CN109781244B - 一种数控机床刀具振动信号检测***及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床刀具振动信号检测***及检测方法，包括振动信号采集装置、数据处理模块和分析判断模块；所述振动信号采集装置固定于数控机床刀台上，用于检测刀具振动信息并输出相应的检测信号至数据处理模块；所述数据处理模块用于对所述检测信号进行差分放大处理后输出待分析数据至分析判断模块；所述分析判断模块用于根据预先存储的数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类，当判断为异常振动数据类别时输出预警信号。通过封装固定在机床上的刚性振动信号采集装置，非接触式采集机床刀具的运行状态信息，并且基于预先训练识别的数据类别实现对刀具振动信号的故障检测及预警，具有灵敏度高、非接触式检测、测量识别精度高等优点。

Description

一种数控机床刀具振动信号检测***及检测方法

技术领域

本发明涉及振动检测技术领域，特别涉及一种数控机床刀具振动信号检测***及检测方法。

背景技术

无论在航空航天、机械制造、石油化工等现代制造行业，数控机床的作用都是不可或缺的，其自主创新和发展的水平，国民经济和国家建设的需要，对我国未来科技的发展都具有非常重要的战略意义。数控机床的振动检测分析具有重要意义，其中刀具是机床上损坏最为频繁的零部件，刀具的磨损会影响机床的加工精度，造成严重的经济损失，因此对数控机床异常振动的检测主要是针对机床刀具的异常振动进行检测。

目前，对数控机床刀具振动信号的检测大多应用传统的传感器，比如速度传感器和加速度传感器，然后对传感器参数的变化进行记录分析。但是，传统的传感器在数控机床刀具振动的条件下，阻值的变化范围普遍较小，而且大多为接触式的检测，这对机床刀具的异常振动反映得不够精确，采集到的数据存在很大的误差，这会影响到分析结果的准确性。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种数控机床刀具振动信号检测***及检测方法，通过封装固定在机床上的刚性振动信号采集装置，非接触式采集机床刀具的运行状态信息，并且基于预先训练识别的数据类别实现对刀具振动信号的故障检测及预警，具有灵敏度高、非接触式检测、测量识别精度高等优点。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种数控机床刀具振动信号检测***，其包括振动信号采集装置、数据处理模块和分析判断模块；所述振动信号采集装置固定于数控机床刀台上且与数据处理模块电连接，所述振动信号采集装置用于检测刀具振动信息并输出相应的检测信号至数据处理模块；所述数据处理模块还与分析判断模块电连接，用于对接收到的检测信号进行差分放大处理后输出待分析数据至分析判断模块；所述分析判断模块用于根据预先存储的数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类，当判断为异常振动数据类别时输出预警信号。

所述的数控机床刀具振动信号检测***中，所述振动信号采集装置包括固定于数控机床刀台上的保护壳，以及粘贴在所述保护壳内部的表面具有裂纹阵列的柔性应变片，所述柔性应变片的表面还涂覆有导电涂层，所述柔性应变片的两端设置有与所述数据处理模块电连接的电极引线，所述柔性应变片根据刀具振动信息输出实时变化的阻值至数据处理模块。

所述的数控机床刀具振动信号检测***中，所述保护壳包括底座和保护外罩，所述底座包括基板，所述基板上设置有支撑架，所述柔性应变片的两端对应粘贴于所述支撑架的两端，所述支撑架的中间部分具有第一凹槽，所述支撑架的四周还设置有与所述保护外罩配合的边框；所述保护外罩的底部设置有第二凹槽，所述保护外罩和底座通过所述边框和第二凹槽装配为一体，所述保护外罩的侧面还设置有通线孔。

所述的数控机床刀具振动信号检测***中，所述基板上设置有第一螺丝孔，所述保护外罩上与所述第一螺丝孔对应的位置设置有第二螺丝孔，通过连接件贯穿所述第一螺丝孔和第二螺丝孔后将所述振动信号采集装置固定于数控机床刀台上，以实现非接触式的机床刀具振动信息采集。

所述的数控机床刀具振动信号检测***中，所述边框和第二凹槽之间，以及所述通线孔内均设置有密封胶。

所述的数控机床刀具振动信号检测***中，所述数据处理模块包括转换单元、差分放大单元和数据采集单元；所述转换单元与所述柔性应变片和差分放大单元电连接，用于将柔性应变片的实时变化阻值转换为相应的电压信号后输出至差分放大单元；所述差分放大单元与数据采集单元连接，用于对所述电压信号进行差分计算并放大处理后输出离散信号至数据采集单元；所述数据采集单元还与分析判断模块连接，用于采集所述差分放大单元输出的离散信号后输出待分析数据至分析判断模块。

所述的数控机床刀具振动信号检测***中，所述转换单元为惠斯通电桥，所述柔性应变片通过两端的电极引线与惠斯通电桥的空桥臂连接，所述惠斯通电桥的输出端连接所述差分放大单元。

所述的数控机床刀具振动信号检测***中，所述分析判断模块包括训练识别单元、分类单元和故障预警单元；所述训练识别单元用于根据预先采集的训练样本以及预设训练模型生成相应的数据类别；所述分类单元用于根据所述数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类；所述故障预警单元用于在当前待分析数据判断为异常振动数据类别时输出预警信号。

一种数控机床刀具振动信号检测方法，其包括如下步骤：

由固定于数控机床刀台上的振动信号采集装置检测刀具振动信息并输出相应的检测信号；

对接收到的检测信号进行差分放大处理后输出待分析数据；

根据预先存储的数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类，并在判断为异常振动数据类别时输出预警信号。

所述的数控机床刀具振动信号检测方法中，所述根据预先存储的数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类，并在判断为异常振动数据类别时输出预警信号的步骤包括：

根据预先采集的训练样本以及预设训练模型生成相应的数据类别；

根据所述数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类；

在当前待分析数据判断为异常振动数据类别时输出预警信号。

相较于现有技术，本发明提供的数控机床刀具振动信号检测***及检测方法中，所述数控机床刀具振动信号检测***包括振动信号采集装置、数据处理模块和分析判断模块；所述振动信号采集装置固定于数控机床刀台上且与数据处理模块电连接，所述振动信号采集装置用于检测刀具振动信息并输出相应的检测信号至数据处理模块；所述数据处理模块还与分析判断模块电连接，用于对接收到的检测信号进行差分放大处理后输出待分析数据至分析判断模块；所述分析判断模块用于根据预先存储的数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类，当判断为异常振动数据类别时输出预警信号。通过封装固定在机床上的刚性振动信号采集装置，非接触式采集机床刀具的运行状态信息，并且基于预先训练识别的数据类别实现对刀具振动信号的故障检测及预警，具有灵敏度高、非接触式检测、测量识别精度高等优点。

附图说明

图1 为本发明提供的数控机床刀具振动信号检测***的结构框图。

图2 为本发明提供的振动信号采集装置中柔性应变片和底座的侧面示意图。

图3 为本发明提供的振动信号采集装置中柔性应变片和底座的立体图。

图4 为本发明提供的振动信号采集装置中保护外罩的一个角度的立体图。

图5 为本发明提供的振动信号采集装置中保护外罩的另一个角度的立体图。

图6 为本发明提供的振动信号采集装置中柔性应变片在挤压状态下的示意图。

图7 为本发明提供的振动信号采集装置中柔性应变片在拉伸状态下的示意图。

图8 为本发明提供的数控机床刀具振动信号检测***中惠斯通电桥的电路图。

图9 为本发明提供的数控机床刀具振动信号检测***中差分放大单元的电路图。

图10~图19为本发明提供的数控机床刀具振动信号检测***中数据采集单元的电路图。

图20为本发明提供的数控机床刀具振动信号检测方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种数控机床刀具振动信号检测***及检测方法，通过封装固定在机床上的刚性振动信号采集装置，非接触式采集机床刀具的运行状态信息，并且基于预先训练识别的数据类别实现对刀具振动信号的故障检测及预警，具有灵敏度高、非接触式检测、测量识别精度高等优点。

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明提供的数控机床刀具振动信号检测***包括振动信号采集装置1、数据处理模块2和分析判断模块3，所述振动信号采集装置1固定于数控机床刀台上且与数据处理模块2电连接，所述数据处理模块2还与分析判断模块3电连接，其中，所述振动信号采集装置1用于检测刀具振动信息并输出相应的检测信号至数据处理模块2，所述数据处理模块2用于对接收到的检测信号进行差分放大处理后输出待分析数据至分析判断模块3，所述分析判断模块3用于根据预先存储的数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类，当判断为异常振动数据类别时输出预警信号。即本发明提供的数控机床刀具振动信号检测***中，通过安装在数控机床上的振动信号采集装置1，非接触式采集机床刀具的运行状态信息，并且对检测信号进行数据处理后反馈待分析数据，之后基于预先训练识别并且存储的数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类，在判断为异常振动数据类别时及时输出预警信号，从而实现对刀具振动信号的故障检测及预警，具有灵敏度高、非接触式检测、测量识别精度高等优点。

具体地，请参阅图2至图7，其为本发明提供的数控机床刀具振动信号检测***中振动信号采集装置1的结构示意，其中所述振动信号采集装置1包括固定于数控机床刀台上的保护壳，以及粘贴在所述保护壳内部的表面具有裂纹阵列的柔性应变片10，所述柔性应变片10的表面还涂覆有导电涂层，所述柔性应变片10的两端设置有与所述数据处理模块2电连接的电极引线101，所述柔性应变片10根据刀具振动信息输出实时变化的阻值至数据处理模块2。即本发明提供的振动信号采集装置1是通过将具有裂纹阵列的柔性应变片10与刚性保护外壳装配为一体后再固定于数控机床刀台上，数控机床运行时会产生振动，柔性应变片10随之振动，柔性应变片10振动时表面的微型裂纹结构发生变化，导致柔性应变片10的电阻变化，通过该实时变化的阻值作为刀具振动的检测信号并在后续通过数据处理模块2转换为电信号输出，采用柔性应变片10来感知数控机床刀具振动，实现非接触地对刀具的振动信息进行检测和分析，其反应灵敏，测量精度高，有效提高了振动检测的准确性。

优选地，所述柔性应变片10的表面具有排布规则可控的微裂纹阵列，具体可根据实际需求设计裂纹图形，本实施例中该裂纹阵列优选为仿蝎子缝结构，属于一种仿生传感器，即利用聚苯乙烯(PS)的易裂性，采用溶剂诱导膨胀和双模板转移的方法，在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面制备多条平行裂缝结构，且在柔性应变片10的表面涂覆有导电涂层，即柔性材料表面分布的裂纹两壁上均匀分布导电粒子，当数控机床振动时，柔性应变片10会随之振动且发生形变，如图6和图7所示，当随着振动的产生，挤压或拉伸柔性应变片10时，裂纹的缝宽将发生变化，例如挤压状态下的缝宽a明显小于拉伸状态下的缝宽b，这将导致裂缝间导电粒子接触状态改变，随之电子通道的数目发生改变，直接表现为电阻发生变化，最后转化为电信号输出，进而实现对刀具振动的检测。

具体实施时，所述保护壳包括底座11和保护外罩12，其中所述底座11基板111，所述基板111上设置有支撑架112，所述柔性应变片10的两端对应粘贴于所述支撑架112的两端，所述支撑架112的中间部分具有第一凹槽113，所述支撑架112的四周还设置有与所述保护外罩12配合的边框114，所述保护外罩12的底部设置有第二凹槽121，所述保护外罩12和底座11通过所述边框114和第二凹槽121装配为一体，所述保护外罩12的侧面还设置有通线孔122。

