Система прогнозирования состояния режущих инструментов

 

Изобретение относится к обработке резанием и может быть использовано для управления процессом резания на металлообрабатывающих станках с ЧПУ, универсальных станках и автоматических линиях. Цель изобретения - повышение точности и надежности прогноза за счет повышения чувствительности к определению износа и аварийных состояний. Для этого система снабжена широкополосным логарифмическим усилителем, соединенным с i-параллельными полосовыми фильтрами, которые тремя ветвями подключены к блокам переработки информации. Первая ветвь, двухканальная, содержит квадратичный детектор, дифференцирующие и интегрирующие звенья, которые соединены с устройством сравнения с многоуровневым компаратором , а выход компаратора подключен к одному из входных регистров микропроцессора . Параллельная ветвь интегрирующих звеньев подключена к двум одноуровневым компараторам, выходы которых подключены к схеме совпадения. Выход схемы совпадения соединен с входным регистром микропроцессора, а одно интегрирующее звено подключено к устройству сравнения с многоуровневым компаратором и параллельно к пиковому детектору, который соединен с ячейкой памяти. Ячейка памяти с устройством сравнения с многоуровневым компаратором подключена к следующему входному регистру микропроцессора. Одновременно второй выход пикового детектора подключен к индикатору экстремума. Один выход которого замкнут на ячейку памяти, а второй выход индикатора экстремума подключен к второй ячейке памяти (в смежной ветви). Третий выход индикатора экстремума подключен к входному регистру микропроцессора , в то время как во второй i-канальной ветви фильтры соединены с блоками получения спектральной плотности - мощности сигнала, выходы которых перекрестно-попарно подключены к устройствам сравнения с многоуровневым компаратором, которые подключены к входным регистрам микропроцессора, В одном из каналов данной ветви блок определения спектральной плотности соединен с устройством сравнения с многоуровневым компаратором и параллельно с ячейкой памяти, соединенной с индикатором экстремума, которая подключена к компаратору, подключенному к микропроцессору. Третья вспомогательная, ветвь тремя каналами подключена к блоку касания, содержащему в каждой ветви масштабный усилитель, два параллельных компаратора и один инвертор , а сам блок шестью выходами подключен к одному из входных регистров микропроцессора, в котором выделены также один выходной регистр для выдачи (согласно программе) сигналов управления во внешние устройства, один входной регистр для восприятия контрольных сигналов от внешних устройств. Два выходных регистра для сброса содержимого ячеек памяти и (i+4) (Л С VI со Jb SQ ел 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК. Ы 1734958 А1 (я)5 В 23 В 25/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

10 92

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 ЧЬЯ,>ф (54) СИСТЕМА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ Ы

О Щ

Q0 (21) 3831491/08 (22) 20,12.84 (46) 23.05.92. Бюл. N.. 19 (71) Киевский политехнический институт им.50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) В,B.ÊîêàðoBöåâ, В.А.Остафьев, Ю.Н,Камаев, К.Г.Махмудов, B,È,Íàóìåíêî и Ю,И.Воскобойник (53) 621.91 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 986615, кл. В 23 В 25/00, 1981, (57) Изобретение относится к обработке резанием и может быть использовано для управления процессом резания на металлообрабатывающих станках с ЧПУ, универсальных станках и автоматических линиях, Цель изобретения — повышение точности и надежности прогноза за счет повышения чувствительности к определению износа и аварийных состояний. Для этого .система снабжена широкополосным логарифмическим усилителем, соединенным с i-параллельными полосовыми фильтрами, которые тремя ветвями подключены к блокам переработки информации. Первая ветвь, двухканальная, содержит квадратичный детектор, дифференцирующие и интегрирующие звенья, которые соединены с устройством сравнения с многоуровневым компаратором, а выход компаратора подключен к одному из входных регистров микропроцессора. Параллельная ветвь интегрирующих звеньев подключена к двум одноуровневым компараторам, выходы которых подключены к схеме совпадения. Выход схемы совпадения соединен с входным регистром микропроцессора, а одно интегрирующее звено подключено к устройству сравнения с многоуровневым компаратором и параллельно к пиковому детектору, который соединен с ячейкой памяти, Ячейка памяти с устройством сравнения с многоуровневым компаратором подключена к следующему входному регистру микропроцессора, Одновременно второй выход пикового детектора подключен к индикатору экстремума. Один выход которого замкнут на ячейку памяти, а второй выход индикатора экстремума подключен к второй ячейке памяти (в смежной ветви), Третий выход индикатора экстремума подключен к входному регистру микропроцессора, в то время как во второй -канальной ветви фильтры соединены с блоками получения спектральной плотности — мощности сигнала, выходы которых перекрестно-попарно подключены к устройствам сравнения с многоуровневым компаратором, которые подключены к входным регистрам микропроцессора, В одном из каналов данной ветви блок определения спектральной плотности соединен с устройством сравнения с многоуровневым компаратором и параллельно с ячейкой памяти, соединенной с индикатором экстремума, которая подключена к компаратору, подключенному к микропроцессору, Третья вспомогательная, ветвь тремя каналами подключена к блоку касания, содержащему в каждой ветви масштабный усилитель, два параллельных компаратора и один инвертор, а сам блок шестью выходами подключен к одному из входных регистров микропроцессора, в котором. выделены также один выходной регистр для выдачи (согласно программе) сигналов управления во внешние устройства, один входной регистр для восприятия контрольных сигналов от внешних устройств. Два выходных регистра для сброса содержимого ячеек памяти и (i+4) 1734958.

