在线刀具状态监测系统的单片机设计Word下载.docx
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这些基于微机的检测方法的成本和实用性引出了这些程序执行中的一些重要问题。
为了解决这些问题，我们可以运用成熟的单片机技术来完成任务并实现实时功能。
这项研究聚焦于车床在线监测刀具破损单片机技术，作为一种低成本而又可行的方法。
简单地说，根据我们的做法，监测切削刀具破损的规则贮存于一个8051单片机中。
这种刀具监测设备使用压力计式传感器检测切削力，然后经过放大，滤波和横数转换，最后使用8051的软件程序基于切削力的变化推断切削状况，并及时发出报警信号以提示操作者立即采取行动以避免由于刀具破损带来的损失。
二、8051单片机刀具监测系统
根据机床操作方法，8051单片机刀具监测系统可以设计成3种工作模式：
（1）数据采集系统：
在这种工作模式下，8051单片机刀具监测系统是一种12准的数据采集系统，采样频率高达100KHz。
该系统有一个前置放放大器，但值最高可达
欧姆，增益初值设为1200，和一个增益设为1400的差分放大器用来构造一个信号放大系统，最大增益可达180000；
一个45KHz的低通滤波器；
一个12位的高速ＡＤ转换器（模数转换器AD1674），具有抽样保持功能，最大转换时间为10KHz；
一个由SN75176IC组成的RS－482接口，预置在主控单元。
通过网络接口，车间内的许多机器的运行实时数据被转送到主控单元，以实现监测并及时处理紧急情况。
（2）单机报警模式：
在这种模式下8051系统不具有网络功能。
某件工具的切削数据采集后，8051系统完全依据存储于ROM中的刀具破损规则来判定刀具破损与否，而与主控单元的微机无关。
它的优势在于这是一用有简化电路的简单系统。
缺点在于这种8051系统没有足够的硬盘驱动来存储切割数据。
一旦切削工具更换，关于钱一件工具的切削数据就丢失了。
（3）组合模型：
这种8051系统能够独立判断刀具的破损。
当有一件主要工具破损，8051系统能自动提交可编程控制器（PLC）的命令以关闭机器从而避免可能的损失。
通过RS－485网络将数据转送至主控室，主控室内的工人们就可以同时监视几十台机器而车间里不再需要工人。
三、车削监视理论分析
在切削过程中，切削力是由于克服变形及变形阻力而产生的。
这是一对拥有相同大小但方向相反向相互作用力，切削力Ｆ可被分成3个力：
主切削力
，推力
反馈力
三者互相正交。
在
切割方向，有相同方向切削速度
。
与切割前芯片厚度有关。
是在进料速度的方向，和进料速度的方向
一致。
切削力，推力和反馈力连同其产生的力F及其变量之间的关系显示在下列公式。
其中：
主要的切削力
是最大的力，
和
在大多数情况下是比较小的力。
根据几何形状的刀具,磨损条件和切削体积，
对
的比率是一个变量[
]。
3.1、刀具磨损机制与模式
在切割过程中，刀具的材料逐渐磨损，这造成了原始刀具形状的变化。
基于ISO国际标准，这种刀具缓慢丧失切削能力的现象叫做道具的磨损。
刀具的磨损机制可分为8种：
粘着磨损，磨粒磨损，扩散磨损，侵蚀磨损，腐蚀磨损，断裂磨损，阶段性磨损和相氧化磨损。
刀具磨损的形态有3种类型：
前刀面磨损，后刀面磨损，边界磨损。
刀具的磨损过程可分为磨合阶段，正常磨损阶段和加速磨损阶段。
这些已知的刀具磨损模式可以作为监测刀具磨损的标准。
3.2、刀具状态监测方法
最近20年来已经直接或间接地发展出了许多在线监测刀具磨损的方法。
直接监测刀具状态的方法包括光学扫描，芯片的放射线分析法，刀具与工件间电阻的测量，工件尺寸变化的测量，刀具和工件之间距离的测量等等。
间接测量刀具状态的方法包括切削温度的测量，对声波信号的测量，对轴向电机能量的消耗量的测量，振动的测量以及切削力的测量。
显然间接检测方法更实用。
另外，如果能够同时使用几种间接测量方法来判断刀具的破损，那么监测的准确性会大幅度提高。
切削力对刀具的磨损是很敏感的。
当切削工具由于磨损不再锋利，切削力会增加，而当刀具破损，切削力减小因为切削深度突然减少。
