組長：黃冠宇
組員：黃齊來
張志軍周波李尊王希靜侯晨指導教師:李建勇
刀具監控系統的硬體由溫度感測器，功率感測器，採集卡和工控機組成。如下圖，其中，溫度訊號是用來監控刀具切削狀態的監控訊號，功率訊號是用來計算刀具切削力的輔助訊號，從而可以計算刀具的溫度分布。監控系統通過溫度感測器、功率感測器將系統測量物件切削溫度、切削功率轉換為電訊號，經過濾波和放大，用資料採集卡完成a/d 轉換後輸入計算機，通過軟體對資料進行分析處理。
紅外感測器、溫度測量、刀具控制
金屬切削加工是機械製造中應用最為廣泛的加工方式之一。金屬切削加工使用刀具或磨具從工件表面切除多餘材料，以實現零件的幾何形狀、尺寸精度、表面粗糙度和表面層質量。刀具作為切削過程的直接執行者，在切削加工過程中不可避免地會發生磨損或破損。
刀具磨損或破損會使零件的加工精度下降，零件表面粗糙度及表層質量惡化，嚴重時將使刀具失去切削能力， 甚至危及工具機裝置。
近年來，隨著市場的進一步加劇，現代製造工業要求產品產量最大化，成本最小化。這迫切要求製造工業需要新型，實用，可靠的切削監控技術，預報刀具磨損的狀況，防止損壞工件和裝置，優化加工系統，降低生產成本。而人工判別刀具狀態已經成為制約工業發展的重要瓶頸，這也是刀具監控技術獲得廣泛研究的重要原因。
通常保證刀具的合理狀態的方法是制定乙個合理的磨鈍標準。常用方法是規定刀具磨損量的大小，一旦刀具磨損量達到規定值，則認為刀具需要更換或者刃磨。在傳統的機械加工過程中，刀具是否磨損和破損是由加工人員通過加工時間判斷，或者通過加工的振動和雜訊判斷，或者人工拆卸刀具實測其磨損量和破損程度，這些人工辨別方法是需要加工人員具有豐富操作經驗， 它存在以下問題：
1. 如果刀具的磨損量低於磨鈍標準，就會因為沒有充分利用刀具的實際壽命而帶來浪費，增加製造成本；
2. 如果刀具的磨損量高於磨鈍標準，刀具已經磨鈍或者破損，則會影響工件的表面質量和尺寸精度，嚴重的時候甚至會損壞工具機；
3. 在自動化加工或者自適應加工過程中，無法**、實時獲知刀具狀態， 從而無法實現基於刀具狀態的切削引數優化，以確保生產率和加工質量。
解決這些問題的關鍵就是在於能夠對刀具實際的磨損狀態進行自動和實時的檢測。
1、監控系統的研究目標
乙個理想的刀具狀態監控系統必須能夠對刀具在加工**現的嚴重磨損，破損的狀態進行可靠實時的監控，能夠通過各種測量手段測得的特徵值來監控刀具的磨損狀態。刀具狀態監控因為刀具磨損過程的複雜性一直未有圓滿的答案，也是國內外研究人員致力於刀具狀態監控技術研究的原因。
2、切削溫度的研究目標
因切削熱而產生的溫度變化是造成刀具磨損，破損的乙個重要原因。切削溫度公升高後，刀具的磨損量增大，降低了工件的加工精度，這些都是切削過程中不利的一面。因此有必要研究切削過程中熱量的產生和傳遞的規律， 了解刀具中溫度的分布狀態。
多年來，人們對於切削溫度的研究也給予了足夠的重視。但因為切削溫度的研究無論是在實驗室測量方法還是理論分析上， 基本上侷限於連續車削和穩定狀態下的切削溫度的研究。銑削屬於斷續切削加工，在整個切削加工領域占有重要地位，切削區的溫度分布規律與連續車削的溫度分布規律有明顯的區別。
所以，研究斷續切削加工的切削區的溫度分布，成為研究斷續切削時刀具失效機理的乙個重要手段。
在現代工業加工中，生產方式的改進和市場競爭的需要促使以計算機輔助的自動化加工得到迅速的發展。刀具狀態監控技術能夠保證自動化加工的效率和安全性，同時降低了生產成本，日益受到國內外研究人員的重視。 刀具狀態監控過程實際上是乙個特徵識別的過程。
乙個刀具狀態監控過程由研究物件，加工條件，感測器檢測，訊號處理，特徵提取以及選擇等模組組成。設計乙個監控系統，必須首先明確研究物件，比如是車刀還是銑刀還是鑽頭的狀態監控等；其次決定監控系統的應用範圍。最理想的情況下，人們總是希望刀具狀態監控系統能夠通用在任意的加工條件（包括工件改變，刀具改變，加工要素改變）下。