50 выходных регистра подключены к цифроаналоговым преобразователям (ЦАП), котоИзобретение относится к обработке резанием и может быть использовано для управления процессом резания на металлообрабатывающих станках с ЧПУ, универсальных станках и автоматических линиях, Цель изобретения — повышение точности и надежности прогноза за счет повышения чувствительности к определению износа и аварийных состояний.

Ка фиг. 1 представлена блок-схема системы прогнозирования состояния режущих инструментов, на фиг. 2 — блок касания; на фиг. 3 — многоуровневый компаратор.

Система прогнозирования состояния режущих инструментов и процесса резания состоит из стандартного пьезоакселерометра 1, устанавливаемого в заданной точке системы СПИД, выход которого подключен к последовательно соединенным между собой предварительному усилителю 2 с большим входным сопротивлением и логарифмическому широкополосному усилителю 3. В качестве первого можно использовать предварительные усилители эмиттерного или истокового повторителя с использованием полевых транзисторов, Выход усилителя 3 подключен на ряд параллельно соединенных полосовых фильтров

4>, 4г,...,4ь Выходы полосовых фильтров 4, 42,...,4i параллельно подсоединены к специальному блоку 5 касания и к блокам 6>, 62,...,6 выделения спектральной плотности.

Каждый канал блока 5 касания содержит масштабный усилитель 1, параллельно включенные пороговые устройства 2 и 3 и инвертор 4. Выходы блока касания подключены к микропроцессору 7. Блок выделения спектральной плотности сигнала состоит из последовательно включенного квадратичного детектора и интегрирующего звена на операционном усилителе, Выходы блоков

61,62,...,6i перекрестно подключены к устройствам 81,82,.Д,8 сравнения с многоуровневым компаратором.

Выходы устройств 8 сравнения с многоуровневым компаратором подключены к микропроцессору 7, Второй вход первого устройства 8 сравнения подсоединен к выходу ячейки 9 памяти. Ячейка памяти представляет собой стандартную схему выборки хранения. Первый вход ячейки 9 памяти рые соединены с компараторами для автоматической настройки порогов. 3 ил. подключен к выходу блока 6 выделения спектральной плотности, второй — к микропроцессору 7. Одновременно выходы первого и второго фильтров подключены к последовательно соединенным между собой квадратичным детектором 10> и 10, дифференцирующим звеньям 11 и 11г и интегрирующим звеньям 121 и 122. Выходы интегрирующих звеньев 121 и 122 подкл ючены к устройству сравнения с многоуровневым компаратором 13, выходы которого подключены к микропроцессору 7. Одновременно выходы интегрирующих. звеньев

121 и 122 подключены к одноуровневым стандартным компараторам 14 и 14г, выходы которых подключены к стандартному блоку сравнения.

Выход устройства 15 сравнения подключен к микропроцессору 7, Выход интегрирующего звена 122 параллельно подключен к пиковому детектору 16 и к устройству сравнения с многоуровневым компаратором 17, выходы которых подключены к микропроцессору 7. Второй вход устройства сравнения с многоуровневым компаратором 17 подсоединен к выходу ячейки 18 памяти, первый вход которой подключен к микропроцессору 7, второй вход — к выходу пикового детектора 16, а третий вход — к выходу индикатора 19 экстремума.

Второй выход индикатора 19 экстремума подключен к входу ячейки 9 памяти, а третий — к микропроцессору 7. Выходные регистры микропроцессора подключены к (i+4) цифроаналоговым преобразователям (ЦАП), представляющим собой стандартные устройства преобразования цифрового кода в пропорциональные ему значения аналогового напряжения. Выходы ЦАП подключены к компараторам для адаптивной настройки по программе пороговых уровней, (1+4) выходных регистра микропроцессора 7 — к соответствующим ЦАП 20>, 202,.„,20н4. Каждый ЦАП имеет выход П1, П2,...,П +4 соответственно, для которых в компараторах предусмотрены соответствующие им входы, В микропроцессоре 7 также предусмотрен один свободный вход для контрольных сигналов и один свободный выход для выдачи управляющих сигналов, 1734958

Система работает следующим образом.

