[发明专利]一种超声切削主轴状态监测系统的监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种状态监测系统及方法，特别是一种超声切削主轴状态监测系统及方法。

背景技术

蜂窝复合材料具有极佳的抗压、抗弯特性和超轻型的结构，不易变形，不易开裂和断裂，并具有减震、隔音、隔热和极强的耐候性等优点。在航空航天、军事、电子、汽车和生物工程等领域正得到越来越广泛的应用，并且不断地向新的领域扩展。

随着近几十年超声加工技术的发展，我国在蜂窝复合材料切削机理、刀具材料、刀具结构、加工工艺、表面质量评价技术等方面取得了很多有益的成果。浙江大学机械工程系的谢坤等人对纸基蜂窝零件的新加工工艺研究。中航工业成飞数控加工厂高涛等人对超声波机床的蜂窝芯数控加工技术的研究。浙江大学刘刚对纸基蜂窝芯零件高速铣削加工固持系统的研究。

然而蜂窝复合材料超声切削加工过程中的可靠性研究相对较少，缺乏一套完整的对超声切削主轴综合故障参数的监测装置以及监测方法。因此，对超声切削主轴系统的状态监测，对提高加工过程的可靠性、安全性，提高加工质量、加工效率具有十分重要的作用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种能够实时、准确、快速的监测超声切削主轴状态的超声切削主轴状态监测系统及方法。

一种超声切削主轴状态监测系统，包括PCM-3362N-S6A1E主板、PCH2155数据采集卡、10.4SVGA TFT LCD显示屏和传感器。主板与PCH2155数据采集卡之间通过PCI104总线连接，即通过120针2mm孔堆栈插座连接，10.4SVGA TFT LCD显示屏驱动单元通过VGA接口与主版相连来驱动触摸屏，触摸屏用于完成各界面之间的相互切换、阀值参数的设置和动态曲线的显示。传感器与采集卡之间用杜邦线连接，传感器采集到主轴系统的电压、电流、温度信号，经过数据采集卡进行A/D转换，然后将数据传送到PCM-3362N-S6A1E主板，主板再通过VGA接口将数据传送到10.4寸显示屏，显示屏来显示采集到的数据，判别系统状态。

一种超声切削主轴状态监测方法，具体包含以下步骤：

步骤一：数据采集卡校准。

安装好采集卡PCH2155，打开电源，预热15分钟后对其进行零点校准和满度调节。

步骤二：数据采集。将电压、电流传感器分别接在超声切削主轴系统的超声发生器的输出导线上，第一接触式温度传感器固定于变幅杆所位于的法兰处，第二接触式温度传感器用螺栓固定于发生器内部的功率管处，非接触式温度传感器的感应接头正对换能器的外侧面，非接触式温度传感器的感应接头与换能器的外侧面水平距离为8-10cm；打开超声发生器的电源开关，设置发生器的工作频率在20KHZ，点击启动，使超声切削主轴系统处于工作状态。待主轴系统工作1—2分钟后开始利用传感器采集温度、电压、电流相关数据。

步骤三：A/D转换。传感器将采集到的温度、电压、电流数据以电压量的形式传送到数据采集卡PCH2155.采集卡接收到数据后进行A/D转换。

步骤四：将转换后的数据传送到主板PCM3362。

步骤五：数据处理。PCM3362主板对传送过来的温度数据，首先进行滤波，然后利用公式T＝t/0.01进行计算，t表示传感器传送给主板的温度值，得到主轴系统工作中监测点的温度真值T。对传送过来的电流电压数据，利用正交相关变换，计算得到阻抗角。正交相关变换计算得到阻抗角的步骤具体如下：

(1)首先在τ＝0和τ＝1条件下实时获取变化后的信号频率f₁，τ表示时间常数；

(2)通过变化后的信号频率f₁计算角度偏差α

   ①

其中，f₁是步骤一中获取的频率，f_s为采样频率，温度的采样频率为2HZ，电压电流的采样频率为100KHZ，N₀为正整数；

(3)修正u₁(t)与u₂(t)互为正交相关

换能器电压数字量和电流数字量分别做时间常数等于0和1的相关计算，其运算结果如下公式: