一种三合一传感器夹具及多模态刀具磨损状态监测系统论文和设计-龙重旺

全文摘要

本实用新型公开了一种三合一传感器夹具及多模态刀具磨损状态监测系统，涉及切削加工监测技术领域。该三合一传感器夹具包括夹具本体、固定刀台、振动传感器、声发射传感器以及切削力传感器。切削力传感器固定设置于夹具本体，固定刀台固定设置于切削力传感器，固定刀台具有安装切削刀具的安装空间，振动传感器和声发射传感器用于固定在切削刀具上。多模态刀具磨损状态监测系统包括数控机床、控制器以及三合一传感器夹具。三合一传感器夹具固定设置于数控机床，三种传感器均与控制器电连接，该夹具设计合理，集成了三种传感器，能够实时准确的检测数据信号，保证精度，实现切削监测系统的前端监测功能，提升测量稳定性。

主设计要求

1.一种三合一传感器夹具，其特征在于，包括夹具本体、固定刀台、振动传感器、声发射传感器以及切削力传感器，所述夹具本体包括安装面，所述切削力传感器固定设置于所述安装面，所述固定刀台固定设置于所述切削力传感器背离所述安装面的一侧，所述固定刀台具有安装切削刀具的安装空间，所述振动传感器和所述声发射传感器用于固定在切削刀具上。

设计方案

2.根据权利要求1所述的三合一传感器夹具，其特征在于，所述夹具本体包括固定连接的第一固定件和第二固定件，所述安装面位于所述第一固定件，所述第二固定件位于所述第一固定件的固定端，且所述第二固定件用于和机床的刀塔固定连接。

3.根据权利要求2所述的三合一传感器夹具，其特征在于，所述第一固定件为Z字型结构，且依次包括固定段、导向段以及安装段，所述安装面位于所述安装段靠近所述导向段的一侧；

所述第二固定件为U字型结构，且包括卡设槽，所述固定段插设于所述卡设槽且与所述第二固定件固定连接。

4.根据权利要求1所述的三合一传感器夹具，其特征在于，所述固定刀台包括台本体、活动压板以及锁紧件；

所述台本体固定设置于所述切削力传感器，且开设有刀具安装孔，所述台本体具有相邻的第一固定壁和第二固定壁，所述第一固定壁和所述第二固定壁均开设有调节条形孔；

所述活动压板嵌设于所述刀具安装孔，且用于和切削刀具的刀柄配合，所述锁紧件穿过所述调节条形孔且抵接于所述活动压板。

5.根据权利要求4所述的三合一传感器夹具，其特征在于，所述活动压板的横截面为L型结构，所述活动压板包括第一抵接部和第二抵接部，所述第一抵接部和所述第二抵接部形成用于和切削刀具的刀柄相匹配的夹角；

所述锁紧件为两组，且包括第一锁紧组和第二锁紧组，所述第一锁紧组穿过所述第一固定壁的调节条形孔，且与所述第一抵接部抵接，所述第二锁紧组穿过所述第二固定壁的调节条形孔，且与所述第二抵接部抵接。

6.根据权利要求4所述的三合一传感器夹具，其特征在于，所述活动压板的端部包括第一安装部和第二安装部，所述第一安装部和所述第二安装部能够与切削刀具的靠近刀头位置相对应，所述振动传感器固定于所述第一安装部，所述声发射传感器固定于所述第二安装部。

7.根据权利要求6所述的三合一传感器夹具，其特征在于，所述第一安装部和所述第二安装部沿所述活动压板的延伸方向分布，所述第二安装部相对于所述第一安装部靠近于端部。

8.一种多模态刀具磨损状态监测系统，其特征在于，包括数控机床、控制器以及权利要求1-7任意一项所述的三合一传感器夹具；

所述三合一传感器夹具固定设置于所述数控机床的刀塔，所述振动传感器、所述声发射传感器以及所述切削力传感器均与所述控制器电连接。

9.根据权利要求8所述的多模态刀具磨损状态监测系统，其特征在于，所述控制器包括功率放大器、数据采集卡以及监测模块；

所述振动传感器、所述声发射传感器以及所述切削力传感器分别与所述功率放大器的输入端电连接，且传输信号至所述功率放大器；

所述功率放大器的输出端和所述数据采集卡的输入端电连接，所述数据采集卡的输出端和所述监测模块的输入端电连接，所述数据采集卡接收信号并传输信号至所述监测模块。

10.根据权利要求9所述的多模态刀具磨损状态监测系统，其特征在于，所述控制器还包括机床运动板卡，所述机床运动板卡的输入端与所述监测模块电连接，所述机床运动板卡的输出端与所述数控机床电连接；

