多傳感器刀具磨損檢測裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型一種多傳感器刀具磨損檢測裝置，主要應(yīng)用于航空領(lǐng)域難加工器件精密加工，包括聲發(fā)射傳感器、電流傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、控制調(diào)節(jié)模塊；聲發(fā)射傳感器檢測刀具在切削狀態(tài)的聲信號，并將聲信號傳遞至信號調(diào)理模塊；電流傳感器檢測刀具在切削狀態(tài)下機(jī)床的主軸電機(jī)與進(jìn)給電機(jī)的電流信號，并將電流信號傳遞至信號調(diào)理模塊，信號調(diào)理模塊將接收的聲信號和電流信號同步進(jìn)行幅值調(diào)整、模擬濾波及差分轉(zhuǎn)換后輸出；數(shù)據(jù)采集處理模塊接收信號，并根據(jù)聲信號和電流信號判斷刀具磨損的狀態(tài)；控制調(diào)節(jié)模塊接收到得磨損狀況信息通過程序顯示在LCD液晶屏幕上請?zhí)嵝褕?bào)警。
【專利說明】多傳感器刀具磨損檢測裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及刀具磨損檢測裝置領(lǐng)域，主要應(yīng)用于航空領(lǐng)域難加工器件精密加工，尤其是一種多傳感器刀具磨損檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著加工系統(tǒng)的自動化和智能化水平的提高，為了避免機(jī)床、刀具和工件的損壞，提高加工工件的質(zhì)量和尺寸精度，傳統(tǒng)的單因素傳感器已經(jīng)難以滿足高精度刀具狀態(tài)檢測系統(tǒng)的要求。多傳感器融合的刀具狀態(tài)檢測系統(tǒng)的研究受到了人們的普遍關(guān)注。采用多傳感器技術(shù)可以克服單一傳感器只能提供局部的信息技術(shù)條件限制，獲得全面的狀態(tài)信息，從而更全面反映被檢測系統(tǒng)的狀態(tài)變化，提高檢測系統(tǒng)抗干擾能力。多傳感器融合的刀具狀態(tài)檢測在國外學(xué)者雖然受到的重視，但大多側(cè)重在磨鈍與鋒利、破損與未破損兩分類模式識別問題上，而刀具磨損量的估計(jì)對制造過程智能化有更重要的作用。
[0003]國內(nèi)專家和學(xué)者雖然也對多傳感器融合技術(shù)進(jìn)行了研究，但是多為理論技術(shù)研究，而且都是以切削力信號為主要檢測信號。切削力是刀具狀態(tài)最直接的反映，切削力信號直接真實(shí)、抗干擾能力較強(qiáng)，靈敏度高、可以感知切削力的微小變化。刀具的磨損狀態(tài)與切削力的變化存在很好的對應(yīng)關(guān)系，但是切削加工條件的變化也會引起切削力的變化，傳感器測量切削力的變化很難區(qū)分是加工條件改變引起的還是由于刀具磨損引起的，并且其傳感器的安裝需要對機(jī)床做些改動，適用性較差。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供了一種多傳感器刀具磨損檢測裝置，具有多傳感器對信號進(jìn)行采集，更靈敏的采集到刀具磨損的細(xì)微變化。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種多傳感器刀具磨損檢測裝置，包括:
[0007]聲發(fā)射傳感器、電流傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、控制調(diào)節(jié)模塊和顯示和輸入模塊；
[0008]其中，聲發(fā)射傳感器檢測刀具在切削狀態(tài)的聲信號，并將聲信號傳遞至信號調(diào)理模塊；
[0009]電流傳感器檢測刀具在切削狀態(tài)下機(jī)床的主軸電機(jī)與進(jìn)給電機(jī)的電流信號，并將電流信號傳遞至信號調(diào)理模塊；
[0010]信號調(diào)理模塊的輸出端通過信號線與數(shù)據(jù)采集處理模塊的輸入端連接，信號調(diào)理模塊將接收的聲信號和電流信號同步進(jìn)行幅值調(diào)整、模擬濾波及差分轉(zhuǎn)換后輸出；
[0011]數(shù)據(jù)采集處理模塊接收信號調(diào)理模塊調(diào)節(jié)后的聲信號和電流信號，并根據(jù)聲信號和電流信號判斷刀具磨損的狀態(tài)，并把狀態(tài)信息通過串口發(fā)送給控制調(diào)節(jié)模塊或通過USB端口發(fā)送給擴(kuò)展計(jì)算機(jī)接口模塊；
[0012]控制調(diào)節(jié)模塊接收到得磨損狀況信息通過程序顯示在LCD液晶屏幕上，然后將實(shí)時的磨損狀態(tài)與保存在存儲器中的預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，若超過閾值將進(jìn)行聲光報(bào)警提示更換刀具。
