王旭，韓旭，楊吟飛，陳妮，李龍翔，朱翔宇

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著數(shù)控機(jī)床的快速發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械制造系統(tǒng)正朝著高度自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。研究表明，銑削刀具狀態(tài)的異常變化，如切削力、刀具破損磨損以及切削熱等，將不可避免地降低工件的加工精度，影響工件的表面質(zhì)量和尺寸完整性，甚至導(dǎo)致整個(gè)工件的報(bào)廢，對(duì)加工效率和加工過程的可靠性造成嚴(yán)重的影響，使得加工過程無法連續(xù)進(jìn)行[1]。而切削加工系統(tǒng)中又因缺乏實(shí)時(shí)可靠的刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，大多數(shù)使用者往往采用保守的態(tài)度而不能充分利用刀具，切削速度僅使用大約一半，同時(shí)也只按刀具的平均壽命標(biāo)準(zhǔn)來更換刀具，致使很多刀具的使用壽命偏低，造成很大的浪費(fèi)。工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，機(jī)床故障中刀具失效導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間占據(jù)了總停機(jī)時(shí)間的1/3左右，而安裝有刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)效率提高了10%～60%，機(jī)床的利用率也提高了50%，同時(shí)也節(jié)約了30%左右的成本費(fèi)用[2]。因此現(xiàn)代自動(dòng)化切削加工系統(tǒng)迫切需要能夠?qū)崟r(shí)判斷刀具狀態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

振動(dòng)信號(hào)能非常有效地反映刀具在不同磨損狀態(tài)下的振動(dòng)情況，可以通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析來判斷刀具磨損狀態(tài)[3-6]。傳統(tǒng)的刀具振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在監(jiān)測(cè)參數(shù)單一和傳感器安裝困難、或因更改機(jī)床設(shè)備、刀柄結(jié)構(gòu)等帶來的安裝調(diào)試復(fù)雜、可移植性和可重復(fù)性差等問題。而隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，單片機(jī)、MEMS傳感器和無線傳輸芯片等電子元器件的性能越來越好，同時(shí)這些元器件具有體積小、成本低的特點(diǎn)，給刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)方式帶來了新的技術(shù)方案[7]。本文提出和開發(fā)了一種將傳感器、單片機(jī)和無線傳輸芯片集成到監(jiān)測(cè)刀環(huán)上來進(jìn)行刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)的智能刀環(huán)系統(tǒng)，可以直接安裝在刀柄上，快速捕獲有效的振動(dòng)信號(hào)，通過無線傳輸系統(tǒng)輸入到系統(tǒng)終端，再經(jīng)過基于LabVIEW開發(fā)的上位機(jī)人機(jī)交互軟件的優(yōu)化處理和分析，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估刀具狀態(tài)的目的，實(shí)現(xiàn)智能化管理刀具。

1 智能刀環(huán)系統(tǒng)總體監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

1)可擴(kuò)展性：為了能不斷增加傳感器來采集刀具的其他物理信號(hào)而最小地改動(dòng)系統(tǒng)的組成部分，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化思想，即對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立的開發(fā)設(shè)計(jì)，然后組成整個(gè)系統(tǒng)；

2)可移植性：智能刀環(huán)無需更改刀柄設(shè)備或機(jī)床結(jié)構(gòu)，可隨時(shí)拆裝跟隨刀具入庫或使用，因此具有可重復(fù)性和可移植性，安裝即可使用，拆除就停止使用；

3)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性：智能刀環(huán)內(nèi)裝有集成化傳感器系統(tǒng)，可檢測(cè)刀具加工過程各重要狀態(tài)參數(shù)變化量，實(shí)時(shí)記錄刀具多種狀態(tài)參數(shù)，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

智能刀環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體上由下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸層和上位機(jī)人機(jī)交互層組成。其中下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸層由信號(hào)采集模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和USB信號(hào)傳輸模塊四部分構(gòu)成，上位機(jī)人機(jī)交互層由信號(hào)顯示模塊、信號(hào)存儲(chǔ)模塊、信號(hào)分析模塊和刀具狀態(tài)識(shí)別模塊四部分構(gòu)成(圖1)。