監控系統的感測器包括感測器的選擇，安裝以及位置的確定以及訊號的放大和傳送；訊號處理模組包括研究訊號的時域資訊或者頻域資訊，確定能夠反應刀具磨損特徵的區域；特徵提取模組包括訊號特徵的計算，利用合適的數學方法選擇能夠反應刀具狀態的真實資訊。
1.1紅外測溫原理
自然界的任何物體，只要其溫度高於絕對零度（-273℃），就會以電磁波的形式向周圍輻射出能量。這種電磁波是由物體內部帶電粒子在分子和原子內振動產生的，其中與物體本身溫度有關的傳播熱能的那部分輻射，稱作熱輻射。
物體溫度不同，輻射出的能量不同，而且輻射波的波長也不同，但是物體
總是包含著紅外輻射在內。向外發出的紅外輻射，以光的速度傳播能量，輻射能量的大小及其按波長的分布，與它的表面溫度有著十分密切的關係。對於黑體物質而言(理想情況下能夠全部吸收輻射到它上面的任何輻射能量的物體)，輻射的能量完全決定於該物體的溫度。
但絕對黑體在自然界中是不存在的。
紅外輻射的物理本質是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多， 紅外輻射的能量就越強。研究發現，太陽光譜各種單色光的熱效應從紫色光到紅色光是逐漸增大的，而最大的熱效應出現在紅外輻射的頻率範圍內，因此人們又將紅外輻射稱為熱輻射或熱射線。
紅外測溫的物理基礎[33]是蒲朗克（planck ）輻射定律、維恩（wein）位移定律和斯忒藩一波耳茲曼（stefen-boltzmann ）定律等紅外熱輻射理論的三大定律。由蒲朗克定律給出絕對黑體的光譜輻射亮度l(λ,t)與其波長λ ， 熱力學溫度t 的關係為
式中：λ 為物體發出的輻射波長；
c1= 3.7418×10. ，為蒲朗克第一輻射常量；
c2=1.4388×10. ，為蒲朗克第二輻射常量。
根據蒲朗克公式可以給出圖 2-1 所示的常溫下黑體的光譜輻射度曲線。從圖中可以看到，曲線互不相交，說明輻射強度在每個波長下都是嚴格的溫度函式，通過測定輻射強度即可確定物體的溫度；每條曲線均有極大值，而且這個極值所對應的波長值隨著溫度的變化而變化。黑體的紅外輻射中含有各波長的分量，各波長段的能量大小不同。
不同溫度下的曲線，輻射能量最大的峰值點的波長m λ 和溫度t 滿足維恩位移定律，即
λm .t = 2898(um. k)
溫度在0～100 ℃範圍內的物體其紅外輻射密度較大的範圍在波長3～20 μm 之間，其峰值波長約9.5μm，也就是說λ 在9.5μm左右其紅外輻射的密度最大。
1.2紅外感測器工作原理
乙個紅外測溫感測器由光學接收器、紅外探測器和訊號處理器三個部分組成。如下圖，光學接收器聚集可視範圍內的目標的紅外輻射能量，可視範圍的大小由感測器的光學零件和位置決定。紅外探測器將紅外輻射能量轉換為對應的電訊號。
訊號處理器將電訊號進行放大，濾波，將電訊號轉換為需要的格式輸出，輸送進計算機或相關顯示裝置。紅外探測器是紅外感測器的核心元件。它是把接收到的物體的紅外輻射能量轉變為其他形式能量的轉換器。
按照探測器的機理不同，可分為熱敏感探測器和光子探測器兩大類。
1.1刀具監控系統的硬體由溫度感測器，功率感測器，採集卡和工控機組成。如下圖，其中，溫度訊號是用來監控刀具切削狀態的監控訊號，功率訊號是用來計算刀具切削力的輔助訊號，從而可以計算刀具的溫度分布。
監控系統通過溫度感測器、功率感測器將系統測量物件切削溫度、切削功率轉換為電訊號，經過濾波和放大，用資料採集卡完成a/d 轉換後輸入計算機，通過軟體對資料進行分析處理。
1.2紅外線感測器的選用
選用紅外測溫感測器需要從多方面考慮，例如感測器的效能指標，可測溫度範圍，最小光點尺寸，工作波長範圍，測量精度和靈敏度，價效比等等。因此在該監控系統中，綜合考慮選用了德國optris ct laser 紅外溫度感測器。其主要技術引數如下表所示。