所述基板111上设置有第一螺丝孔115，所述保护外罩12上与所述第一螺丝孔115对应的位置设置有第二螺丝孔123，通过连接件贯穿所述第一螺丝孔115和第二螺丝孔123后将所述振动信号采集装置1固定于数控机床刀台上，以实现非接触式的机床刀具振动信息采集。

本实施例中，所述支撑架112支撑所述柔性应变片10的两端，具体所述柔性应变片10的底部为弹性绝缘材料，使得柔性应变片10与底座11之间绝缘，所述支撑架112的中间部分为第一凹槽113，即柔性应变片10的中间部分悬空，这样正好使得柔性应变片10上的裂纹结构处于悬空状态，有效增加了柔性应变片10的振动范围，有利于柔性应变片10对振动做出更加灵敏的感应，确保对振动信息具有的最佳采集效果。所述保护外罩12和底座11在装配时，通过相互配合的凸出边框114与第二凹槽121实现卡合进而装配为一体，同时在保护外罩12的侧面还设置有通线孔122，便于将柔性应变片10两端的电极引线101引出，装配好底座11与保护外罩12后，通过底座11上的第一螺丝孔115和保护外罩12上的第二螺丝孔123，用连接件例如螺栓和螺母将整个振动信号采集装置1固定到数控机床的刀台上，底座11的底面紧贴刀台，实现非接触式且高灵敏的振动感应。

优选地，所述边框114和第二凹槽121之间，以及所述通线孔122内均设置有密封胶。即当固定好柔性应变片10且将电极引线101引出后，所述边框114和第二凹槽121之间，以及保护壳上的通线孔122处均用热熔胶密封，防止数控机床的冷却液进入，使振动信号采集装置1发生故障，提高振动检测的稳定性和可靠性。

进一步地，所述底座11和保护外罩12均优选为铝制材料，由于铝的质量较轻且强度和硬度较佳，可有效地保护设置在内部的柔性应变片10，确保整个振动信号采集装置1工作的安全性。

具体地，本发明提供的数控机床刀具振动信号检测***中，所述数据处理模块2包括转换单元、差分放大单元和数据采集单元，所述转换单元连接所述柔性应变片10两端的电极引线101，所述转换单元、差分放大单元和数据采集单元依次连接，所述数据采集单元还连接所述分析判断模块3，其中所述转换单元用于将柔性应变片10的实时变化阻值转换为相应的电压信号后输出至差分放大单元，所述差分放大单元用于对所述电压信号进行差分计算并放大处理后输出离散信号至数据采集单元，所述数据采集单元用于采集所述差分放大单元输出的离散信号后输出待分析数据至分析判断模块3。本实施例中，当柔性应变片10随着刀具振动发生形变而改变电阻时，通过转换单元将柔性应变片10的实时变化电阻转换为相应的电压信号后输出两路信号至差分放大单元，差分放大单元对输入进来的两路信号进行相减，并对输入的差分信号进行放大，之后将放大后的信号输出至数据采集单元，由数据采集单元采集离散信号后输出待分析数据至分析判断模块3，以供分析判断模块3对当前刀具的工作状态进行判断识别，实现测量准确、灵敏度高的非接触式振动信息检测。

具体实施时，所述转换单元为惠斯通电桥，所述柔性应变片10通过两端的电极引线101与惠斯通电桥的空桥臂连接，所述惠斯通电桥的输出端连接所述差分放大单元。请一并参阅图8，其为惠斯通电桥的电路图，其包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，所述第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端均连接VCC供电端，所述第一电阻R1的另一端连接第四电阻R4的一端和差分放大单元，所述第二电阻R2的另一端连接第三电阻R3的一端和差分放大单元，所述第四电阻R4的另一端和第三电阻R3的另一端均接地。其中第一电阻R1、第二电阻R2和第四电阻R4为定值电阻，阻值大小均为100欧姆，第三电阻R3桥臂为空桥臂，即连接所述柔性应变片10两端的电极引线101，第三电阻R3的阻值即为柔性应变片10的实时阻值，，当数控机床振动时，振动信号采集装置1随之振动，柔性应变片10的阻值发生明显变化，其两端实时电压为

