一種數控刀具磨損智能檢測裝置的製作方法
2023-07-27 21:22:26 1
專利名稱：一種數控刀具磨損智能檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於機械加工刀具磨損檢測裝置，具體是通過刀具切削過程中物理量的變化進行在線自動監測。
背景技術：
在數控工具機、柔性加工系統等自動化或半自動化機械加工技術中，刀具是影響零件加工質量及生產效率的最直接的因素。針對目前現有的刀具磨損檢測裝置中存在的非實時性和適用範圍的局限性，不能精確針對刀具在切削過程中的磨損實際情況進行及時控制，因此，影響產品加工的質量和加工過程的自動化水平，亟需有所改進和進一步提高。
發明內容
本發明精確針對刀具在切削過程中的磨損實際情況進行及時控制，達到進一步提高刀具切削質量和自動控制的目的。本發明的目的由如下技術方案實現一種數控刀具磨損智能檢測裝置，包括傳感器信號處理電路、矩陣式薄膜按鍵電路、單片機控制電路、液晶顯示電路、報警電路，其特徵是由傳感器信號處理電路在線檢測刀具在切削加工過程中的切削溫度和切削振動值；在液晶顯示電路顯示被測參數值及其隨時間變化的動態曲線；單片機控制電路根據曲線判斷磨損速率，預先判斷刀具的磨損，進行分析處理；當被測溫度值與振動量中任意一個值超過臨界值，報警電路自動報警。
進一步，所述傳感器信號處理電路採用IEPE型壓電加速器+TLC2543和K型熱電偶 +MA)(6675。進一步，所述矩陣式薄膜按鍵電路採用4X4矩陣鍵盤選擇輸入16種不同材料匹配。進一步，所述單片機控制電路採用RS232接口進行信號傳送。本發明以市電通過AC-DC變換得到的穩壓電源為供電電源。通過IEPE型壓電加速計+TLC2543和熱電偶+MAX6675及其信號調理電路，將採集到的模擬信號轉化為12位的數位訊號，經過進一步的數據處理得到所需的物理量(即溫度值與振動量)，再將檢測到的物理量送入MCU，控制物理量的動態顯示並與設定的刀具磨損臨界值相比較，同時微處理器還可以將採樣溫度以及振動值上傳給計算機，通過計算機對不同加工材料和刀具材料的採樣值進行分析，預判磨損速率，並當被測物理量超過臨界值時，系統啟動聲光報警電路報警。本發明在研究數控刀具在切削加工不同工件材料過程中，刀具磨損導致的切削溫度以及切削振動的變化特徵的基礎上，提供了一種數控刀具磨損智能檢測系統，完成了數控刀具磨損智能檢測裝置的產品樣機，並進行了現場切削試驗。此裝置通過同時在線檢測兩種刀具磨損因子，能夠更有效地實現刀具磨損情況的在線檢測，能應用於不同的切削加工工況，並在液晶上顯示溫度和振動值，以及兩參數隨時間變化的動態曲線，並在特定臨界溫度和臨界振動上報警，具有較寬的適用範圍，有利於促進加工過程的自動化。本發明克服現有刀具磨損檢測系統存在的非實時性和使用範圍窄的缺陷，通過同時在線檢測刀具磨損導致的兩個參數的變化，可提高數控工具機及刀具工作的可靠性，具有較好的兼容性和較廣的使用範圍。本發明不僅能自動測出刀具的溫度和振動，實現刀具磨損自動報警，還能夠在液晶上顯示被測參數值及其隨時間變化的動態曲線，根據觀察曲線斜率，可預先判斷刀具的磨損速率，同時可通過RS232與PC相連，在上位機上動態刷新被測參數，實現實時預測與實時監測的功能。本發明開發的裝置通過試驗內置16種不同工件材料與刀具材料匹配的刀具磨損預設限值，便於不同加工工況下刀具磨損檢測判斷及報警。本發明的有益效果是1)不依靠檢測人員感覺和人工估計，可以實現數控刀具切削溫度和振動值的檢測及磨損報警，使刀具和工具機既發揮最大加工能力，又得到了有效的保護，提高刀具的使用壽命和加工質量。2)系統採用STC89S52晶片為控制核心，成本低，電路結構簡單，控制方便，而且運行穩定，具有較高的通用性和實用價值。3)系統通過同時檢測兩個刀具磨損因子，能應用於不同的切削加工工況，提高了系統的兼容性及適應性。
