超声波加工刀具的超声波频率检测系统及其检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种超声波加工刀具的超声波频率检测系统，包括：上位机和下位机，所述的下位机包括：麦克风阵列，用于声源定位和模拟信号的拾取；模拟信号匹配和功率放大模块，用于对微弱的模拟信号进行传输阻抗匹配和功率放大的预处理；模数转换模块，用于将采集的模拟信号转换成数字信号；信号处理模块，对数字信号进行处理，输出处理结果；监听模块，用于将处理结果进行数模转换后再经过功率放大和喇叭输出，为操作者提供一路监听信号；数据通信模块，用于下位机和上位机以及其他外设之间的数据通信；供电模块，提供多路稳定的电源供电，保系统运行正常。
【专利说明】超声波加工刀具的超声波频率检测系统及其检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声波加工【技术领域】，具体涉及ー种超声波加工刀具的超声波频率检测系统及其检测方法。
【背景技术】
[0002]伴随着新型材料技术的创新，陶瓷新材料的应用也在迅速发展，尤其是硬脆材料陶瓷的应用领域也在不断的扩展，例如:氧化物、氮化物、碳化物陶瓷等，它们都具有了更旷阔的应用前景。但是当前阻碍这些硬脆材料应用发展的障碍是针对这些材料应用的加工手段，传统加工硬脆材料的方式是研磨和抛光，这种方式的缺陷是加工效率低下，难以加工异型エ件。
[0003]超声波加工是ー种利用加载了超声波的主轴或刀具，在加工エ件表面形成超声波共振现象，使得エ件的加工表面断裂，以便刀具再行去除，达到加工面机械切削的目的。超声波加工现在是提高硬脆材料尤其是超硬各类陶瓷加工效率和手段的极为有利方法。在超声波加工硬脆材粒(碳化硅、氮化硅等)时，超声波的加工效果关键取决于超声波在エ件表面形成的共振大小；这个共振的大小是由超声波与被加工エ件的材料共振频率是否吻合而确定的；因此选择和确定超声波加工中与材料共振频率就成为超声波加工的关键因素。
[0004]超声波加工中，由于各个加工材料和刀具产生的超声波共振频率都不相同，为了达到最佳的超声波加工效果，必须对加工的刀具和材料选择ー个最合适的超声波共振频率。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种超声波加工刀具的超声波频率检测系统及其检测方法。
[0006]本发明的具体解决方案如下:
[0007]一种超声波加工刀具的超声波频率检测系统，包括:上位机和下位机，其特点在于，所述的下位机包括:
[0008]麦克风模块，用于声源定位和模拟信号的拾取；
[0009]模拟信号匹配和功率放大模块，用于对微弱的模拟信号进行传输阻抗匹配和功率放大的预处理；
[0010]模数转换模块，用于将采集的模拟信号转换成数字信号；
[0011]信号处理模块，对数字信号进行处理，输出处理结果；
[0012]监听模块，用于将处理结果进行数模转换后再经过功率放大和喇叭输出，为操作者提供一路监听信号；
[0013]数据通信模块，用于下位机和上位机以及其他外设之间的数据通信。
[0014]利用所述的超声波频率检测系统，实现超声波加工刀具的超声波频率检测方法，其特点在于，该方法包括如下步骤:[0015]①选择一块与待加工材料同材质的薄片，该薄片的尺寸在几十到一百毫米见方，厚度小于3毫米；
[0016]②将该薄片放于刀具的下方并与刀具的表面边缘接触，将麦克风阵列置于待加工エ件和刀具的接触点处；
[0017]③打开所述的超声波加工刀具的超声波频率检测系统；
[0018]④模拟信号匹配和功率放大模块接收麦克风阵列输出的模拟信号，并进行传输阻抗匹配和功率放大的预处理后传输给模数转换模块；
[0019]⑤模数转换模块将模拟信号转换数字信号后传输给信号处理模块；
[0020]⑥信号处理模块对数字信号进行处理，将信号处理结果输入给数据通信模块；
[0021]⑦监听模块通过对信号处理模块的输出信号进行数字/模拟转换后，将处理后的信号通过喇叭输出，用于操作者监听；
[0022]⑧数据通信模块将信号处理结果传输给上位机或其他外部设备。
