CN103801986A - 一种内置式光纤实时连续红外测温刀柄 - Google Patents

Abstract

一种内置式光纤实时连续红外测温刀柄，其包括光纤红外测温刀柄和上位机数据处理系统，其特征在于所述光纤红外测温刀柄的测温过程是实时连续的，所述的上位机数据处理系统包括数据处理模块、天线、无线数据接收模块、温度数据实时动态显示模块，本发明将数据采集模块装入刀柄主体内部，通过光纤将刀具切削刃区发出的红外热辐射信号传输到数据采集模块，经光电和A/D转换，无线发射到接收器，再传输到上位机读取并比色转换为温度值实时显示，实现高速切削刀具切削刃区点温度的实时、连续测量并显示。该光纤红外测温刀柄动平衡性能高，适用于HSK、BT、JT等各种刀柄，用于直接、实时、连续测量高速数控铣床和高速加工中心等高速机床刀具的切削温度。

Description

一种内置式光纤实时连续红外测温刀柄

技术领域

本发明涉及一种高速机床用内置式实时连续测温刀柄，尤其适用于高速小直径立铣刀和钻实时连续测量的光纤红外测温刀柄。

背景技术

当物体的温度处在绝对零度（-273℃）以上时就会发出红外光，于是人们利用红外辐射原理测量物体的表面温度。红外测温系统一般由光学系统、红外探测器、信号处理器和显示输出等部分组成。远距离测温时，光学系统需要采用光纤来传导红外辐射波，称为光纤红外测温。光学系统汇聚其视场内目标的红外辐射能量，送给红外探测器转变成电讯号，通过滤波、放大等处理，再经软件换算得到物体表面温度或温度分布。红外测温技术具有使用方便、快速、准确、非接触无损测量等优点，广泛用于钢铁、冶金、机械加工等行业。在红外测温中，被测温物体材料的发射率随着温度变化而改变，为了消除或有效地减小这一影响，以及减小环境干扰、器件老化等因素带来的测量误差，发明了双色红外测温法，也称为比色法或双波段红外测温法。

高速铣削和高速钻削过程所产生的切削热，对立铣刀和钻产生热疲劳冲击，加剧刀具磨损破损甚至失效，同时也会影响工件加工精度。由于立铣刀和钻高速旋转，尤其是小直径立铣刀和钻，无法连续测量刀具切削部位的切削温度。

现有技术中对于高速铣削、钻削过程，采用切割夹丝热电偶和埋入工件内部的光纤测量刀具切削刃上切割点的切削温度；或者运用红外热成像仪、光纤红外测温法从切出一侧测量切削温度，刀具旋转一周只能测量一次，无法实现实时连续测量并读取、显示温度数据。

实用新型专利CN26525590Y公开了一种应用于加工机床刀具高速旋转情况下的切削过程中切削温度的测量装置。该测温装置在高速旋转的刀具弹簧夹头和刀具之间安装一个具有外环槽的紫铜环套，套连于该外环槽的紫铜线张紧后连接到电子放大器，从工件上引出的紫铜连线也接到电子放大器，当刀具切削工件时形成了自然热电偶，用于直接测量刀具与工件界面温度。该实用新型采用的是自然热电偶，只能测量刀具和工件接触区的平均温度，无法测量刀具和工件接触区的实时温度，并要求通过切割工件埋入其内部测量定点温度则破坏了工件，而且工件与工件台、刀具与刀柄之间、埋入工件的热电偶丝都需要严格的绝缘处理。

申请号为CN201310072128.4的发明专利申请文件公开了一种用于高速钻削加工的切削温度监测装置，其温度监测系统安装在温度支架组件之中，温度支架组件设置于切削刀柄主体上，采用存储子模块存储热电偶的热电势信号。该装置结构复杂，装配要求严格，设置于刀柄主体上的温度监测系统和温度支架组件的质量回转半径大，不适用于本发明所述的高速旋转，读取温度监测记录时需要拆卸3个零件才能取出存储式温度采集子模块，无法实现直接连续实时读取和显示温度数据，另外该申请中检测系统采用外置方式，结构笨重繁琐，不适宜高速加工领域。