圖1是檢測系統原理圖
圖2液晶顯示電路
圖3是薄膜按鍵電路
圖4是MAX6675_AD K型熱電偶測量轉換電路
圖5是TLC2M3_AD轉換電路
圖6是聲光報警電路
圖7是系統主程序流
圖8是溫度測量電路MAX6675時序圖
圖9是MAX6675數據採樣流程
圖10是振動測量電路TLC2543時序圖
圖11是振動測量電路TLC2M3的軟體流程
圖12是採樣數據處理軟體流程
具體實施例方式以下結合附圖，對本發明的技術方案作具體說明。主要硬體部分數控刀具磨損智能檢測系統硬體，整個電路由傳感器信號處理電路，矩陣式薄膜按鍵電路，單片機控制電路，報警電路，液晶顯示電路，以及RS232接口電路組成。1、液晶顯示電路(如圖2)電路中使用的以ST7920為控制器和伺服器的12864中文圖形顯示液晶。主要實現刀具加工前刀具材料選擇界面的現實、相應操作提示說明的界面顯示、以及刀具加工過程中被測參數的動態顯示。液晶顯示模塊有並行和串行兩種連接方法，為了提高系統的響應速度，本裝置在合理安排I/O 口資源的情況下採用並行連接方法。利用ST7920驅動器在液晶面板上顯示字母、數字字符、中文字型以及自定義圖形，提供8位微處理器界面、4位微處理器界面以及串列界面三種控制界面；功能包含顯示 RAM、字型產生器、以及液晶驅動和控制器，都包含在一個單晶片裡面，只要一個最小的微處理器，就可以操作本IXD控制/驅動IC。本ST7920的字型ROM包括8192個16*16點的中文字型以及1 個16*8點半寬的字母符號字型，另外繪圖顯示界面提供一個6牡256點的繪圖區域(⑶RAM)及MO點的ICON RAM，可以和文字畫面混合顯示，而且ST7920內包含 CGRAM提供4組軟體可規劃的16*16造字功能。2、薄膜按鍵電路(如圖3)設計中所使用的按鍵，直接與單片機的Pl 口相連接。矩陣鍵盤由16個按鍵構成， 分別對應16種不同刀具材料和工件材料的組合，主要用於被測刀具材料的選擇和輸入。在啟動檢測裝置之前，通過按鍵輸入需要檢測的刀具材料種類，調用資料庫中相應的檢測數據，使MCU辨別出相應刀具的種類及其磨損時振動和溫度的臨界值。3、溫度傳感器K型熱電偶熱電傳感器是利用轉換元件的參數隨溫度變化的特性，將溫度和與溫度有關的參數變化轉換為熱電動勢變化輸出的裝置，具有結構簡單、使用方便、測溫範圍寬、測溫精度高等特點。其產生的熱電勢滿足下列關係Eab(LO) = Eab(t, t0)+EAB(t0,0)——t 為熱端溫度——to為冷端溫度，0代表0 V由於在以K型熱電偶為測溫元件的工業測溫系統中，熱電偶輸出的熱電動勢信號必須經過中間轉換環節，才能輸入基於單片機的控制系統。因此，我們選用了 MAXIM公司的 MAX6675，此晶片對其內部元器件的參數進行了雷射校正，集成了熱電偶放大器、冷端補償、 A/D轉換器及SPI串口的熱電偶放大器與12位數字轉換器，可直接與單片機相連接，簡化了系統設計，保證溫度測量的快速、準確。4、MAX6675_AD轉換電路(如圖4所示)MAX6675是美國MAXIM公司生產的帶有冷端溫度補償、線性校正、熱電偶斷線檢測等功能的K型熱電偶測量轉換電路，其輸出為12位二進位數字量。測溫範圍0 1023. 75°C，溫度分辨能力為0. 25°C，在0 700°C範圍內溫度顯示誤差不大於8LSB。冷端補償範圍為-20 +85°C，工作電壓3.0 5. 5V其中的U4接口接熱電偶的兩端，其片選端、 時鐘信號斷和數據傳輸端直接與單片機的P2 口相連。MAX6675在測溫應用中，由於冷端溫度不穩定、晶片自發熱和電源噪聲的影響而使其測量精度急劇降低。為了降低晶片的測量誤差，使MAX6675獲得最佳的測量精度，應採取相應的補償措施。補償措施包括冷端補償、熱補償以及噪聲補償。為了最大限度地降低冷端誤差，採取在MAX6675附近不放置任何發熱元器件的冷端補償措施。為降低晶片自熱引起的測量誤差，採取在布線時使用大面積接地技術的熱補償措施。為降低電源噪聲的影響， 採取在MAX6675的電源引腳附近接入一隻0. IF陶瓷旁路電容的噪聲補償措施。5、IEPE型壓電加速器
