前機械制造業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，精密和超精密加工已成為現(xiàn)代機械制造的重要組成部分。臥式鏜床屬于精密加工的一種，主要用于加工高精度孔或一次定位完成多個孔的精加工。鏜桿屬于懸臂梁結(jié)構(gòu)，鏜削過程中，處于自由端的鏜刀與工件之間極易產(chǎn)生自激振動，破壞加工過程的穩(wěn)定性，致使工件加工表面質(zhì)量急劇惡化，降低刀具壽命，影響加工效率。因此，對鏜桿工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測顯得十分重要。而由于鏜桿在工作過程中處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，無法采用傳統(tǒng)的有線檢測方法測得鏜刀處的振動信號。

實用新型內(nèi)容為克服現(xiàn)有的有線檢測方法無法在鏜桿旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時測得鏜刀處的振動信號，本實用新型提供了一種基于無線通信技術(shù)，能夠直接在鏜桿旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下測得鏜刀處振動信號， 且無需改變刀具結(jié)構(gòu)，安裝方便的鏜桿工作狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)。鏜桿工作狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，包括固定于鏜桿端部、用于監(jiān)測鏜桿振動信號的信號檢測裝置，對監(jiān)測到的振動信號進行分析處理的上位機，及實現(xiàn)信號檢測裝置與上位機之間通信的中間站；所述的上位機發(fā)出的控制指令傳送到中間站，所述的中間站通過無線通信方式將控制指令發(fā)送到信號檢測裝置，并接收信號檢測裝置發(fā)送的振動信號；所述的信號檢測裝置通過無線通信方式將檢測到的振動數(shù)據(jù)發(fā)送至中間站，該振動信號由中間站通過串口發(fā)送到上位機。進一步，所述的信號檢測裝置包括固定于鏜桿上的加速度傳感器，為信號檢測裝置提供電源的振動檢測電源模塊，將加速度傳感器感測到的振動信號進行放大和采樣的振動信號處理模塊，用于存儲采樣后振動信號的存儲模塊，及與中間站進行數(shù)據(jù)交互的振動檢測無線通信模塊；振動信號處理模塊對待發(fā)送的振動信號進行編碼，經(jīng)編碼的振動信號通過振動檢測無線通信模塊發(fā)送到中間站。進一步，所述的鏜桿上固定兩個加速度傳感器，兩個加速度傳感器正交。所述的加速度傳感器與鏜桿之間設(shè)有套接于鏜桿上的圓環(huán)基體，兩個加速度傳感器固定于圓環(huán)基體的圓周上，圓環(huán)基體通過緊固螺釘固定在鏜桿上；信號檢測裝置采用圓環(huán)形電路板，圓環(huán)形電路板通過螺釘固定在圓環(huán)基體的側(cè)面，振動信號處理模塊、無線通信模塊、存儲模塊和振動檢測電源模塊均采用貼片元件，各個貼片元件沿圓環(huán)基體的圓周均勻分布。進一步，振動信號處理模塊中內(nèi)置能夠同時對兩路模擬信號進行采樣的16位 Σ -Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，確保采樣結(jié)果在時域的一致性；模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣獲得的數(shù)字信號存入存儲模塊中，信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后存入存儲模塊，振動檢測電源模塊中設(shè)有為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供基準電壓的基準電路。[0009]振動信號處理模塊讀取存儲模塊中的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行編碼后傳輸給無線通信模塊；振動信號處理模塊根據(jù)無線通信模塊接收的來自上位機的配置命令來配置系統(tǒng)運行參數(shù)，配置監(jiān)測信號的采樣頻率和一次采樣時間，配置無線通信模塊的工作頻率和發(fā)送功率等參數(shù)；振動信號處理模塊根據(jù)指令調(diào)整無線通信模塊的工作模式；振動信號處理模塊空閑時處于低功耗狀態(tài)，當有處理請求時可迅速恢復到正常工作狀態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間只需要幾個微秒，可做到及時響應處理請求，延長系統(tǒng)的工作時間。進一步，振動檢測電源模塊包括為振動信號處理模塊及無線通信模塊供電的主電源電路，為傳感器提供穩(wěn)定電流的恒流源電路，和為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供基準電壓的基準電路； 主電源電路由超低功耗穩(wěn)壓芯片和電池組成。穩(wěn)壓芯片具有微安級的工作電流和較寬的輸入電壓范圍。為了減小供電系統(tǒng)的體積和重量，可使用紐扣電池為系統(tǒng)供電。