因此，如果切削力被用于检测刀具的破损和磨损，检测废品率会容易得多。
此外，这种检测方法不易受到加工系统的干扰并且信号与噪声比值（S/N）较高。
因此，测得的信号会更加有效而可靠。
在这项研究中，切削力被用来监测刀具的磨损与破损的状态。
3.3、刀具状态判断规则
在多种切削过程中，除了许多变量包括不同的切削条件，刀具形状，工件表面的几何形状，加工环境的转换，监测判断规则常常由于一些未预见的工具行为而失效。
因此判断规则常常包括一些预测性质的数据。
研究中常用的方法有固定的限制，加强限制，浮动范围，领域技术，异常切削的切削模式判断，磨损估计和神经网络模式的监测，其中一些方法已经成功地应用到了个人加工过程[20]。
不同加工条件下的判断规则的应用范围总结如表1[21]。
四、在线刀具监测系统的结构
当考虑到成本时，工厂常常放弃了使用自动监测系统。
然而技术的发展已经使自动监测系统更加实用。
应用监测系统的关键已经不在与技术本身，而在于怎样降低成本，用最少的传感器和最普通的元件提供检测系统的功能。
在这项研究中，一种低成本而功能强大的监测系统被开发出来，这证明了自动监测系统在实践中是可行的。
4.1刀具监测系统设计规范
1.设计规范
2.按规范设计硬件电路
3.传感器选择
4.信号处理（包括放大器，滤波器，A/D转换噪声控制）
5.刀具破损判断规则
6.软件编程
7.在线监测
4.2实验设备和工具
1.AP3245A信号发生器
2.SS-5710类比振荡器（60MHz）
3.Fluke8840A型4半数字显示电位器
4.HP3562动态信号分析仪
5.TEACRD-145T信号采集
6.惠普7750绘图仪
7.个人电脑（奔腾Ⅱ）
8.DeemaxPICE528051在线仿真器
9.实验室设计用单片机监测印刷电路板
10.车间车窗（T10线）用作测试
11.power-100通用程序作家
12.Deemax通用单片机测试仪
表1：
适用的工具状态识别规则
软件技术
过载
破损量
损耗
差距消除
失踪的工具
固定范围
最佳
好
不好
最佳
行程范围
动态范围
区域技术
模式识别
磨损估计
4.3设计和计算监测工具系统
1.传感器类型：
应变仪输入：
0.400Kg
输出电压：
0.20mV
2.预先放大器：
具有11000放大比率的AD624放大装置。
3.低通滤波（LPF）:
第二秩序有源滤波器的切割频率:
45Hz和12dB/oct。
4.模拟/数字转换器（ADC）:
步进比较类型：
AD1674芯片具有采样率：
100kHz
（最大）和A/D分辨率（12位）:
2.44mV。
5.RAM：
6225632千字节静态存储容量（这使得切削刀具记录最大20千字节的1000个数据包）。
6.ROM:
2751264千字节系统功能扩展可编程只读存储器。
7.PLC终端：
输入：
用计数器重置,触发信号使周期开始:
PLC接地端24V。
输出：
停止信号和材料反馈信号。
9.灯光显示：
切削力大小显示，PLC成本均线显示，重置PLC显示，PLC触发器显示，传感器正常运转显示，黄色和红色的警告显示。
4.4单片机工具的结构监测系统
采用单片工具监控系统可分为传感器电路,信号放大电路、滤波电路、A/D转换电路、I/O电路、显示信号电路、通信电路、CPU电路、电流电路和软件程序。
该系统结构如图1。
单片机工具监视器的硬件电路如图2。
每台设备的功能描述如下。
4.4.1工艺流程的电路信号
应变仪检测车削力的信号线性屏蔽并传送到前置放大器（AD624）将此讯号放大200倍,然后传送给差动放大器对电压放大100倍消除偏置电压，随后传递到45赫兹LPF过滤噪声信号的高频率。
在这一点上,信号分为2个部分。
一个被派往LM3914及时信号显示屏,另外一个被送到AD1674（A/D转换器）转换成12位数字信号。
在正常情况下,8051单片机无法处理12位的数据,因为它是一个8位的处理器。
12位信号需要转换成高8位（D11,D10,D9,D8,D7,D6,D5,D4）和低4位（D3、D2、D1、D0、X,X,X,X）并且独立派到2个单向缓冲器74244IC卡。