[0013]進(jìn)一步地:所述聲發(fā)射傳感器與信號調(diào)理模塊之間連接有前置放大器。
[0014]進(jìn)一步地:所述信號調(diào)理模塊由信號幅值調(diào)整電路、雙路模擬濾波器、通道選擇電路、差動放大電路以及外圍電路組成，聲發(fā)射信號和電流信號首先信號幅值調(diào)整電路后，經(jīng)過通道選擇電路的選擇，聲發(fā)射信號和電流信號中夾雜著各種噪聲經(jīng)過雙路模擬濾波器濾除雜質(zhì)，最后由差動放大器將信號轉(zhuǎn)化成AD所能接受的差分信號。
[0015]進(jìn)一步地:所述的雙路模擬濾波器為20K-80K帶通濾波器和240k_310k帶通濾波器組成。
[0016]進(jìn)一步地:數(shù)據(jù)采集處理模塊包括AD轉(zhuǎn)換器、增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊以及DSP處理器，AD轉(zhuǎn)換器為兩路，接受信號調(diào)理模塊的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后傳遞給增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊，增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊與DSP處理器信號連接，增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊將接受的信號傳遞給DSP處理器，DSP處理器忙時將指令發(fā)給增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊，增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊將數(shù)據(jù)傳遞給控制調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行存儲。
[0017]進(jìn)一步地:AD轉(zhuǎn)換器與增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊之間連接有協(xié)處理控制模塊和多通道緩沖串口，協(xié)處理控制模塊將AD轉(zhuǎn)換器的16位數(shù)字信號通過協(xié)處理控制模塊處理后轉(zhuǎn)化成32位信息存儲到系統(tǒng)的SDRAM中，32位信息通過多通道緩沖串口進(jìn)入增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊。
[0018]進(jìn)一步地:控制調(diào)節(jié)模塊包括單片機(jī)，單片機(jī)通過串口與數(shù)據(jù)采集處理模塊連接，單片機(jī)的輸出端口具有LCD接口、按鍵接口，單片機(jī)連接電可擦可編程只讀存儲器，控制調(diào)節(jié)模塊驅(qū)動LCD液晶屏幕顯示、顯示DSP處理器處理的實(shí)時刀具磨損的信息、修改和存儲設(shè)置閾值、預(yù)設(shè)閾值經(jīng)行比較判斷是否報(bào)警，閾值通過按鍵進(jìn)行設(shè)置，并存儲在電可擦可編程只讀存儲器中，使得系統(tǒng)掉電后預(yù)設(shè)閾值不會丟失。
[0019]本實(shí)用新型具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0020]本實(shí)用新型通過電流信號和聲發(fā)射信號進(jìn)行多信號采集，并進(jìn)行信號的分析后存儲和顯示，可用于機(jī)床上，即時地對刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行檢測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖；
[0022]圖2是信號調(diào)理模塊的原理框圖；
[0023]圖3是數(shù)據(jù)采集處理模塊的原理框圖；
[0024]圖4是控制調(diào)節(jié)模塊的模塊框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)地介紹:
