刀具受损状态监测系统及方法与流程

本发明涉及工业物联网领域，尤其涉及一种基于振动感知的刀具受损状态监测系统及方法。

背景技术：

在现代化的工业生产领域，刀具的受损将严重影响工业加工的精度与产品的质量。因此有必要对刀具的实时受损状态进行监测。由于刀具在高速铣销中受损过程复杂，并且刀具的工作环境不断变化及刀具受损状态的影响因素众多，使得刀具受损模型构建的复杂化。因此刀具受损状态的在线监测异常困难。如何预测或在线监测刀具受损状况成为现有研究人员关注的重点。为了监测刀具的受损状态，目前研究人员主要采集扭矩信息、压力信息、声音信息、振动信息、电流信号、功率信号等，从采集到的信息或信号中提取特征信息，建立特征信息与刀具受损状态集的相关性，从而预测或在线监测刀具的实时受损状况。

例如，现有技术中常利用声发射技术来感知刀具的工作状态并基于数字信号处理技术来提取刀具受损状态的特征值，从而实现刀具受损监测。此外，现有技术中结合声发射技术和切割力感知技术来实现刀具受损状态监测，或者结合机床马达的直供电流信号和声音信号来监测刀具的受损状况。以上的刀具受损监测都存在各种缺陷。其中，声发射技术易受到周边环境噪声的影响时，切割力信号的采集难度太大，实施不易；电流信号的采集在刀具高速旋转时易受到机床的各个部分和刀具不同型号的影响。另外，所有的这些技术都难以实现在线感知、实时无线传输、云计算并及时预警且关停有刀具受损的机床。

技术实现要素：

鉴于以上内容，有必要提供一种基于振动感知的刀具受损状态监测系统及方法以实现在线感知、传输、处理刀具受损信息及根据刀具受损信息关停刀具以便及时进行刀具的更换。

一种刀具受损监测系统，用于对一刀具的受损状态进行监测，该刀具受损监测系统包括：

云端服务器；

振动感知装置，该振动感知装置包括：

振动感知传感器，用于监测该刀具的振动信息，并将监测的振动信息转换为对应的电信号；

处理器，与该振动感知传感器连接，用于将该振动感知传感器输出的电信号进行数字化处理，并将转换后的带有振动信息的数字信号按照预设的帧结构打包处理；

通信单元，与该处理器连接，用于将打包后的带有振动信息的数据发送出去；

网关装置，用于接收该通信单元发送的数据，将接收的数据以5g标准协议打包，并将打包的数据发送给该云端服务器，

该云端服务器将该网关装置传送的带有该振动信息的数据进行处理并得出该刀具的受损程度或受损结果。

优选地，该网关装置包括网关及数据传输单元，该网关与该数据传输单元连接，该网关接收该通信单元传送的数据，并将接收的数据传输给该数据传输单元，该数据传输单元将接收的数据以5g标准协议打包并将打包的数据发送给该云端服务器。

优选地，该振动信息包括振动频率及振动幅度，该云端服务器通过时域算法或频域算法对从该网关装置接收的数据进行特征提取并获取该刀具的振动频率及振动幅度信息；及根据获取的振动频率及振动幅度信息确定出该刀具的受损程度或受损结果。

优选地，该云端服务器通过查找一定义了刀具的振动幅度、振动频率及受损程度值的对应关系的受损程度关系表确定与获取的振动频率及振动幅度信息相匹配的受损程度值，并将确定出的受损程度值与预设值进行比较，及根据比较结果确定该刀具的受损程度或受损结果。

优选地，该振动感知传感器为加速度传感器。

优选地，该通信单元为蓝牙通信芯片。

一种刀具受损监测方法，该方法包括步骤：

通过一振动感知传感器监测一刀具的振动信息，并将监测的振动信息转换为对应的电信号；

将该振动感知传感器输出的电信号进行数字化处理，并将转换后的带有振动信息的数字信号按照预设的帧结构打包处理；

通过一通信单元将打包后的带有振动信息的数据发送给一网关装置；

该网关装置将接收的数据以5g标准协议打包，并将打包的数据发送给一云端服务器，

该云端服务器将该网关装置传送的带有该振动信息的数据进行处理并得出该刀具的受损程度或受损结果。

优选地，该方法在步骤“该网关装置将接收的数据以5g标准协议打包，并将打包的数据发送给一云端服务器”中包括：

该网关装置中的网关接收该通信单元传送的数据，并将接收的数据传输给该网关装置中的数据传输单元；及

该数据传输单元将接收的数据以5g标准协议打包并将打包的数据发送给该云端服务器。

优选地，该振动信息包括振动频率及振动幅度，该方法在步骤“该云端服务器将该网关装置传送的带有该振动信息的数据进行处理并得出该刀具的受损程度或受损结果”中包括：

该云端服务器通过时域算法或频域算法对从该网关装置接收的数据进行特征提取并获取该刀具的振动频率及振动幅度信息；

及根据获取的振动频率及振动幅度信息确定出该刀具的受损程度或受损结果。

优选地，该方法在步骤“根据获取的振动频率及振动幅度信息确定出该刀具的受损程度或受损结果”中包括：

该云端服务器通过查找一定义了刀具的振动幅度、振动频率及受损程度值的对应关系的受损程度关系表确定与获取的振动频率及振动幅度信息相匹配的受损程度值；

将确定出的受损程度值与预设值进行比较；及

根据比较结果确定该刀具的受损程度或受损结果。

本案所述的刀具受损状态监测系统及方法能够在线感知、传输、处理刀具受损信息并得出该刀具的受损程度或受损结果，方便用户根据监测的刀具受损信息关停刀具以便及时进行刀具的更换。

