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摘要：设计了一种应用于低速或中速运转时的数控机床刀具振动无线监测系统。通过ZigBee模块建立无线传感器网络，将加工过程中机床主轴的振动信号发送到远端PC机上的无线接收模块。
关键词：振动监测；数控机床；ZigBee
中图分类号：TG659 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 09-0000-01
The Design of Machine Cutting Tools System Based on Programming
Cao Dan,Wang Chen,Fang Zhongqiu
(Shenyang First Machine Tool Factory,Shenyang110142,China)
Abstract:The paper designs a digital machine cutting tools viberating wireless monitoring system based on low or middle speed operation.Through ZigBeed mode,the paper sets up wireless tranmission network and transmit the viberating signals to wireless receiving mode on the far end of PC.
Keywords:Vibrating monitoring;Digital machine;ZigBee
刀具磨损伴随着加工过程，其磨损状态势必影响着机械加工的精度、效率及经济效益。因此开展对刀具磨损的实时监测系统是实现柔性制造系统的必然趋势。刀具实时监测系统的具体实现过程是现场传感器将监测到的振动、声发射等信号通过电荷放大器、滤波器后输入到A／D转换器，然后送到PC机上进行显示，最后进行特征提取和模态分析。而传感器和PC之间还是通过现场总线等布线方式实现连接。在实现远程监测的时候需要布置大量传感线路。为了更好的实现远距离监测，进行数控机床刀具振动无线监测系统的研究对开展绿色制造和柔性制造具有重大意义。
一、切削振动过程分析
刀具切削时，刀具磨损必定影响到刀杆系统振动参数的变化。为了对振动模型进行分析，可将主轴和刀具看做一整体质量块，加工物体为基础。为了更好的获得切削振动信号，这里可以将刀具磨损以及切屑堆积引发的切削力的变化作为激振源。该激振源激励主轴在空间彼此垂直的三个方向上产生受迫振动。因此对任意方向上的受迫振动可简化为理想化的单自由度系统，取其中X轴进行分析，得出：
当主轴和刀具系统相对于加工物体发生相对运动时，设X轴上的相对位移为X01，则：
可得幅频特性A（ω）
其中：一振动系统的阻尼比
一振动系统的固有频率，HZ；ωn= ；由此式可知，当激振频率ω＞＞ωn时，A（ω）接近于l，才能很好的再现切削所引起的振动信号。因此为了获得更精确的切削振动信号，应降低主轴固有频率。所以振动传感器适合于低速或中速运转时的刀具磨损判断。
二、系统简介
（一）系统简介
整个系统是由安装在主轴上的加速度传感器、声发射传感器采集模块f含射频）、无线射频接收模块、PC机（人机界面监控）组成。
无线单片机选择CC2430，CC2430整合了2.4GHzIEEE802.15.4／ZigBeeRF收发机CC2420以及工业标准的增强型8051MCU的卓越性能。通信方式可选择裸机点对点通信或移植TI的Z-Stack操作系统建立无线传感器网络，实现采集节点和传感器节点的绑定。考虑到今后工厂自动化控制的趋势是实现DCS系统，本系统选择移植Z.Stack协议栈。无线接收模块担当网络协调器的功能，与PC机通过RS232接口实现通信。
（二）磨料磨损
刀具在切削过程中将逐渐产生磨损，当刀具磨损达到一定程度时，可以明显地发现切削力加大，切削温度上升，切屑颜色改变，甚至产生振动。同时，工件尺寸也可能超出公差范围，已加工表面质量也明显恶化。刀具的磨损和耐用度关系到切削加工的效率、质量和成本，因此它是切削加工中极为重要的问题之一。磨料磨损在各种切削速度下都存在，但对低速切削的刀具（如拉刀、扳牙等），磨料是磨损的主要原因。这是由于低速切削时，切削温度比较低，其他原因产生的磨损并不显著，因而不是主要的。高速钢刀具的硬度和耐磨度低于硬质合金、陶瓷等，故其磨料磨损所占的比重较大。在不同的工件材料、刀具材料和切削条件下，磨损原因和磨损强度是不同的。对于一定的刀具和工件材料，切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。切削温度的高低取决于热的产生和传出情况，它受切削用量、工件材料、刀具材料及几何开头等影响。因此，通过合理选择切削用量、刀具材料及角度，可以减少切削热的产生和增加热的传出。有效地降低切削区温度是减少刀具磨损的重要途径。
（三）振动传感器
由上面分析可知，此时可将主轴振动看做激振源，所以加速度传感器的固有频率应远大于主轴的振动频率，设计中采用粘结剂将加速度传感器安装在主轴上。本设计采用飞思卡尔公司生产的MMA7360L芯片。该传感器在XY轴上的可测频率范围为6.0kHz，Z轴上的为3.4kHz。内部采样频率为11kHz，而主轴振动频率一般在600800Hz左右，因此满足测试需要。
三、结论和展望
开展对数控机床刀具磨损的实时监测系统的研究能够防止刀具磨损对生产过程带来巨大的损失。对获得的磨损参数进行特征提取、模态分析、小波分析后可得到正确的磨损判断和估计。本文一开始分析了刀具振动系统适用的监测范围，然后设计了一种刀具振动无线监测系统。该系统可应用于实验室开展对刀具磨损的实时监测研究。同时无线监测以及集散控制势必成为以后工厂控制一体化的趋势。因此开展无线监控系统的研究也为以后更好的应用于生产车间机床运行监控系统提供了基础。实验过程中振动的参数基本上跟主轴的振动频率相仿，但也产生了时延。因此课题下一步重点研究将放在多台机床刀具磨损传感器网络和无线传输实时性的内容上。
参考文献：
[1]高守玮,吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008
[3]熊诗波,黄长艺.机械工程测试技术基础[M].北京:机械工业出版社,2007