[0026]如圖1所示:本實(shí)用新型聲發(fā)射傳感器、電流傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、控制調(diào)節(jié)模塊和顯示和輸入模塊；其中，聲發(fā)射傳感器檢測刀具在切削狀態(tài)的聲信號，并將聲信號傳遞至信號調(diào)理模塊；電流傳感器檢測刀具在切削狀態(tài)下機(jī)床的主軸電機(jī)與進(jìn)給電機(jī)的電流信號，并將電流信號傳遞至信號調(diào)理模塊；信號調(diào)理模塊的輸出端通過信號線與數(shù)據(jù)采集處理模塊的輸入端連接，信號調(diào)理模塊將接收的聲信號和電流信號同步進(jìn)行幅值調(diào)整、模擬濾波及差分轉(zhuǎn)換后輸出；數(shù)據(jù)采集處理模塊接收信號調(diào)理模塊調(diào)節(jié)后的聲信號和電流信號，并根據(jù)聲信號和電流信號判斷刀具磨損的狀態(tài)，并把狀態(tài)信息通過串口發(fā)送給控制調(diào)節(jié)模塊或通過USB端口發(fā)送給擴(kuò)展計(jì)算機(jī)接口模塊；控制調(diào)節(jié)模塊接收到得磨損狀況信息通過程序顯示在LCD液晶屏幕上，然后將實(shí)時的磨損狀態(tài)與保存在存儲器中的預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，若超過閾值將進(jìn)行聲光報(bào)警提示更換刀具。聲發(fā)射傳感器與信號調(diào)理模塊之間連接有前置放大器。
[0027]如圖2所示，信號調(diào)理模塊由信號幅值調(diào)整電路、雙路模擬濾波器、通道選擇電路、差動放大電路以及外圍電路組成，聲發(fā)射信號和電流信號首先信號幅值調(diào)整電路后，經(jīng)過通道選擇電路的選擇，聲發(fā)射信號和電流信號中夾雜著各種噪聲經(jīng)過雙路模擬濾波器濾除雜質(zhì)，最后由差動放大器將信號轉(zhuǎn)化成AD所能接受的差分信號。雙路模擬濾波器為20K-80K帶通濾波器和240k-310k帶通濾波器組成。
[0028]該信號調(diào)理模塊同時對由聲發(fā)射傳感器采集經(jīng)前置放大器的信號和由電流傳感器直接采集的信號進(jìn)行預(yù)處理，被數(shù)據(jù)采集處理模塊使用。從聲發(fā)射傳感器接收到的很微弱的電荷信號，然后前置放大器經(jīng)行放大，經(jīng)過信號幅值調(diào)整電路后，此時的聲發(fā)射信號和電流信號中夾雜著各種噪聲，用20K-80K帶通濾波器和240k-310k帶通濾波器濾除雜質(zhì)，最后由差動放大器將信號轉(zhuǎn)化成AD所能接受的差分形式。
[0029]如圖3所示，數(shù)據(jù)采集處理模塊包括AD轉(zhuǎn)換器、增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊(簡稱EDMA)以及DSP處理器，AD轉(zhuǎn)換器為兩路，接受信號調(diào)理模塊的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后傳遞給增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊，增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊與DSP處理器信號連接，增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊將接受的信號傳遞給DSP處理器，DSP處理器忙時將指令發(fā)給增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊，增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊將數(shù)據(jù)傳遞給控制調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行存儲。
[0030]AD轉(zhuǎn)換器與增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊之間連接有協(xié)處理控制模塊和多通道緩沖串口，協(xié)處理控制模塊將AD轉(zhuǎn)換器的16位數(shù)字信號通過協(xié)處理控制模塊處理后轉(zhuǎn)化成32位信息存儲到系統(tǒng)的SDRAM中，32位信息通過多通道緩沖串口進(jìn)入增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊。
[0031]DSP處理器采用TMS320C6713B型號，F(xiàn)AGA采用EP2C8F256C8，該數(shù)據(jù)采集處理模塊還包括SDRAM、FLASH、通訊接口(包括串口芯片，USB芯片，RS232接口和USB接口)等外圍電路，該數(shù)據(jù)采集處理模塊是整個儀器的核心，它負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)以及大部分信號處理算法的實(shí)時實(shí)現(xiàn)，主要完成如下功能:實(shí)測數(shù)據(jù)的采集和存儲、磨損分析的算法、磨損檢測算法的實(shí)時實(shí)現(xiàn)、控制調(diào)節(jié)模塊及監(jiān)控計(jì)算機(jī)的通訊等。