[0023]目前超声波加工中心刀具超声波频率选择大多凭操作人员的经验选取，通过触摸エ件等方式获得的手感决定，具有主观性和个体差异，并且对于缺乏经验的操作エ而言，正确选取刀具频率具有难度，容易导致加工结果无法达到最佳。本发明的有益效果在于:通过实测和信号处理的方法，量化刀具频率选取依据，结合音响处理辅助，提供操作者视觉和听觉感受，有效的将刀具频率选取过程简单化，确保超声波辅助加工效果最佳。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本发明中下位机模块架构示意图。
[0025]图2是本发明实施例中下位机输出的图形化結果。
[0026]图3是本发明超声波加工刀具的超声波频率检测系统的使用状态不意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合实施例和附图对本发明做详细的说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0028]一种超声波加工刀具的超声波频率检测系统，包括:上位机和下位机。上位机由具备联网功能的计算机系统组成，负责数据分析和检测结果的最终图形化显示，以及系统个模块之间參数配置和数据交换的总体协调控制。
[0029]下位机由高性能嵌入式处理器、内存、输入输出外设等部件组成，结合嵌入式操作系统，组成体积小巧、性能強大的嵌入式软硬件平台，非常适合现场高速高效的数据采集和分析工作，为该检测系统的核心部件。
[0030]图1是本发明中下位机模块架构示意图，如图所示，下位机包括以下模块:
[0031]麦克风阵列，用于声源定位和模拟信号的拾取。麦克风阵列作为下位机的传感器部分，由多个指向性麦克风组成，配合后端处理器的控制，完成声源定位和有用信号拾取的工作。使用时，将麦克风阵列放置在待加工エ件和刀具的接触点处，麦克风阵列通过电缆与下位机的模拟信号匹配和功率放大模块连接。麦克风的频率响应特性要求IOkHz以下，本实施例中选用美国楼氏公司产品。[0032]模拟信号匹配和功率放大模块，用于对微弱的模拟信号进行传输阻抗匹配和功率放大的预处理，为后道的模数转换做准备。
[0033]模数转换模块，用于将采集的模拟信号转换成数字信号。本实施例中采用专用于音频信号采集的低噪声高动态数据采集卡同时具备USB接ロ。
[0034]信号处理模块，为下位机的核心，应用数字信号处理器DSP完成对采集的声音信号所进行的复杂算法，最終输出处理结果至数据通信模块。
[0035]监听模块，该模块将信号处理后的声音信号经数模转换后再经过功率放大和喇叭输出，为操作者提供一路监听信号。
[0036]数据通信模块，支持USB、以太网、串行ロ等多种通信接ロ，保障下位机和上位机以及其他外设的正常数据通信。
[0037]供电模块，由多路AC-DC和DC-DC变换电路组成，为系统提供多路稳定的电源供电，保证系统运行正常。
[0038]实施例:
[0039]测试エ件材料:K9玻璃；
[0040]测试エ件尺寸:口径50mm,厚度3mm ；
[0041]刀具超声波扫频范围:5KHz?50KHz ；
[0042]①选择一块与待加工材料同材质的薄片，该薄片的尺寸在几十到一百毫米见方，厚度小于3毫米；本实施例中采用的测试エ件是K9玻璃，口径为50mm，厚度为3mm。
[0043]②将该薄片放于刀具的下方并与刀具的表面边缘接触，借助机器臂或吸附装置将麦克风阵列置于待加工エ件和刀具的接触点处，麦克风阵列输出端连接模拟信号匹配和功率放大模块，最終将麦克风采集的信号以数据形式传输至PC机；如图3所示。
[0044]③打开所述的超声波加工刀具的超声波频率检测系统:(本实施例中超声波扫频范围为:5KHz?50KHz)
[0045]④模拟信号匹配和功率放大模块接收麦克风阵列输出的模拟信号，并进行传输阻抗匹配和功率放大的预处理后传输给模数转换模块，模数转换模块将模拟信号转换数字信号后传输给信号处理模块；
[0046]⑤模数转换模块将模拟信号转换数字信号后传输给信号处理模块；
[0047]⑥信号处理模块对数字信号进行处理，包括频谱分析、声信号辐射能量分析、数据拟合。本实施例以刀具超声波频率(横坐标)和碰撞声信号福射能量(纵坐标)的关系为最终输出，如图2所不。
[0048]记录刀具超声波频率f (kHz)、刀具和エ件碰撞声一次谐波频率F(Hz)、碰撞声归一化能量e (0?I)。
[0049]用数据拟合的方法得出函数解析式e=g (f，F)，并研究该函数单调性、极值和拐点等特性，确定最佳工作点。
[0050]a.频谱分析:用快速傅里叶变换方法，得到碰撞声一次谐波频率，以及谐波能量。具体实现过程如下:
[0051]I)刀具超声波频率为f (j)时，麦克风采集的时域碰撞声信号序列:sj (n)进行快速傅里叶变换，得到频域序列:(Re(i)，Im(i))，(其中Re(i)为实部，Im(i)为虚部)。并求出谱线能量:E(i)=root ((Re (i) ) '2+ (Im ⑴)~2);[0052]2)对E(i)进行高斯函数拟合，求出一次谐波谱线。因为E(i)分布符合高斯函数f (X) =a*exp (- (x-b) ~2/c)，所以，能够通过最小ニ乘等曲线拟合的方法求出E (i)分布的解析式:E(i)=a*eXp(-(1-b) ~2/c)，根据高斯函数的性质可以求得，在i=b处为一次谐波谱线。
[0053]3)碰撞声信号一次谐波频率为:F(j)=Fs*b/N，其中，Fs为采样频率，N为FFT阶数。
[0054]b.声信号福射能量分析:
[0055]刀具超声波频率为f (j)时，刀具与エ件碰撞声信号辐射能量:E(j)=a*exp(-l/c)，从而得到刀具超声波频率和碰撞声信号辐射能量的对应关系(f(j)，E(j))序列。
[0056]c.数据拟合:用高斯函数拟合的方法，求出碰撞声能量的解析式:e=g (f，F)，(其中，e为碰撞声归ー化能量，f为刀具超声波频率，F为刀具和エ件碰撞声一次谐波频率)。同时利用切线法或高斯法计算能量极值点，并在能量极值点附近寻找对应刀具超声波频率。
[0057]⑦监听模块通过对信号处理模块的输出信号进行数字/模拟转换后，将处理后的信号通过喇叭输出，用于操作者监听；
[0058]⑧数据通信模块将信号处理结果传输给上位机或其他外部设备。如图2所示，本实施例中，最佳超声波频率出现在图形峰值:29.57KHz处。
[0059]经测量和信号处理后，由下位机输出最終的图形化结果，传输至上位机并显示，如附图2所示。同时对刀具超声波选频过程中产生的碰撞声进行必要的音响处理后经喇叭输出；
[0060]測量结果分析:最佳刀具超声波频率出现在图像最大极值附件，本实施例中，最佳超声频率为29.57KHz。
[0061]经试验表明，本发明通过实测和信号处理的方法，量化刀具频率选取依据，结合音响处理辅助，提供操作者视觉和听觉感受，有效的将刀具频率选取过程简单化，依据碰撞声能量解析式的函数特性分析以及能量极值点位置分析，得出最优加工频率的最可能分布范围，从而指导超声波加工中心操作人员确定刀具超声波频率。
【权利要求】
1.一种超声波加工刀具的超声波频率检测系统，包括:上位机和下位机，其特征在干，所述的下位机包括: 麦克风阵列，用于声源定位和模拟信号的拾取； 模拟信号匹配和功率放大模块，用于对微弱的模拟信号进行传输阻抗匹配和功率放大的预处理； 模数转换模块，用于将采集的模拟信号转换成数字信号； 信号处理模块，对数字信号进行处理，输出处理结果； 监听模块，用于将处理结果进行数模转换后再经过功率放大和喇叭输出，为操作者提供一路监听信号； 数据通信模块，用于下位机和上位机以及其他外设之间的数据通信； 供电模块，提供多路稳定的电源供电，保系统运行正常。
2.ー种利用权利要求1所述的超声波频率检测系统，实现超声波加工刀具的超声波频率检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: ①选择一块与待加工材料同材质的薄片，该薄片的尺寸在几十到一百毫米见方，厚度小于3毫米； ②将该薄片放于刀具的下方并与刀具的表面边缘接触，将麦克风阵列置于待加工エ件和刀具的接触点处； ③打开所述的超声波加工刀具的超`声波频率检测系统； ④模拟信号匹配和功率放大模块接收麦克风阵列输出的模拟信号，并进行传输阻抗匹配和功率放大的预处理后传输给模数转换模块； ⑤模数转换模块将模拟信号转换数字信号后传输给信号处理模块； ⑥信号处理模块对数字信号进行处理，将信号处理结果输入给数据通信模块； ⑦监听模块通过对信号处理模块的输出信号进行数字/模拟转换后，将处理后的信号通过喇叭输出，用于操作者监听； ⑧数据通信模块将信号处理结果传输给上位机或其他外部设备。
【文档编号】G01H11/00GK103604492SQ201310641804
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】林海, 顾亚平, 查雨 申请人:上海现代先进超精密制造中心有限公司