進一步，所述的中間站包括將來自上位機的控制指令發(fā)送到信號檢測裝置的中間站無線通信模塊，對來自信號檢測裝置的振動信號進行解碼和對待發(fā)送的控制指令進行編碼的中間站信號處理模塊，和為中間站無線通信模塊及中間站信號處理模塊供電的中間站電源模塊；中間站信號處理模塊通過RS232串口與上位機通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。中間站無線通信模塊和中間站信號處理模塊與信號檢測裝置中的無線通信模塊和振動信號處理模塊分別采用相同的硬件。本實用新型采用加速度傳感器獲取鏜桿的振動信號，通過無線傳輸方式將振動信號經(jīng)中間站傳輸至上位機，由上位機進行計算、識別鏜桿當前是處于穩(wěn)定狀態(tài)或顫振狀態(tài)。當鏜桿出現(xiàn)顫振時，上位機發(fā)出報警，提醒工作人員注意。本實用新型具有安裝方便、響應速度快、抗干擾能力強的優(yōu)點；本實用新型利用無線通信技術(shù)克服了旋轉(zhuǎn)類刀具布線困難的問題，實現(xiàn)了鏜桿工作狀態(tài)的實時監(jiān)測。本實用新型的技術(shù)方案也可用于其它旋轉(zhuǎn)類刀具的在線監(jiān)測。

圖I為本實用新型實時監(jiān)測系統(tǒng)的框圖。圖2為本實用新型的數(shù)據(jù)流圖。圖3為本實用新型信號檢測傳輸框圖。；圖4為本實用新型模式識別流程圖。圖5為本實用新型信號檢測裝置結(jié)構(gòu)圖。圖6為本實用新型信號檢測裝置流程圖。圖7為本實用新型中間站流程圖。
具體實施方式
參照附圖，進一步說明本實用新型鏜桿工作狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，包括固定于鏜桿端部、用于監(jiān)測鏜桿振動信號的信號檢測裝置，對監(jiān)測到的振動信號進行分析處理的上位機，和連接信號檢測裝置與上位機之間通信的中間站；上位機發(fā)出的控制指令傳送到中間站，中間站通過無線通信方式將控制指令發(fā)送到信號檢測裝置，并接收信號檢測裝置發(fā)送的振動信號；信號檢測裝置通過無線通信方式將檢測到的振動信號發(fā)送至中間站，該振動信號由中間站通過串口發(fā)送到上位機；上位機對振動信號的分析處理包括以下步驟(如圖4所示)I)、分別對每組歷史振動信號經(jīng)過特征參數(shù)提取得到振動信號的典型特征參數(shù)， 建立特征向量；通過時頻分析獲取每組歷史振動信號的狀態(tài)信息；將每組特征向量與對應的狀態(tài)信息分別作為輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)構(gòu)建支持向量機的學習樣本；所述的狀態(tài)信息指的是鏜桿處于穩(wěn)定狀態(tài)或顫振狀態(tài)；2)、選擇核函數(shù),輸入學習樣本到支持向量機中進行樣本學習，獲得輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)的精確映射關(guān)系，該映射關(guān)系為基于支持向量機的分類模型； 3)、計算來自信號檢測裝置的實時振動信號的特征向量，將該特征向量作為待識別樣本，將待識別樣本輸入到分類模型中進行模式識別，模式識別判斷當前鏜桿是處于穩(wěn)定狀態(tài)還是處于顫振狀態(tài)；4)、待識別樣本作為新的學習樣本增添到支持向量機中、以提高分類模型的識別能力。信號檢測裝置包括固定于鏜桿上的加速度傳感器，為信號檢測裝置提供電源的振動檢測電源模塊，將加速度傳感器感測到的振動信號進行放大和采樣、對振動數(shù)據(jù)編碼和控制指令解碼的振動信號處理模塊，用于存儲采樣后振動數(shù)據(jù)的存儲模塊，及與中間站進行數(shù)據(jù)交互的振動檢測無線通信模塊。如圖6所示，信號檢測裝置開機后進入初始化，初始化主要完成無線通信模塊運行參數(shù)的配置和分配各類數(shù)據(jù)的存儲空間；初始化完成后，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，等待接收中間站發(fā)送的上位機配置指令；如果接收到配置指令，則按指令對裝置進行參數(shù)配置，完成配置后，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)；如果接收上位機發(fā)送的采樣指令，則按設(shè)定的采樣頻率和采樣時間對加速度傳感器輸出的信號進行采樣并存儲在存儲模塊內(nèi)；如果接收上位機發(fā)送的發(fā)送指令，則讀取存儲模塊中的監(jiān)測數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行編碼，然后通過振動檢測無線通信模塊進行發(fā)送。振動信號處理模塊采用低功耗單片機MSP430F42X0，存儲模塊采用超低功耗的 FRAM(鐵電隨機存取存儲器)，振動檢測無線通信模塊采用低功耗射頻芯片nRF905。存儲模塊中保存振動檢測裝置的運行參數(shù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)；FRAM的高速數(shù)據(jù)存取速度能及時將監(jiān)測數(shù)據(jù)存入其中，避免數(shù)據(jù)丟失，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性；信號檢測裝置初始化或復位后可從存儲模塊中讀取運行參數(shù)。低功耗射頻芯片nRF905具有兩種工作模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)射，工作頻率和發(fā)射功率的動態(tài)可調(diào)能滿足不同監(jiān)測環(huán)境的要求；通過SPI接口與振動信號處理模塊連接，保證通信質(zhì)量和速度；無線通信模塊在空曠環(huán)境下通信距離1000米，滿足通信要求；發(fā)射芯片內(nèi)建空閑模式與關(guān)機模式，易于實現(xiàn)節(jié)能。所述的鏜桿I上固定兩個加速度傳感器3、4，兩個加速度傳感器3、4正交。如圖5 所示，所述的加速度傳感器3、4與鏜桿I之間設(shè)有套接于鏜桿I上的圓環(huán)基體2，兩個加速度傳感器3、4固定于圓環(huán)基體2的圓周上，圓環(huán)基體2通過緊固螺釘固定在鏜桿I上；信號檢測裝置采用圓環(huán)形電路板，圓環(huán)形電路板通過螺釘固定在圓環(huán)基體的側(cè)面，振動信號處理模塊、振動檢測無線通信模塊、存儲模塊和振動檢測電源模塊均采用貼片元件，各個貼片元件沿圓環(huán)基體2的圓周均勻分布。調(diào)整電源模塊位置使信號檢測裝置獲得轉(zhuǎn)動時的動平衡，以免引起震蕩。 加速度傳感器選用IC壓電式加速度傳感器；正交的加速度傳感器能夠分別測量鏜刀在水平和豎直兩個方向上的振動情況；IC壓電式傳感器是一種低阻抗電壓型傳感器， 傳感器內(nèi)置電荷放大器，將于加速度成正比的電荷信號直接轉(zhuǎn)換和放大成低阻的電壓輸出信號；振動檢測電源模塊中設(shè)有為傳感器提供穩(wěn)定電流的恒流源電路；恒流源電路能在各種使用條件變化的情況下輸出穩(wěn)定電流，保證傳感器正常工作。振動信號處理模塊中內(nèi)置能夠同時對兩路模擬信號進行采樣的16位Σ -Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，確保了采樣結(jié)果在時域的一致性；信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后存入存儲模塊，振動檢測電源模塊中設(shè)有為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供基準電壓的基準電路。振動信號處理模塊讀取存儲模塊中的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行編碼后傳輸給無線通信模塊；振動信號處理模塊根據(jù)無線通信模塊接收的來自上位機的配置命令來配置系統(tǒng)運行參數(shù)，配置監(jiān)測信號的采樣頻率和一次采樣時間，配置無線通信模塊的工作頻率和發(fā)送功率參數(shù)；振動信號處理模塊根據(jù)指令調(diào)整無線通信模塊的工作模式；振動信號處理模塊空閑時處于低功耗狀態(tài)，當有處理請求時可迅速恢復到正常工作狀態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間只需要幾個微秒，可做到及時響應處理請求，延長系統(tǒng)的工作時間。振動檢測電源模塊包括為振動信號處理模塊及無線通信模塊供電的主電源電路， 為傳感器提供穩(wěn)定電流的恒流源電路，和為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供基準電壓的基準電路；主電源電路由超低功耗穩(wěn)壓芯片和電池組成。穩(wěn)壓芯片具有微安級的工作電流和較寬的輸入電壓范圍。為了減小體積和重量，可使用紐扣電池為系統(tǒng)供電。如圖3所示，所述的中間站模塊包括將來自上位機的控制指令發(fā)送到信號檢測裝置的中間站無線通信模塊，對來自信號檢測裝置的振動信號進行解碼和對待發(fā)送的控制指令進行編碼的中間站信號處理模塊，和為中間站無線通信模塊及中間站信號處理模塊供電的中間站電源模塊。中間站無線通信模塊和中間站信號處理模塊與信號檢測裝置中的無線通信模塊和振動信號處理模塊分別采用相同的硬件；中間站與上位機的通信采用RS232串口通信，實現(xiàn)與上位機的可靠數(shù)據(jù)傳輸。如圖7所示，中間站開機完成初始化后，中間站信號處理模塊處于等待狀態(tài)；判斷是否接收到經(jīng)串口發(fā)送的上位機控制指令，如果接收到上位機的控制指令，則將指令由中間站無線通信模塊發(fā)送給振動檢測裝置；如果沒有接收到串口通信，則判斷是否接收到振動監(jiān)測裝置發(fā)送的信號，如果接收到振動檢測裝置發(fā)送的信號并判斷為振動數(shù)據(jù)，則將接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機中進行保存。本實用新型使用加速度傳感器獲取鏜桿的振動信號，通過無線傳輸方式將振動信號經(jīng)中間站模塊傳輸至上位機，由上位機進行計算、識別鏜桿當前是處于穩(wěn)定狀態(tài)還是顫振狀態(tài)。當鏜桿出現(xiàn)顫振時，上位機發(fā)出報警，提醒工作人員注意。本實用新型具有安裝方便、響應速度快、抗干擾能力強的優(yōu)點；本實用新型利用無線通信技術(shù)克服了旋轉(zhuǎn)類刀具布線困難的問題，實現(xiàn)了鏜桿工作狀態(tài)的實時監(jiān)測。本實用新型的技術(shù)方案也可用于其它旋轉(zhuǎn)類刀具的在線監(jiān)測。