數(shù)據(jù)采集處理模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時處理，是本系統(tǒng)的核心部分，也是系統(tǒng)性能重要的決定因素。聲發(fā)射傳感器接受到得模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理模塊處理后(換能、放大、濾波等)送入AD9243進(jìn)行數(shù)字化，經(jīng)過數(shù)字化后得到的16位數(shù)字信號通過協(xié)處理控制模塊處理后轉(zhuǎn)化成32位信息存儲到系統(tǒng)的SDRAM中，當(dāng)SDRAM存滿IM并且DSP處理器處以空閑狀態(tài)，則DSP處理器將通過DMA讀取SDRAM中的信息進(jìn)行算法上的處理。DSP處理器處理后的結(jié)果可以通過串口芯片與RS232接口通訊顯示在前面板上，或是通過USB接口和USB芯片把結(jié)果存入擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的硬盤中。
[0032]如圖4所示，控制調(diào)節(jié)模塊包括單片機(jī)，單片機(jī)通過串口與數(shù)據(jù)采集處理模塊連接，單片機(jī)的輸出端口具有LCD接口、按鍵接口，單片機(jī)連接電可擦可編程只讀存儲器，控制調(diào)節(jié)模塊驅(qū)動LCD液晶屏幕顯示、顯示DSP處理器處理的實(shí)時刀具磨損的信息、修改和存儲設(shè)置閾值、預(yù)設(shè)閾值經(jīng)行比較判斷是否報(bào)警，閾值通過按鍵進(jìn)行設(shè)置，并存儲在電可擦可編程只讀存儲器中，使得系統(tǒng)掉電后預(yù)設(shè)閾值不會丟失。
[0033]本裝置在獲取到聲發(fā)射信號的數(shù)字波形和電流信號的數(shù)字波形后，數(shù)據(jù)采集處理模塊對其進(jìn)行3個方面的特征提取。其一，對原始數(shù)字波形進(jìn)行FFT (Fast FourierTransform，快速傅里葉變換)的頻域分析，分析結(jié)果作為特征1，例如信號的功率譜密度。其二，對原始的數(shù)字波形進(jìn)行時域分析，分析結(jié)果作為特征2，例如信號的峰峰值、均方根值等。其三,對原始信號進(jìn)行DWT (Discrete Wavelet Transform,離散小波變換)的時頻域分析，分析結(jié)果作為特征3，例如信號小波分解后各個層次的頻帶的能量。從原始波形提取出來的三個方面的特征中，包含著一些重復(fù)的內(nèi)容以及一些干擾的信息，所以要將特征輸入特征分析系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)項(xiàng)和干擾項(xiàng)的刪減和特征參數(shù)的優(yōu)化。磨損判斷系統(tǒng)可以根據(jù)專家數(shù)據(jù)庫中的樣本特征參數(shù)自我訓(xùn)練，從特征分析系統(tǒng)輸出的特征參數(shù)將送入訓(xùn)練后的磨損判斷系統(tǒng)，輸出為的刀具磨損的等級，最后依據(jù)這個等級報(bào)警。
[0034]裝置開啟后，第一步，由DSP處理器發(fā)出指令選擇信號確定濾波范圍是20k_80khz的中頻還是240k-310khz的中高頻；第二步，裝置開始采集聲發(fā)射信號和電流信號的數(shù)字波形，并將其進(jìn)行時域、頻域、時頻域的分析來提取特征；第三步，DSP處理器對重復(fù)的特征參數(shù)的進(jìn)行優(yōu)化，本例中使用的是主元分析(PCA, Principal Component Analysis)的方法進(jìn)行優(yōu)化的；第四步，DSP處理器判斷磨損判斷系統(tǒng)是否已訓(xùn)練，若沒有訓(xùn)練，則讀取專家數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，若已經(jīng)訓(xùn)練，則將優(yōu)化后的信號特征參數(shù)進(jìn)行磨損程度的分級，本裝置上的磨損判斷系統(tǒng)使用的是DSP處理器中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；第五步，控制調(diào)節(jié)模塊根據(jù)磨損級別和專家數(shù)據(jù)庫內(nèi)的報(bào)警閾值比較，判斷報(bào)警。
【權(quán)利要求】