发明内容

针对现有技术存在的问题和不足，本发明专利将数据采集模块装入刀柄内部，采用充电电池供电或电刷供电，采用无线传输数据，实现刀具切削温度的实时连续测量和同步显示的目的，同时简化结构，适宜于高速加工领域。

为实现上述所述目的，本发明通过下述技术方案得以实现的：所述的光纤红外测温刀柄进行加长改进，所述光纤优选为红外光纤，其具有良好的适应恶劣环境和抗振、抗强磁场干扰性能，并且测温范围宽，将并排的2根光纤通过刀具的内冷却孔，直接达到切削刃区，通过光纤把刀具切削刃区发出的红外热辐射信号传导到数据采集模块上的光电探测器，经过光电转换、滤波、放大、A/D转换和微处理器处理，送给无线数据发送模块，无线发送到无线数据接收模块，再传输到上位机上读取并比色转换为温度值实时显示，实现高速切削刀具切削刃区切削温度的直接、实时、连续测量。

在所述的测温刀柄主体内孔壁上加工两条平行于轴线的轴向矩形槽，用于安装数据采集模块电路板，使其处于回转中心的位置，减小电路板上处于偏心位置的电子元器件质量产生惯性力，使得测温刀柄能够具备更好的动平衡特性，所述的两条轴向矩形槽带动数据采集模块电路板与刀柄主体同步旋转。

在所述的测温刀柄主体内孔壁上加工一条垂直于轴线的周向矩形槽，用于安装内孔挡圈，以便轴向锁住数据采集模块电路板。

将所述的数据采集模块电路板沿着轴向矩形槽推入测温刀柄主体内孔中，将内孔挡圈嵌入周向矩形槽内，从而锁住数据采集模块电路板。

所述的光纤连接到数据采集模块上的光电探测器，然后通过刀具内冷却孔，其另一端到达刀具切削刃区内定点位置。

所述的光纤传输的红外热辐射信号由数据采集模块采集，再通过数据采集模块无线发送出去，由接收器接收，通过路由器传输到上位机，实现数据采集模块与上位机之间的无线通信。

所述的测温刀柄主体上，在垂直于所述数据采集模块电路板的方向加工有四个通孔，其中的靠近夹持槽端的两个通孔中一个用于伸出充电导线，另外一个用于通过红外遥控器遥控红外接收头开关数据采集模块，另外两个靠近弹簧夹头端的通孔中一个用于伸出数据采集模块的无线发送天线，另外一个通孔用于通过电刷供电导线。

所述的数据采集模块采用充电电池或电刷两种供电方式，充电导线由所述的测温刀柄主体上一个通孔伸出，连接充电器充电，所以不需要将其取出充电，采用电刷供电时在所述测温刀柄主体外圆柱表面热装紫铜导电环，与电刷接触为所述的数据采集模块供电，此时为连续供电。

对所述的数据采集模块电路板上的电子元器件进行了布局设计和动平衡设计，让质量相对较大的电子元器件处于中心轴线的位置，减小不平衡量。

试验得到所述的数据采集模块的采样频率达到6700Hz，对于主轴转速为40000rpm的旋转加工刀具，每旋转一周采集10个数据，因此本发明足以满足高速和超高速加工过程中刀具切削温度的测量，所述的数据采集模块的采样频率在3300Hz～9000Hz亦能适于本发明。

所述的上位机数据处理系统包括无线数据接收模块、数据处理模块、无线发送天线、PC上位机，其中PC上位机包括温度数据实时动态显示模块和温度数据回放显示模块，实现温度数据、温度最大值、温度平均值的实时播放。所述的温度数据回放显示模块具有定点、放缩、数据导出功能，方便浏览。

与现有的技术比较，本发明将数据采集模块装入刀柄主体内部，并且对数据采集模块电路板上的电子元器件进行了布局设计和动平衡设计，将光纤装入刀具内部，所述的数据采集模块与上位机之间采用无线数据传输，所述的数据采集模块采用充电电池供电，一次充电可供一个小时连续测量。本发明的优点和效果是：所述的数据采集模块处于回转中心轴线及其附近，缩小了其上不平衡质量的回转半径，尤其适合于刀具高速旋转的高速铣削、高速钻削加工过程中的切削温度测量，所述的数据采集模块采用充电电池供电，无线传输热电势信号数据，一次装入不需要取出，实现切削过程的实时连续测温。可应用于生产企业加工中的切削温度监测监控，高校院所的教学和科研试验中的温度测量。为研究高速铣削切削热和刀具失效机理，为优化机械加工工艺、控制工件加工精度，为刀具和工具系统生产厂家研制立铣刀、钻和刀柄等提供理论依据和试验数据。本发明是上述领域急需的温度工具，国际国内没有同类产品和测温实现方法，应用前景广阔。

