基于無(wú)線傳輸?shù)臏y(cè)振刀柄設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

陳奇?zhèn)ィ愇捣迹奕胤迹K川

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)零件尺寸精度、加工表面質(zhì)量以及加工效率提出了更高要求。切削加工中的刀具與工件的相對(duì)振動(dòng)不僅會(huì)降低工件的表面質(zhì)量，而且還會(huì)加劇刀具磨損，對(duì)加工精度和生產(chǎn)成本造成影響[1]。為了保證工件的加工質(zhì)量，實(shí)際加工過(guò)程中常采用降低切削用量的方法，限制了機(jī)床和刀具的切削性能的發(fā)揮和機(jī)械加工生產(chǎn)效率的提高[2]。因此，對(duì)加工過(guò)程中的切削振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控對(duì)提高切削加工精度和加工效率有十分重要的意義。

在銑削加工的振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的加工振動(dòng)檢測(cè)方法一般是在機(jī)床主軸或工件上粘貼加速度傳感器[3]。將加速度傳感器粘貼在機(jī)床主軸上測(cè)量振動(dòng)信息，由于傳感器距離工件-刀具加工區(qū)域距離較遠(yuǎn)，振動(dòng)信號(hào)衰減嚴(yán)重，容易被機(jī)床噪聲覆蓋，難以檢測(cè)到刀具的振動(dòng)信息[4]。而在工件上安裝的加速度傳感器則需要隨著工件更換頻繁拆裝，且傳感器在工件上的安裝位置對(duì)走刀路徑造成影響，不適合工件的高速、大批量加工。因此，需要提出一種更具通用性和實(shí)用性的銑削振動(dòng)檢測(cè)解決方案。

隨著無(wú)線傳輸技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感器技術(shù)在工程制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[5-6]。國(guó)內(nèi)外許多研究者將傳感器集成在刀柄上甚至刀具內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了溫度[7]、切削力[8]、轉(zhuǎn)矩[9]等信號(hào)的直接測(cè)量。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)測(cè)振刀柄的研究還停留在實(shí)驗(yàn)階段，限制測(cè)振刀柄大規(guī)模應(yīng)用的主要原因包括離線供電限制了單次充電后刀柄系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間和刀柄系統(tǒng)動(dòng)平衡無(wú)法滿足銑削加工需求等。

本文設(shè)計(jì)了具有振動(dòng)檢測(cè)功能的低功耗智能刀柄系統(tǒng)，提出了測(cè)振刀柄動(dòng)平衡問(wèn)題的解決方案，實(shí)現(xiàn)了刀柄銑削加工振動(dòng)信號(hào)在線檢測(cè)和無(wú)線傳輸。刀柄系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，使用BT30刀柄進(jìn)行改裝，也適用于不同型號(hào)的銑刀以及機(jī)床主軸的銑削振動(dòng)檢測(cè)。因此測(cè)振刀柄具有通用性和重復(fù)利用性，對(duì)提高機(jī)械加工效率和零件加工表面質(zhì)量有重要作用。

1 智能刀柄方案設(shè)計(jì)

由于刀柄跟隨機(jī)床主軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用信號(hào)線將傳感器與數(shù)據(jù)采集卡連接，使用PC進(jìn)行信號(hào)采集的方法并不適用。因此需要將嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳感器集成到刀柄中，上位機(jī)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)對(duì)下位機(jī)振動(dòng)信號(hào)的采集工作進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)刀具振動(dòng)信號(hào)的無(wú)線監(jiān)測(cè)。刀柄系統(tǒng)通過(guò)鋰電池離線供電，為了滿足測(cè)振刀柄系統(tǒng)重復(fù)使用的要求，需要對(duì)外提供充電接口。由于刀柄系統(tǒng)的體積受到刀柄尺寸和加工環(huán)境的限制，供電電池容量也相應(yīng)受到限制。為了提高刀柄系統(tǒng)單次充電的續(xù)航能力，需要對(duì)刀柄系統(tǒng)進(jìn)行功耗控制。除了硬件方面選用低功耗的電子元件之外，在軟件方面，需要設(shè)計(jì)低功耗睡眠功能，減少刀柄系統(tǒng)非工作時(shí)間的功耗。

為了保證刀柄系統(tǒng)的剛度，智能刀柄系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中選用在BT30刀柄上加裝一體化嵌入式系統(tǒng)模塊的方法，避免對(duì)刀柄本身結(jié)構(gòu)造成破壞。嵌入式系統(tǒng)使用有較高機(jī)械強(qiáng)度和剛性的POM材料作為電路安裝盒，四周均勻分布8個(gè)螺栓孔，通過(guò)調(diào)節(jié)平衡螺栓來(lái)修正刀柄系統(tǒng)的剩余不平衡量。電路安裝盒的四面留有4個(gè)安裝槽，分別安裝傳感器驅(qū)動(dòng)電路以及電源調(diào)理電路、具有無(wú)線傳輸功能的嵌入式處理器模塊、鋰電池組等，測(cè)振刀柄實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 測(cè)振刀柄實(shí)物圖