採用BW Sensor 100系列的141通用傳感器為振動傳感器，配備恆流電壓源，輸出為-5V至+5V的電壓信號，靈敏度為IOm V/ms_2，解析度為0. OOlm/s2，測量範圍為IOOOm/ S2，絕緣電阻大於IxlO8 Ω，可直接與AD相連無需其它二次儀表。IEPE型加速度傳感器中換能器輸出的電荷通過裝在傳感器內部的前置放大器，將振動信號轉換成與加速度成正比的低阻抗電壓輸出。通常為二線輸出形式，即採用恆電流電壓源供電，直流供電和信號使用同一根線。其中，直流電部分在恆電流電源的輸出端通過高通濾波器濾去，具有測量信號質量好、噪聲小、抗外界幹擾能力強和遠距離測量等優點。由於一般數控加工環境都會有強電磁場、噪聲等幹擾，在線監測刀具的振動情況時，高阻抗的電荷信號在從傳感器傳輸到數字採集系統時非常容易受到幹擾。從理論上分析，在剪切力作用下壓電材料產生的電荷信號受外界幹擾的影響較小，又由於壓電陶瓷具有較高的壓電係數和居裡點，因此選用以具有剪切形式的壓電陶瓷為敏感芯體的、帶內置電路的電壓輸出型加速度傳感器。結合考慮溫度、溼度和腐蝕對傳感器的影響，選擇靈敏度為10mV/ms_2。傳感器的外殼與被測物體間採用螺釘安裝，安裝底座對地絕緣，使傳感器浮地以免形成接地迴路。採用M6或TNC接頭、BNC傳輸線和雙層屏蔽外殼，降低外界幹擾。
6、TLC2543_AD 轉換電路(如圖 5)電路設計中，採用TLC2543模數轉換晶片，用於轉換IEPE型加速度變送器送來的模擬信號。將恆流源輸出端與TL2543_IN的任意通道相連，將被測到的電壓信號轉換成12 位數位訊號送入MCU的P2 口。在電路設計時，還注意電源去耦、接地以及電路板布線的問題。當使用TLC1543 時，每一個模擬IC的電源端用一個0. Iuf並一個IOuf的陶瓷電容連接到地，作為去耦電容。將模擬地與數字地分開，防止數字部分的噪聲電流通過模擬地迴路引入，產生噪聲高壓，從而對模擬信號產生影響等。7、聲光報警電路(如圖6)當單片機檢測到的溫度或振動信號超過臨界值時，單片機P2~0 口輸出低電平使三極體導通，啟動聲光報警電路報警。軟體部分1、系統主程序流程(如圖7)2、溫度測量模塊軟體設計溫度測量模塊的數據採集設計重點在測量電路MAX6675測溫數據的讀取。 MAX6675的時序圖如圖10所示。溫度值=1023. 75 X轉換後的數字量/4095MAX6675與MCU通過SPI接口進行通訊。通過SPI採集數據，這個數據流向是雙向的，即當MAX6675把數據一位一位傳給單片機時，單片機也必須輸出一定時序脈衝，每次採集必須連續輸出16個脈衝。MAX6675的工作時序如下圖所示，當CS引腳由高電平變為低電平時，MAX6675停止任何信號的轉換並在時鐘SCK的作用下向外輸出已轉換的數據；當 CS從低電平變回到高電平時，MAX6675將進行新一輪的轉換。數據的讀取在SCK的下降沿進行，一個完整的數據讀取需要16個時鐘周期。MAX6675的輸出數據為16位，輸出時高位在前，低位在後。第一位D15為無用位； 第D14-D3為熱電偶模擬輸出電勢轉換的12位數字量；D2位為熱電偶斷線檢測位，當D2位為1時表明熱電偶斷線；Dl位為MAX6675標識符；DO為三態。MAX6675數據採樣流程如圖 11所示。3.振動測量模塊軟體設計振動測量模塊的數據採集設計重點在測量電路TLC2543數模轉換數據的讀取。 TLC2543的工作過程包括兩個周期1/0 口周期和實際轉換周期。TLC2543的時序圖如圖10 所示。I/O 口周期有外部提供的I/O CLOCK定義、延續8、12或者16個時鐘周期，這取決於選定的輸出數據的長度。