附图说明

图1 HSK刀柄主体图。

图2为图1的A-A剖面图。

图3 HSK刀柄光纤红外测温装置图。

图4为图3的B-B剖面图。

图5为图4的C-C剖面图。

图6光纤红外测温系统图。

图7 BT刀柄光纤红外测温装置图。

图8 JT刀柄光纤红外测温装置图。

图1-图8中：1 HSK刀柄主体，2 弹簧夹头，3 螺母，4 刀具，5 光纤，6 内孔挡圈，7 数据采集模块，8、9 轴向矩形槽，10 周向矩形槽，11、12、13、14通孔，15 红外接收头，16无线发送天线，17 充电导线，18 BT刀柄主体，19 JT刀柄主体，20无线数据接收模块，21 PC上位机，22、23光电探测器。

具体实施方式

本发明适用于HSK、BT、JT等各种系列数控铣床和加工中心刀柄，结合附图所示之HSK、BT、JT刀柄实施例做进一步详述，但本发明权利保护不限于此三种刀柄，同时以下具体实施例中刀具4以立铣刀或钻为优先例进行说明，但本发明权利保护不限于此两种刀具。

实施例1。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6，本发明的光纤红外测温刀柄的目的主要是通过下述技术方案得以实现的：所述的光纤红外测温刀柄将原刀柄主体进行了改进设计，加长了所述HSK刀柄主体1，在其内孔壁表面加工出两条平行于轴线的轴向矩形槽8、9和一条垂直于回转中心轴线的周向矩形槽10，将所述的数据采集模块7电路板沿着轴向矩形槽8、9推入测温刀柄主体内孔中，将内孔挡圈6嵌入周向矩形槽内，从而锁住数据采集模块电路板。在垂直于两条轴向矩形槽所在平面的方向上的靠近夹持槽端加工出两个通孔11、12，在靠近弹簧夹头端加工出两个通孔13、14。

将所述的数据采集模块7内置安装入所述的轴向矩形槽8、9中，并用内孔档圈6固定，将刀具4装入弹簧夹头2，所述刀具4优选是立铣刀或钻头，所述的弹簧夹头2卡入螺母3内，该弹簧夹头2通过螺母3轴向地拧紧动作，从而径向夹紧刀具4，将所述的光纤5从刀具4中间的内冷却孔通过，直接达到切削刃区，对准刀具切削刃区内一点，该光纤5优选是红外光纤，所述光纤5连接到所述数据采集模块7上的光电探测器22、23，然后用螺母3联接到所述的HSK刀柄主体1锁紧刀具。

所述的数据采集模块7的无线发送天线16从所述的通孔14伸出，绕所述HSK刀柄主体1一周，以增加数据发送的可靠性，所述的通孔13用于电刷供电，采用电刷供电时在所述测温刀柄主体外圆柱表面热装紫铜导电环，与电刷接触为所述的数据采集模块供电，此时为连续供电。

所述的数据采集模块7的充电导线17从所述的通孔12伸出，以便充电。

所述的数据采集模块7的红外接收头15正对所述的通孔11，通过红外遥控器从所述的HSK刀柄主体1外部遥控红外接收头15开/关数据采集模块7，所述的数据采集模块7通过红外遥控器遥控控制红外接收头15开始和停止数据采集。

内置于HSK刀柄主体1内孔中的数据采集模块7上的光电探测器22和23接收由所述的光纤5传导过来的从刀具4切削刃区发出的红外热辐射信号，经过光电转换、滤波、放大、A/D转换和微处理器处理，无线发送到无线接收模块20接收，再传输到PC上位机21上，所述PC上位机包括温度数据实时动态显示模块和温度数据回放显示模块，实现温度数据、温度最大值、温度平均值的实时播放，所述的温度数据回放显示模块具有定点、放缩和数据导出功能，方便浏览，实现高速切削刀具4切削刃区切削温度的直接、连续、实时测量，适用于转速8000-40000rpm的高速数控机床和高速加工中心立铣刀和钻等刀具测温。

实施例2。

如图1、图2、图5、图6、图7，通过BT刀柄主体18实现本发明的技术方案。所述的光纤红外测温刀柄将原刀柄主体进行了改进设计，加长了所述的BT刀柄主体18，在其内孔壁表面加工出两条平行于轴线的轴向矩形槽8、9和一条垂直于回转中心轴线的周向矩形槽10，在垂直于两条轴向矩形槽所在平面的方向上的靠近夹持槽端加工出两个通孔11、12，在靠近弹簧夹头端加工出两个通孔13、14。

将所述的数据采集模块7内置安装入所述的轴向矩形槽8、9中，并用内孔档圈6固定，将刀具4装入弹簧夹头2，所述刀具4优选是立铣刀或钻头，所述的弹簧夹头2卡入螺母3内，该弹簧夹头2通过螺母3轴向的拧紧动作，从而径向夹紧刀具4，将所述的光纤5从刀具4中间的内冷却孔通过，直接达到切削刃区，对准刀具切削刃区内一点，该光纤5优选是红外光纤，所述光纤5连接到所述数据采集模块7上的光电探测器22、23，然后用螺母3联接到所述的BT刀柄主体18锁紧刀具。

所述的数据采集模块7的无线发送天线16从所述的通孔14伸出，绕所述BT刀柄主体18一周，以增加数据发送的可靠性，所述的通孔13用于电刷供电，采用电刷供电时在所述测温刀柄主体外圆柱表面热装紫铜导电环，与电刷接触为所述的数据采集模块供电，此时为连续供电。

所述的数据采集模块7的充电导线17从所述的通孔12伸出，以便充电。

所述的数据采集模块7的红外接收头15正对所述的通孔11，通过红外遥控器从所述的BT刀柄主体18外部遥控红外接收头15开关数据采集模块7，所述的数据采集模块7通过红外遥控器遥控控制红外接收头15开始和停止数据采集。

内置于BT刀柄主体18内孔中的数据采集模块7上的光电探测器22和23接收由所述的光纤5传导过来的从刀具4切削刃区发出的红外热辐射信号，经过光电转换、滤波、放大、A/D转换和微处理器处理，无线发送到无线接收模块20接收，再传输到PC上位机21上。

所述的BT刀柄主体18测温技术方案适用于8000rpm及以下主轴转速的数控机床和加工中心立铣刀和钻头等刀具测温，适用于日本、韩国、台湾产机床。

实施例3。

如图1、图2、图5、图6、图8，通过JT刀柄主体19实现本发明的技术方案。所述的光纤红外测温刀柄将原刀柄主体进行了改进设计，加长了所述的JT刀柄主体19，在其内孔壁表面加工出两条平行于轴线的轴向矩形槽8、9和一条垂直于回转中心轴线的周向矩形槽10，在垂直于两条轴向矩形槽所在平面的方向上的靠近夹持槽端加工出两个通孔11、12，在靠近弹簧夹头端加工出两个通孔13、14。

将所述的数据采集模块7内置安装入所述的轴向矩形槽8、9中，并用内孔档圈6固定，将刀具4装入弹簧夹头2，所述刀具4优选是立铣刀或钻头，所述的弹簧夹头2卡入螺母3内，该弹簧夹头2通过螺母3轴向的拧紧动作，从而径向夹紧刀具4，将所述的光纤5从刀具4中间的内冷却孔通过，直接达到切削刃区，对准刀具切削刃区内一点，该光纤5优选是红外光纤，所述光纤5连接到所述数据采集模块7上的光电探测器22、23，然后用螺母3联接到所述的JT刀柄主体19锁紧刀具。

所述的数据采集模块7的无线发送天线16从所述的通孔14伸出，绕所述JT刀柄主体19一周，以增加数据发送的可靠性，所述的通孔13用于电刷供电，采用电刷供电时在所述测温刀柄主体外圆柱表面热装紫铜导电环，与电刷接触为所述的数据采集模块供电，此时为连续供电。

所述的数据采集模块7的充电导线17从所述的通孔12伸出，以便充电。

所述的数据采集模块7的红外接收头15正对所述的通孔11，通过红外遥控器从所述的JT刀柄主体19外部遥控红外接收头15开关数据采集模块7，所述的数据采集模块7通过红外遥控器遥控控制红外接收头15开始和停止数据采集。