2 智能刀柄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 刀柄硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能測(cè)振刀柄硬件系統(tǒng)組成包括：作為微控制器和無(wú)線傳輸模塊的低功耗Wi-Fi芯片ESP8266，電源調(diào)理模塊，具有ADC轉(zhuǎn)換功能的ADXL345加速度傳感器模塊。系統(tǒng)硬件組成圖如圖2所示。

圖2 測(cè)振刀柄硬件組成

ESP8266是某公司生產(chǎn)的低功耗、高集成度Wi-Fi芯片，內(nèi)置Tensilica L106 32-bit RISC處理器，CPU時(shí)鐘速度最高可達(dá)160MHz，支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和Wi-Fi協(xié)議棧，可將高達(dá)80%的處理能力留給編程開(kāi)發(fā)。ESP8266有Modem-sleep、Light-sleep、Deep-sleep 3種省電模式，工作溫度范圍達(dá)到-40℃～+125℃，適合作為微控制器和Wi-Fi模塊應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中。

ADXL345是一款體積很小的超低功耗3軸加速度傳感器芯片，A/D轉(zhuǎn)換精度為13位精度，加速度測(cè)量范圍達(dá)±16gm/s2，內(nèi)置轉(zhuǎn)換速度為3kHz的ADC模塊簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，通過(guò)I2C或SPI接口可以方便地與控制器直接連接，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)讀取。

為了降低系統(tǒng)功耗，充分利用芯片性能，本系統(tǒng)以ESP8266作為加速度信號(hào)采集的主要控制芯片和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)腤i-Fi通信芯片。測(cè)振刀柄用于低主軸轉(zhuǎn)速下的加工振動(dòng)檢測(cè)，振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)量相對(duì)較小，而且由于刀柄體積的限制，電路板布局需要盡量緊湊，本文選用了通信速率較低但接口較為簡(jiǎn)單的I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。使用ESP8266的GPIO口模擬I2C接口，移植I2C接口驅(qū)動(dòng)和傳感器驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)傳感器初始化配置和加速度信號(hào)讀取。

刀柄系統(tǒng)為旋轉(zhuǎn)部件，無(wú)法實(shí)現(xiàn)接觸式在線供電，因此選用7.4V鋰電池(2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)3.7V鋰電池串聯(lián))對(duì)ESP8266進(jìn)行供電；選用了低功耗開(kāi)關(guān)電源芯片LM2596對(duì)鋰電池電源進(jìn)行降壓，將穩(wěn)定的5 V直流電壓提供給負(fù)責(zé)采集和信號(hào)傳輸?shù)腅SP8266模塊。為了節(jié)省電路板空間，將電源調(diào)理電路與傳感器芯片驅(qū)動(dòng)電路集成在一塊電路板上。

2.2 刀柄軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

刀柄系統(tǒng)(下位機(jī))上電后首先完成ADC芯片初始化配置、Wi-Fi自動(dòng)連接以及服務(wù)器創(chuàng)建，等待上位機(jī)(PC機(jī))連接以及控制命令。下位機(jī)軟件通過(guò)建立TCP服務(wù)器的方式對(duì)外提供通信，在同一局域網(wǎng)中的PC機(jī)都可通過(guò)。通過(guò)向刀柄系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)請(qǐng)求命令來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)振刀柄的數(shù)據(jù)采集和傳輸控制、低功耗/工作模式切換、下位機(jī)重啟等操作。

使用ESP8266提供的睡眠模式可以減少芯片功耗，有效提高系統(tǒng)單次充電后的續(xù)航時(shí)間。ESP8266提供3種睡眠模式，分別是Modem-sleep、Light-sleep、Deep-sleep，其特性比較如表1所示。

在不需要檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)時(shí)，上位機(jī)可發(fā)送控制消息使刀柄系統(tǒng)進(jìn)入Light-sleep模式，將CPU暫停，并以30s為周期通過(guò)定時(shí)器自動(dòng)喚醒，在下位機(jī)的喚醒回調(diào)函數(shù)中響應(yīng)上位機(jī)的狀態(tài)控制命令，判斷是否開(kāi)始采集振動(dòng)信號(hào)，軟件流程如圖3所示。

表1 睡眠模式特性

圖3 下位機(jī)軟件流程

3 智能刀柄監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

本文以PC機(jī)作為上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件使用Qt編寫(xiě)界面，使用socket網(wǎng)絡(luò)編程與智能測(cè)振刀柄的TCP服務(wù)器進(jìn)行通信。為了實(shí)現(xiàn)大量振動(dòng)數(shù)據(jù)的還原和后續(xù)處理，上位機(jī)軟件調(diào)用MATLAB信號(hào)處理函數(shù)對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理和分析。上位機(jī)監(jiān)控軟件由采集控制模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊以及振動(dòng)信號(hào)分析模塊組成。

