李大勝，繆鵬程

(1.蚌埠學(xué)院機(jī)械與電子工程系，安徽 蚌埠 233030;2.西華師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，四川 南充 637007)

0 引言

數(shù)控機(jī)床切削過程中刀具與工件之間會產(chǎn)生自激振動、受迫振動等類型的機(jī)械振動。受迫振動可能來自機(jī)床內(nèi)部，也可能來自機(jī)床之外，是在外激振力擾動下激發(fā)的振動。自激振動是來自于切削過程中刀具與工件之間的一種相對振動，稱為切削自激振動，也稱顫振。［1-3］研究表明，對于精密機(jī)床或超精密機(jī)床在高速運行過程中，機(jī)床的加工質(zhì)量很大程度上取決于機(jī)床產(chǎn)生的振動。［4］振動致使工件和刀具的相對位置發(fā)生變化，導(dǎo)致加工表面微觀特征的改變，影響加工工件的表面光潔度和精度，同時增大刀具的磨損和刀具崩刃，降低刀具壽命和生產(chǎn)效率。［5-6］因此，進(jìn)行機(jī)床加工過程中振動信號的采集與分析尤為必要。

由于機(jī)床主軸組件直接承受切削力，轉(zhuǎn)速范圍大，是產(chǎn)生振動的主要振源。［2，7］因此，系統(tǒng)針對機(jī)床回轉(zhuǎn)主軸與刀具系統(tǒng)產(chǎn)生的振動進(jìn)行檢測，設(shè)計了一種基于SPCE061A和PTR8000+無線傳輸芯片組成的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控機(jī)床振動信號監(jiān)測系統(tǒng)的解決方案。該方案分別利用傳感器檢測機(jī)床各軸的振動信號、刀具的振動信號進(jìn)行分析和處理，避免了有線模式下的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)受時空、環(huán)境、大量布置導(dǎo)線等因素的影響。系統(tǒng)實現(xiàn)為后續(xù)數(shù)控機(jī)床刀具磨損判別、機(jī)床顫振及機(jī)床的動態(tài)特性評價研究奠定了基礎(chǔ)，對提高機(jī)床的加工精度、穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率具有重要的意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

數(shù)控機(jī)床振動測試系統(tǒng)是由信號采集單片機(jī)子站、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、監(jiān)測主站和控制中心上位機(jī)等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件部分以SPCE061A單片機(jī)為核心采集振動信號和無線傳輸，利用加速度傳感器檢測機(jī)床主軸與刀具系統(tǒng)的振動信號，利用無線傳輸模塊PTR8000+將單片機(jī)監(jiān)測子站采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測主站，主站和控制中心PC機(jī)之間通過RS232通信。軟件部分采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，利用LabVIEW編程實現(xiàn)對振動信號的預(yù)處理、時域分析、頻域分析、倒頻域分析模塊組成，控制中心上位機(jī)系統(tǒng)可管理數(shù)控車間多個遠(yuǎn)程監(jiān)測子站。設(shè)計系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，留有多個上位機(jī)與中央控制系統(tǒng)的通道以便于擴(kuò)展。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 SPCE061A與振動傳感器

SPCE061A是系統(tǒng)硬件部分的核心，是臺灣凌陽科技推出的具有數(shù)字語音處理與識別功能，能夠快速處理復(fù)雜數(shù)字信號的一款單片機(jī)。該芯片CPU時鐘0.32～49.152 MHz(2.4～3.6 V);內(nèi)置2 kB SRAM和32 kB FLASH;32位可編程的多功能I/O端口(IOA0-15，IOB0-15);2個16位定時/計數(shù)器;7通道10位電壓模/數(shù)轉(zhuǎn)換器;可編程音頻處理，只需外接功放即可完成語音播放，方便實現(xiàn)系統(tǒng)的語音功能。［8］

目前用于檢測的振動傳感器主要有電渦流位移傳感器、電容式位移傳感器和壓電式加速度傳感器。［9］其中，電渦流位移傳感器和電容式位移傳感器是非接觸式測量傳感器，該類傳感器靈敏度高、低頻特性好，適合旋轉(zhuǎn)軸的振動測量，但靈敏度高時，價格昂貴，檢測現(xiàn)場存在較強的電磁干擾，電纜分布電容對測量結(jié)果影響較大。［10］壓電式加速度傳感器在振動測試中應(yīng)用最為廣泛，但由于傳感器敏感元件具有較高的阻抗，傳感器必須通過電荷放大器為其供電。［11］

系統(tǒng)設(shè)計采用朗斯測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的內(nèi)置電荷—電壓轉(zhuǎn)換器的ICP(Integrated Circuit Piezoelectric)加速度傳感器LC0152T，其主要技術(shù)參數(shù)如下:靈敏度100 mV/g;量程50 g;頻率范圍0.7～10 000 Hz(±10%);諧振頻率30 kHz;激勵電壓18～30 VDC，典型值:24 VDC;恒定電流2～20 mA，典型值4 mA。

