多传感器刀具磨损检测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型一种多传感器刀具磨损检测装置，主要应用于航空领域难加工器件精密加工，包括声发射传感器、电流传感器、信号调理模块、数据采集处理模块、控制调节模块；声发射传感器检测刀具在切削状态的声信号，并将声信号传递至信号调理模块；电流传感器检测刀具在切削状态下机床的主轴电机与进给电机的电流信号，并将电流信号传递至信号调理模块，信号调理模块将接收的声信号和电流信号同步进行幅值调整、模拟滤波及差分转换后输出；数据采集处理模块接收信号，并根据声信号和电流信号判断刀具磨损的状态；控制调节模块接收到得磨损状况信息通过程序显示在LCD液晶屏幕上请提醒报警。
【专利说明】多传感器刀具磨损检测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及刀具磨损检测装置领域，主要应用于航空领域难加工器件精密加工，尤其是一种多传感器刀具磨损检测装置。
【背景技术】
[0002]随着加工系统的自动化和智能化水平的提高，为了避免机床、刀具和工件的损坏，提高加工工件的质量和尺寸精度，传统的单因素传感器已经难以满足高精度刀具状态检测系统的要求。多传感器融合的刀具状态检测系统的研究受到了人们的普遍关注。采用多传感器技术可以克服单一传感器只能提供局部的信息技术条件限制，获得全面的状态信息，从而更全面反映被检测系统的状态变化，提高检测系统抗干扰能力。多传感器融合的刀具状态检测在国外学者虽然受到的重视，但大多侧重在磨钝与锋利、破损与未破损两分类模式识别问题上，而刀具磨损量的估计对制造过程智能化有更重要的作用。
[0003]国内专家和学者虽然也对多传感器融合技术进行了研究，但是多为理论技术研究，而且都是以切削力信号为主要检测信号。切削力是刀具状态最直接的反映，切削力信号直接真实、抗干扰能力较强，灵敏度高、可以感知切削力的微小变化。刀具的磨损状态与切削力的变化存在很好的对应关系，但是切削加工条件的变化也会引起切削力的变化，传感器测量切削力的变化很难区分是加工条件改变引起的还是由于刀具磨损引起的，并且其传感器的安装需要对机床做些改动，适用性较差。
实用新型内容
[0004]针对上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种多传感器刀具磨损检测装置，具有多传感器对信号进行采集，更灵敏的采集到刀具磨损的细微变化。
[0005]为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是:
[0006]一种多传感器刀具磨损检测装置，包括:
[0007]声发射传感器、电流传感器、信号调理模块、数据采集处理模块、控制调节模块和显示和输入模块；
[0008]其中，声发射传感器检测刀具在切削状态的声信号，并将声信号传递至信号调理模块；
[0009]电流传感器检测刀具在切削状态下机床的主轴电机与进给电机的电流信号，并将电流信号传递至信号调理模块；
[0010]信号调理模块的输出端通过信号线与数据采集处理模块的输入端连接，信号调理模块将接收的声信号和电流信号同步进行幅值调整、模拟滤波及差分转换后输出；
[0011]数据采集处理模块接收信号调理模块调节后的声信号和电流信号，并根据声信号和电流信号判断刀具磨损的状态，并把状态信息通过串口发送给控制调节模块或通过USB端口发送给扩展计算机接口模块；
[0012]控制调节模块接收到得磨损状况信息通过程序显示在LCD液晶屏幕上，然后将实时的磨损状态与保存在存储器中的预设阈值进行比较，若超过阈值将进行声光报警提示更换刀具。
[0013]进一步地:所述声发射传感器与信号调理模块之间连接有前置放大器。