然后,8051单片机将控制双向缓冲74245IC卡读进或写出来的数据。
图1刀具的图监测系统结构
图2硬件电路单片机在线监测
74373IC卡的功能用来处理地址锁存器。
8051单片机的P0是一种的数据端口也是一种地址端口（D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7）（A0,A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7），它需要地址的锁存器分离地址和数据。
62256卡是一个32千字节的数据存储器存储刀具的数据,27512卡是一个64千字节的程序储存器存储着程序的编码，74138卡是一个地址译码IC卡。
4.4.2PLC信号输入
数据重置24V信号PLC重置
周期开始24V信号PLC周期
触发器24V信号PLC触发
4.4.3PLC信号输出
停止操作24V信号PLC停止
PLC原料反馈24V信号
4.4.4警告显示器
黄灯闪烁切削刀具磨损，只警告不停止（交流110V）
红灯闪烁切削刀具破坏，立即发出停止信号（交流110V）
4.5识别刀具破损的规则
本研究采用滑动平均（MA）方法分析了切割信号。
在正常的切削条件下,最大的切削力随着切割工件的数目略有增加。
当刀具破损发生，最大切削力会突然下降5%甚至更多。
因此,可以用22先进先出（FIFO）值达到破损识别。
在破损识别中,最近切削工件的最大切削力被储存在BUF[0],错过接下来的5工件最大切削力,那么这些数据和BUF[16]到BUF[21]的平均值比较。
如果该比率在1±
5%,这个工件的BUF[0]被认为是正常的。
如果和BUF[0]{BUF[6]+…+BUF[21]}相比的比率大于1±
5%,然后被认为是一种刀具破损。
采用先进先出法的最大切削力总共有22值,代表了22个连续工作的的最大切削力。
采用先进先出法的值不断变化。
例如,切削完第421个工件,BUF[0]代表了第421个工件的切削力,BUF[1]代表了第420个工件的切削力,……,BUF[21]代表了第400个工件的切削力。
相应地,在切削完第422个工件后,BUF[0]代表了第422个工件的切削力,BUF[1]代表了工件的切削力421,……,BUF[21]代表了第421个工件的切削力。
4.6刀具破损识别规则的程序框图
如图3所示,刀具监控程序流程图,一旦系统打开之后,它将立即执行监察计划,不断清除计时器。
如果系统功能正常,定时器不会溢出,否则,如果系统在任何不明原因时关闭,系统将不会清除计时器,导致溢出。
重新启动后,监察程序将自动执行它本身。
图3刀具监控程序框图
详细的刀具监控流程程序显示在图4。
当PLC触发器的信号被送去8051单片机后,将执行服务程序Outer_Interrupt_1,办理抽样工作的A/D转换。
与此同时,该服务计划将启动Timing_Interrupt_2服务程序,每1毫秒终止一次,即Timing_Interrupt_2服务程序每1毫秒执行一次A/D转换。
Timing_Interrupt_2服务程序将会地8次实例的A/D转换。
当两个顶部和两个底部终端值远离时,意思是从4个中间值计算。
这个值是A/D转换的1024数据点。
一旦Outer_Interrupt_1服务程序完成A/D转换的1024数据点,这正是一个工作的的切削力的分布点以及大约需要1秒,1024数据点最大值的可以计算出来。
这12位的
值就准备好被送到BUF[22]的FIFO。
基于先进先出值,可以确定其是否刀具破损。
如果切削力信号被识别为微小破损,8051单片机将发出一个信号使黄灯闪光作为一个警告。
如果切削力信号被识别为一个主要的破裂,8051单片机将使红灯闪光作为一个警告,并派出一个命令给电荷藕合器件（CCD）转换成一个24VPLC终止信号,关闭这个机器。
当程序返回Outer_Interrupt_0,如果PLC_Cyc=1,这意味着这台机器在自动模式下,最大切削力可以被保存在FIFO（BUF[22]）;