所述机床运动板卡接收所述监测模块发出的指令，并控制所述数控机床动作。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及切削加工监测技术领域，具体而言，涉及一种三合一传感器夹具及多模态刀具磨损状态监测系统。

背景技术

切削加工监测是实现智能制造的关键技术，配备了切削加工监测系统的数控机床可以准确及时地反应加工状态及刀具的磨损状态，通过对加工过程中的切削力、声发射及振动情况进行监测、分析，可以更为可靠地了解加工过程的刀具磨损状态，以便加工人员合理调整加工条件，能够减少停机时间，从而延长刀具寿命，降低加工成本，保证加工精度以及降低机床的能量消耗。

然而，切削测力仪实现了加工过程中切削三向力的监测，进而可以判断切削状态的一定变化趋势，但是，无法反应刀具内部的剪切、应变等情况，不能作为刀具磨损判别的准确依据；声发射信号包含了丰富的切削状态信息，且刀具破损前后信号变化十分明显，但是，在磨损阶段对各项加工状态变化不够敏感；振动信号包含了许多加工过程特征，但振动信号受切削条件及机床状态影响，单凭振动信号难以精确确定刀具磨损情况。

因此，研究切削力、声发射以及振动与刀具的关系，分析出刀具在加工过程中的磨损状态，以便合理的调整加工条件，从而延长刀具寿命。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种三合一传感器夹具，集成振动传感器、声发射传感器以及切削力传感器，能够实时准确的检测数据信号，保证精度，实现切削监测系统的前端监测功能，提升测量稳定性。

本实用新型的实施例是这样实现的：

基于上述目的，本实用新型的实施例提供了一种三合一传感器夹具，包括夹具本体、固定刀台、振动传感器、声发射传感器以及切削力传感器，所述夹具本体包括安装面，所述切削力传感器固定设置于所述安装面，所述固定刀台固定设置于所述切削力传感器背离所述安装面的一侧，所述固定刀台具有安装切削刀具的安装空间，所述振动传感器和所述声发射传感器用于固定在切削刀具上。

另外，根据本实用新型的实施例提供的三合一传感器夹具，还可以具有如下附加的技术特征：

在本实用新型的可选实施例中，所述夹具本体包括固定连接的第一固定件和第二固定件，所述安装面位于所述第一固定件，所述第二固定件位于所述第一固定件的固定端，且所述第二固定件用于和机床的刀塔固定连接。

在本实用新型的可选实施例中，所述第一固定件为Z字型结构，且依次包括固定段、导向段以及安装段，所述安装面位于所述安装段靠近所述导向段的一侧；

所述第二固定件为U字型结构，且包括卡设槽，所述固定段插设于所述卡设槽且与所述第二固定件固定连接。

在本实用新型的可选实施例中，所述固定刀台包括台本体、活动压板以及锁紧件；

所述活动压板嵌设于所述刀具安装孔，且用于和切削刀具的刀柄配合，所述锁紧件穿过所述调节条形孔且抵接于所述活动压板。

在本实用新型的可选实施例中，所述活动压板的横截面为L型结构，所述活动压板包括第一抵接部和第二抵接部，所述第一抵接部和所述第二抵接部形成用于和切削刀具的刀柄相匹配的夹角；

在本实用新型的可选实施例中，所述活动压板的端部包括第一安装部和第二安装部，所述第一安装部和所述第二安装部能够与切削刀具的靠近刀头位置相对应，所述振动传感器固定于所述第一安装部，所述声发射传感器固定于所述第二安装部。

在本实用新型的可选实施例中，所述第一安装部和所述第二安装部沿所述活动压板的延伸方向分布，所述第二安装部相对于所述第一安装部靠近于端部。

本实用新型还提供了一种多模态刀具磨损状态监测系统，包括数控机床、控制器以及三合一传感器夹具；

所述三合一传感器夹具固定设置于所述数控机床的刀塔，所述振动传感器、所述声发射传感器以及所述切削力传感器均与所述控制器电连接。

在本实用新型的可选实施例中，所述控制器包括功率放大器、数据采集卡以及监测模块；

所述振动传感器、所述声发射传感器以及所述切削力传感器分别与所述功率放大器的输入端电连接，且传输信号至所述功率放大器；

在本实用新型的可选实施例中，所述控制器还包括机床运动板卡，所述机床运动板卡的输入端与所述监测模块电连接，所述机床运动板卡的输出端与所述数控机床电连接；

所述机床运动板卡接收所述监测模块发出的指令，并控制所述数控机床动作。

本实用新型实施例的有益效果是：该夹具集成了切削力传感器、声发射传感器以及振动传感器，能够检测三种信号，充分地利用不同信号与切削刀具磨损状况的关联来判别切削刀具的磨损状态，将数据采集、数据处理、数据存储及数据回放功能进行集成，可以实现加工在线监测及反馈控制，以达到延长刀具寿命，降低加工成本，保证加工精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例1提供的三合一传感器夹具的结构示意图；

图2为三合一传感器夹具安装于刀塔的结构示意图；

图3为图1中夹具本体的结构示意图；

图4为图1中夹具本体的分解示意图；

图5为图1中固定刀台的结构示意图；

图6为固定刀台的分解示意图；

图7为本实用新型实施例2提供的多模态刀具磨损状态监测系统框图；

图8为多模态刀具磨损状态监测系统的工作流程示意图；

图9为多模态刀具磨损状态监测系统的工作原理图；

图10为多模态刀具磨损状态监测系统中判别流程图。

图标：100-三合一传感器夹具；1-振动传感器；2-声发射传感器；3-切削力传感器；4-刀塔；10-夹具本体；102-第一固定件；103-固定段；104-安装段；1045-安装面；105-第二固定件；1055-卡设槽；15-固定刀台；16-台本体；162-第一固定壁；165-第二固定壁；167-调节条形孔；17-活动压板；172-第一安装部；174-第二安装部；18-锁紧件；20-切削刀具；200-多模态刀具磨损状态监测系统；22-功率放大器；24-数据采集卡；26-监测模块；27-机床运动板卡。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

图1为本实施例提供的三合一传感器夹具100的结构示意图，图2为三合一传感器夹具100安装于刀塔4的结构示意图，请参照图1和图2所示。

三合一传感器夹具100集成了振动传感器1、声发射传感器2以及切削力传感器3三种传感器的刀具夹具，该三合一传感器夹具100安装于数控机床的刀塔4上，能够保证三种传感器的安装位置可以获得良好的测量精度。

由于切削加工对刀具的在线监测可以避免刀具不同程度的损伤，配备了加工刀具监测的数控机床可以准确及时地反应加工状态及刀具的磨损状态，刀具的磨损会经历初期磨损、正常磨损以及急剧磨损，刀具后刀面磨损越大，刀刃的摩擦力则越大，切削力将加大，尤其是径向力的变化最为明显，系统中，通过设定各磨损阶段切削刀具20的切削力阈值，即可判别刀具磨损状态，因此切削力及相关参数随刀具磨损具有一定的规律性。

刀具磨损过程中，刀具内部发生塑性变形、裂纹扩展以至断裂，引起应力能的迅速释放产生弹性应力波，会产生相应的声发射信号。

在金属切削过程中，存在很多的发生源，如工件和刀具的摩擦、切屑的折断、刀具的磨损、被切材料的弹性变形等。刀具破损时，信号具有突发性，其峰值电压大于对应磨损状态均值，系统中设定峰值电压阈值，即可判别刀具磨损状态。引入声发射检测可以监测刀具内部的裂变及剪切等情况，且经过试验获得：前期正常磨损时，声发射信号较为平稳，刀具发生剪切、应变等破损时，其声发射信号会发生突变。

通过对振动信号进行相关分析可知：开始时刻，磨损较轻微，振动程度也属于轻微振动，到后期，当振动较为激烈时，时域、频域图曲线就显示更多的波动。通过对比试验中切削刀具20相应的磨损状态，表明振动信号可以揭示刀具磨损的状态。在振动信号中会包含刀具磨损的有效信息，使用加速度传感器就可以拾取信号，进行相关分析，从中分离出有效的磨损信息，可以判断刀具对应的磨损状态。

因此，对刀具在加工过程中，通过对切削力、声发射以及振动情况进行实时检测，并加以分析，能够可靠的了解加工过程的刀具磨损状态，减少停机时间，降低机床的能量消耗，保证加工质量和生产的稳定进行，延长刀具使用寿命，降低生产成本，保证加工精度。

本实施例1提供的三合一传感器夹具100能够安装在数控机床的刀塔4上，同时将振动传感器1、声发射传感器2以及切削力传感器3集成在一起，使得三种传感器能实时测量加工过程中刀具的磨损数据，将物理量转化为电信号。

下面对该三合一传感器夹具100的各个部件的具体结构和相互之间的对应关系进行详细说明。

三合一传感器夹具100包括夹具本体10、固定刀台15、振动传感器1、声发射传感器2以及切削力传感器3。夹具本体10包括安装面1045，切削力传感器3固定设置于安装面1045，固定刀台15固定设置于切削力传感器3的顶部，固定刀台15具有安装切削刀具20的安装空间，使用时，先将振动传感器1和声发射传感器2固定在切削刀具20上，然后整体固定于固定刀台15的安装空间内。

切削刀具20在加工切削过程中，切削力传感器3、声发射传感器2以及振动传感器1能够实时较准确的测量相应的磨损数据，并将物理量转化为电信号以此来判别加工状态，使工作人员了解切削刀具20的磨损情况，进而做出加工参数调整决策，以获得更好的加工效果。

图3为夹具本体10的结构示意图，图4为夹具本体10的分解示意图，请参照图3和图4所示。

夹具本体10包括固定连接的第一固定件102和第二固定件105，安装面1045位于第一固定件102，切削力传感器3位于第一固定件102的安装面1045，固定刀台15固定设置于切削力传感器3背离安装面1045的一侧，第二固定件105固定设置于第一固定件102的固定端，且第二固定件105用于和机床的刀塔4固定连接，使得三合一传感器夹具100整体通过第二固定件105固定于刀塔4上。

可选的，第一固定件102为Z字型结构，且依次包括固定段103、导向段以及安装段104，其中固定段103用于和第二固定件105固定连接，安装段104用于和固定刀台15和三种传感器固定连接，导向段连接固定段103和安装段104，且安装面1045位于安装段104靠近导向段的一侧。

可选的，安装段104的安装面1045开设有多个安装孔，其和切削力传感器3的安装孔一一对应，通过螺栓固定件将切削力传感器3和安装段104固定。

可选的，第二固定件105为U字型结构，且包括卡设槽1055，该卡设槽1055的宽度尺寸和第一固定件102的固定段103的厚度尺寸相匹配，使得固定段103插设于卡设槽1055内，通过螺栓固定件将固定段103与第二固定件105固定连接，第二固定件105的外壁宽度和机床的刀塔4尺寸相对应，第二固定件105能够安装于刀塔4上。

图5为图1中固定刀台15的结构示意图，图6为固定刀台15的分解示意图，请参照图5和图6所示。

固定刀台15包括台本体16、活动压板17以及锁紧件18。活动压板17用于和切削刀具20配合，台本体16固定设置于切削力传感器3的顶部，且台本体16开设有刀具安装孔，活动压板17和切削刀具20配合后嵌设于刀具安装孔内，台本体16具有相邻的第一固定壁162和第二固定壁165，第一固定壁162和第二固定壁165上均开设有调节条形孔167，锁紧件18穿过调节条形孔167与活动压板17抵接，从而将切削刀具20固定牢固。

在本实施例中，活动压板17和切削刀具20的刀柄配合后，作为整体嵌设于刀具安装孔，锁紧件18为螺栓固定件，锁紧件18穿过调节条形孔167且调整好位置后，拧紧抵接于活动压板17，则使固定刀台15固定牢固。

请继续参照图6所示，活动压板17的横截面为L型结构，活动压板17与切削刀具20的刀柄配合，活动压板17包括第一抵接部和第二抵接部，第一抵接部和所述第二抵接部形成夹角，该夹角用于和切削刀具20的刀柄相匹配。

可选的，活动压板17包括相对的第一端和第二端，其中，第一端和刀柄相对应，第二端和刀头相对应，振动传感器1和声发射传感器2设置于活动压板17的第二端，其和切削刀具20的刀头较近，有利于测量相关数据，且测量数据的准确性较高。

可选的，锁紧件18的数量为两组，且分别为第一锁紧组和第二锁紧组，其中，第一锁紧组穿过第一固定壁162的调节条形孔167，和活动压板17的第一抵接部抵接，第二锁紧组穿过第二固定壁165的调节条形孔167，和活动压板17的第二抵接部抵接。

在本实施例中，第一锁紧组和第二锁紧组中的螺栓固定件数量为多个，根据具体的实际情况而定。

可选的，活动压板17的第二端包括第一安装部172和第二安装部174，第一安装部172和第二安装部174能够与切削刀具20的靠近刀头位置相对应，振动传感器1固定于第一安装部172，声发射传感器2固定于第二安装部174。

可选的，第一安装部172和第二安装部174沿活动压板17的延伸方向分布，即沿活动压板17的延伸方向一前一后设置。

由于传感器的安装位置会直接影响检测信号的精度，该三合一传感器夹具100集成了三种传感器，从而保证每个传感器的测量精度，且可直接安装在刀塔4上。

切削力传感器3安装在夹具本体10上，用以测量切削过程产生的三向力信号。声发射传感器2和振动传感器1集成设置于活动压板17上，由于声发射传感器2越靠近切削部位的刀头位置，其测量效果越好，因此，第二安装部174相对于第一安装部172靠近于第二端，声发射传感器2安装在活动压板17上的第二安装部174。振动传感器1可以同时测量x、y、z三向的振动信号，其安装在活动压板17上靠近刀柄的位置。

切削力传感器3可实现加工过程中切削三向力的监测，利用切削力可以判断切削状态的一定变化趋势，声发射信号检测简便，包含了丰富的切削状态信息，刀具破损前后信号变化十分明显，振动信号中包含了许多加工过程特征。且由于，传感器的安装位置会影响测量的效果，三合一传感器夹具100中的夹具本体10为传感器提供了一个测量效果最好的位置。

三个传感器检测到数据信号后，通过分析相关信号参数，进而判断刀具磨损状况，建立反馈机制并监测机床的加工状态，然后指引工作人员的相关控制操作。

本实用新型实施例1提供的三合一传感器夹具100具有的有益效果是：

设计合理、结构简单，利用夹具本体10和固定刀台15，集成了振动传感器1、声发射传感器2以及切削力传感器3，明确了三种传感器的安装位置，能够实时准确的检测数据信号，保证所获取信号的精度，实现了切削监测系统的前端监测功能，提升了系统的测量稳定性，通过固定刀台15及夹具本体10，传感器与刀柄的接触采用了活动压板17的形式，实现了传感器测量端的硬件集成，同时由于活动压板17的可动特性，使系统可以适用于不同大小的刀柄，增加了系统的安装柔性。

实施例2

本实用新型实施例2提供了一种多模态刀具磨损状态监测系统200，包括数控机床、控制器以及如实施例1提供的三合一传感器夹具100，图7为多模态刀具磨损状态监测系统200框图，请参考图7所示。

三合一传感器夹具100固定设置于数控机床的刀塔4，振动传感器1、声发射传感器2以及切削力传感器3均与控制器电连接。

可选的，控制器包括功率放大器22、数据采集卡24、监测模块26以及机床运动板卡27。振动传感器1、声发射传感器2以及切削力传感器3分别与功率放大器22的输入端电连接，且三种传感器能够传输信号至功率放大器22。

功率放大器22的输出端和数据采集卡24的输入端电连接，数据采集卡24的输出端和监测模块26的输入端电连接，数据采集卡24接收功率放大器22的信号并传输信号至监测模块26，机床运动板卡27的输入端与监测模块26电连接，机床运动板卡27的输出端与数控机床电连接，机床运动板卡27接收监测模块26发出的指令，并控制数控机床动作。

可选的，功率放大器22接收三种传感器返回的信号，将其进行初步处理及放大，以便数据采集卡24接收处理；数据采集卡24作为监测模块26的输入端，按照设定的采样频率及方式来接收处理三种传感器的信号；监测模块26具有数据采集、数据处理、数据存储以及数据回放等功能，且负责输出显示所接收的信号图形，输出当前加工的刀具状态及相关参数，给出加工过程参数的调整建议，负责监测加工过程中的故障，并及时停机报警。

机床运动板卡27作为机床的控制元件，接受监测模块26发出的相关加工指令，修正、改变当前的加工状态，利用此多模态刀具磨损状态监测系统200，可将CNC数控机床的加工过程实现一个半闭环控制，从而实时监测、调整机床的加工状态，以延长刀具寿命，降低加工成本，保证加工精度。

图8为多模态刀具磨损状态监测系统200的工作流程示意图，请参考图8所示。

进入常规生产加工前，需要进行切削试验，获取切削过程的切削力上下限阈值、声发射信号峰值、电压阈值及振动信号的相关特征值，输入监测模块26中作为后续切削加工的参考。

正常的一次常规加工过程中，首先向数控机床发送加工指令，机床开始加工。三种传感器实时监测加工过程中的物理量信号，通过功率放大器22将信号放大传至数据采集卡24，数据采集卡24处理所得的三种信号数据，并发送至监测模块26中。监测模块26将所获取的信号转化为图形显示，并在后台监测数据的相关变化，当发现异常时，及时停机报警。

监测模块26内部还有一套根据三种加工信号对比，判断切削刀具20磨损情况的流程，也一并在监测模块26中输出当前切削刀具20的磨损状态。工作人员根据监测模块26提供的加工状态信息，可以调整加工的目标，例如表面质量、刀具寿命等，系统根据工作人员选择的加工目标，提出相关调整建议，如改变车床切削速度、切削进给量等。

当工作人员在监测模块26中作出了加工调整后，将相关指令传至机床运动板卡27，进而改变机床的加工状态，最终改变加工的结果。

图9为多模态刀具磨损状态监测系统200的工作原理图，请参考图9所示。

加工监测过程的数据采集，需要事先给定采样频率及输出信号的幅值、图形等设定，需要监测模块26提供相关采样参数设置及图形输出的功能，方便用户在计算机上直观的了解加工状态的相关变化，并将数据处理中刀具的状态判别结果输出。

数据处理是加工过程中，获得的传感器信号数据需要进一步处理、转换才可以作为结果输出，数据处理需要系统具有刀具状态判别、监测相关信号是否超过阈值并及时报警停机、若需要调整加工目标时，及时改变相关加工状态。

数据存储是一次加工获得的数据，对于后续加工的参考或相关切削加工研究都是十分重要的依据，因此系统可以将相关数据存储，并提供可以对数据进行相关调整的功能。

数据回放是为便于查看历史加工数据，系统会保存原始加工数据，并提供数据读取功能，在系统中可以直接查看。

如何结合切削力检测信号、声发射检测信号以及振动检测信号来判断切削刀具20的磨损状态是多模态刀具磨损状态监测系统200的关键。

图10为多模态刀具磨损状态监测系统200中判别流程图，请参考图10所示。

输入加工指令后，数控机床开始工作，三种传感器开始实时检测加工过程中的各种物理量，并转化为相关电信号输出，通过功率放大器22及数据采集卡24后变化为可供处理的数字信号x1，x2，x3进行处理。

通过系统获取的信号分别为：切削力信号x1、声发射信号x2、振动信号x3。

首先，相应的数字信号x1，x2，x3各自进入对应的变换函数F(x1)，F(x2)，F(x3)，得出相应的计算值f1，f2，f3，即获得信号变换函数：f1＝F(x1)，f2＝F(x2)，f3＝F(x3)。直接获取的信号经过无量纲信号变换函数处理后转化为可耦合计算的参数，方便后续进行加权计算。f1、f2、f3为三项信号转化后的耦合计算参数。

最后将函数所得的值f1，f2，f3传递一个综合判别函数H(f1，f2，f3)中，根据计算结果与阈值加工测试结果进行对比，判别刀具磨损状态输出。

即H(f1，f2，f3)＝αf1+βf2+γf3＝αF(x1)+βF(x2)+γF(x3)

α——切削力信号调整因子

β——声发射信号调整因子

γ——振动信号调整因子

α、β、γ为调整因子，在获得三项信号的耦合计算参数后，判别函数通过调整因子获得各项信号对最终切削状态的一个加权值，同时相加获得最终的判别值。系统后台通过判别值与加工测试结果中获得的阈值进行比较，从而判断切削加工过程中刀具的磨损状态。

刀具磨损状态反馈至监测模块26中进行显示，如果出现了断刀、刀具严重破损的情况，及时调整加工状态，甚至停机报警。由此系统可以完成加工过程中的半闭环控制，稳定加工质量，减少或避免机床由于工具失效导致的加工停机。

本实施例2提供的多模态刀具磨损状态监测系统200，结合了切削力、声发射及振动三项信号，可以充分地利用各种信号与刀具磨损状况的关联来准确判别刀具的磨损状态，相比于单一传感器的准确率更高。

同时提出了一套半闭环监测控制系统，集成数据采集、数据处理、数据存储及数据回放功能，可以为工作人员提供加工状态图形显示、加工目标及状态调整的功能。系统集合了刀具磨损判别及加工过程的半闭环控制，可以实现加工在线监测及反馈控制，以达到延长刀具寿命，降低加工成本，保证加工精度的目的。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

一种三合一传感器夹具及多模态刀具磨损状态监测系统论文和设计

一种三合一传感器夹具及多模态刀具磨损状态监测系统论文和设计-龙重旺

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主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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