專利名稱：基于語音識別技術的刀具工況監測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種機床刀具的監測裝置，尤其涉及一種基于語音識別技術的刀具工況監測裝置。
背景技術：
制造業是推動社會發展和技術進步的基礎產業，它牽動著人民生活的方方面面，關系著國計民生，而刀具又是制造業中的關鍵部件，它對制造業的發展起著決定性的作用。在金屬切削加工的過程中，刀具的磨、破損如未能及時的發現，會導致切削過程的中斷，引起工件的質量下降或者報廢、機床損壞，從而可能會造成巨大的經濟損失。因此，機加工過程中，定量、定時地掌握刀具狀態，監測與診斷刀具磨損、崩刃等損傷故障，對于延長機床設備無故障運行，提高產品質量具有重要的意義。
近幾十年來，國內外在刀具監測方面已經取得了較大的進展，技術上的深度和廣度上均已達到一定的水準，但是還沒有一種方法能適用于不同加工條件下各種刀具的監測，也就是各種方法適用范圍有限，還遠未達到自動化控制的要求。通過實際工程的檢驗和分析，發現現存刀具監測方法共同的缺陷在于切削加工和刀具的多樣性、切削參數的多變性、刀具磨鈍的隨機性和監測信號單調性的矛盾尚未解決。刀具工況監測方法的快速響應性、可靠性、魯棒性等性能還不能完全滿足實際要求。
發明內容
本實用新型就是為了解決上述問題，提供一種具有結構簡單，使用方便，可使用多種刀具等優點的基于語音識別技術的刀具工況監測裝置。
為實現上述目的，本實用新型采用了如下技術方案一種基于語音識別技術的刀具工況監測裝置，它包括刀具切削聲信號的采集裝置，該裝置采集各種刀具切削的特征聲信號以及所檢測刀具的實時聲信號；該采集裝置與預放和增益控制裝置連接，將聲信號進行模/數轉換后進行放大、除噪，產生的數字信號送入語音識別裝置，該裝置將特征刀具切削聲信號送入存儲裝置，作為實時聲信號的比較基準；被檢測刀具的實時切削聲信號與該比較基準信號進行匹配，比較結果由輸入輸出裝置輸出。
所述刀具聲信號采集裝置包括安裝在車床刀具相應位置的帶有濾罩的電容式聲壓傳感器，它采集正前方20°～30°范圍內遠距離的聲音，其背面靈敏度比為1∶31。
所述聲壓傳感器與一變送器連接。
所述預放和增益控制裝置包括由模/數轉換電路，放大電路和濾波電路。
所述語音識別裝置為型號是RSC-4x微處理器，它與存儲裝置連接，并通過I/O總線與輸出裝置連接。
所述存儲裝置包括為片外RAM，它與微處理器的數據總線、地址總線、控制總線連接以及微處理器內部的RAM和ROM。
所述輸入輸出裝置包括顯示裝置、鍵盤和外部接口。
所述顯示裝置包括顯示器和聲光報警裝置，語音識別裝置將聲信號的匹配結果送入顯示裝后，由顯示器顯示結果，當刀具的破損或劇烈磨損被識別后，聲光報警裝置將發出報警信號；鍵盤用于向語音識別裝置輸入設置信息；外部接口為RS232/485通訊電路，并可通過此接口以串行通訊的方式與數控機床的控制系統連接實現切削加工的自適應控制。
本實用新型的監測裝置所采用的電容式聲壓傳感器易于安裝，且安裝的位置不必基礎刀具或者工件就能夠有效地采集到信號，從而不易對加工過程產生影響，同時也不會妨礙換刀及工件的裝卸；所采集的聲信號不易受到切屑，冷卻介質的影響；語音識別單元的CPU采用的是RSC-4x專用語音識別DSP，能夠進行快速運算，從而能夠達到實時監測的目的；監測裝置的識別算法采用了人工神經網絡等智能技術，從而滿足了系統的智能性需求。
在刀具磨損特征聲信號的訓練學習過程中，可以把各種加工參數，各種刀具的特征聲信號預先提取出來，用于訓練和識別，在進行監測時，可以適用于各種加工參數和各種刀具情況的監測，從而彌補了現存刀具監測方法中對刀具和加工參數多變性的無法有效監測的缺陷；監測系統以隱馬爾科夫模型，動態規整模型作為語音識別模型，這些模型的選取保證了監測系統的可靠性，使刀具實時監測的識別率滿足了實際要求，而且合適的語音識別模型也保證了快速響應的要求。
此監測裝置以語音識別技術為基礎，以刀具切削過程中產生的聲信號作為監測量。通過電容式聲壓傳感器采集刀具磨損的特征聲信號，將特征聲信號講過訓練學習之后存儲在監控裝置的存儲器中。在實時監測過程中，當監測到的刀具磨損信號與訓練的特征信號相匹配時，語音識別單元就能識別出來，識別的結果傳送到顯示器，從而可以知道刀具達到了何種的磨損程度。