附图说明

图1为所示为本发明一实施方式中刀具受损状态监测系统的应用环境图。

图2为本发明一实施方式中振动感知装置的功能模块图。

图3为本发明一实施方式中网关装置的功能模块图。

图4为本发明一实施方式中云端服务器的功能模块图。

图5为本发明一实施方式中受损程度关系表的示意图。

图6为本发明一实施方式中刀具受损状态监测方法的流程图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

请参考图1，所示为本发明一实施方式中刀具受损状态监测系统1的应用环境图。该刀具受损状态监测系统1用于监测刀具的受损状态，生成刀具的受损状态监测结果，并在监测出刀具的受损程度达到预设程度时控制关停刀具。该刀具受损状态监测系统1包括振动感知装置11、网关装置12及云端服务器13。该振动感知装置11与该网关装置12无线通信连接。该网关装置12通过网络14与云端服务器13通信连接。该振动感知装置11用于获取刀具的受损状态信息，并将获取的刀具的受损状态信息传送给网关装置12。网关装置12接收到振动感知装置11发送的受损状态信息时，将接收的受损状态信息打包成5g标准协议的数据发送给云端服务器13。云端服务器13根据接收的受损状态信息实时在线分析刀具的受损状态，生成刀具的受损状态监测结果，并在监测出刀具的受损程度达到预设程度时控制关停刀具。本实施方式中，刀具上安装有多个振动感知装置11。该网关装置12用于接收多个振动感知装置11传送的数据。

请参考图2，所示为本发明一实施方式中振动感知装置11的功能模块图。该振动感知装置11包括振动感知传感器111、处理器112、通信单元113及供电单元114。该振动感知传感器111及通信单元113分别与处理器112电性连接。该供电单元114分别与该振动感知传感器111、处理器112、通信单元113及供电单元114连接，用于为该振动感知传感器111、处理器112及通信单元113供电。在本实施方式中，该振动感知传感器111、处理器112、通信单元113及供电单元114集成在振动感知装置11中。在其他实施方式中，该振动感知传感器111、处理器112、通信单元113及供电单元114可以为振动感知装置11中相互独立设置的元件。

该振动感知传感器111用于监测刀具的振动信息，并将监测的振动信息转换为对应的电信号。该振动感知传感器111将转换出的带有振动信息的电信号输出给处理器112。本实施方式中，刀具的振动信息包括振动频率和振动幅度。该振动感知传感器111为加速度传感器。也即，该加速度传感器监测刀具的振动频率和振动幅度，将监测出的振动频率和振动幅度转换为对应的模拟电信号，并将转换的模拟电信号输出给处理器112。该处理器112将该振动感知传感器111输出的电信号进行数字化处理。如此，该处理器112将振动感知传感器111监测的带有振动信息的模拟信号转换为带有振动信息的数字信号。该处理器112还将转换后的带有振动信息的数字信号按照预设的帧结构打包处理并将打包后的数据输出给通信单元113。该通信单元113将打包好的数据以无线电信号的方式发送给网关装置12。本实施方式中，该通信单元将打包好的数据周期性地发送给该网关装置12。本实施方式中，该处理器112为arm处理器，具体可以为armcorex-m3处理器。该通信单元113可以为wifi通信芯片、zigbee通信芯片及bluetooth通信芯片。该供电单元114为纽扣电池。

请参考图3，所示为本发明一实施方式中网关装置12的功能模块图。该网关装置12包括网关121及数据传输单元(datatransmitunit,dtu)122。该网关121与该数据传输单元122连接。该网关121用于接收振动感知装置11的通信单元113传送的数据，并将接收的数据传输给数据传输单元122。本实施方式中，振动感知装置11的数量为多个，该多个振动感知装置11包含在一物联网(图中未示)中，该网关121为该物联网的网关。该数据传输单元122用于将网关121发送的数据以5g标准协议打包并将打包的数据发送给云端服务器13。本实施方式中，该数据传输单元122通过网络14(参考图1)将打包后的数据传送给该云端服务器13。本实施方式中，该网络14为5g网络。

该云端服务器13将数据传输单元122传送的数据进行存储，并将带有刀具振动信息的数据进行处理并得出刀具的受损程度或受损结果。请参考图4，所示为本发明一实施方式中云端服务器13的功能模块图。该云端服务器13包括存储单元131及处理单元132。该存储单元131用于存储数据传输单元122传送的数据。该处理单元132用于通过时域算法或频域算法对从数据传输单元122接收的数据进行特征提取并获取刀具的振动频率及振动幅度信息，及根据获取的刀具的振动频率及振动幅度信息确定出刀具的受损程度。

