用于銑削振動信號監測的智能刀環研究

王旭，韓旭，楊吟飛，陳妮，李龍翔，朱翔宇

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著數控機床的快速發展，現代機械制造系統正朝著高度自動化、智能化的方向發展。研究表明，銑削刀具狀態的異常變化，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，影響工件的表面質量和尺寸完整性，甚至導致整個工件的報廢，對加工效率和加工過程的可靠性造成嚴重的影響，使得加工過程無法連續進行[1]。而切削加工系統中又因缺乏實時可靠的刀具狀態監測技術，大多數使用者往往采用保守的態度而不能充分利用刀具，切削速度僅使用大約一半，同時也只按刀具的平均壽命標準來更換刀具，致使很多刀具的使用壽命偏低，造成很大的浪費。工業統計數據表明，機床故障中刀具失效導致的停機時間占據了總停機時間的1/3左右，而安裝有刀具監測系統的數控機床生產效率提高了10%～60%，機床的利用率也提高了50%，同時也節約了30%左右的成本費用[2]。因此現代自動化切削加工系統迫切需要能夠實時判斷刀具狀態的監測系統。

振動信號能非常有效地反映刀具在不同磨損狀態下的振動情況，可以通過對振動信號進行時域分析、頻域分析來判斷刀具磨損狀態[3-6]。傳統的刀具振動監測系統存在監測參數單一和傳感器安裝困難、或因更改機床設備、刀柄結構等帶來的安裝調試復雜、可移植性和可重復性差等問題。而隨著電子技術的快速發展，單片機、MEMS傳感器和無線傳輸芯片等電子元器件的性能越來越好，同時這些元器件具有體積小、成本低的特點，給刀具狀態監測方式帶來了新的技術方案[7]。本文提出和開發了一種將傳感器、單片機和無線傳輸芯片集成到監測刀環上來進行刀具狀態監測的智能刀環系統，可以直接安裝在刀柄上，快速捕獲有效的振動信號，通過無線傳輸系統輸入到系統終端，再經過基于LabVIEW開發的上位機人機交互軟件的優化處理和分析，達到實時監測和評估刀具狀態的目的，實現智能化管理刀具。

1 智能刀環系統總體監測方案設計

1.1 系統的設計原則

1)可擴展性：為了能不斷增加傳感器來采集刀具的其他物理信號而最小地改動系統的組成部分，系統在設計時采用模塊化思想，即對每個模塊進行獨立的開發設計，然后組成整個系統；

2)可移植性：智能刀環無需更改刀柄設備或機床結構，可隨時拆裝跟隨刀具入庫或使用，因此具有可重復性和可移植性，安裝即可使用，拆除就停止使用；

3)實時監測性：智能刀環內裝有集成化傳感器系統，可檢測刀具加工過程各重要狀態參數變化量，實時記錄刀具多種狀態參數，具有實時監測性。

1.2 系統總體設計方案

智能刀環監測系統整體上由下位機數據傳輸層和上位機人機交互層組成。其中下位機數據傳輸層由信號采集模塊、信號預處理模塊、無線數據傳輸模塊和USB信號傳輸模塊四部分構成，上位機人機交互層由信號顯示模塊、信號存儲模塊、信號分析模塊和刀具狀態識別模塊四部分構成(圖1)。

圖1 智能刀環監測系統總體設計方案

a)上位機人機交互層

上位機人機交互層是用戶管理智能刀環系統的窗口，通過對上位機界面的操作實現對信號傳輸系統的控制，監測刀具的狀態。人機交互層各個模塊的功能如下。

1)信號顯示模塊將采集到的振動信號以時域波形圖的形式顯示在上位機主界面，以特征量提取的形式顯示在上位機副界面，用戶便可直接判斷采集到的振動信號的波形、幅值大小，同時可設置信號報警閾值為該模塊增添加工預警功能，實時監測銑削振動信號。

2)信號存儲模塊用來存儲將要分析的數據，下位機數據傳輸層采集到的振動信號通過USB轉換以文檔格式存儲在計算機固態硬盤中，為以后具體的分析工作做準備。

3)信號分析模塊用來對振動信號進行數據預處理以及分析其時域特征，包括振動信號的平均值、方差、方均根值等來確定振動信號的基本特征。

4)刀具狀態識別模塊用于判斷刀具所處狀態。

b)下位機數據傳輸層

在智能刀環無線數據傳輸系統中，無線數據傳輸速率和系統功耗都是需要重點考慮的。因此，在搭建系統硬件平臺時需要考慮上述因素去選擇系統電子元器件。

由于嵌入式系統具備高集成度特點，嵌入式系統處理器具有良好的可靠性和安全性，在這里ARM單片機與信號采集模塊、信號傳輸模塊、電源模塊以及其他外圍組成模塊共同組成了嵌入式系統。下位機數據傳輸層的嵌入式系統處理器作為嵌入式系統的核心，具備優秀的信息處理能力，既要負責與前端振動傳感器連接獲取數據，又要控制無線數據傳輸芯片進行數據傳輸。各個模塊功能如下。