Отклик системы СПИД на виброакустический сигнал. $ (со) измеряется в помощью акселерометра 1, выход которого подсоединен к предварительному усилителю 2 с большим входным сопротивлением. Полученный сигнал усиливается логарифмическим усилителем 3 и поступает на ряд полосовых фильтров 41,...,4ь выделяющих наиболее информативные полосы частотного спектра. Для выделения по двум каналам модуляционных сигналов используются сигналы фильтров 41 и 4z, которые подключены к последовательно включенным квадратичным детекторам 10> и 10z, дифференцирующие звенья 11> и 11г, интегрирующие звенья 12 и 12z, выходы которых подсоединены к устройству сравнения с многоуровневым компаратором 13, для определения отношения уровня модуляции в этих каналах.

Сигналы е>, ez, ез, нормализованные .по напряжению, выведены на микропроцессор 7. С микропроцессора 7 сигналы П1, П2...,Пн4 через ЦАП подаются для настройки уровней компараторов. Одновременно модуляционные сигналы с выходов 12, 12z поступают на одноуровневые компараторы

14>, 14z, где сравниваются с опорным напряжением Пн-1, fli+z, задаваемым ЦАП 20н-1 и 20н . Нормированные по уровню сигналы компараторов 14> и 142 сравниваются в устройстве 15 сравнения. При наличии сигнала логической единицы на входе устройства

15 сравнения на выходе появляется сигнал

L, сигнализирующий о наличии автоколебания.

Огибающая модуляционного сигнала со звена 12z поступает на пиковый детектор

16, а с него — на ячейку 18 памяти, фиксирующую максимальное значение амплитуды модуляционного сигнала при переходном процессе. Выход пикового детектора 16 подключен к индикатору 19 экстремума, где определяется разность текущего значения сигнала и значения максимума амплитуды, зафиксированного с помощью пикового детектора 16. В момент наступления максимума индикатор 19 экстремума формирует логическую единицу. С индикатора 19 экстремума сигнал наступления максимума поступает на микропроцессор 7 и на ячейку 18 памяти. В ячейке 18 памяти в момент наступления максимума запоминается амплитуда сигнала при врезании острого инструмента в заготовку. Сброс сигнала ь ячейке 18 памяти осуществляется микропроцессором.

Текущие значения огибающей с блока

12z и с ячейки 18 памяти поступают на уст5

50 ройство сравнения с многоуровневым компаратором 17, где сравниваются между собой в масштабе Пн4 задаваемым ЦАП 20+ц.

С устройства 17 нормированные сигналы, соответствующие определенным стадиям параллельного износа и аварийным состояниям à>,...,а поступают на микропроцессор

7. По сигналу индикатора 19 экстремума осуществляется также фиксация в ячейке 9 памяти спектральной плотности сигнала острого инструмента, полученного блоком 6> (квадрирование и интегрирование), и текущие сигналы с блока 6> с ячейки 9 памяти поступают на устройство 81 сравнения с многоуровневым компаратором 8, а с него дискретные сигналы g>, gz, 9з поступают на микропроцессор 7.

Сброс аналоговой ячейки 9 памяти осуществляется микропроцессором 7 с помощью сигнала Cz. Помимо сравнения текущего значения спектральной плотности с значением, соответствующим острому инструменту, осуществляется перекрестное сравнение спектральных плотностей по различным каналам с фильтрами 4>...Д4 с помощью устройства 8 „„,8 сравнения.

Дискретные сигналы $1,...,$к, f>,...дк с устройств сравнения поступают на микропроцессор через ЦАП 20>,...,20+4.

Автоматизация процесса обработки дискретных сигналов, поступающих на микропроцессор, осуществляется с помощью трехканального блока 5 касания, на вход которого поступают сигналы Ф „...Ф и с которого на вход микропроцессора поступают сигналы К,...,Ке.

Следует отметить, что только применение микропроцессора для обработки информации и принятие решения для такой аналого-дискретной схемы обработки сигнала, возможности перепрограммирования, для решения различных по сложности и назначению задач, позволяет создать универсальное измерительное устройство для прогнозирования состояния инструмента и процесса резания на основе виброакустического сигнала, позволяющее создать контур обратной связи для управления процессом резания металлов, как на станках с ЧПУ типа

CNC и жесткими интерполяторами, так и для универсальных станков и автоматических линий. Причем микропроцессор должен воспринимать ряд внешних контрольных сигналов (КС), например, разрешающих производить работу и т.д. Для этой цели может быть использован любой серийный микропроцессор (микроконтроллер), имеющий достаточное количество входных регистров, на которые поступают слова в виде логических единиц и нулей и с которого во

1734958 внешние устройства подаются дискретные сигналы управления.

В соответствии с программой управления процессом резания в реальном масштабе времени система работает следующим образом.