在I/O CLOCK的前8個脈衝上升沿，以MSB前導方式從DATA INPUT端輸入8為數據流到輸入寄存器。其中四位為模擬通道地址，控制14通道模擬多路器從11個模擬輸入和3個內部自測電壓中，選通一路送到採樣保持電路，該電路從第四個 I/O CLOCK的下降沿開始對所選信號進行採樣，一直到最後一個脈衝的下降沿。I/O 口周期的時鐘脈衝個數與輸出數據長度同時由輸入數據的D3、D2位選擇為8、12或16。當作用在 12或者16位時，在前8個時鐘脈衝之後，DATA INPUT便無效。在DATA OUT端串行輸出8、12或16位數據。當/CS保持為低時，第一個數據出現在EOC的上升沿，若轉換是由/CS控制，則第一個數據出現在/CS的下降沿。這個數據串是前一次轉換的結果，在第一個輸出數據位之後的每個後續位，由後續的I/O時鐘每個下降沿輸出。I/O 口周期的最後一個I/O CLOCK下降沿之後，EOC變低，採樣值保持不變，轉換周期開始，片內轉換器對採樣值進行逐次逼近式A/D轉換，其工作由1/0 CLOCK同步的內部時鐘控制。轉換完成之後EOC變高，轉換結果鎖存在輸出數據寄存器中，等待下一個1/0周期輸出。1/0周期和轉換周期交替進行，從而減小外部的數字噪聲對轉換精度的影響。TLC2543 的軟體流程如圖11所示。4.採樣數據處理軟體設計由於輸入信號為溫度信號，信號的變化頻率不大，精度要求也不高，故0. 1秒採樣一次，同時採用中位值平均濾波的方法進行軟體濾波處理幹擾信號。這種方法兼容了遞推平均濾波算法和中值濾波算法的優點，先用中值濾波算法濾掉採樣值中的脈衝幹擾信號， 再把剩餘的各採樣值進行遞推平均濾波。無論對緩變信號還是快速變化的信號都能取得較好的濾波效果。其基本算法如下yi彡y2彡· · ·彡yn，其中，3彡N彡4 ；7 = (;;2+>)3—·· + >νι)/(# + 2)採樣數據處理的軟體流程如圖12所示。
權利要求
1.一種數控刀具磨損智能檢測裝置，包括傳感器信號處理電路、矩陣式薄膜按鍵電路、 單片機控制電路、液晶顯示電路、報警電路，其特徵是由傳感器信號處理電路在線檢測刀具在切削加工過程中的切削溫度和切削振動值； 在液晶顯示電路顯示被測參數值及其隨時間變化的動態曲線； 單片機控制電路根據曲線判斷磨損速率，預先判斷刀具的磨損，進行分析處理； 當被測溫度值與振動量中任意一個值超過臨界值，報警電路自動報警。
2.根據權利要求1所述數控刀具磨損智能檢測裝置，其特徵在於所述傳感器信號處理電路採用IEPE型壓電加速器+TLC2543和K型熱電偶+MAX6675。
3.根據權利要求1所述數控刀具磨損智能檢測裝置，其特徵在於所述矩陣式薄膜按鍵電路採用4X4矩陣鍵盤選擇輸入16種不同材料匹配。
4.根據權利要求1所述數控刀具磨損智能檢測裝置，其特徵在於所述單片機控制電路採用RS232接口進行信號傳送。
全文摘要
本發明屬於機械加工刀具磨損檢測裝置，一種數控刀具磨損智能檢測裝置由傳感器信號處理電路在線檢測刀具在切削加工過程中的切削溫度和切削振動值；在液晶顯示電路顯示被測參數值及其隨時間變化的動態曲線；單片機控制電路根據曲線判斷磨損速率，預先判斷刀具的磨損，進行分析處理；當被測溫度值與振動量中任意一個值超過臨界值，報警電路自動報警。本發明不依靠檢測人員感覺和人工估計，可以實現數控刀具切削溫度和振動值的檢測及磨損報警，使刀具和工具機既發揮最大加工能力，又得到了有效的保護，提高刀具的使用壽命和加工質量，成本低，電路結構簡單，控制方便，而且運行穩定，能應用於不同的切削加工工況，提高了系統的兼容性及適應性。
文檔編號B23Q17/12GK102179728SQ20111006036
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月14日 優先權日2011年3月14日
發明者何鳳琴, 林軍, 毛顯源 申請人:上海師範大學