1)信號采集模塊通過振動傳感器獲取刀具的三軸加速度信號，在信號被采集(A/D)之前，經過一個低通濾波器，將信號中高于奈奎斯特頻率的信號成分濾去，之后便把模擬的輸入信號轉換為數字量輸出信號。

2)信號預處理模塊通過前置放大電路和濾波電路調高信號比、降低信號的噪聲、提高檢測靈敏度，得到可靠的分析結果。

3)無線數據傳輸模塊。智能刀環在高速旋轉狀態下，傳統的有線數據傳輸方式已經不再適用，所以采用無線方式進行數據傳輸。對比幾種常用的無線數據傳輸技術，藍牙和Zigbee都可以滿足要求，但Zigbee傳輸速率過低，而藍牙的有效通信距離只能達到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的WIFI技術。

4)USB信號傳輸模塊。下位機在硬件結構上分為信號發射端和接收端，而接收端和計算機之間通過該模塊USB轉換進行數據傳輸，使得數據顯示在人機交互界面。

2 智能刀環系統硬件設計

本智能刀環系統安裝在旋轉的銑刀刀柄外側，將信號采集模塊、信號處理模塊、信號傳輸模塊都集成在刀環內。采用鋰電池供電的方式，要求系統電路的功耗必須要低，同時又要保證信號的傳輸質量和效率。整個系統所用主要電子元器件及系統硬件組成如圖2所示。

圖2 智能刀環系統硬件電路示意圖

2.1 振動傳感器的選擇

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；采用先進的動力學結算、卡爾曼動態濾波算法和數字濾波技術，能有效降低測量噪聲，提高測量精度，且內部自帶電壓穩定電路，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，連接方便。模塊中采用的是MPU9250傳感器，在3 mm×3 mm×1 mm尺寸范圍內包含了1個三軸加速度計和3個獨立的MEMS陀螺儀以及數字運動處理器，可同時檢測到x、y、z三軸的加速度信號。該三軸加速度計屬于電容式傳感器，可以抵抗住10 000 g的沖擊。

2.2 ARM單片機的選擇

選用STM32F103RCT6單片機的最小系統板，使用性能較高的ARM Cortex-M3內核，其外設配置和功能如表1所示。

表1 STM32單片機外設參數

經實驗得到STM32F103RCT6單片機工作在3.6 V電壓下，運行代碼時電量消耗與溫度的關系如圖3所示。從圖中可以得出該型號單片機在8 MHz工作頻率下電量消耗最小，因此選定單片機的工作頻率為8 MHz。

圖3 單片機不同工作頻率下電量消耗與溫度關系

2.3 無線傳輸芯片的選擇

選用nRF24L01無線傳輸芯片，芯片內置了功率放大器、頻率合成器和調制器等功能塊，其輸出功率、頻道選擇和協議的設置通過SPI接口設置，具有極低的電流消耗，工作在發射模式下發射功率為-6 dBm時電流消耗9 mA，接收模式時為12.3 mA，其數據傳輸速率為1 Mb/s或2 Mb/s，相關技術參數如表2所示。

表2 nRF24L01無線傳輸芯片技術參數

2.4 硬件載體結構的設計

考慮到刀柄位置處的空間結構和刀環本身需要集成的電子元器件，設計如圖4所示的智能刀環載體結構，通過緊定螺釘將刀環固定在刀柄上。

圖4 智能刀環硬件載體結構實物圖

3 智能刀環系統上位機人機交互軟件設計

本文上位機人機交互層包括信號顯示模塊、信號存儲模塊、信號分析模塊和刀具狀態識別模塊，主要功能是完成數據的采集、分析處理、輸出、存儲和顯示。由于虛擬儀器軟件LabVIEW在數據采集、用戶圖形界面設計和硬件鏈接方面的強大功能,因此智能刀環系統上位機人機交互層選用它作為軟件開發平臺。人機交互界面如圖5-圖6所示，包含的功能有：

圖5 上位機人機交互軟件主界面

圖6 上位機人機交互軟件副界面

1)將采集到的振動信號在主界面以時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，用戶便可根據這些參考數據與刀具不同程度磨損時域的指標參數判斷刀具磨損程度，實時監測刀具的切削狀態，同時用戶可根據需要選擇添加加工預警功能，可根據以往的經驗數據設置3個坐標軸的加工振動報警值；

2)對振動信號進行處理分析，在傳感器測量振動信號的過程中，測試儀器難免會受到各種各樣影響因素的信號干擾，引起造成個別測點的采樣信號與基線的偏差非常大，這種結果會影響分析結果的準確性。可以利用數據平滑處理技術將不規則的趨勢項從采集到的原始信號中減去,從而獲得數據信號的真值，最終可以得到振動信號的最大值、最小值、方均根值等時域特征參數及特征圖；