1.一種多傳感器刀具磨損檢測裝置，其特征在于:包括: 聲發(fā)射傳感器、電流傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、控制調(diào)節(jié)模塊； 其中，聲發(fā)射傳感器檢測刀具在切削狀態(tài)的聲信號，并將聲信號傳遞至信號調(diào)理模塊； 電流傳感器檢測刀具在切削狀態(tài)下機(jī)床的主軸電機(jī)與進(jìn)給電機(jī)的電流信號，并將電流信號傳遞至信號調(diào)理模塊； 信號調(diào)理模塊的輸出端通過信號線與數(shù)據(jù)采集處理模塊的輸入端連接，信號調(diào)理模塊將接收的聲信號和電流信號同步進(jìn)行幅值調(diào)整、模擬濾波及差分轉(zhuǎn)換后輸出； 數(shù)據(jù)采集處理模塊接收信號調(diào)理模塊調(diào)節(jié)后的聲信號和電流信號，并根據(jù)聲信號和電流信號判斷刀具磨損的狀態(tài)，并把狀態(tài)信息通過串口發(fā)送給控制調(diào)節(jié)模塊或通過USB端口發(fā)送給擴(kuò)展計(jì)算機(jī)接口模塊； 控制調(diào)節(jié)模塊接收到得磨損狀況信息通過程序顯示在LCD液晶屏幕上，然后將實(shí)時的磨損狀態(tài)與保存在存儲器中的預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，若超過閾值將進(jìn)行聲光報(bào)警提示更換刀具。
2.按照權(quán)利要求1所述的多傳感器刀具磨損檢測裝置，其特征在于:所述聲發(fā)射傳感器與信號調(diào)理模塊之間連接有前置放大器。
3.按照權(quán)利要求1所述的多傳感器刀具磨損檢測裝置，其特征在于:所述信號調(diào)理模塊由信號幅值調(diào)整電路、雙路模擬濾波器、通道選擇電路、差動放大電路以及外圍電路組成，聲發(fā)射信號和電流信號首先經(jīng)信號幅值調(diào)整電路后，經(jīng)過通道選擇電路的選擇，聲發(fā)射信號和電流信號中夾雜著各種噪聲經(jīng)過雙路模擬濾波器濾除雜質(zhì)，最后由差動放大器將信號轉(zhuǎn)化成AD所能接受的差分信號。
4.按照權(quán)利要求3所述的多傳感器刀具磨損檢測裝置，其特征在于:所述的雙路模擬濾波器為20K-80K帶通濾波器和240k-310k帶通濾波器組成。
5.按照權(quán)利要求4所述的多傳感器刀具磨損檢測裝置，其特征在于:數(shù)據(jù)采集處理模塊包括AD轉(zhuǎn)換器、增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊以及DSP處理器，AD轉(zhuǎn)換器為兩路，接受信號調(diào)理模塊的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后傳遞給增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊，增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊與DSP處理器信號連接，增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊將接受的信號傳遞給DSP處理器，DSP處理器忙時將指令發(fā)給增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊，增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊將數(shù)據(jù)傳遞給控制調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行存儲。
6.按照權(quán)利要求5所述的多傳感器刀具磨損檢測裝置，其特征在于:AD轉(zhuǎn)換器與增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊之間連接有協(xié)處理控制模塊和多通道緩沖串口，協(xié)處理控制模塊將AD轉(zhuǎn)換器的16位數(shù)字信號通過協(xié)處理控制模塊處理后轉(zhuǎn)化成32位信息存儲到系統(tǒng)的SDRAM中，32位信息通過多通道緩沖串口進(jìn)入增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取模塊。
7.按照權(quán)利要求1所述的多傳感器刀具磨損檢測裝置，其特征在于:控制調(diào)節(jié)模塊包括單片機(jī)，單片機(jī)通過串口與數(shù)據(jù)采集處理模塊連接，單片機(jī)的輸出端口具有LCD接口、按鍵接口，單片機(jī)連接電可擦可編程只讀存儲器，控制調(diào)節(jié)模塊驅(qū)動LCD液晶屏幕顯示、顯示DSP處理器處理的實(shí)時刀具磨損的信息、修改和存儲設(shè)置閾值、預(yù)設(shè)閾值經(jīng)行比較判斷是否報(bào)警，閾值通過按鍵進(jìn)行設(shè)置，并存儲在電可擦可編程只讀存儲器中，使得系統(tǒng)掉電后預(yù)設(shè)閾值不會丟失。
【文檔編號】B23Q17/09GK203542239SQ201320603920
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】聶鵬, 李正強(qiáng), 徐濤, 陳彥海, 郭勇, 何超 申請人:沈陽利笙電子科技有限公司