一种刀具状态多传感监测系统的制作方法

本实用新型涉及机械故障诊断技术领域和计算机技术领域，尤其涉及一种刀具状态多传感监测系统。

背景技术：

铣削是用旋转的铣刀作为刀具加工物体表面的一种机械加工方法，一般在铣床或镗床上进行，除能加工平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，生产效率较高，在机械制造行业中被广泛应用。

刀具作为铣削加工过程中最易损伤的部件，对其进行及时有效的状态监测与故障识别至关重要。据统计，在铣削加工中，刀具故障通常约占机床停机时间的7-20％，而频繁的停机换刀严重影响企业的生产效率。此外，换刀的时效性直接影响到加工的质量和成本，一方面，若换刀不及时，坏刀会直接影响零件表面光洁度、尺寸精度等质量特性，严重的还将导致工件报废，增加加工成本；另一方面，若过早换刀，刀具还未到其有效使用寿命就丢弃，造成材料的浪费，增加换刀成本。因此，研究在铣削加工过程中进行实时的刀具故障监测与识别，对缩减加工成本具有很重要的意义。

近年来，基于传感器的间接式刀具状态监测(TCM)方法受到了国内外学者的广泛关注。基于传感器的TCM方法是通过传感器获取切削加工过程的相关信号，借助信号处理和统计分析技术对刀具状态进行估计，以达到实时监测刀具运行状态的目的。然而，目前大多数研究侧重于单一传感器监测与诊断，但是由于不同物理场信号对刀具不同状态(磨损、破损等)的识别精度不尽相同，因此基于单一传感器的监测方法容易导致刀具状态的漏判和误判。

技术实现要素：

本实用新型实施例所要解决的技术问题在于，提供一种刀具状态多传感监测系统，基于多传感器监测与诊断刀具状态，能够克服单一传感器因不同物理场信号所带来的漏判和误判的问题，提高刀具状态的识别精度。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种刀具状态多传感监测系统，包括：

多个用于测量刀具状态并转换成模拟信号的传感器；

一用于识别刀具状态的单片机，所述单片机包括对多传感器所采集到的刀具状态的模拟信号预处理成数字信号的FPGA芯片和用于对预处理后的数字信号进行分类识别来确定刀具状态的DSP芯片；其中，所述FPGA芯片的一端与所述多个传感器分别相连，另一端与所述DSP芯片的第一端相连；以及

用于显示刀具状态的显示屏，所述显示屏与所述DSP芯片的第二端相连。

其中，所述FPGA芯片上集成有用于模拟信号转数字信号的模数转换器、用于缓冲信号及数据的FIFO缓存器以及椭圆函数IIR带通滤波器；其中，

所述模数转换器的一端与所述多个传感器分别相连，另一端与所述FIFO缓存器的一端相连；

所述FIFO缓存器的另一端与所述椭圆函数IIR带通滤波器的一端相连；

所述椭圆函数IIR带通滤波器的另一端与所述DSP芯片的第一端相连。

其中，所述单片机还包括与所述DSP芯片的第三端相连的Flash存储器。

其中，所述显示屏为液晶屏。

其中，所述单片机和所述显示屏集成在同一装置上。

其中，所述多个传感器包括声发射传感器、动态切削力传感器以及振动和磨损数据采集传感器。

实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：

本实用新型通过多个传感器来识别刀具不同状态下的磨损、破损等程度并转换成相应的模拟信号，经单片机中的FPGA模数转换及预处理后送入DSP芯片进行分类识别来准确的识别出刀具状态，并通过显示屏进行显示，从而能够克服单一传感器因不同物理场信号所带来的漏判和误判的问题，提高刀具状态的识别精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本实用新型的范畴。

图1为本实用新型实施例提供的刀具状态多传感监测系统的系统结构示意图；

图2为图1中FPGA芯片的系统结构示意图；

图3为图1的逻辑电路连接示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。

如图1至图3所示，为本实用新型实施例中，提供的一种刀具状态多传感监测系统，包括：

多个用于测量刀具状态并转换成模拟信号的传感器1，多个传感器包括声发射传感器、动态切削力传感器以及振动和磨损数据采集传感器，用于采集刀具不同状态的数据；

一用于识别刀具状态的单片机2，该单片机1包括对多传感器1所采集到的刀具状态的模拟信号预处理成数字信号的FPGA芯片21和用于对预处理后的数字信号进行分类识别来确定刀具状态的DSP芯片22；其中，FPGA芯片21的一端与多个传感器1分别相连，另一端与DSP芯片22的第一端a1相连；以及

用于显示刀具状态的显示屏3，该显示屏3与DSP芯片22的第二端a2相连，且该显示屏为液晶屏。

当然，单片机2还包括与所述DSP芯片22的第三端a3相连的Flash存储器23，这样有利于对DSP芯片22处理的数据进行存储。

在本实用新型实施例中，单片机2和显示屏3集成在同一装置上。

在本实用新型实施例中，FPGA芯片21上集成有用于模拟信号转数字信号的模数转换器211、用于缓冲信号及数据的FIFO缓存器212以及IIR带通滤波器213；其中，

模数转换器211的一端与多个传感器1分别相连，另一端与FIFO缓存器212的一端相连；

FIFO缓存器212的另一端与IIR带通滤波器213的一端相连；

IIR带通滤波器213的另一端与DSP芯片22的第一端a1相连。

本实用新型实施例中刀具状态多传感监测系统的工作原理为，多个传感器1采集信号通过串口将信号输送至单片机2的FPGA芯片21中，采样数据首先经过模数转换器211的A/D转换后在FIFO缓存器212中缓存，当采集的数据满后，便从FIFO缓存器212中读取数据进行傅里叶FFT变换及经IIR带通滤波器213进行带通滤波处理；

将带通滤波处理的数据输送至DSP芯片22中进行FFT反变换，变换并读取Flash存储器23中存储的对样本数据进行训练得到的参数和向量，从而对采样数据进行用优化后的多核EML进行分类；

分类后数据经过D/A转换后由显示屏3进行显示，实现人机交互，当刀具状态处于严重磨损或破损时，显示屏则提示换刀。

实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：

本实用新型通过多个传感器来识别刀具不同状态下的磨损、破损等程度并转换成相应的模拟信号，经单片机中的FPGA模数转换及预处理后送入DSP芯片进行分类识别来准确的识别出刀具状态，并通过显示屏进行显示，从而能够克服单一传感器因不同物理场信号所带来的漏判和误判的问题，提高刀具状态的识别精度。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。