，其中

为定值电阻，

为电桥两端给定电压，

为仿蝎子缝结构的柔性应变片10的实时电阻。仿蝎子缝结构的柔性应变片10的电阻变化范围较大，静态时阻值为120欧姆，其阻值变化范围可达100~2000欧姆，因此微小的振动也能使其上缝结构发生变化进而导致阻值变化，实现宽范围高灵敏度的振动检测。

进一步地，所述差分放大单元包括运算放大器U1、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5；所述运算放大器U1的第2脚连接第五电阻R5的一端和第六电阻R6的一端，第五电阻R5的另一端连接运算放大器U1的第6脚，所述第六电阻R6的另一端通过第七电阻R7连接第一电容C1的一端，所述第一电容C1的另一端通过第二接口P2连接第二电阻R2的另一端；所述运算放大器U1的第3脚连接通过第八电阻R8接地、还通过第九电阻R9连接第二电容C2的一端，所述第二电容C2的另一端通过第三接口P3连接第一电阻R1的另一端；所述运算放大器U1的第4脚通过第五电容C5接地；所述运算放大器U1的第6脚连接第四电容C4的一端，所述第四电容C4的另一端通过第一接口P1连接数据采集单元，所述运算放大器U1的第7脚连接VDD供电端和第三电容C3的一端，所述第三电容C3的另一端接地，所述运算放大器U1的第2脚和第6脚还通过第十电阻R10连接，其中第十电阻R10为可变电阻，用于调节放大倍数，具体通过运算放大器U1的第2脚和第3脚连接惠斯通电桥的OUT-和OUT+引脚接收两路电压信号，进行差分计算并放大后通过第6脚输出至数据采集单元实现信号输出，从而将柔性应变片10的阻值变化转换为准确的电信号输出，提高振动检测的测量精度。

更进一步地，请一并参阅图10至图19，其为本发明提供的数控机床刀具振动信号检测***中数据采集单元的电路图，所述数据采集单元包括控制器U2、闪存器U3、数据采集器U4、连接器U5、USB接口P4、转接芯片U6和稳压器U7，实现离散信号的采集并将输出待分析数据至分析判断模块3。

如图11所示，所述闪存器U3用于暂存数据，实现数据暂存功能，其中所述闪存器U3的第1脚连接控制器U2的PD7脚、还通过第十二电阻R12连接3.3V供电端，所述闪存器U3的第6脚、第5脚和第2脚分别对应连接控制器U2的PB13脚、PB14脚和PB15脚，所述闪存器U3的第3脚和第7脚连接后通过第十一电阻R11连接3.3V供电端，所述闪存器U3的第8脚通过第六电容C6接地，具体实施时，所述闪存器U3可采用型号为W25Q80B的闪存器U3，所述控制器U2可采用型号为STM32F103ZE的控制器U2，当然在其他实施例中，也可采用其它具有相同功能的闪存器U3和控制器U2，本发明对此不作限定。

如图12和图13所示，所述数据采集器U4用于采集差分放大单元的输出信号并传输给控制器U2，所述连接器U5用于为数据采集器U4提供外部信号输入，其中所述数据采集器U4的第7脚和第8脚相连并连接到控制器U2的PB引脚，所述数据采集器U4的第3脚连接控制器U2的PC13脚，所述数据采集器U4的第17脚、第18脚、第10脚、第14脚、第28脚、第29脚和第30脚分别对应连接控制器U2的PD0脚、PD1脚、PD4脚、PD6脚、PD8脚、PD9脚和PD10脚，所述数据采集器U4的第6脚、第5脚、第4脚、第19脚、第20脚、第21脚、第22脚、第23脚、第24脚、第25脚、第26脚和第27脚分别对应连接控制器U2的PE4脚、PE5脚、PE6脚、PE7脚、PE8脚、PE9脚、PE10脚、PE11脚、PE12脚、PE13脚、PE14脚和PE15脚，所述数据采集器U4的第9脚连接控制器U2的 PF5脚，所述五数据采集器U4的第12脚和第11脚分别对应连接控制器U2的PG6脚和PG9脚。所述连接器U5的第7脚、第6脚、第5脚和第4脚分别对应连接控制器U2的PA0脚、PA1脚、PA2脚和PA3脚，所述连接器U5的第20脚、第19脚、第18脚和第17脚分别对应连接控制器U2的PF6脚、PF7脚、PF8脚和PF9脚，具体实施时，所述数据采集器U4可采用型号为AD7606的数据采集器U4，所述连接器U5采用型号为AMP_20ch的AMP连接器U5，当然在其他实施例中，也可采用其它具有相同功能的数据采集器U4和连接器U5，本发明对此不作限定。