圖1 智能刀環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

a)上位機(jī)人機(jī)交互層

上位機(jī)人機(jī)交互層是用戶管理智能刀環(huán)系統(tǒng)的窗口，通過對(duì)上位機(jī)界面的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)傳輸系統(tǒng)的控制，監(jiān)測(cè)刀具的狀態(tài)。人機(jī)交互層各個(gè)模塊的功能如下。

1)信號(hào)顯示模塊將采集到的振動(dòng)信號(hào)以時(shí)域波形圖的形式顯示在上位機(jī)主界面，以特征量提取的形式顯示在上位機(jī)副界面，用戶便可直接判斷采集到的振動(dòng)信號(hào)的波形、幅值大小，同時(shí)可設(shè)置信號(hào)報(bào)警閾值為該模塊增添加工預(yù)警功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)銑削振動(dòng)信號(hào)。

2)信號(hào)存儲(chǔ)模塊用來存儲(chǔ)將要分析的數(shù)據(jù)，下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸層采集到的振動(dòng)信號(hào)通過USB轉(zhuǎn)換以文檔格式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)固態(tài)硬盤中，為以后具體的分析工作做準(zhǔn)備。

3)信號(hào)分析模塊用來對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理以及分析其時(shí)域特征，包括振動(dòng)信號(hào)的平均值、方差、方均根值等來確定振動(dòng)信號(hào)的基本特征。

4)刀具狀態(tài)識(shí)別模塊用于判斷刀具所處狀態(tài)。

b)下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸層

在智能刀環(huán)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，無線數(shù)據(jù)傳輸速率和系統(tǒng)功耗都是需要重點(diǎn)考慮的。因此，在搭建系統(tǒng)硬件平臺(tái)時(shí)需要考慮上述因素去選擇系統(tǒng)電子元器件。

由于嵌入式系統(tǒng)具備高集成度特點(diǎn)，嵌入式系統(tǒng)處理器具有良好的可靠性和安全性，在這里ARM單片機(jī)與信號(hào)采集模塊、信號(hào)傳輸模塊、電源模塊以及其他外圍組成模塊共同組成了嵌入式系統(tǒng)。下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸層的嵌入式系統(tǒng)處理器作為嵌入式系統(tǒng)的核心，具備優(yōu)秀的信息處理能力，既要負(fù)責(zé)與前端振動(dòng)傳感器連接獲取數(shù)據(jù)，又要控制無線數(shù)據(jù)傳輸芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。各個(gè)模塊功能如下。

1)信號(hào)采集模塊通過振動(dòng)傳感器獲取刀具的三軸加速度信號(hào)，在信號(hào)被采集(A/D)之前，經(jīng)過一個(gè)低通濾波器，將信號(hào)中高于奈奎斯特頻率的信號(hào)成分濾去，之后便把模擬的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出信號(hào)。

2)信號(hào)預(yù)處理模塊通過前置放大電路和濾波電路調(diào)高信號(hào)比、降低信號(hào)的噪聲、提高檢測(cè)靈敏度，得到可靠的分析結(jié)果。

3)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。智能刀環(huán)在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式已經(jīng)不再適用，所以采用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)比幾種常用的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，藍(lán)牙和Zigbee都可以滿足要求，但Zigbee傳輸速率過低，而藍(lán)牙的有效通信距離只能達(dá)到10 m[8]。因此選擇傳輸速率最大、功耗滿足要求且傳輸距離最遠(yuǎn)的WIFI技術(shù)。

4)USB信號(hào)傳輸模塊。下位機(jī)在硬件結(jié)構(gòu)上分為信號(hào)發(fā)射端和接收端，而接收端和計(jì)算機(jī)之間通過該模塊USB轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使得數(shù)據(jù)顯示在人機(jī)交互界面。