[0014]进一步地:所述信号调理模块由信号幅值调整电路、双路模拟滤波器、通道选择电路、差动放大电路以及外围电路组成，声发射信号和电流信号首先信号幅值调整电路后，经过通道选择电路的选择，声发射信号和电流信号中夹杂着各种噪声经过双路模拟滤波器滤除杂质，最后由差动放大器将信号转化成AD所能接受的差分信号。
[0015]进一步地:所述的双路模拟滤波器为20K-80K带通滤波器和240k_310k带通滤波器组成。
[0016]进一步地:数据采集处理模块包括AD转换器、增强型直接内存存取模块以及DSP处理器，AD转换器为两路，接受信号调理模块的信号转化为数字信号后传递给增强型直接内存存取模块，增强型直接内存存取模块与DSP处理器信号连接，增强型直接内存存取模块将接受的信号传递给DSP处理器，DSP处理器忙时将指令发给增强型直接内存存取模块，增强型直接内存存取模块将数据传递给控制调节模块进行存储。
[0017]进一步地:AD转换器与增强型直接内存存取模块之间连接有协处理控制模块和多通道缓冲串口，协处理控制模块将AD转换器的16位数字信号通过协处理控制模块处理后转化成32位信息存储到系统的SDRAM中，32位信息通过多通道缓冲串口进入增强型直接内存存取模块。
[0018]进一步地:控制调节模块包括单片机，单片机通过串口与数据采集处理模块连接，单片机的输出端口具有LCD接口、按键接口，单片机连接电可擦可编程只读存储器，控制调节模块驱动LCD液晶屏幕显示、显示DSP处理器处理的实时刀具磨损的信息、修改和存储设置阈值、预设阈值经行比较判断是否报警，阈值通过按键进行设置，并存储在电可擦可编程只读存储器中，使得系统掉电后预设阈值不会丢失。
[0019]本实用新型具有如下的优点和有益效果:
[0020]本实用新型通过电流信号和声发射信号进行多信号采集，并进行信号的分析后存储和显示，可用于机床上，即时地对刀具磨损状态进行检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本实用新型的结构框图；
[0022]图2是信号调理模块的原理框图；
[0023]图3是数据采集处理模块的原理框图；
[0024]图4是控制调节模块的模块框图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图与实施例对本实用新型进行详细地介绍:
[0026]如图1所示:本实用新型声发射传感器、电流传感器、信号调理模块、数据采集处理模块、控制调节模块和显示和输入模块；其中，声发射传感器检测刀具在切削状态的声信号，并将声信号传递至信号调理模块；电流传感器检测刀具在切削状态下机床的主轴电机与进给电机的电流信号，并将电流信号传递至信号调理模块；信号调理模块的输出端通过信号线与数据采集处理模块的输入端连接，信号调理模块将接收的声信号和电流信号同步进行幅值调整、模拟滤波及差分转换后输出；数据采集处理模块接收信号调理模块调节后的声信号和电流信号，并根据声信号和电流信号判断刀具磨损的状态，并把状态信息通过串口发送给控制调节模块或通过USB端口发送给扩展计算机接口模块；控制调节模块接收到得磨损状况信息通过程序显示在LCD液晶屏幕上，然后将实时的磨损状态与保存在存储器中的预设阈值进行比较，若超过阈值将进行声光报警提示更换刀具。声发射传感器与信号调理模块之间连接有前置放大器。
[0027]如图2所示，信号调理模块由信号幅值调整电路、双路模拟滤波器、通道选择电路、差动放大电路以及外围电路组成，声发射信号和电流信号首先信号幅值调整电路后，经过通道选择电路的选择，声发射信号和电流信号中夹杂着各种噪声经过双路模拟滤波器滤除杂质，最后由差动放大器将信号转化成AD所能接受的差分信号。双路模拟滤波器为20K-80K带通滤波器和240k-310k带通滤波器组成。