进一步地，如图14所示，所述USB接口P4用于将控制器U2采集并输出的待分析数据传输给分析判断模块3，其中USB接口P4的第2脚和第3脚用于连接分析判断模块3，USB接口P4的左侧悬空引脚用于连接控制器U2的接收发射引脚即RX/TX引脚。

优选地，如图15所示，其为USB转换电路，可将USB信号转换为串口信号，适用于更多的数据传输场景，其中所述转接芯片U6的第3脚连接控制器U2的PA9脚，所述转接芯片U6的第4脚和第16脚连接3.3V供电端，且第4脚还通过第八电容C8接地，第16脚还通过第七电容C7连接第1脚和地；所述转接芯片U6的第5脚和第6脚分别对应连接USB接口P4的第3脚和第2脚，所述转接芯片U6的第7脚连接第九电容C9的一端和第一晶振Y1的一端，所述转接芯片U6的第8脚连接第十电容C10的一端和第一晶振Y1的另一端，所述第九电容C9的另一端和第十电容C10的另一端均接地，所述第一晶振Y1用于为转接芯片U6提供时钟信号，具体实施时，所述转接芯片U6可采用型号为CH340G的转接芯片U6，当然在其他实施例中，也可采用其它具有相同功能的转接芯片U6，本发明对此不作限定。

进一步地，如图16所示，其为电源转换电路，用于将5V电源转换为3.3V电源后为其他芯片和控制器U2稳定供电，其中稳压器U7的第3脚连接5V供电端，且还连接第十一电容C11的正极和第十二电容C12的一端，所述第十一电容C11的负极和第十二电容C12电路另一端均接地，所述稳压器U7的第2脚和第4脚连接3.3V供电端进而输出3.3V电压为其他部分供电，且稳压器U7的第2脚和第4脚均连接第十三电容C13的正极和第十四电容C14的一端，所述第十三电容C13的负极和第十四电容C14的另一端接地，输入端与输出端均通过电容去噪，提高供电电压的稳定性。

更进一步地，如图17、18和19所示，所述数据采集单元还包括为控制器U2提供时钟信号的第二晶振Y2和第三晶振Y3，以及用于实现控制器U2复位的复位电路，其中第二晶振Y2的一端连接控制器U2的第10脚、还通过第十五电容C15接地，第二晶振Y2的另一端连接控制器U2的第11脚、还通过第十六电容C16接地；第三晶振Y3的一端连接控制器U2的第23脚、还通过第十七电容C17接地，第三晶振Y3的另一端连接控制器U2的第24脚、还通过第十八电容C18接地，通过所述第二晶振Y2和第三晶振Y3为控制器U2提供高精度的时钟信号。所述复位电路中，第十三电阻R13的一端连接3.3V供电端，第十三电阻R13的另一端连接复位开关RST的一端和控制器U2的第25脚，还通过第十九电容C19接地，通过与控制器U2的复位引脚连接，在复位开关RST被按下时可实现控制器U2的复位操作，便于在更换检测环境等情况下可进行数据还原操作，得到最新最准确的振动检测数据。