本實用新型的有益效果為1)將語音識別技術用于機械加工過程測控領域，使語音識別技術獲得了更廣的應用范圍，且聲信號作為刀具加工過程狀態的一種信息載體，是一種非常好的信息源。從識別人的聲音到識別加工過程工況的聲音，為刀具工況監測提供一種新的有效方法。2)用聲學原理和信號處理相結合的方法監測刀具加工狀態表明，刀具切削聲譜特征與其磨損、破損情況之間存在對應關系。用聲音作為監測信號來監測刀具的磨損狀態的方法，具有精確性和穩定性的特點。3)基于語音識別專用DSP平臺，采用HMM和ANN識別算法，使刀具破損斷裂的聲特征信號經訓練后的識別率可達97％以上。
圖1為本實用新型的結構框圖；圖2為本實用新型的電氣原理圖。
具體實施方式
實施例如圖1所示，此監測裝置主要有以下幾個單元組成1、刀具切削聲信號的采集裝置它采用了帶有濾罩的電容式聲壓傳感器，并具有強指向性，比銳心形方向性傳聲器具有更尖銳的方向性，適合拾取傳聲器正前方20°～30°范圍內遠距離的聲音。正、背面靈敏度之比為1∶31，此傳感器保證了對刀具切削聲信號的有效拾取，同時又最大程度地避免了其它方向傳過來的對監測系統無用的聲信號；傳感器為了防止冷卻介質的噴濺造成實效，在保證有效拾取聲信號的基礎上，將傳感器安裝上一個濾罩，這樣就可以有效地避免冷卻介質的噴濺。
2、預放和增益控制裝置該裝置包括聲信號的除噪、預放大、自動增益控制和模/數轉換。傳感器采集的聲信號是模擬信號，因此首先將聲信號通過模/數轉換芯片轉換為系統可處理的數字信號，然后進行預放大、自動增益控制，最后通過濾波器去處噪聲，提取特征參數。傳感器拾取的聲信號中包含大量的對監測刀具磨損狀態無用的聲信號信號，這些無用聲信號均可被定義為噪聲。如果噪聲信號太大，會使信噪比降低，刀具磨損狀態的監測信號可能會被這些噪聲信號所淹沒，從而不利于特征聲信號的訓練學習以及切削聲信號的識別。因而采集的聲信號必須進行除噪，本質就是為了提高信號的信噪比，提高系統的識別率。提取的特征參數傳送到微處理器進行訓練和識別。
3、存儲裝置在系統對刀具工況進行監測之前，先采集刀具磨損的特征聲信號，將這些聲信號進行預處理之后，傳送到語音識別單元進行訓練和學習，訓練成功之后，這些特征聲信號被傳送到存儲器中進行保存。為了保證存儲量和識別速度，存儲器采用了片外RAM和片內RAM，通過選擇合適的搜索算法，就能夠保證實時監測的要求。
4、語音識別裝置語音識別單元采用RSC-4x微處理器，它是一種新型的語音識別與模擬輸入輸出處理器，利用片內集成ADC、預放大電路、RAM、ROM以及集成優化的音頻處理模塊的8位微處理器，對所有指令具有完整對稱的源指針和目標指針，避免了A、B和DPTR通用寄存器的局限性。利用RSC-4X具有高性能的片上特性和專用的DSP引擎，為開發應用程序和專用算法提供了高效的綜合信號平臺。采用RSC-4x支持的先進的語音識別算法，運行新的HMM算法以及增強的神經網絡算法，顯著提高了在各種噪音中識別的精確度，增強了在相近的語音和噪聲環境下非特定聲、特定聲以及連續聲音的識別能力，并已經應用在連續聲波信號中的特征事件信號的識別。
利用這些特性，當監測到的聲音號與存儲器中的特征聲信號相匹配，則輸出識別結果，識別的結果被傳送到顯示單元，從而可以得知刀具達到了何種的磨損程度。
5、輸入輸出裝置輸入輸出裝置包括顯示裝置、鍵盤以及外部接口。顯示單元包括顯示器和聲光報警系統。語音識別裝置將聲信號的匹配結果傳送到顯示裝置，在此裝置內，將傳送過來的信號轉換為人們所能理解的輸出結果；當刀具的破損或者劇烈磨損被識別后，在此裝置內，不但被轉換為可顯示的結果，并且發出報警信號，這樣可以提示人們盡快的更換刀具，以免使生產受到影響。鍵盤用來輸入設置信息，如設置監測閾值，編輯修改系統程序等。外部接口用來擴展監測系統功能，通過此接口可以進行串行通訊，進行遠程設置與集中監控，可以與數控機床的控制系統連接實現切削加工過程的自適應控制。
