刀具工作状态监测系统的设计与实现

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1、哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要机床工业作为先进制造技术的一个重要领域，正在向着高效、高精度的自动化加工目标发展，而切削刀具在切削加工过程中起着至关重要的作用，切削刀具的异常变化将直接影响加工精度和可靠性。因此，开发机床刀具工作状态监测系统，对刀具加工过程中这两种信号进行实时监测就显得尤为重要。本文针对刀具加工过程实时监测开发两套智能监测刀柄，分别监测振动信号和切削力/扭矩信号，将整个传感系统集成在刀柄内部，以无线方式进行数据回传和电能供给。在数据传输方面，通过分析振动信号和切削力/扭矩信号的信号特征，确定功能指标，并基于两

2、种核心微处理器分别设计信号调理电路、数据采集电路以及无线通信电路，搭建监测系统的硬件平台。在此基础之上，构建监测系统的软件平台，实现信号的采集、数据的无线传输以及上位机对系统的控制功能，在上位机远程、实时地监测这两种刀具信号的波形，同时完成对采集数据的存储。在电能传输方面，针对机床和刀柄的结构及其高速旋转的特殊工作状态，确定应用电磁谐振式无线供电方式。从接收端和发射端线圈结构与布局出发，建立“2发多收”的刀柄无线供电模型。针对发射模块，设计方波发生电路、MOS管驱动电路以及高频逆变电路，实现直流到高频交流的转换。针对接收系统和

3、负载设备的供电需求，设计整流滤波电路和电源管理电路，实现了高频交流到多路直流的转换，为刀柄内所有传感系统提供稳定直流电源。在验证系统数据传输与电能传输各节点设备性能的基础之上，对整个刀具监测系统进行实际的功能测试和性能分析，实现通过上位机对这两种信号进行远程、实时的监测，并保证整套刀具监测系统的可行性与稳定性。关键词：刀具监测；数据采集；无线通信；无线供电-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractMachinetoolindustry,asanimportantareaofadvancedmanufacturingt

4、echnology,isdevelopingtowardsthegoalofhighefficiencyandprecisionofautomatedprocessing.Cuttingtoolplaysavitalroleinthecuttingprocess.Abnormalchangesinthecuttingtoolwilldirectlyaffectthemachiningaccuracyandreliability.Therefore,itisparticularlyimportanttodevelopmachin

5、etoolworkingconditionmonitoringsystemandmonitortoolmachiningprocessinrealtime.Inthispaper,twointelligentmonitoringhandlesweredevelopedforthereal-timemonitoringoftoolmachiningprocess,monitoringvibrationsignalsandcuttingforce/torquesignalrespectively.Theentiresensorsy

6、stemisintegratedinsidethehandle.Datatransmissionandpowersupplyarebothinwirelessway.Asfordatatransmission,byanalyzingthesignalcharacteristicsofvibrationsignalsandcuttingforce/torquesignals,thefunctionindicatorswasdetermined.Bydesigningsignalconditioningcircuit,dataac

7、quisitioncircuitandwirelesscommunicationcircuitbasedontwocoremicroprocessors,hardwareplatformofthemonitoringsystemwereerected.Onthisbasis,signalacquisition,wirelesstransmissionofdataandcontrolfunctionsofthesystemthroughPCwereachievedbybuildingasoftwareplatformmonito

8、ringsystem.PCcanmonitorthewaveformofthesetwotoolsignalsremotelyinrealtime,meanwhilecompletethestorageofthecollecteddata.Asforpowertransfer