进一步地，本发明提供的数控机床刀具振动信号检测***中，所述分析判断模块3可采用上位机，其包括训练识别单元、分类单元和故障预警单元，所述训练识别单元、分类单元和故障预警单元依次连接，所述训练识别单元还连接所述数据数据采集单元，其中所述训练识别单元用于根据预先采集的训练样本以及预设训练模型生成相应的数据类别；所述分类单元用于根据所述数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类；所述故障预警单元用于在当前待分析数据判断为异常振动数据类别时输出预警信号。本实施例中，通过预先采集一段时间内机床连续工作的数据作为训练样本，记录换到时间、故障时间的振动工况，并且通过预设训练模型对采集到的训练样本进行训练分类，具体可采用SVM算法进行分类，本实施例中将训练样本分为两类并生成对应的数据类别，正常工作时的数据为一类，定义为正常振动数据类别，故障前振动异常变化的数据为一类，定义为异常振动数据类别，后续则通过预设训练模型，根据这两类数据类别对当前采集的新的待分析数据进行判断分类，进而区分新采集到的数据为正常振动数据类别还是异常振动数据类别，当判断为异常振动数据类别时输出预警信号，在故障发生前做出预警，实现对故障预警的功能，避免机床刀具长时间异常工作导致设备损坏，提高了振动检测的智能化程度。

基于上述数控机床刀具振动信号检测***，本发明还相应提供一种数控机床刀具振动信号检测方法，如图20所示，所述数控机床刀具振动信号检测方法包括如下步骤：

S10、由固定于数控机床刀台上的振动信号采集装置检测刀具振动信息并输出相应的检测信号；

S20、对接收到的检测信号进行差分放大处理后输出待分析数据；

S30、根据预先存储的数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类，并在判断为异常振动数据类别时输出预警信号。

所述步骤S30包括步骤：

S301、根据预先采集的训练样本以及预设训练模型生成相应的数据类别；

S302、根据所述数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类；

S303、在当前待分析数据判断为异常振动数据类别时输出预警信号。

由于上文已对所述数控机床刀具振动信号检测***进行了详细介绍，此处不作详述。

综上所述，本发明提供的数控机床刀具振动信号检测***及检测方法中，所述数控机床刀具振动信号检测***包括振动信号采集装置、数据处理模块和分析判断模块；所述振动信号采集装置固定于数控机床刀台上且与数据处理模块电连接，所述振动信号采集装置用于检测刀具振动信息并输出相应的检测信号至数据处理模块；所述数据处理模块还与分析判断模块电连接，用于对接收到的检测信号进行差分放大处理后输出待分析数据至分析判断模块；所述分析判断模块用于根据预先存储的数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类，当判断为异常振动数据类别时输出预警信号。通过封装固定在机床上的刚性振动信号采集装置，非接触式采集机床刀具的运行状态信息，并且基于预先训练识别的数据类别实现对刀具振动信号的故障检测及预警，具有灵敏度高、非接触式检测、测量识别精度高等优点。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种数控机床刀具振动信号检测***，其特征在于，包括振动信号采集装置、数据处理模块和分析判断模块；所述振动信号采集装置固定于数控机床刀台上且与数据处理模块电连接，所述振动信号采集装置用于检测刀具振动信息并输出相应的检测信号至数据处理模块；所述数据处理模块还与分析判断模块电连接，用于对接收到的检测信号进行差分放大处理后输出待分析数据至分析判断模块；所述分析判断模块用于根据预先存储的数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类，当判断为异常振动数据类别时输出预警信号；

所述振动信号采集装置包括固定于数控机床刀台上的保护壳，以及粘贴在所述保护壳内部的表面具有裂纹阵列的柔性应变片，所述柔性应变片的表面还涂覆有导电涂层，所述柔性应变片的两端设置有与所述数据处理模块电连接的电极引线，所述柔性应变片根据刀具振动信息输出实时变化的阻值至数据处理模块；