如果PLC_Cyc=0,它指的是那台机器正在手动操作模式和最大切削力数据将被丢弃。
此外,当重置信号的可编程序控制器（PLC）进入8051单片机,Outer_Interrupt_0服务程序会被执行,清除FIFO并且删除所有最大的切削力信号数据。
图4详细的工具监控程序流程图
五、在线工具监控系统组成的设计
工具监控系统的结构可分为
（1）传感器电路、
（2）放大电路、（3）滤波电路、（4）A/D转换电路、（5）I/O电路、（6）光信号电路、（7）通信电路、（8）CPU电路、（9）供电电路,（10）复位电路。
系统组件的设计的简述如下。
5.1检测、放大和滤波电路
刀具监测的检测电路的由恒压10伏特或12伏驱动。
由于条件的变化,一个小的合成切削力会更小,而事实上,探测器不能放置在剖切位置,恒压能力是非常稳定的（精确到12.000V）以消除主要测量误差。
因此,不能直接从电源使用12V电源。
即使是经常使用的7812恒压IC也是不适合的，因为它的温度系数是比较高。
基于检测电路标准的错误，不会是微不足道的。
参考电压IC是最好的选择，以获得精确，稳定和恒定电压的电源几乎无温度波动。
由于输出信号探测器获得间接测量的很弱,需要适当的放大器放大微弱的信号。
信号放大器应具有低噪声信号，零点漂移，精度高，频带宽，高输入阻抗，低输出电阻等功能。
高精度传感器电路，尤其是像电桥，要求上述特质。
在放大的过程中，过滤，消除噪音，增益控制，耐适应，等等，需要执行，以提高信号质量。
从理论上讲，一个差分放大器可以消除共模噪声，并应用到电桥电压增益的放大。
然而，研究表明，当测量信号非常小，一个OP放大器组成的差分放大器由于低输入阻抗和信号电压下降可以容易造成负载效应。
（2）
其中Vs是信号电压，R是放大器输入电阻，r是电阻信号。
为了减少量的恶化，R必须增加，即增加输入电阻。
因此,具有高输入电阻的小信号放大电路差（仪器放大器）是最佳的选择。
虽然前置放大器（仪器放大器）可去除最常见噪声,残留的噪声通过仪器放大器可以产生所谓的“标准模式噪声”,这是在每一步后放大。
这种类型的噪声主要高频信号,这是错误的主要来源。
增加信号精度和信噪比,一个低通滤波器可以被用来过滤高频噪音。
需要小心谨慎的是,过滤器不移除有用的高频信号连同高频噪声。
适当的控制是从属于信号的特性。
一个低通滤波器的功能基本上是允许通过低于截止频率f0的电子信号,并清除高于f0的信号。
在各种各样的文章中描述工具监控系统经常使用的是几种赫兹或几十赫兹的截止频率。
本研究采用的几组低通滤波器（LPF）的不同的截止频率的检测选择最好的频率。
结果表明，大约45赫兹的低通滤波器消除高频的噪音效果最好。
因此，我们设计了一个45Hz的低通滤波器有一个12分贝/10月截止频率以上两步恶化的特点。
其一是在选择一个低通滤波器的电容比选择电阻需要更加小心。
通常的策略是第一选择电容，然后选择阻力。
为了保持稳定的电容，电容的漏电流可能不会太大。
5.2程序设计的A/D转换
有四种常见的A/D转换程序:
连续转换、投票、持续时间采样和中断。
它通常是最方便的使用连续的A/D转换控制,而AD1674的芯片的转换速度是高达100千赫兹。
如果采用连续转换,数据收集在一秒内可多达200千字节,超过了8051单片机的容量。
投票程序设计简单但更可靠,除了效率很差和耗在单片机投票的加工时间,这是不适合我们的单片机工具监控系统。
持续时间采样方法通常适用于低速A/D芯片。
为了确保转换完成后的准确,延迟时间必须适当延长,这使得它低于投票方法;
同样是不适合我们的单片机的工具监控系统。
监控程序是在上述三种方法之一的“等待”模式在,将会导致CPU效率差。
如果效率是设计的重点，通常选择中断的方法。
在此方法中，一旦CPU使CE=1，
，
，A0=0将会激活12位的A/D转换，CPU可以随后处理其他程序像执行主程序。
一旦A/D转换完成后，AD1674的STS端口可以激活单芯片8051INT0的中断端口或激活中断1。