上位機(jī)將Socket與TCP服務(wù)器的IP地址和開(kāi)放的端口號(hào)綁定，通過(guò)對(duì)Socket的讀寫(xiě)實(shí)現(xiàn)與測(cè)振刀柄系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)傳輸，上位機(jī)通過(guò)發(fā)送采集控制命令以及系統(tǒng)休眠命令控制智能刀柄系統(tǒng)的工作。采集命令發(fā)送完成后，刀柄系統(tǒng)會(huì)通過(guò)TCP服務(wù)器將振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，并在監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示。

由于刀具切削過(guò)程的復(fù)雜性與切削現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾，使銑削加工振動(dòng)信號(hào)總是夾雜著噪聲。加工振動(dòng)信號(hào)屬于非平穩(wěn)信號(hào)，時(shí)頻域去噪算法的濾波效果并不理想，考慮到小波閾值去噪算法的計(jì)算速率較快且去噪效果較好的特點(diǎn)，本文通過(guò)Qt調(diào)用MATLAB小波分析工具箱，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了閾值去噪處理。

為了更加直觀地觀察銑削加工振動(dòng)情況，需要對(duì)振動(dòng)信號(hào)特征進(jìn)行提取和分析。常用的信號(hào)分析方法包括時(shí)域、頻域信號(hào)特征提取，小波分析等。本文采用時(shí)域分析中的均方根值來(lái)反映振動(dòng)信號(hào)的能量特征。通過(guò)小波包分析提取振動(dòng)信號(hào)的小波包頻帶能量分布情況，從中可以較直觀地看出振動(dòng)信號(hào)的能量分布情況。

4 智能刀柄性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在動(dòng)平衡儀的工具參數(shù)編輯界面輸入希望達(dá)到的平衡質(zhì)量等級(jí)，設(shè)定目標(biāo)銑削加工的表面粗糙度Ra為3.2，機(jī)床主軸最大轉(zhuǎn)速為2500r/min，刀柄質(zhì)量2.5kg，則測(cè)振刀柄的許用剩余不平衡量U為15.8g·mm。經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡調(diào)節(jié)后，測(cè)振刀柄的剩余不平衡量為2.9g·mm，滿足銑削半精加工的許用剩余不平衡量要求。

為了驗(yàn)證刀柄系統(tǒng)的振動(dòng)檢測(cè)性能，本文設(shè)計(jì)了銑削加工振動(dòng)檢測(cè)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在工件上粘貼加速度傳感器，使用測(cè)振刀柄進(jìn)行銑削加工，同時(shí)對(duì)加工振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，將加速度傳感器與測(cè)振刀柄采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖4。試驗(yàn)所用機(jī)床為某公司的立銑床(型號(hào)XK-L540，最高轉(zhuǎn)速30000r/min)，試驗(yàn)加工材料為鋁合金，工件尺寸為170mm×130mm×50mm，銑刀直徑為10mm。加速度傳感器粘貼在工件表面，距離銑削加工區(qū)域80mm。機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速1000r/min，切削深度為1mm，進(jìn)給速度400mm/min。

圖4 銑削振動(dòng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

傳統(tǒng)測(cè)振方式以及使用智能刀柄測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)如圖5所示。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知傳統(tǒng)方式測(cè)得的加速度信號(hào)均方差為0.13820g，測(cè)振刀柄的加速度信號(hào)均方差為0.23141g。

圖5 兩種方式測(cè)得的加工振動(dòng)

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了銑削加工振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，并提出了將無(wú)線傳感器應(yīng)用于機(jī)床刀柄系統(tǒng)中的無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案，完成了刀柄系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、下位機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)以及上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件的開(kāi)發(fā)，并提出了測(cè)振刀柄系統(tǒng)的動(dòng)平衡解決方案。刀柄系統(tǒng)剩余不平衡量為2.9g·mm，可滿足主軸轉(zhuǎn)速2500r/min以下的銑削半精加工需求。經(jīng)過(guò)銑削加工振動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)，得出了以下結(jié)論：

1) 測(cè)振刀柄最高轉(zhuǎn)速可達(dá)2500r/min，可以滿足中、低轉(zhuǎn)速下銑削半精加工的需求，測(cè)振刀柄可對(duì)一般銑削加工中的振動(dòng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

2) 在工件上粘貼加速度傳感器的傳統(tǒng)方式測(cè)得的加速度信號(hào)均方差為0.13820g；而測(cè)振刀柄得到的加速度信號(hào)均方差為0.23141g，較傳統(tǒng)測(cè)量方式的結(jié)果增加67%。可見(jiàn)測(cè)振刀柄對(duì)振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)能力更強(qiáng)。