[發明專利]一種超聲切削主軸狀態監測系統的監測方法

有效

• 申請號: 201410331646.8
• 申請日: 2014-07-11
• 公開（公告）號: CN104128845B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發明（設計）人: 胡小平;趙志磊;于保華;葉紅仙;紀華偉;李旭龍
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: B23Q17/09
• 分類號: B23Q17/09
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙)33240
• 代理人: 杜軍

1.一種超聲切削主軸狀態監測系統，包括PCM-3362N-S6A1E主板、PCH2155數據采集卡、10.4SVGA?TFT?LCD顯示屏和傳感器；主板與PCH2155數據采集卡之間通過PCI104總線連接，即通過120針2mm孔堆棧插座連接；10.4SVGA?TFT?LCD顯示屏驅動單元通過VGA接口與主版相連來驅動觸摸屏，傳感器與采集卡之間用杜邦線連接，傳感器采集到主軸系統的電壓、電流、溫度信號，經過數據采集卡進行A/D轉換，然后將數據傳送到PCM-3362N-S6A1E主板，主板再通過VGA接口將數據傳送到10.4寸顯示屏。

2.如權利要求1所述的一種超聲切削主軸狀態監測系統的監測方法，其特征在于：

步驟一：數據采集卡校準：安裝好采集卡PCH2155，打開電源，預熱15分鐘后對其進行零點校準和滿度調節；

步驟二：數據采集：將電壓、電流傳感器分別接在超聲切削主軸系統的超聲發生器的輸出導線上，第一接觸式溫度傳感器固定于變幅桿所位于的法蘭處，第二接觸式溫度傳感器用螺栓固定于發生器內部的功率管處，非接觸式溫度傳感器的感應接頭正對換能器的外側面，非接觸式溫度傳感器的感應接頭與換能器的外側面水平距離為8-10cm；打開超聲發生器的電源開關，設置發生器的工作頻率在20KHZ，點擊啟動，使超聲切削主軸系統處于工作狀態；待主軸系統工作1—2分鐘后開始利用傳感器采集溫度、電壓、電流相關數據；

步驟三：A/D轉換；傳感器將采集到的溫度、電壓、電流數據以電壓量的形式傳送到數據采集卡PCH2155.采集卡接收到數據后進行A/D轉換；

步驟四：將轉換后的數據傳送到主板PCM3362；

步驟五：數據處理；PCM3362主板對傳送過來的溫度數據，首先進行濾波，然后利用公式T＝t/0.01進行計算，t表示傳感器傳送給主板的溫度值，得到主軸系統工作中監測點的溫度真值T；對傳送過來的電流電壓數據，利用正交相關變換，計算得到阻抗角；正交相關變換計算得到阻抗角的步驟具體如下：

(1)首先在τ＝0和τ＝1條件下實時獲取變化后的信號頻率f₁，τ表示時間常數：

(2)通過變化后的信號頻率f₁計算角度偏差α

???①

其中，f₁是步驟一中獲取的頻率，f_s為采樣頻率，溫度的采樣頻率為2HZ，電壓電流的采樣頻率為100KHZ，N₀為正整數；

(3)修正u₁(t)與u₂(t)互為正交相關

換能器電壓數字量和電流數字量分別做時間常數等于0和1的相關計算，其運算結果如下公式:

Riu1(0)=UI2cos(θU-θI)]]>???②

Riu1(1)=UI2cos(2πf1fsθU-θI)]]>???③

所引入的與換能器電壓成正交關系的換能器電壓數字量與電流數字量做時間常數等于0的相關計算，考慮到信號與白噪聲之間的非相關性，其運算結果如下公式：

Riu2(0)=UI2sin(θU-θI+α)]]>???④

其中，u₁(t)為換能器的電壓，相位角為θ_U，i(t)為換能器的電流，相位角為θ_I，u₂(t)為u₁(t)向右平移90°所得，相位角為θ₂,其中θ_U-θ₂＝90°；U為換能器的峰值電壓、I為換能器的峰值電流；

根據公式⑤可以求得偏移后的換能器電壓、電流的頻率，從而可以求得公式①中的角度偏差α；

f1=arccos(2Riu1(1)UI)-arccos(2Riu1(0)UI)2π×fs]]>???⑤

(4)計算得到換能器阻抗角θ

由方程②和④得：

Riu2(0)Riu1(0)=tan(θU-θI)cosα+sinα]]>???⑥

由式⑥得：

θ=θU-θI=arctan(Riu2(0)Riu1(0)-sinαcosα)]]>???⑦

步驟六：加載主界面；數據處理完之后，加載主界面；主界面的顯示是在10.4寸TFT?LCD顯示屏上；

步驟七：加載主軸監測界面；在主軸監測界面里面，有數值顯示模塊來顯示采集、處理后的功率管溫度、換能器溫度、節點溫度和阻抗角；

步驟八：實時曲線顯示，判別主軸狀態；

加載實時曲線顯示界面，將步驟七中的數值顯示模塊顯示監測點的真實數據在實時曲線顯示界面內自動生成實時曲線；實時曲線顯示界面內設置有功率管溫度閾值、換能器溫度閾值、節點溫度閾值、發生器的輸出電壓閾值和輸出電流閾值；超出所設置的閾值，則在曲線上會出現較大的跳動，此時監測系統發出聲、光報警；實時曲線反應了主軸系統是否發生了故障。