CPU接受中断的时间之后，可以将数据读入。
如果我们让CE=1，
，A0=0，高8位D11D10D9D8D7D6D5D4被读取，然而如果CE=1，
，A0=1，则低4位D3D2D1D0xxxx可能被读取。
8051单片机和AD1674的同时获得可加工效率。
5.3程序设计的采样
光电规格标准RS-232C仅限于的传输速率不超过20Kbps和传输距离不长于15米否则将会有干扰的信号噪声。
RS-485标准，具有较高的速度（10Mbps），长距离（1200米），1对多的通信标准。
因此，我们决定使用RS-485接口允许几个8051可以连接到一个主控制个人计算机（PC）。
如果一个工厂拥有设备32台套，此接口可提供在线监测的目的，即主控制电脑可以执行了多套设备运行状态在线实时监测。
图5显示多台8051连接到PC上的在线监测的电路。
图5多台8051连接到PC上的在线监测电路
基于硬件电路，75176的DE端口和RE的都连接在8051的T0端口。
当T0=0，接收激活;
当T0=1，释放激活。
一台PC机最高数据传输的波特率是115200波特。
8051串行口只能达到为19200波特。
由于波特率太高，必须小心选择正确的波特率来消除由于错误的数据传输。
六、实验结果和分析
完成硬件及软件工具监控系统后，它被送到工厂去收集切削数据，laboratory-made的模拟电路的工具监控系统（电路在进入A/D芯片）是用来收集切割信号。
使用一台PC或HP-3562（运动信号分析仪）来分析刀具破损的特点，信号的首次记录是由TEACRD-145T捕捉和分析。
工厂里有许多强噪声信号源。
这往往是不可能立即发现破损识别最好的优化参数。
工厂内的噪声干扰往往毁灭结果。
因此，在进行在线破碎识别前，直到精度足够高才进行工具的首次进行离线监测。
6.1检测方法
一个监控系统的功能指标包括准确率（P）和误判率（Q）。
一个很好的监控系统，具有尽可能高精确率和尽可能低的错误判断率。
准确率和误判率的数学定义，制定如下：
准确率（P）
其中y是实际的刀具破损
E是由刀具破损监控系统刀具破损算错的数量
错误判断率（Q）
其中x是实际的刀具破损
F是由刀具破损监控系统判断刀具破损的数量
6.2实验方法
第一步紧固传感器基于“传感器正常“指示灯光。
当传感器安装螺栓的电压强度是在5~10毫伏的输出范围，传感器正常的指示灯将会发光。
此灯确保安装的传感器，具有一定的稳定性，并不会成为不稳定切削力的影响。
第二步调整精度可调电阻消除偏置电压和确定传感器的输出信号约为9V。
当精密可变电阻调整到适当的范围内，LM3914切削力第一个灯显示电路启动，这意味着可以开始监控工具监控系统。
第三步当机床更换一个新的刀具时，该系统是在自动模式下（PLC_CYC=0）。
当PLC触发器信号发送到8051单片机时，该系统开始采集每个工件的切割信号。
如果重置按钮的计数器再次按下,8051单片机将会重新记录工具的切削数据并且如果一把刀被替换和重置按钮取代则停止记录。
6.3在线测试的结果
5月期间生产的外圈轴承作为研究目标进行工具监测监控实验。
在2周期间进行监测，监测和数据收集的实验，每星期2天完成。
在完整监控下的转换操作数量为67039。
系统自动识别的39例黄灯和红灯警告,其中16例为黄灯警告。
每个黄灯警告后进行工具检查，没有发现重大缺陷，但在随后的切削，工件尺寸变大了（0.01~0.13毫米）。
警告系统之间的切割的间隔时间不固定显示，切割工具的磨损和破损的条件如一个随机变量的表现。
识别参数，然后在监测过程中提炼。
初步实验结果表明，检查刀具破损的准确率是很高的，由于刀具磨损检测工件尺寸量低于最低质量。
后者的问题等待着改善的刀具状态识别规则或传感器的应用效益。
使用这个实验为例,如果识别规则不严格，红色或黄色光闪烁的频率太高则误判也会增加;
如果识别规则严格,那么很有可能错过破坏检测。
实验检测数据的可参考在[21]。
七、总结
在真实世界
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