2.2 信號調(diào)理電路設(shè)計

2.2.1 恒流源電路設(shè)計

ICP加速度傳感器具有輸出阻抗低，測量信號好、噪聲小、抗干擾能力強，安裝方便等優(yōu)點，但其內(nèi)置的集成電路需外接恒流源供電，使用時須連接成如圖2所示電路。

圖2 ICP傳感器等效電路及調(diào)理電路圖

系統(tǒng)設(shè)計采用TL431與晶體管搭建的恒流源為ICP傳感器供電，利用集成運放構(gòu)成的可調(diào)恒壓源電路輸出穩(wěn)定的電壓，避免電源電壓的變化造成TL431的供電電壓的變化以及Q1的Vbe的變化，導(dǎo)致恒流源電流的變化。工作電壓設(shè)置為24 V，輸出電流為4 mA，電路如圖3所示。

2.2.2 放大與濾波電路設(shè)計

圖3 傳感器恒流源電路

ICP傳感器供電電纜同時作為振動信號輸出線，由于振動信號為交變信號，因此通過交流耦合至高阻抗儀表放大器進(jìn)行電壓放大。如圖4所示，為高精度、高阻抗儀表用放大器電路，采用低噪聲精密雙運放OPA211作為輸入。OPA211內(nèi)部兩運放的特性匹配極好，且兩運放間也具有很高的通道隔離度，非常適用于構(gòu)成高精度、高輸入阻抗的儀用放大器的差動輸入級。后級放大器采用精密增益差動放大器INA106。為真實檢測信號頻譜，放大器輸出經(jīng)濾波電路濾波后輸出至數(shù)據(jù)采集模塊。設(shè)計采用高通濾波器和低通濾波器組成的帶通濾波器實現(xiàn)濾波功能。低通濾波器用LTC1063實現(xiàn)，高通部分由低噪聲、高精度通用濾波器LTC1068組成。［12］該部分電路電源為單獨電源，提高測量精度。

2.3 無線收發(fā)模塊

圖4 放大與低通濾波電路

PTR8000+是以挪威Nordic公司的nRF905SE芯片為核心的無線射頻模塊，內(nèi)置環(huán)行天線，工作在433/868/915 MHz的無線頻段，發(fā)射速率50 kbps，外置433 MHz天線，空曠通訊距離可達(dá)200～300 m。它有TRX_CE，TX_EN，PWR接口控制PTR8000+的四種工作模式，即掉電和SPI編程模式;待機(jī)和SPI編程模式;發(fā)射模式及接收模式。內(nèi)置SPI接口，最高 SPI時鐘可達(dá)10 MHz，SPI接口 CSN、SCK、MOSI和MISO 分別由單片機(jī)的IOB1、IOB2、IOB3、IOB8來控制。由于SPCE061A單片機(jī)不具備SPI接口，因此利用軟件模擬SPI接口來實現(xiàn)對PTR8000+的工作參數(shù)配置和發(fā)射/接收數(shù)據(jù)，模擬的關(guān)鍵在于SPI的讀寫時序，硬件電路如圖5所示。

圖5 無線收發(fā)模塊PTR8000+硬件接口及與單片機(jī)連接電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計不僅涉及到單片機(jī)程序，還有PC上位機(jī)程序，單片機(jī)程序包括SPCE061A主站程序和子站程序，主要涉及振動信號的實時采集、初步處理、實時顯示，主站與子站之間的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收和上傳控制中心數(shù)據(jù)庫。主程序框圖如圖6所示。PC機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集、保存和處理，PC機(jī)程序核心部分包括串口數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和PC機(jī)端運行主界面設(shè)計。系統(tǒng)采用LabVIEW平臺來實現(xiàn)。LabVIEW是一種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程工具，主要用于開發(fā)測試、測量與控制系統(tǒng)，應(yīng)用十分廣泛。

圖6 主程序框圖

4 結(jié)論與展望

開展對數(shù)控機(jī)床振動信號的實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究，能夠防止機(jī)床振動在生產(chǎn)過程中帶來的巨大損失。一方面振動加劇了加工刀具的磨損，另一方面，振動可引起機(jī)床振顫，影響機(jī)床的加工精度。因此高精密機(jī)床的振動研究對提高機(jī)床的加工精度尤為重要。本文設(shè)計的基于無線傳輸技術(shù)的機(jī)床振動信號無線監(jiān)測系統(tǒng)成本較低，結(jié)構(gòu)簡單、實時性強、數(shù)據(jù)傳輸可靠穩(wěn)定，為數(shù)控機(jī)床刀具磨損、機(jī)床顫振及提高高精機(jī)床加工質(zhì)量的研究奠定基礎(chǔ)，對豐富機(jī)械設(shè)備狀態(tài)檢測技術(shù)和開展綠色制造和柔性制造具有一定的意義。

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