本实施方式中，该存储单元131中还存储有一受损程度关系表t1。请参考图5，所示为本发明一实施方式中受损程度关系表t1的示意图。该受损程度关系表t1定义了刀具的振动幅度、振动频率及受损程度值的对应关系。其中，受损程度值为衡量刀具受损的情况，其取值范围为0-1，其中，受损程度值越大，对应的刀具的受损情况越严重。该处理单元132获取刀具的振动频率及振动幅度信息时，通过查找该受损程度关系表t1确定与获取的振动频率及振动幅度信息相匹配的受损程度值，并将确定出的受损程度值与预设值进行比较，及根据比较结果确定该刀具的受损程度或受损结果。当确定受损程度值小于该预设值时，该处理单元132继续对从数据传输单元122接收的数据进行特征提取以获取刀具的振动频率及振动幅度信息，并确定刀具的受损程度。当确定受损程度值不小于该预设值时，该处理单元132输出刀具的受损程度或受损结果。本实施方式中，当确定受损程度值不小于该预设值时，该处理单元132还输出报警信息以提醒用户刀具受磨损严重及输出一关断刀具的控制指令。本实施方式中，该预设值可以根据监测刀具的振动频率及振动幅度与刀具受损时的受损程度值对应关系的实验数据确定出预设值。

本实施方式中，该存储单元131可以为该云端服务器13的内部存储单元，例如云端服务器13的硬盘或内存。在另一实施方式中，该存储单元131也可以为该云端服务器13的外部存储设备，例如该云端服务器13上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)等。本实施方式中，该处理单元132可以为一中央处理器(centralprocessingunit,cpu)或其他数据处理芯片。

请参考图6，所示为本发明一实施方式中刀具受损状态监测方法的流程图。该方法应用在刀具受损状态监测系统1中。根据不同需求，该流程图中某些步骤的顺序可以改变，某些步骤可以省略或合并。该方法包括如下步骤。

s601：通过振动感知装置11中的振动感知传感器111监测刀具的振动信息，并将监测的振动信息转换为对应的电信号。本实施方式中，刀具的振动信息包括振动频率和振动幅度。该振动感知传感器111为加速度传感器。也即，该加速度传感器监测刀具的振动频率和振动幅度，将监测出的振动频率和振动幅度转换为对应的模拟电信号。

s602：振动感知装置11中的处理器112将该振动感知传感器111输出的电信号进行数字化处理。如此，该处理器112将振动感知传感器111监测的带有振动信息的模拟信号转换为带有振动信息的数字信号。

s603：该处理器112将转换后的带有振动信息的数字信号按照帧结构打包。

s604：振动感知装置11中的通信单元113将打包后的数据发送给网关装置12。本实施方式中，该通信单元113将打包好的数据周期性地发送给该网关装置12。

s605：网关装置12将振动感知装置11发送的数据以5g标准协议打包并将打包的数据发送给云端服务器13。

s606：该云端服务器13将网关装置12传送的带有刀具振动信息的数据进行处理并得出刀具的受损程度或受损结果。

本实施方式中，该方法在步骤s605中包括：

该网关装置12中的网关121接收通信单元113传送的数据，并将接收的数据传输给网关装置12中的数据传输单元122；

该网关装置12中的数据传输单元122将网关121发送的数据以5g标准协议打包并将打包的数据发送给云端服务器13。

本实施方式中，振动感知装置11的数量为多个，该多个振动感知装置11包含在一物联网(图中未示)中，该网关121为该物联网的网关。本实施方式中，该数据传输单元122通过网络14将打包后的数据传送给该云端服务器13。该网络14为5g网络。

本实施方式中，该方法在步骤s606中包括：

云端服务器13通过时域算法或频域算法对从数据传输单元122接收的数据进行特征提取并获取刀具的振动频率及振动幅度信息；及

根据获取的刀具的振动频率及振动幅度信息确定出刀具的受损程度。

本实施方式中，当获取刀具的振动频率及振动幅度信息时，该云端服务器13通过查找该受损程度关系表t1确定与获取的振动频率及振动幅度信息相匹配的受损程度值，并将确定出的受损程度值与预设值进行比较，及根据比较结果确定该刀具的受损程度或受损结果。当确定受损程度值小于该预设值时，该云端服务器13继续对从数据传输单元122接收的数据进行特征提取以获取刀具的振动频率及振动幅度信息，并确定刀具的受损程度。当确定受损程度值不小于该预设值时，该云端服务器13输出刀具的受损程度值或受损结果。本实施方式中，当确定受损程度值不小于该预设值时，该云端服务器13还输出报警信息以提醒用户刀具受磨损严重及输出一关断刀具的控制指令。本实施方式中，该预设值可以根据监测刀具的振动频率及振动幅度与刀具受损时的受损程度值对应关系的实验数据确定出该预设值。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。