2 智能刀環(huán)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本智能刀環(huán)系統(tǒng)安裝在旋轉(zhuǎn)的銑刀刀柄外側(cè)，將信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、信號(hào)傳輸模塊都集成在刀環(huán)內(nèi)。采用鋰電池供電的方式，要求系統(tǒng)電路的功耗必須要低，同時(shí)又要保證信號(hào)的傳輸質(zhì)量和效率。整個(gè)系統(tǒng)所用主要電子元器件及系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

圖2 智能刀環(huán)系統(tǒng)硬件電路示意圖

2.1 振動(dòng)傳感器的選擇

選用9軸加速傳感器的JY901S模塊。模塊尺寸較小，只有15.24 mm×15.24 mm×2 mm；采用先進(jìn)的動(dòng)力學(xué)結(jié)算、卡爾曼動(dòng)態(tài)濾波算法和數(shù)字濾波技術(shù)，能有效降低測(cè)量噪聲，提高測(cè)量精度，且內(nèi)部自帶電壓穩(wěn)定電路，工作電壓3.3 V～5 V，引腳電平兼容3.3 V/5 V的嵌入式系統(tǒng)，連接方便。模塊中采用的是MPU9250傳感器，在3 mm×3 mm×1 mm尺寸范圍內(nèi)包含了1個(gè)三軸加速度計(jì)和3個(gè)獨(dú)立的MEMS陀螺儀以及數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器，可同時(shí)檢測(cè)到x、y、z三軸的加速度信號(hào)。該三軸加速度計(jì)屬于電容式傳感器，可以抵抗住10 000 g的沖擊。

2.2 ARM單片機(jī)的選擇

選用STM32F103RCT6單片機(jī)的最小系統(tǒng)板，使用性能較高的ARM Cortex-M3內(nèi)核，其外設(shè)配置和功能如表1所示。

表1 STM32單片機(jī)外設(shè)參數(shù)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到STM32F103RCT6單片機(jī)工作在3.6 V電壓下，運(yùn)行代碼時(shí)電量消耗與溫度的關(guān)系如圖3所示。從圖中可以得出該型號(hào)單片機(jī)在8 MHz工作頻率下電量消耗最小，因此選定單片機(jī)的工作頻率為8 MHz。

圖3 單片機(jī)不同工作頻率下電量消耗與溫度關(guān)系

2.3 無線傳輸芯片的選擇

選用nRF24L01無線傳輸芯片，芯片內(nèi)置了功率放大器、頻率合成器和調(diào)制器等功能塊，其輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置通過SPI接口設(shè)置，具有極低的電流消耗，工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6 dBm時(shí)電流消耗9 mA，接收模式時(shí)為12.3 mA，其數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mb/s或2 Mb/s，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 nRF24L01無線傳輸芯片技術(shù)參數(shù)

2.4 硬件載體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

考慮到刀柄位置處的空間結(jié)構(gòu)和刀環(huán)本身需要集成的電子元器件，設(shè)計(jì)如圖4所示的智能刀環(huán)載體結(jié)構(gòu)，通過緊定螺釘將刀環(huán)固定在刀柄上。

圖4 智能刀環(huán)硬件載體結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

3 智能刀環(huán)系統(tǒng)上位機(jī)人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)

本文上位機(jī)人機(jī)交互層包括信號(hào)顯示模塊、信號(hào)存儲(chǔ)模塊、信號(hào)分析模塊和刀具狀態(tài)識(shí)別模塊，主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集、分析處理、輸出、存儲(chǔ)和顯示。由于虛擬儀器軟件LabVIEW在數(shù)據(jù)采集、用戶圖形界面設(shè)計(jì)和硬件鏈接方面的強(qiáng)大功能,因此智能刀環(huán)系統(tǒng)上位機(jī)人機(jī)交互層選用它作為軟件開發(fā)平臺(tái)。人機(jī)交互界面如圖5-圖6所示，包含的功能有：