内置于JT刀柄主体19内孔中的数据采集模块7上的光电探测器22和23接收由所述的光纤5传导过来的从刀具4切削刃区发出的红外热辐射信号，经过光电转换、滤波、放大、A/D转换和微处理器处理，无线发送到无线接收模块20接收，再传输到PC上位机21上。

所述的JT刀柄测温技术方案的实现效果同BT刀柄基本相同，适用于8000rpm及以下主轴转速的数控机床和加工中心立铣刀和钻头等刀具测温，适用于自动换刀的欧洲产机床。

参见图6，测量过程如下：基于塞贝克效应（Seebeck Effect），由内置于刀柄主体内部的数据采集模块7上的光电探测器22和23接收由光纤5传导过来的从刀具切削刃区发出的红外热辐射信号，经过光电转换、滤波、放大、A/D转换和微处理器处理，由无线数据发送模块、无线发送天线16发送到无线数据接收模块20，再传输到PC上位机21上读取并转换为温度值实时显示，实现高速切削刀具切削刃区切削温度的直接、实时、连续测量。

除适用于高速铣床和钻床的刀具外，本发明同样适用于例如镗、攻丝等相近旋转刀具机床。另外，除可测量高速切削过程的切削温度外，将光纤埋入热源及其附近，同时内置所述的数据采集模块，本发明亦可以实现机床等装备上旋转零部件热源温度的测量。

除可测量温度外，将光纤更换为相应其他传感器后，除设置相应软件程序外其他硬件保持不变，本发明亦可实现测量刀具和刀柄形变量，振动以及拉紧力等。

最后说明，以上实施例仅用以说明本发明技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案某些或者全部技术特征进行修改或者/和等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种内置式光纤实时连续红外测温刀柄，其包括光纤红外测温刀柄和上位机数据处理系统，其特征在于所述光纤红外测温刀柄的测温过程是实时连续的，所述的上位机数据处理系统包括数据采集模块（7）、无线发送天线（16）、无线数据接收模块（20）、PC上位机（21）。

2.根据权利要求1所述的光纤红外测温刀柄，其特征在于：所述的测温刀柄包括刀柄主体及内置于其内孔中的数据采集模块（7）、刀具（4）、螺母（3）、弹簧夹头（2）及内置于刀具（4）冷却孔中的光纤（5）。

3.根据权利要求2所述的光纤红外测温刀柄，其特征在于：在所述的刀柄主体（1）内孔壁加工出两条平行于轴线的轴向矩形槽（8）、（9），用于装入数据采集模块（7）电路板，同时垂直于轴线方向加工一个周向锁环槽，用于安装内孔档圈（6）轴向固定数据采集模块（7）电路板。

4.根据权利要求3所述的光纤红外测温刀柄，其特征在于：所述的光纤（5）从刀具（4）中间的内冷却孔通过，连接到所述的数据采集模块（7）中的光电探测器（22）、（23），所述的刀具（4）装入弹簧夹头（2），并用螺母（3）锁紧。

5.根据权利要求4所述的光纤红外测温刀柄，其特征在于：在所述的刀柄主体（1）上设有两个通孔（11）、（12）分别用于正对红外接收头（15）和伸出便于电池充电的充电导线（17）；还设有通孔（14）用于伸出数据采集模块（7）的无线发送天线（16）。

6.根据权利要求1-5之一所述的光纤红外测温刀柄，其特征在于：所述的测温刀柄和所述的上位机数据处理系统之间采用无线数据传输。

7.根据权利要求1-5之一所述的光纤红外测温刀柄，其特征在于：所述的数据采集模块（7）通过红外遥控器遥控红外接收头（15）开始和停止数据采集。

8.根据权利要求6所述的光纤红外测温刀柄，其特征在于：所述的数据采集模块（7）的采样频率范围为3300Hz～9000Hz。

9.根据权利要求7所述的光纤红外测温刀柄，其特征在于：所述的数据采集模块（7）的采样频率范围为3300Hz～9000Hz。

10.一种机床，其特征在于采用权利要求1-5、权利要求8-9之一所述的光纤红外测温刀柄。

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