[0028]该信号调理模块同时对由声发射传感器采集经前置放大器的信号和由电流传感器直接采集的信号进行预处理，被数据采集处理模块使用。从声发射传感器接收到的很微弱的电荷信号，然后前置放大器经行放大，经过信号幅值调整电路后，此时的声发射信号和电流信号中夹杂着各种噪声，用20K-80K带通滤波器和240k-310k带通滤波器滤除杂质，最后由差动放大器将信号转化成AD所能接受的差分形式。
[0029]如图3所示，数据采集处理模块包括AD转换器、增强型直接内存存取模块(简称EDMA)以及DSP处理器，AD转换器为两路，接受信号调理模块的信号转化为数字信号后传递给增强型直接内存存取模块，增强型直接内存存取模块与DSP处理器信号连接，增强型直接内存存取模块将接受的信号传递给DSP处理器，DSP处理器忙时将指令发给增强型直接内存存取模块，增强型直接内存存取模块将数据传递给控制调节模块进行存储。
[0030]AD转换器与增强型直接内存存取模块之间连接有协处理控制模块和多通道缓冲串口，协处理控制模块将AD转换器的16位数字信号通过协处理控制模块处理后转化成32位信息存储到系统的SDRAM中，32位信息通过多通道缓冲串口进入增强型直接内存存取模块。
[0031]DSP处理器采用TMS320C6713B型号，FAGA采用EP2C8F256C8，该数据采集处理模块还包括SDRAM、FLASH、通讯接口(包括串口芯片，USB芯片，RS232接口和USB接口)等外围电路，该数据采集处理模块是整个仪器的核心，它负责整个系统的协调以及大部分信号处理算法的实时实现，主要完成如下功能:实测数据的采集和存储、磨损分析的算法、磨损检测算法的实时实现、控制调节模块及监控计算机的通讯等。数据采集处理模块负责数据采集和实时处理，是本系统的核心部分，也是系统性能重要的决定因素。声发射传感器接受到得模拟信号经过信号调理模块处理后(换能、放大、滤波等)送入AD9243进行数字化，经过数字化后得到的16位数字信号通过协处理控制模块处理后转化成32位信息存储到系统的SDRAM中，当SDRAM存满IM并且DSP处理器处以空闲状态，则DSP处理器将通过DMA读取SDRAM中的信息进行算法上的处理。DSP处理器处理后的结果可以通过串口芯片与RS232接口通讯显示在前面板上，或是通过USB接口和USB芯片把结果存入扩展计算机的硬盘中。
[0032]如图4所示，控制调节模块包括单片机，单片机通过串口与数据采集处理模块连接，单片机的输出端口具有LCD接口、按键接口，单片机连接电可擦可编程只读存储器，控制调节模块驱动LCD液晶屏幕显示、显示DSP处理器处理的实时刀具磨损的信息、修改和存储设置阈值、预设阈值经行比较判断是否报警，阈值通过按键进行设置，并存储在电可擦可编程只读存储器中，使得系统掉电后预设阈值不会丢失。
[0033]本装置在获取到声发射信号的数字波形和电流信号的数字波形后，数据采集处理模块对其进行3个方面的特征提取。其一，对原始数字波形进行FFT (Fast FourierTransform，快速傅里叶变换)的频域分析，分析结果作为特征1，例如信号的功率谱密度。其二，对原始的数字波形进行时域分析，分析结果作为特征2，例如信号的峰峰值、均方根值等。其三,对原始信号进行DWT (Discrete Wavelet Transform,离散小波变换)的时频域分析，分析结果作为特征3，例如信号小波分解后各个层次的频带的能量。从原始波形提取出来的三个方面的特征中，包含着一些重复的内容以及一些干扰的信息，所以要将特征输入特征分析系统进行重复项和干扰项的删减和特征参数的优化。磨损判断系统可以根据专家数据库中的样本特征参数自我训练，从特征分析系统输出的特征参数将送入训练后的磨损判断系统，输出为的刀具磨损的等级，最后依据这个等级报警。