圖5 上位機(jī)人機(jī)交互軟件主界面

圖6 上位機(jī)人機(jī)交互軟件副界面

1)將采集到的振動(dòng)信號(hào)在主界面以時(shí)域波形圖的形式顯示，在副界面以均值、方均根值、最大值、最小值等特征值來顯示，用戶便可根據(jù)這些參考數(shù)據(jù)與刀具不同程度磨損時(shí)域的指標(biāo)參數(shù)判斷刀具磨損程度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀具的切削狀態(tài)，同時(shí)用戶可根據(jù)需要選擇添加加工預(yù)警功能，可根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置3個(gè)坐標(biāo)軸的加工振動(dòng)報(bào)警值；

2)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理分析，在傳感器測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的過程中，測(cè)試儀器難免會(huì)受到各種各樣影響因素的信號(hào)干擾，引起造成個(gè)別測(cè)點(diǎn)的采樣信號(hào)與基線的偏差非常大，這種結(jié)果會(huì)影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性?？梢岳脭?shù)據(jù)平滑處理技術(shù)將不規(guī)則的趨勢(shì)項(xiàng)從采集到的原始信號(hào)中減去,從而獲得數(shù)據(jù)信號(hào)的真值，最終可以得到振動(dòng)信號(hào)的最大值、最小值、方均根值等時(shí)域特征參數(shù)及特征圖；

3)將下位機(jī)采集得到的振動(dòng)加速度信號(hào)以文本格式存儲(chǔ)，為之后離線分析振動(dòng)信號(hào)提供有效數(shù)據(jù)源；

4)根據(jù)采集到的切削振動(dòng)加速度信號(hào)，經(jīng)過上位機(jī)軟件分析提取的加速度信號(hào)特征量與刀具不同程度磨損時(shí)域的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，用戶便可判斷刀具處于何種時(shí)期的磨損程度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)刀具狀態(tài)的識(shí)別。

3.1 信號(hào)顯示模塊

在LabVIEW中數(shù)據(jù)傳輸是以字符串格式完成的，所以下位機(jī)所發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包被解析以后就是具有固定字節(jié)長(zhǎng)度的字符串?dāng)?shù)組。本文首先對(duì)字符串?dāng)?shù)組進(jìn)行截取，經(jīng)過拆分，轉(zhuǎn)化為實(shí)際的數(shù)據(jù)。同時(shí)系統(tǒng)通過LabVIEW軟件開發(fā)了USB驅(qū)動(dòng)程序，即在計(jì)算機(jī)設(shè)備管理器中將指定的USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序由默認(rèn)換成由VISA生成的驅(qū)動(dòng)程序文件，在LabVIEW軟件編程面板中使用“USB讀”控件讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸層接收端傳來的數(shù)據(jù)。其程序框圖如圖7所示。

圖7 上位機(jī)人機(jī)交互軟件程序框圖

在信號(hào)顯示模塊實(shí)現(xiàn)了刀具3 個(gè)正交軸振動(dòng)信號(hào)的顯示，使用到波形圖表，同時(shí)在面板中設(shè)置了開啟測(cè)試按鈕以及用于銑削加工預(yù)警的報(bào)警模塊。用戶可以在該模塊中設(shè)置x、y、z軸的振動(dòng)信號(hào)的預(yù)警值，包括上限值和下限值，當(dāng)采集的振動(dòng)信號(hào)超出這個(gè)范圍，則相應(yīng)的報(bào)警燈閃爍，同時(shí)利用LabVIEW提供的蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。

3.2 信號(hào)存儲(chǔ)模塊

該模塊主要將下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸層傳輸來的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在文本文件中，格式如圖8所示，從左至右依次對(duì)應(yīng)著x軸、y軸、z軸的加速度信號(hào)。

