技术领域
[0001] 本
发明涉及
机械加工智能监测领域，尤其涉及一种无线实时高采的铣削温度监测系统及方法。
背景技术
[0002] 为了提高材料
切除率和减小切削
力，高速铣削加工被广泛地应用在航空航天工业中。高速铣削过程中必然伴随着加工温度的变化。研究铣削过程中的温度，对减少切削过程中的刀具磨损、加工振动等具有重要意义，进而实现零件加工的高精高效高
质量。
[0003] 目前，主要通过切削温度监测手段来表征切削热，常用的手段有
热电偶法和热像仪。通
过热像仪的方法，可以得到刀具和
工件的温度分布。但是，通过热像仪无法对温度进行实时分析，而且设备较为贵重。热电偶测量主要是通过埋设在工件内部的热点偶产生的
电压值来获得切削温度。但是，这种方法需要大量的准备工作，而且得到的温度并不一定能反映工件内部温度分布和最高温度情况。另外，在实验过程中，常规的温度测量方法会发生绞线现象，无法实现旋转过程的实时测量。
[0004] 在研究切削热的技术中，往往无法实现温度的连续测量或者无法实现温度的高
采样率测量。这将导致无法获取足够的数据信息，造成信息的丢失。其中，采样定理表明，要想获取到一定
频率范围的
信号，则采样率需两倍于这个频率。因此，加工过程的监测要求信号的完整性，大量的数据对实现加工过程的监测具有重要意义。基于上述考虑，本发明基于热电偶采用千兆以太网技术对铣削过程的切削温度进行连续实时高采的测量和监测，其采样率达到11000Hz，并对采集的数据进行实时小波处理，为加工过程的智能监测提供了新方法。
发明内容
[0005] 本发明要解决的技术问题是针对上述
现有技术的不足，提供一种无线实时高采的铣削温度监测方法，该方法使预测结果更准确，克服了现有无法实现温度的连续测量或者无法实现温度的高采样率测量，导致无法获取足够的数据信息，造成信息的丢失的缺点。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
[0007] 一方面，本发明提供一种无线实时高采的铣削温度监测系统，包括铣削
工作台、温度采集单元、
放大器、
单片机、稳压电源、无线路由器及PC端；
[0008] 所述铣削工作台包括
主轴、刀具、夹具、工作台；所述主轴一端与刀具相连，所述刀具采用嵌入式刀片，所述夹具一端与工作台固定连接，另一端用来固定工件；
[0009] 所述温度采集单元采用热电偶作为温度采集器，热电偶通过胶
水粘贴在所述嵌入式刀片上；
[0010] 所述放大器+S端和-S端分别连接热电偶的正负极；
[0011] 所述单片机为含有无线模
块的
模数转换器，其输入端与放大器的输出端相连，；
[0012] 所述稳压电源为两个
蓄电池串联成的
电池组，稳压电源正极连接放大器的+E端，负极接放大器的GND端；
[0013] 所述PC端为带有WLAN接收和热点功能的计算机。
[0014] 另一方面，本发明还提供一种无线实时高采的铣削温度监测方法，采用上述的一种无线实时高采的铣削温度监测系统，包括以下步骤：
[0015] 步骤1：将热电偶粘贴在嵌入式刀片上，其
位置为距离切削点0.5mm-0.8mm范围内；
[0016] 步骤2：将热电偶正负极采用差分输入的方法接入放大器，将放大器的输出端接入单片机，在单片机中实现
模拟信号和
数字信号之间的转换；
[0017] 步骤3：基于无线路由器建立以太网网络，将计算机和单片机接入，实现计算机和单片机的通信，从而获取模数转换后的电压信号，将读出的信号与铣削过程中的实际温度进行对比、校准；
[0018] 步骤4：对铣削过程中的实际温度信号进行小波分析，找出特定的频率、
能量信息，实现切削过程的温度监测。
[0019] 所述步骤1的具体步骤为：
[0020] 步骤1.1：使用热电偶作为温度采集单元，采集模拟信号；
[0021] 步骤1.2：在镶嵌式刀片上采用耐热且导热性能好的胶水将热电偶粘贴在刀具切削点0.5mm-0.8mm范围内。
[0022] 所述步骤3的具体步骤为：
[0023] 步骤3.1：在单片机中编写并编译链接信号采集传输程序ProgA，并将编译链接好的ProgA存储在单片机的外存内，以便后续调用；
[0024] 步骤3.2：将上位PC机与单片机通过无线路由器连接在同一局域网中；
[0025] 步骤3.3：上位PC机对
指定IP地址以及端口进行监听；
[0026] 步骤3.4：下位单片机开启SSH服务；
[0027] 步骤3.5：上位PC机通过SSH服务控制单片机，运行预先存储在单片机外存中的预先编译链接好的ProgA；
[0028] 步骤3.6：根据ProgA的提示，输入上位PC机正在监听的IP地址以及端口号，在单片机与PC机之间建立TCP连接；
[0029] 步骤3.7：单片机与PC机建立了TCP连接之后，单片机内部开启两个线程，分别简记为ThrA与ThrB；ThrA循环读取模拟输入引脚上的电压，将电压转化为0～4095范围内的数值，然后将读取的电压数值v1连同当前的时刻t1以字符串“t1，v1；”的形式记录并存储在单片机内存中，下一个循环读取的“t2，v2；”会追加到“t1，v1”之后，构成“t1，v1；t2，v2；”；
[0030] 步骤3.8：ThrB对该字符串进行监控，每当该字符串中存储的数值个数达到599个时，将该字符串的内容发送给PC机，然后清空该字符串，如此循环往复；
[0031] 步骤3.9：上位机中开启三个线程，分别简记为ThrUA、ThrUB与ThrUC，其中ThrUA负责更新UI，ThrUB负责接收单片机发送过来的“时刻-数值”数据对，并将时刻与数值拆分，转换成double类型，以double数组的形式存储在PC机的内存中，ThrUC负责对该double数组的内容进行实时分析。
[0032] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
[0033] 本发明提供的一种无线实时高采的铣削温度监测系统及方法，针对目前铣削过程中的温度无法实现连续测量或者采样率低的问题，采用无线方式实现了铣削温度的连续实时高采的监测；本发明成本低，利于实现商业应用；本发明针对热电偶测量工件温度的局限性，改进了热电偶的布置位置，将热电偶的
电阻丝固定在
铣刀上。为了防止主轴转动过程中“绞线”，采用无线
信号传输方式将采集的信号传输至计算机；本发明实现了铣削过程中的温度信号实时测量、显示、处理，并对信号进行
加窗小波分解，实现了对加工过程的温度监测，为下一步的加工过程控制奠定了良好的
基础。
附图说明
[0034] 图1为无线实时高采的铣削温度监测系统示意图；
[0036] 图3为本实施例中放大器接线图图；
[0037] 图4为本实施例中单片机结构示意图；
[0038] 图5为本实施例中单个稳压电源示意图；
[0039] 图6测量的原始温度信号；
[0040] 图7加窗小波分解后的重构信号与原始信号对比。
具体实施方式
[0041] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0042] 本实施例的方法如下所述。
[0043] 一方面，本发明提供一种无线实时高采的铣削温度监测系统，如图1所示，包括铣削工作台、温度采集单元、放大器、单片机、稳压电源、无线路由器及PC端；
[0044] 所述铣削工作台包括主轴、刀具、夹具、工作台；所述主轴下端与刀具相连，所述刀具采用嵌入式刀片，所述夹具用来固定工件，夹具下端与工作台相连；
[0045] 所述温度采集单元采用热电偶作为温度采集器，采集的是模拟信号，为满足测温要求，采用k型热电偶，其测温范围达到700℃；如图2所示，其中黄色端为正极，而红色端为负极；热电偶通过胶水粘贴在嵌入式刀片上；
[0046] 所述放大器如图3所示，放大器+S端和-S端分别连接热电偶的正负极；
[0047] 所述单片机输入端与放大器的输出端相连，为含有无线模块的模数转换器；
[0048] 本实施例中单片机其型号为MYD-C437X，是MYC-C437X核心板配套的开发板，基于TI AM437X处理器(AM4379,AM4376,AM4377,AM4378)ARM Cortex A9
内核，主频高达1GHz，外扩512MB DDR3 SDRAM，可兼容256MB/1GB DDR3 SDRAM，4GB EMMC，MYD-C437X开发板扩展了核心板的主要功能，实现LCD
接口，音频输入输出接口，RTC电池供电，2路串口，4路USB HOST，1路mini USB OTG接口，2路千兆网口，2路摄像头接口，2路SPI接口，1个TF卡接口，2路CAN接口，1路RS485接口，1路HDMI接口等。配套开发板，
软件提供对Linux3.12.10,Linux 4.1.18
操作系统的驱动支持，如图4所示，EXT接口中的第5个引脚接放大器的输出端口，利用自带的5V直流输入作为电压供应。Ethernet 0的网线接口与无线路由器的网线接口相连，在开发版开机状态下通过无线网实现与PC的无线局域网通信。
[0049] 所述稳压电源如图5所示，为两个3.7V电池串联成的电池组，稳压电源正极连接放大器的+E端，负极接放大器的GND端；
[0050] 所述无线路由器采用的路由器为TP-LINK WR802N迷你无线路由器，采用协议为IEEE802.11n\b\g，最高无线速率为300Mbps；
[0051] 所述PC端为带有WLAN接收和热点功能的计算机，WIN10家庭版64位系统，版本号1809，处理器为i5-8400，内存8g，128GB+1TB
硬盘。
[0052] 另一方面，本发明还提供一种无线实时高采的铣削温度监测方法，采用上述的一种无线实时高采的铣削温度监测系统实现，包括以下步骤：
[0053] 步骤1：将热电偶粘贴在嵌入式刀片上，其位置为距离切削点0.5mm-0.8mm范围内；
[0054] 步骤1.1：使用k型热电偶热电偶作为温度采集单元，采集模拟信号；
[0055] 步骤1.2：在镶嵌式刀片上采用耐热且导热性能好的胶水将热电偶粘贴在刀具切削点0.5mm-0.8mm范围内。
[0056] 步骤2：将热电偶正负极采用差分输入的方法接入放大器，将放大器的输出端接入单片机，在单片机中实现模拟信号和数字信号之间的转换；放大器采用手动调节，放大倍数最大为10000倍，通过计算输入与输出端的电压之比来确定放大倍数；对于热电偶来说，由于其输出的电压为微伏级，且输出为两个热电动势，故采用差分输入；
[0057] 步骤3：基于无线路由器建立以太网网络，将计算机和单片机接入，实现计算机和单片机的通信，从而获取模数转换后的电压信号，将读出的信号与铣削过程中的实际温度进行对比、校准；
[0058] 步骤3.1：在单片机中编写并编译链接信号采集传输程序ProgA，并将编译链接好的ProgA存储在单片机的外存内，以便后续调用；
[0059] 步骤3.2：将上位PC机与单片机通过无线路由器连接在同一局域网中；
[0060] 步骤3.3：上位PC机对指定IP地址192.168.1.102以及端口50125进行监听；
[0061] 步骤3.4：下位单片机开启SSH服务；
[0062] 步骤3.5：上位PC机通过SSH服务控制单片机，运行预先存储在单片机外存中的预先编译链接好的ProgA；
[0063] 步骤3.6：根据ProgA的提示，输入上位PC机正在监听的IP地址以及端口号，在单片机与PC机之间建立TCP连接；
[0064] 步骤3.7：单片机与PC机建立了TCP连接之后，单片机内部开启两个线程，分别简记为ThrA与ThrB；ThrA循环读取模拟输入引脚上的电压，将电压转化为0～4095范围内的数值，然后将读取的电压数值v1连同当前的时刻t1以字符串“t1，v1；”的形式记录并存储在单片机内存中，下一个循环读取的“t2，v2；”会追加到“t1，v1”之后，构成“t1，v1；t2，v2；”；
[0065] 步骤3.8：ThrB对该字符串进行监控，每当该字符串中存储的数值个数达到599个时，将该字符串的内容发送给PC机，然后清空该字符串，如此循环往复；
[0066] 步骤3.9：上位机中开启三个线程，分别简记为ThrUA、ThrUB与ThrUC，其中ThrUA负责更新UI，ThrUB负责接收单片机发送过来的“时刻-数值”数据对，并将时刻与数值拆分，转换成double类型，以double数组的形式存储在PC机的内存中，ThrUC负责对该double数组的内容进行实时分析。
[0067] 步骤4：对铣削过程中的实际温度信号进行小波分析，找出特定的频率、能量信息，实现切削过程的温度监测。
[0068] 本实施例采用信号发生器来模拟温度信号，仿真验证方法的有效性。如图6所示，所获取到原始温度信号能很好的表示信号发生器发出的信号，并具有很高的采样率和低延时的特点；
[0069] 为进一步挖掘原始温度信号的信息，采用加窗小波分解来表征原始信号；小波分解的参数中，采用db3小波基，并设置为3水平。将分解得到的小波分解系数进行重构，得到原始温度信号与重构信号的对比图，如图7所示，说明本发明提供的一种无线温度监测系统及方法能较好的实时监测切削过程的温度变化。
[0070] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明
权利要求所限定的范围。
