[发明专利]一种基于机床振动信号的刀具状态监测系统及方法

权利要求书

1.一种基于机床振动信号的刀具状态监测系统，其特征在于，包括：上位机控制模块和数据采集模块；

所述数据采集模块用于采集数控机床主轴的振动信号并发送给上位机控制模块；上位机控制模块根据振动信号判断刀具磨损情况和使用寿命并优化切削加工参数；所述上位机控制模块通过网线和数控机床控制系统相连，数控机床控制系统根据优化的切削加工参数进行机加工；

所述数据采集模块包括：加速度传感器、数据采集卡和CompactDAQ机箱；加速度传感器用于采集数控机床主轴的振动信号并与数据采集卡相连；数据采集卡通过卡槽与CompactDAQ机箱相连，数据采集卡对采集的振动信号进行AD转换处理，CompactDAQ机箱通过USB数据线将AD转换处理后的振动信号发送给上位机控制模块；

所述上位机控制模块包括：信号采集模块、数据处理模块、数据存储模块、信号显示模块、特征提取模块、智能控制模块、寿命评估模块和通信模块；所述信号采集模块接收AD转换处理后的振动信号并发送给数据处理模块，数据处理模块对振动信号进行频域积分获得振动曲线后通过信号显示模块进行显示，并传输到数据存储模块进行记录，数据处理模块同时将振动曲线传输给特征提取模块；所述特征提取模块将振动曲线与标准特征值曲线进行对比判定是否发生故障并更换刀具，将对比结果传输给寿命评估模块和智能控制模块；所述寿命评估模块根据振动磨损数学模型和振动曲线计算刀具磨损情况；所述智能控制模块根据刀具磨损情况优化切削加工参数；所述通信模块与智能控制模块连接，使用OPCUA协议与数控机床控制系统进行通讯，传输优化后的切削加工参数。

2.如权利要求1所述的基于机床振动信号的刀具状态监测系统，其特征在于：所述上位机控制模块还包括：参数设置模块和连接模块，所述参数设置模块用于进行数据采集参数设置、通讯通道设置；所述连接模块用于进行硬件连接调试、数据采集调试以及上位机控制模块与数控机床控制系统的双向通讯的调试。

3.一种基于机床振动信号的刀具状态监测方法，其特征在于，包括：

步骤1：采集数控机床主轴的振动信号并对振动信号进行AD转换处理；

步骤2：对AD转换处理后的振动信号进行频域积分处理获得振动曲线，将获得的振动曲线进行存储和显示；

步骤3：将振动曲线与标准特征值曲线进行对比，判断是否发生故障并更换刀具以及是否处于正常加工状态；标准特征值曲线为两条，一条是新刀振动曲线，用于表征振动信号的最小值；一条是磨损刀具振动曲线，用于表征振动信号的最大值，当振动曲线超过磨损刀具振动曲线时，判定需要换刀；

步骤4：根据振动磨损数学模型和振动曲线计算刀具磨损情况，进而评估刀具寿命；

步骤5：根据刀具磨损情况，优化切削加工参数。

4.如权利要求3所述的基于机床振动信号的刀具状态监测方法，其特征在于：所述步骤1中通过加速度传感器采集机床主轴的振动信号，即加速度信号。

5.如权利要求4所述的基于机床振动信号的刀具状态监测方法，其特征在于：所述步骤1中每秒采集多个加速度信号，步骤2中经频域积分处理后并取有效数值获得一个振动数据，数控机床工作预定时间后即获得多个振动数据，多个振动数据构成一条振动曲线。

6.如权利要求3所述的基于机床振动信号的刀具状态监测方法，其特征在于：所述步骤4中通过历史振动信号和刀具磨损情况的映射关系建立振动磨损数学模型。

7.如权利要求3所述的基于机床振动信号的刀具状态监测方法，其特征在于：所述步骤5中根据刀具磨损情况优化切削加工参数，包括主轴转速、进给速度和切深。