1.3資料採集卡的選用
在計算機監控系統中，若要實現自動監控控制，必須將被測物件的各種測量引數按要求輸入計算機，由感測器，放大器送出的訊號是模擬訊號，進入計算機的訊號是數碼訊號，因此，在計算機與感測器之間，必須要實現訊號的傳遞與轉換，包括訊號的取樣，量化和編碼。根據應用需求，必須首先要明確資料採集卡所需的模擬輸入、輸出通道以及數字i/o 線的最少數目。其次還要考慮的重要因素有：
取樣率、輸入範圍、輸入方式和精度。資料採集卡主要由多路選擇開關，取樣保持器，a/d 轉換器和快取器幾部分組成。考慮到時間，質量，可靠性等，本系統採用adlink 公司的daq-2213 資料採集卡。
具體引數如下所示：
daq-2213 的主要引數：
（1）輸入通道數：單端16位，雙端8位；
（2）輸入訊號量程：-5v～+5v；
（3）a/d 轉換解析度：16 位；
（4）校正方式：全程自動校正；
（5）a/d 啟動方式：軟體；
（6）最大採集速率：250ks/s；
並採取單端輸入法的資料獲取方式，其電路圖如下圖所示：
1.4計算機的選用
本系統主要應用於工廠生產現場作業，因此選用工控機。工控機是一種加固的增強型個人計算機，它可以作為乙個工業控制器在工業環境中可靠執行。目前，ipc已被廣泛應用於通訊、工業控制現場、路橋收費、醫療、環保等領域。
考慮到操作，觀測便捷等因素，系統選用 advantech 的aws-8124h 型號的觸控式工控機。
主要特徵引數：
（1）12.1" 彩色tft lcd
（2）4 槽無源底板
（3）尺寸緊湊
（4）前面板符合nema4/ip65 標準
（5）選電阻型觸控螢幕
（6）硬體基本配置為cpu p3 1g，記憶體1g，硬碟250g
1.5程式模組的設計
根據測試系統軟體的目標要求，要實現乙個切削溫度、切削功率測量的資料採集處理軟體。在設計時需要進行模組劃分，確定每個模組的功能、介面以及模組間的呼叫關係。 模組劃分應根據實際應用，通過對系統總體框架和功能進行分解而實現。
各模組獨立開發、測試，最後組裝成乙個完整的軟體。各模組設計時應注意減小模組間的相互重疊，增強軟體的可移植性、可擴充套件性和可維護性。根據系統總體規劃和上述原則，本系統開發了三個功能模組，它們是資料採集儲存模組、資料分析模組及資料標定與超限報警模組，各模組都具有獨立功能：
(1)資料採集儲存模組對資料採集卡直接操作，負責讀取採集卡中採集的資料，以動態曲線和數字同時顯示，並儲存原始資料；
(2)資料分析模組可以實現歷史資料的回放、時域上最大最小值和均值計算等功能；
(3)資料標定與超限報警模組負責將採集到的電量轉變為溫度值，功率值，並負責實現時域上的閾值報警。
溫度自動控制系統
難度係數 1.05 一 任務 設計並製作乙個溫度自動控制系統，控制一封閉木盒內的溫度 其內空間為100mm 100mm 100mm 在木盒左側面的中間開乙個安裝半導體致冷器件的視窗 尺寸與致冷器件一致 致冷器件的外側面塗敷導熱矽脂並加散熱片,致冷器件的內側面也允許加散熱片,但厚度不能超過20mm 在...
熱工測量與自動控制複習
第一章測試技術的基本知識 1.測量的定義 測量是運用專門的工具，根據物理 化學 生物等原理，通過實驗和計算找到被測量的量值。測量的表示 測量是以同性質的標準量與被測量比較，並確定被測量相對標準量的倍數。2.測量方法分類 按測量手段分類 直接測量 間接測量 組合測量 名詞解釋 間接測量 利用直接測量的...
基於PROFIBUS的自動控制系統網路配置研究
計算機網路技術b 結課 題目 基於profibus的自動控制 系統網路配置研究 學生所在系部 電子工程系 學生所在專業自動化 學生所在班級b08223 學生姓名 學生學號 任課教師姓名 成績 摘要 profibus，是一種國際化 開放式 不依賴於裝置生產商的現場匯流排標準。profibus傳送速度可...