本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對實用新型構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本實用新型的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本實用新型的保護范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實用新型構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求1.鏜桿工作狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，包括固定于鏜桿端部、用于監(jiān)測鏜桿振動信號的信號檢測裝置，對監(jiān)測到的振動信號進行分析處理的上位機，和連接信號檢測裝置與上位機之間通信的中間站；所述的上位機發(fā)出控制指令傳送到中間站，所述的中間站通過無線通信方式將控制指令發(fā)送到信號檢測裝置；所述的信號檢測裝置通過無線通信方式將檢測到的振動數(shù)據(jù)發(fā)送至中間站，該振動數(shù)據(jù)由中間站通過串口發(fā)送到上位機。
2.如權(quán)利要求I所述的鏜桿工作狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的信號檢測裝置包括固定于鏜桿上的加速度傳感器，為信號檢測裝置提供電源的振動檢測電源模塊，將加速度傳感器感測到的振動信號進行放大和采樣的振動信號處理模塊，用于存儲采樣后振動信號的存儲模塊，及與中間站進行數(shù)據(jù)交互的振動檢測無線通信模塊；振動信號處理模塊對待發(fā)送的振動信號進行編碼，經(jīng)編碼的振動信號通過振動檢測無線通信模塊發(fā)送到中間站。
3.如權(quán)利要求2所述的鏜桿工作狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的鏜桿上固定兩個加速度傳感器，兩個加速度傳感器正交。
4.如權(quán)利要求3所述的鏜桿工作狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的加速度傳感器與鏜桿之間設(shè)有套接于鏜桿上的圓環(huán)基體，兩個加速度傳感器固定于圓環(huán)基體的圓周上，圓環(huán)基體通過緊固螺釘固定在鏜桿上；信號檢測裝置采用圓環(huán)形電路板，圓環(huán)形電路板通過螺釘固定在圓環(huán)基體的側(cè)面，振動信號處理模塊、振動檢測無線通信模塊、存儲模塊和振動檢測電源模塊均采用貼片元件，各個貼片元件沿圓環(huán)基體的圓周均勻分布。
5.如權(quán)利要求2所述的鏜桿工作狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于振動信號處理模塊中內(nèi)置能夠同時對兩路模擬信號進行采樣的16位Σ - Λ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣獲得的數(shù)字信號存入存儲模塊中。
6.如權(quán)利要求2所述的鏜桿工作狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于振動檢測電源模塊包括為振動信號處理模塊及無線通信模塊供電的主電源電路，為傳感器提供穩(wěn)定電流的恒流源電路，和為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供基準電壓的基準電路；主電源電路由超低功耗穩(wěn)壓芯片和電池組成。
7.如權(quán)利要求2所述的鏜桿工作狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的中間站包括將來自上位機的控制指令發(fā)送到信號檢測裝置的中間站無線通信模塊，對來自信號檢測裝置的振動信號進行解碼和對待發(fā)送的控制指令進行編碼的中間站信號處理模塊，和為中間站無線通信模塊及中間站信號處理模塊供電的中間站電源模塊；中間站信號處理模塊通過串口實現(xiàn)與上位機通信。
專利摘要鏜桿工作狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，包括固定于鏜桿端部、用于監(jiān)測鏜桿振動信號的信號檢測裝置，對監(jiān)測到的振動信號進行分析處理的上位機，及實現(xiàn)信號檢測裝置與上位機之間通信的中間站；上位機發(fā)出的控制指令傳送到中間站，中間站通過無線通信方式將控制指令發(fā)送到信號檢測裝置，并接收信號檢測裝置發(fā)送的振動信號；信號檢測裝置通過無線通信方式將檢測到的振動數(shù)據(jù)發(fā)送至中間站，該振動信號由中間站通過串口發(fā)送到上位機。本實用新型具有安裝方便、響應速度快、抗干擾能力強的優(yōu)點。
文檔編號B23Q17/12GK202356982SQ20112041713
公開日2012年8月1日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者何元峰, 姜勝利, 尹海, 張恒, 徐朋, 曹衍龍, 李結(jié)凍, 楊將新, 毛磊, 沈海云, 管佳燕, 陳小龍, 魏明哲 申請人:浙江大學