3)將下位機采集得到的振動加速度信號以文本格式存儲，為之后離線分析振動信號提供有效數據源；

4)根據采集到的切削振動加速度信號，經過上位機軟件分析提取的加速度信號特征量與刀具不同程度磨損時域的指標參數進行對比，用戶便可判斷刀具處于何種時期的磨損程度，進而實現刀具狀態的識別。

3.1 信號顯示模塊

在LabVIEW中數據傳輸是以字符串格式完成的，所以下位機所發送過來的數據包被解析以后就是具有固定字節長度的字符串數組。本文首先對字符串數組進行截取，經過拆分，轉化為實際的數據。同時系統通過LabVIEW軟件開發了USB驅動程序，即在計算機設備管理器中將指定的USB設備的驅動程序由默認換成由VISA生成的驅動程序文件，在LabVIEW軟件編程面板中使用“USB讀”控件讀取下位機數據傳輸層接收端傳來的數據。其程序框圖如圖7所示。

圖7 上位機人機交互軟件程序框圖

在信號顯示模塊實現了刀具3 個正交軸振動信號的顯示，使用到波形圖表，同時在面板中設置了開啟測試按鈕以及用于銑削加工預警的報警模塊。用戶可以在該模塊中設置x、y、z軸的振動信號的預警值，包括上限值和下限值，當采集的振動信號超出這個范圍，則相應的報警燈閃爍，同時利用LabVIEW提供的蜂鳴器發出報警聲。

3.2 信號存儲模塊

該模塊主要將下位機數據傳輸層傳輸來的數據存儲在文本文件中，格式如圖8所示，從左至右依次對應著x軸、y軸、z軸的加速度信號。

圖8 數據保存格式示意圖

3.3 信號分析模塊

該模塊可以在離線狀態下對信號采集模塊采集的振動信號進行預處理，之后對數據進行時域分析和頻域分析，獲得銑削加工過程振動信號的均值、方均根值、最大值、最小值和經過離散傅里葉變換得到的頻譜圖，由這些特征參數去判斷刀具的加工狀態。信號分析模塊的界面如圖6所示。

3.4 刀具狀態識別模塊

由于不同的參數對不同磨損程度的敏感程度不同，該模塊在對刀具磨損狀態進行分析時，選取了若干個有效的參數作為故障診斷的特征量，這些經過上位機軟件分析提取的特征量與刀具不同程度磨損時域的指標參數如表3所示，進行對比便可判斷出刀具處于何種階段的磨損[9]。

表3 刀具磨損不同狀態的時域參數值

4 智能刀環系統性能測試試驗與分析

為了確定智能刀環系統的性能，本文設計了試驗并對其進行驗證，包括系統無線數據傳輸的速率、銑削加工中振動信號的監測情況。

4.1 系統的數據傳輸性能與分析

為測試智能刀環系統在不同距離下無線數據傳輸速率，搭建了試驗平臺，測試設備有：VC-1060立式數控機床、智能刀環系統和一臺計算機。

試驗條件：機床主軸靜止，加速度傳感器采樣頻率設為1 kHz，智能刀環下位機發射端與接收端的距離不斷改變，通過計算在不同距離下1 min內采集的數據量便可得到無線數據傳輸速率，實驗結果如表4所示。

表4 不同距離下無線數據傳輸速率

從實驗結果可以分析得到：在智能刀環下位機發射端與下位機接收端的距離不斷變化時，無線數據傳輸速率其實是在不斷變化的，總體趨勢是隨著距離的增大無線數據傳輸速率不斷減小。其中在3 m范圍內距離的變化對無線數據傳輸速率影響很小，數據傳輸速率保持在20 kB/s左右；當距離≥9 m時，數據傳輸速率接近于0 kB/s。因此在做銑削加工實驗時，加速度傳感器采樣頻率設為1 kHz，只要保持下位機發射端與接收端的距離≤3 m，無線數據傳輸速率就可以滿足系統設計要求。

4.2 系統監測振動可行性試驗與分析

振動影響因素研究試驗所用的機床為VC-1060立式數控機床，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。銑削加工過程中對采集到的振動信號進行時域分析得到的時域圖如圖9所示。

圖9 智能刀環監測系統采集刀的振動信號時域波形圖

試驗結果驗證了該智能刀環系統的性能，得出可以將其用于銑削加工振動信號監測且監測效果良好。

5 結語

本文開發的數控銑削加工在線監測系統由硬件采集設備和基于LabVIEW開發的上位機人機交互軟件組成，應用實例驗證了系統銑削振動在線監測的有效性和實用性，同時也說明這種在線監測的利用有利于實現加工過程自動化，降低生產成本和生產時間,提高產品質量,因此開展對數控銑削加工實時監測系統的研究具有重要意義。