[发明专利]一种超声切削主轴状态监测系统的监测方法

权利要求书

1.一种超声切削主轴状态监测系统，包括PCM-3362N-S6A1E主板、PCH2155数据采集卡、10.4SVGA TFT LCD显示屏和传感器；主板与PCH2155数据采集卡之间通过PCI104总线连接，即通过120针2mm孔堆栈插座连接；10.4SVGA TFT LCD显示屏驱动单元通过VGA接口与主版相连来驱动触摸屏，传感器与采集卡之间用杜邦线连接，传感器采集到主轴系统的电压、电流、温度信号，经过数据采集卡进行A/D转换，然后将数据传送到PCM-3362N-S6A1E主板，主板再通过VGA接口将数据传送到10.4寸显示屏。

2.如权利要求1所述的一种超声切削主轴状态监测系统的监测方法，其特征在于：

步骤一：数据采集卡校准：安装好采集卡PCH2155，打开电源，预热15分钟后对其进行零点校准和满度调节；

步骤二：数据采集：将电压、电流传感器分别接在超声切削主轴系统的超声发生器的输出导线上，第一接触式温度传感器固定于变幅杆所位于的法兰处，第二接触式温度传感器用螺栓固定于发生器内部的功率管处，非接触式温度传感器的感应接头正对换能器的外侧面，非接触式温度传感器的感应接头与换能器的外侧面水平距离为8-10cm；打开超声发生器的电源开关，设置发生器的工作频率在20KHZ，点击启动，使超声切削主轴系统处于工作状态；待主轴系统工作1—2分钟后开始利用传感器采集温度、电压、电流相关数据；

步骤三：A/D转换；传感器将采集到的温度、电压、电流数据以电压量的形式传送到数据采集卡PCH2155.采集卡接收到数据后进行A/D转换；

步骤四：将转换后的数据传送到主板PCM3362；

步骤五：数据处理；PCM3362主板对传送过来的温度数据，首先进行滤波，然后利用公式T＝t/0.01进行计算，t表示传感器传送给主板的温度值，得到主轴系统工作中监测点的温度真值T；对传送过来的电流电压数据，利用正交相关变换，计算得到阻抗角；正交相关变换计算得到阻抗角的步骤具体如下：

(1)首先在τ＝0和τ＝1条件下实时获取变化后的信号频率f₁，τ表示时间常数：

(2)通过变化后的信号频率f₁计算角度偏差α

   ①

其中，f₁是步骤一中获取的频率，f_s为采样频率，温度的采样频率为2HZ，电压电流的采样频率为100KHZ，N₀为正整数；

(3)修正u₁(t)与u₂(t)互为正交相关

换能器电压数字量和电流数字量分别做时间常数等于0和1的相关计算，其运算结果如下公式:

Riu1(0)=UI2cos(θU-θI)]]>   ②

Riu1(1)=UI2cos(2πf1fsθU-θI)]]>   ③

所引入的与换能器电压成正交关系的换能器电压数字量与电流数字量做时间常数等于0的相关计算，考虑到信号与白噪声之间的非相关性，其运算结果如下公式：

Riu2(0)=UI2sin(θU-θI+α)]]>   ④

其中，u₁(t)为换能器的电压，相位角为θ_U，i(t)为换能器的电流，相位角为θ_I，u₂(t)为u₁(t)向右平移90°所得，相位角为θ₂,其中θ_U-θ₂＝90°；U为换能器的峰值电压、I为换能器的峰值电流；

根据公式⑤可以求得偏移后的换能器电压、电流的频率，从而可以求得公式①中的角度偏差α；

f1=arccos(2Riu1(1)UI)-arccos(2Riu1(0)UI)2π×fs]]>   ⑤

(4)计算得到换能器阻抗角θ

由方程②和④得：

Riu2(0)Riu1(0)=tan(θU-θI)cosα+sinα]]>   ⑥

由式⑥得：

θ=θU-θI=arctan(Riu2(0)Riu1(0)-sinαcosα)]]>   ⑦

步骤六：加载主界面；数据处理完之后，加载主界面；主界面的显示是在10.4寸TFT LCD显示屏上；

步骤七：加载主轴监测界面；在主轴监测界面里面，有数值显示模块来显示采集、处理后的功率管温度、换能器温度、节点温度和阻抗角；

步骤八：实时曲线显示，判别主轴状态；

加载实时曲线显示界面，将步骤七中的数值显示模块显示监测点的真实数据在实时曲线显示界面内自动生成实时曲线；实时曲线显示界面内设置有功率管温度阈值、换能器温度阈值、节点温度阈值、发生器的输出电压阈值和输出电流阈值；超出所设置的阈值，则在曲线上会出现较大的跳动，此时监测系统发出声、光报警；实时曲线反应了主轴系统是否发生了故障。