圖8 數(shù)據(jù)保存格式示意圖

3.3 信號(hào)分析模塊

該模塊可以在離線狀態(tài)下對(duì)信號(hào)采集模塊采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析，獲得銑削加工過程振動(dòng)信號(hào)的均值、方均根值、最大值、最小值和經(jīng)過離散傅里葉變換得到的頻譜圖，由這些特征參數(shù)去判斷刀具的加工狀態(tài)。信號(hào)分析模塊的界面如圖6所示。

3.4 刀具狀態(tài)識(shí)別模塊

由于不同的參數(shù)對(duì)不同磨損程度的敏感程度不同，該模塊在對(duì)刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行分析時(shí)，選取了若干個(gè)有效的參數(shù)作為故障診斷的特征量，這些經(jīng)過上位機(jī)軟件分析提取的特征量與刀具不同程度磨損時(shí)域的指標(biāo)參數(shù)如表3所示，進(jìn)行對(duì)比便可判斷出刀具處于何種階段的磨損[9]。

表3 刀具磨損不同狀態(tài)的時(shí)域參數(shù)值

4 智能刀環(huán)系統(tǒng)性能測(cè)試試驗(yàn)與分析

為了確定智能刀環(huán)系統(tǒng)的性能，本文設(shè)計(jì)了試驗(yàn)并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，包括系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?、銑削加工中振?dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)情況。

4.1 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能與分析

為測(cè)試智能刀環(huán)系統(tǒng)在不同距離下無線數(shù)據(jù)傳輸速率，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試設(shè)備有：VC-1060立式數(shù)控機(jī)床、智能刀環(huán)系統(tǒng)和一臺(tái)計(jì)算機(jī)。

試驗(yàn)條件：機(jī)床主軸靜止，加速度傳感器采樣頻率設(shè)為1 kHz，智能刀環(huán)下位機(jī)發(fā)射端與接收端的距離不斷改變，通過計(jì)算在不同距離下1 min內(nèi)采集的數(shù)據(jù)量便可得到無線數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同距離下無線數(shù)據(jù)傳輸速率

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以分析得到：在智能刀環(huán)下位機(jī)發(fā)射端與下位機(jī)接收端的距離不斷變化時(shí)，無線數(shù)據(jù)傳輸速率其實(shí)是在不斷變化的，總體趨勢(shì)是隨著距離的增大無線數(shù)據(jù)傳輸速率不斷減小。其中在3 m范圍內(nèi)距離的變化對(duì)無線數(shù)據(jù)傳輸速率影響很小，數(shù)據(jù)傳輸速率保持在20 kB/s左右；當(dāng)距離≥9 m時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率接近于0 kB/s。因此在做銑削加工實(shí)驗(yàn)時(shí)，加速度傳感器采樣頻率設(shè)為1 kHz，只要保持下位機(jī)發(fā)射端與接收端的距離≤3 m，無線數(shù)據(jù)傳輸速率就可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4.2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)振動(dòng)可行性試驗(yàn)與分析

振動(dòng)影響因素研究試驗(yàn)所用的機(jī)床為VC-1060立式數(shù)控機(jī)床，工件材料為鋁合金，其尺寸為150 mm×80 mm×20 mm，銑刀選用的是平底銑刀四刃，刀具涂層材料為TiSiN，維氏硬度為3 100 HV，刀具直徑為Φ8 mm。銑削加工過程中對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析得到的時(shí)域圖如圖9所示。

圖9 智能刀環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集刀的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形圖

試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該智能刀環(huán)系統(tǒng)的性能，得出可以將其用于銑削加工振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)且監(jiān)測(cè)效果良好。

5 結(jié)語

本文開發(fā)的數(shù)控銑削加工在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件采集設(shè)備和基于LabVIEW開發(fā)的上位機(jī)人機(jī)交互軟件組成，應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了系統(tǒng)銑削振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)的有效性和實(shí)用性，同時(shí)也說明這種在線監(jiān)測(cè)的利用有利于實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)化，降低生產(chǎn)成本和生產(chǎn)時(shí)間,提高產(chǎn)品質(zhì)量,因此開展對(duì)數(shù)控銑削加工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究具有重要意義。