[0034]装置开启后，第一步，由DSP处理器发出指令选择信号确定滤波范围是20k_80khz的中频还是240k-310khz的中高频；第二步，装置开始采集声发射信号和电流信号的数字波形，并将其进行时域、频域、时频域的分析来提取特征；第三步，DSP处理器对重复的特征参数的进行优化，本例中使用的是主元分析(PCA, Principal Component Analysis)的方法进行优化的；第四步，DSP处理器判断磨损判断系统是否已训练，若没有训练，则读取专家数据库的相应样本进行训练，若已经训练，则将优化后的信号特征参数进行磨损程度的分级，本装置上的磨损判断系统使用的是DSP处理器中的神经网络；第五步，控制调节模块根据磨损级别和专家数据库内的报警阈值比较，判断报警。
【权利要求】
1.一种多传感器刀具磨损检测装置，其特征在于:包括: 声发射传感器、电流传感器、信号调理模块、数据采集处理模块、控制调节模块； 其中，声发射传感器检测刀具在切削状态的声信号，并将声信号传递至信号调理模块； 电流传感器检测刀具在切削状态下机床的主轴电机与进给电机的电流信号，并将电流信号传递至信号调理模块； 信号调理模块的输出端通过信号线与数据采集处理模块的输入端连接，信号调理模块将接收的声信号和电流信号同步进行幅值调整、模拟滤波及差分转换后输出； 数据采集处理模块接收信号调理模块调节后的声信号和电流信号，并根据声信号和电流信号判断刀具磨损的状态，并把状态信息通过串口发送给控制调节模块或通过USB端口发送给扩展计算机接口模块； 控制调节模块接收到得磨损状况信息通过程序显示在LCD液晶屏幕上，然后将实时的磨损状态与保存在存储器中的预设阈值进行比较，若超过阈值将进行声光报警提示更换刀具。
2.按照权利要求1所述的多传感器刀具磨损检测装置，其特征在于:所述声发射传感器与信号调理模块之间连接有前置放大器。
3.按照权利要求1所述的多传感器刀具磨损检测装置，其特征在于:所述信号调理模块由信号幅值调整电路、双路模拟滤波器、通道选择电路、差动放大电路以及外围电路组成，声发射信号和电流信号首先经信号幅值调整电路后，经过通道选择电路的选择，声发射信号和电流信号中夹杂着各种噪声经过双路模拟滤波器滤除杂质，最后由差动放大器将信号转化成AD所能接受的差分信号。
4.按照权利要求3所述的多传感器刀具磨损检测装置，其特征在于:所述的双路模拟滤波器为20K-80K带通滤波器和240k-310k带通滤波器组成。
5.按照权利要求4所述的多传感器刀具磨损检测装置，其特征在于:数据采集处理模块包括AD转换器、增强型直接内存存取模块以及DSP处理器，AD转换器为两路，接受信号调理模块的信号转化为数字信号后传递给增强型直接内存存取模块，增强型直接内存存取模块与DSP处理器信号连接，增强型直接内存存取模块将接受的信号传递给DSP处理器，DSP处理器忙时将指令发给增强型直接内存存取模块，增强型直接内存存取模块将数据传递给控制调节模块进行存储。
6.按照权利要求5所述的多传感器刀具磨损检测装置，其特征在于:AD转换器与增强型直接内存存取模块之间连接有协处理控制模块和多通道缓冲串口，协处理控制模块将AD转换器的16位数字信号通过协处理控制模块处理后转化成32位信息存储到系统的SDRAM中，32位信息通过多通道缓冲串口进入增强型直接内存存取模块。
7.按照权利要求1所述的多传感器刀具磨损检测装置，其特征在于:控制调节模块包括单片机，单片机通过串口与数据采集处理模块连接，单片机的输出端口具有LCD接口、按键接口，单片机连接电可擦可编程只读存储器，控制调节模块驱动LCD液晶屏幕显示、显示DSP处理器处理的实时刀具磨损的信息、修改和存储设置阈值、预设阈值经行比较判断是否报警，阈值通过按键进行设置，并存储在电可擦可编程只读存储器中，使得系统掉电后预设阈值不会丢失。
【文档编号】B23Q17/09GK203542239SQ201320603920
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】聂鹏, 李正强, 徐涛, 陈彦海, 郭勇, 何超 申请人:沈阳利笙电子科技有限公司