[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

说明书

本发明属于数控机床智能控制技术领域，涉及一种基于机床振动信号的刀具状态监测系统及方法，监测系统包括上位机控制模块和数据采集模块，实时采集并显示机床加工过程中的相关信息。该系统可对机床加工中的振动信号进行实时监控，并根据采集结果优化削加工参数，达到延长刀具寿命及故障预警的目的。监测方法将振动曲线与标准特征值曲线进行对比，判断是否需要更换刀具、刀具磨损情况并根据对比结果优化切削加工参数，最后通过OPCUA协议向数控机床控制系统发送指令，从而实现对机床的运动状态的智能控制。

技术领域

本发明属于数控机床智能控制技术领域，涉及一种基于机床振动信号的刀具状态监测系统及方法。

背景技术

切削加工是最常用的机械加工方法，因此切削刀具在加工中的作用显得尤其重要，它的使用寿命对机械产品的生产质量产生直接影响，从而影响生产制造技术水准和经济效益。刀具严重磨损可引起刀具的破坏，刀具的破坏会导致工件报废同时会损伤昂贵的设备，更严重的后果是会影响机床的正常使用及操作者的人身安全。对刀具磨损情况的实时监测有助于提高加工环境的稳定性和工件的质量，保障机床及加工人员安全，同时还能提高企业的生产效率、减低生产成本。因此，发展刀具状态监测技术十分必要。

刀具磨损的主要特征是机器伴有异常的振动和噪声，考虑到机床工作环境通常比较嘈杂，因此通过对机床振动信号的监测来判断机床的实际运行状态是最有效的手段。专利号为CN201420471749.X的一种机床振动在线监控系统仅能实现主轴振动的预警功能，功能单一。专利号为CN201320505108.7的一种机床的振动传感监测装置以及专利号为CN201120096755.8的一种机床运行监测系统均是振动采集系统，不具备数据分析且无法与机床进行交互。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于机床振动信号的刀具状态监测系统及方法，可对机床加工中的振动状态进行实时监控评估刀具磨损情况，并根据振动状态优化机床切削加工参数，达到延长刀具寿命及故障预警的目的。

本发明提供一种基于机床振动信号的刀具状态监测系统，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。

在本发明的基于机床振动信号的刀具状态监测系统中：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。