此監測系統所采用的電容式聲壓傳感器易于安裝，且安裝的位置不必基礎刀具或者工件就能夠有效地采集到信號，從而不易對加工過程產生影響，同時也不會妨礙換刀及工件的裝卸；所采集的聲信號不易受到切屑，冷卻介質的影響；語音識別單元的CPU采用的是RSC-4x專用語音識別DSP，能夠進行快速運算，從而能夠達到實時監測的目的；監測系統的識別算法采用了人工神經網絡等智能技術，從而滿足了系統的智能性需求。
在刀具磨損特征聲信號的訓練學習過程中，可以把各種加工參數，各種刀具的特征聲信號預先提取出來，用于訓練和識別，在進行監測時，可以適用于各種加工參數和各種刀具情況的監測，從而彌補了現存刀具監測方法中對刀具和加工參數多變性的無法有效監測的缺陷；監測系統以隱馬爾科夫模型，動態規整模型作為語音識別模型，這些模型的選取保證了監測系統的可靠性，使刀具實時監測的識別率滿足了實際要求，而且合適的語音識別模型也保證了快速響應的要求。
此監測系統以語音識別技術為基礎，以刀具切削過程中產生的聲信號作為監測量。通過電容式聲壓傳感器采集刀具磨損的特征聲信號，將特征聲信號講過訓練學習之后存儲在監控系統的存儲器中。在實時監測過程中，當監測到的刀具磨損信號與訓練的特征信號相匹配時，語音識別單元就能識別出來，識別的結果傳送到顯示器，從而可以知道刀具達到了何種的磨損程度。
權利要求1.一種基于語音識別技術的刀具工況監測裝置，其特征是它包括刀具切削聲信號的采集裝置，該裝置采集各種刀具切削的特征聲信號以及所檢測刀具的實時聲信號；該采集裝置與預放和增益控制裝置連接，將聲信號進行模/數轉換后進行放大、除噪，產生的數字信號送入語音識別裝置，該裝置將特征刀具切削聲信號送入存儲裝置，作為實時聲信號的比較基準；被檢測刀具的實時切削聲信號與該比較基準信號進行匹配，比較結果由輸入輸出裝置輸出。
2.根據權利要求1所述的基于語音識別技術的刀具工況監測裝置，其特征是所述刀具聲信號采集裝置包括安裝在車床刀具相應位置的帶有濾罩的電容式聲壓傳感器，它采集正前方20°～30°范圍內遠距離的聲音，其背面靈敏度比為1∶31。
3.根據權利要求2所述的基于語音識別技術的刀具工況監測裝置，其特征是所述聲壓傳感器與一變送器連接。
4.根據權利要求1所述的基于語音識別技術的刀具工況監測裝置，其特征是所述預放和增益控制裝置包括由模/數轉換電路，放大電路和濾波電路。
5.根據權利要求1所述的基于語音識別技術的刀具工況監測裝置，其特征是所述語音識別裝置為型號是RSC-4x微處理器，它與存儲裝置連接，并通過I/O總線與輸出裝置連接。
6.根據權利要求1所述的基于語音識別技術的刀具工況監測裝置，其特征是所述存儲裝置包括為片外RAM，它與微處理器的數據總線、地址總線、控制總線連接以及微處理器內部的RAM和ROM。
7.根據權利要求1所述的基于語音識別技術的刀具工況監測裝置，其特征是所述輸入輸出裝置包括顯示裝置、鍵盤和外部接口。
8.根據權利要求7所述的基于語音識別技術的刀具工況監測裝置，其特征是所述顯示裝置包括顯示器和聲光報警裝置，語音識別裝置將聲信號的匹配結果送入顯示裝后，由顯示器顯示結果，當刀具的破損或劇烈磨損被識別后，聲光報警裝置將發出報警信號；鍵盤用于向語音識別裝置輸入設置信息；外部接口為RS232/485通訊電路，并可通過此接口以串行通訊的方式與數控機床的控制系統連接實現切削加工的自適應控制。
專利摘要本實用新型公開了一種基于語音識別技術的刀具工況監測裝置。它解決了目前對制造業中所用刀具監測不能滿足實際需要的問題，具有結構簡單，使用方便，可使用多種刀具等優點，其結構為它包括刀具切削聲信號的采集裝置，該裝置采集各種刀具切削的特征聲信號以及所檢測刀具的實時聲信號；該采集裝置與預放和增益控制裝置連接，將聲信號進行模/數轉換后進行放大、除噪，產生的數字信號送入語音識別裝置，該裝置將特征刀具切削聲信號送入存儲裝置，作為實時聲信號的比較基準；被檢測刀具的實時切削聲信號與該比較基準信號進行匹配，比較結果由輸入輸出裝置輸出。
文檔編號G01N29/34GK2854594SQ20052012669
公開日2007年1月3日 申請日期2005年12月31日 優先權日2005年12月31日
發明者艾長勝, 董全成, 趙洪華, 孫選, 李國平, 王娜, 張輝 申請人:濟南大學