Ожидается внешний КС, при появлении

КС выдаются значения порогов Пн-4 и осуществляется переход в режим ожидания

К,...,К6 = 1, при появлении K>,...,Ко происходит переход в режим ожидания (окончание переходного процесса и выдача сигнала

"Касание".

При = 0 и g< = 1 осуществляется циклический опрос всех видов входов с частотой

10 кГц или дискретой времени Лt = 0,1 mS.

Общее время опроса для двадцати входов составит 2mS. При этом соблюдается определенная последовательность опроса сигналов, например: 1(КС); 2/K1,...,К6; 3/Ь:

4/gl, 5/бв...„бз: 6!Яг,...,g4; 7/ &,".,Зз;

8/f,...,fa; 9/ei,...,ез, и при прохождении всей или части цепочки (в зависимости от необходимости) принимается решение и выдаются команды и контрольные сигналы.

При исчезновении сигнала КС система переводится в исходное состояние, осуществляется сброс ячеек памяти С1, Cz; при исчезновении сигнала К,...,Ке система переходит в режим ожидания и выдает сигнал

"Потеря касания", а при их появлении возобновляется циклический опрос. При появлении сигнала de=1, соответствующего аварийному состоянию, прекращается циклический опрос и включается счетчик количества времени, .в течение которого наблюдается превышение уровня компаратора, и при длительности пребывания сигнала выше заданного уровня Ncs > Йзад, Tnp = Изад At, где Tnp — время пребывания сигнала выше заданного уровня, выдается сигнал на прекращение процесса резания, отвод инструмента и выдача контрольного сигнала "Аварийное состояние". При Ncq < Язв опрашивается вход

d4 в течение определенного базового времени, определяется суммарное время пребы-. вания выше данного уровня и на основании его отношения к базовому времени принимается решение о предельном износе и о возобновлении циклического опроса входов. При отсутствии предельного износа осуществляется опрос каналов перекрестной связи блоков 20 „...20н4, на основании чего определяется текущий износ. Блок 13 опрашивается в последнюю очередь. его значения соответствуют большим значениям износа инструмента.

Формула изобретения

Система прогнозирования состояния режущих инструментов и процесса резания, содержащая последовательно соединенные пьезоакселерометр, усилитель, параллельные полосовые фильтры и блок переработки информации, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности и надежности прогноза, система снабжена широкополосным логарифмическим усилителем, а блок переработки информации выполнен состоящим из микропроцессора и трех параллельных ветвей, первая из них, двухканальная, для обработки модуляционной составляющей виброакустического сигнала зоны резания содержит в каждом канале последовательно включенные квадратичный детектор, дифференцирующие и интегрирующие звенья, которые соединены с первым устройством сравнения с многоуровневым компаратором, выход которого подключен к одному из входных регистров микропроцессора, при этом выходы интегрирующих звеньев подключены к двум одноуровневым компараторам, выходы которых подключены к схеме совпадения, соединенной своим выходом с другим входным регистром микропроцессора для фиксации наличия автоколебаний, и выход одного из интегрирующих звеньев подключен к второму устройству сравнения многоуровневым компаратором, индикатору экстремума и пиковому детектору, который через первую ячейку памяти соединен с вторым входом второго устройства сравнения с многоуровневым компаратором, второй выход пикового детектора подключен к второму входу индикатора экстремума, один выход которого соединен с вторым входом первой ячейки памяти, а другой подключен к регистру фиксации максимума сигнала, во второй i-канальной ветви для обработки интегральной составляющей виброакустического сигнала фильтры соединены параллельно с блоками получения спектральной плотности сигнала, выходы которых перекрестно-попарно подключены к дополнительным устройствам сравнения с многоуровневыми компараторами, которые своими выходами подключены к отдельному регистру микропроцессора, а в одном из каналов данной ветви блок определения спектральной плотности соединен параллельно с второй ячейкой памяти, соединенной одним входом с индикатором экстремума, а другим — с входом микропроцессора, и подключен выходом к дополнительному устройству сравнения с многоуровневым компаратором данного канала, подключенному к микропроцессору, и, 1734958 г.1 в третьей, вспомогательной, ветви выходы полосовых фильтров подключены к блоку касания, содержащему в каждом канале масштабный усилитель, соединенный с двумя параллельными компараторами, один из которых соединен с инвертором, а выходы блока касания подключены к входному регистру микропроцессора для контроля наличия касания, а в микропроцессоре выделены два выходных регистра для сброса содержимого ячеек памяти, а (+4) выходных регист5 ра подключены через цифроаналоговые преобразователи к компараторам для автоматической настройки порогов.

ЗпР06лЯюи40е сигналБ

1734958

Составитель А. Семенова

Редактор О. Хрипта Техред М.Моргентал Корректор Т. Палии

Заказ 1773 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101