所述保护壳包括底座和保护外罩，所述底座包括基板，所述基板上设置有支撑架，所述柔性应变片的两端对应粘贴于所述支撑架的两端，所述支撑架的中间部分具有第一凹槽，所述支撑架的四周还设置有与所述保护外罩配合的边框；所述保护外罩的底部设置有第二凹槽，所述保护外罩和底座通过所述边框和第二凹槽装配为一体，所述保护外罩的侧面还设置有通线孔；

所述基板上设置有第一螺丝孔，所述保护外罩上与所述第一螺丝孔对应的位置设置有第二螺丝孔，通过连接件贯穿所述第一螺丝孔和第二螺丝孔后将所述振动信号采集装置固定于数控机床刀台上，以实现非接触式的机床刀具振动信息采集；所述边框和第二凹槽之间，以及所述通线孔内均设置有密封胶。

2.根据权利要求1所述的数控机床刀具振动信号检测***，其特征在于，所述数据处理模块包括转换单元、差分放大单元和数据采集单元；所述转换单元与所述柔性应变片和差分放大单元电连接，用于将柔性应变片的实时变化阻值转换为相应的电压信号后输出至差分放大单元；所述差分放大单元与数据采集单元连接，用于对所述电压信号进行差分计算并放大处理后输出离散信号至数据采集单元；所述数据采集单元还与分析判断模块连接，用于采集所述差分放大单元输出的离散信号后输出待分析数据至分析判断模块。

3.根据权利要求1所述的数控机床刀具振动信号检测***，其特征在于，所述转换单元为惠斯通电桥，所述柔性应变片通过两端的电极引线与惠斯通电桥的空桥臂连接，所述惠斯通电桥的输出端连接所述差分放大单元。

4.根据权利要求1所述的数控机床刀具振动信号检测***，其特征在于，所述分析判断模块包括训练识别单元、分类单元和故障预警单元；所述训练识别单元用于根据预先采集的训练样本以及预设训练模型生成相应的数据类别；所述分类单元用于根据所述数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类；所述故障预警单元用于在当前待分析数据判断为异常振动数据类别时输出预警信号。

5.一种数控机床刀具振动信号检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

由固定于数控机床刀台上的振动信号采集装置检测刀具振动信息并输出相应的检测信号；

对接收到的检测信号进行差分放大处理后输出待分析数据；

根据预先存储的数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类，并在判断为异常振动数据类别时输出预警信号；

所述振动信号采集装置包括固定于数控机床刀台上的保护壳，以及粘贴在所述保护壳内部的表面具有裂纹阵列的柔性应变片，所述柔性应变片的表面还涂覆有导电涂层，所述柔性应变片的两端设置有与数据处理模块电连接的电极引线，所述柔性应变片根据刀具振动信息输出实时变化的阻值至数据处理模块；

所述保护壳包括底座和保护外罩，所述底座包括基板，所述基板上设置有支撑架，所述柔性应变片的两端对应粘贴于所述支撑架的两端，所述支撑架的中间部分具有第一凹槽，所述支撑架的四周还设置有与所述保护外罩配合的边框；所述保护外罩的底部设置有第二凹槽，所述保护外罩和底座通过所述边框和第二凹槽装配为一体，所述保护外罩的侧面还设置有通线孔；

所述基板上设置有第一螺丝孔，所述保护外罩上与所述第一螺丝孔对应的位置设置有第二螺丝孔，通过连接件贯穿所述第一螺丝孔和第二螺丝孔后将所述振动信号采集装置固定于数控机床刀台上，以实现非接触式的机床刀具振动信息采集；所述边框和第二凹槽之间，以及所述通线孔内均设置有密封胶。

6.根据权利要求5所述的数控机床刀具振动信号检测方法，其特征在于，所述根据预先存储的数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类，并在判断为异常振动数据类别时输出预警信号的步骤包括：

根据预先采集的训练样本以及预设训练模型生成相应的数据类别；

根据所述数据类别对当前采集的待分析数据进行判断分类；

在当前待分析数据判断为异常振动数据类别时输出预警信号。

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