CN104889824B - 一种拉刀运动状态在线监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种拉刀运动状态在线监测装置及方法，包括RFID抗金属标签、读写器和运动监测装置支架组件，其中，RFID抗金属标签安装于拉刀刀柄上，读写器通过运动监测装置支架组件固定于机床上，且能够在一定角度范围内调整所对方向，确保与RFID抗金属标签正常通信；读写器发射频段为902～928MHZ的电磁波信号，当RFID抗金属标签随拉刀进入磁场区域时，RFID抗金属标签接收电磁波信号并获得能量，将其内部信息送出，读写器接收RFID抗金属标签送出的内部信息，同时向该RFID抗金属标签内部写入拉刀拉削次数的信息，从而实现对拉刀拉削次数的在线主动的精确监测。本发明可实现对拉刀在整个寿命周期内所加工工件总数量的实时在线监测，具有非接触式、记录时间长等特点，适用于各种规格尺寸的拉刀。

Description

一种拉刀运动状态在线监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种拉刀运动状态在线监测装置及方法，具体涉及一种采用射频识别(RFID)技术监测拉刀运动状态的装置及方法，属于机械切削加工技术领域。

背景技术

拉削加工是机械加工方式的一种类型，是使用各种形状的拉刀加工各种内外成形表面的切削工艺。与其他切削加工相比，拉削加工主要具有如下特点：生产效率高、加工精度高、操作简便、加工范围广，但刀具结构复杂且成本高。

拉削刀具结构和形状非常复杂，根据工况要求其应具有很高的强度、韧性和耐磨性，其材料主要是涂层高速钢、硬质合金及涂层硬质合金。由于拉刀的结构和形状复杂，精度和表面质量要求较高，因此其制造成本很高。

与许多其他切削作业不同，拉削过程中主要考虑的问题是刀具的磨损及刀具使用寿命。拉削时切削速度较低，刀具磨损较慢，刃磨一次可以加工数以千计的工件，而且拉刀可以重磨多次，从而提高拉刀的寿命。拉削工件的总数与拉刀的工作寿命直接相关，这一数据对于预测拉刀工作状况及时进行重磨，提高拉削的加工质量和效率，提升刀具质量以及延长刀具使用寿命等均具有重要意义。然而，在现有的环境下对拉刀使用中的运动状态缺乏监测，一把指定的拉刀在整个寿命周期中所拉削的工件总数量，以及拉刀在使用过程中已加工工件的数量均无法获得。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有拉刀已完成拉削次数的计数技术空白，提供一种采用射频识别(RFID)技术的拉刀运动状态在线监测装置及方法，监测装置安装在机床和拉刀上，在拉刀切削过程中，采用抗金属标签作为数据存储芯片，采用读写器对该抗金属标签进行读卡和写卡操作，通过非接触方式实现对拉刀拉削次数的实时记录，以完成对拉刀在寿命周期内的运动状态的在线持续监测。

本发明是通过以下技术方案来解决其技术问题的：

一种拉刀运动状态在线监测装置，其安装在机床和拉刀上，在拉刀切削过程中，通过嵌入式程序实现自动识别并写入数据，完成对拉刀拉削次数的实时记录，从而对拉刀的运动状态进行长时间持续精确的监测；

所述在线监测装置包括拉刀运动监测系统和运动监测装置支架组件；所述拉刀运动监测系统包括RFID抗金属标签和读写器，该RFID抗金属标签安装于所述拉刀的刀柄上，该读写器通过所述运动监测装置支架组件固定于所述机床上，该运动监测装置支架组件能够在一定角度范围内调整所述读写器的所对方向，确保该读写器与所述RFID抗金属标签正常通信；

所述读写器发射频段为902～928MHZ的电磁波信号，当所述RFID抗金属标签随所述拉刀进入磁场区域时，该RFID抗金属标签接收所述电磁波信号并获得能量，将其内部信息送出，所述读写器接收所述RFID抗金属标签送出的内部信息，同时向该RFID抗金属标签内部写入拉刀拉削次数的信息，实现对拉刀拉削次数的主动、精确的监测。

作为进一步改进，所述RFID抗金属标签为无源电子标签，金属表面读写范围为50-80cm，工作频率为902～928MHZ，存储量≥96bits。

作为进一步改进，所述RFID抗金属标签安装于所述拉刀刀柄上预先加工出的凹槽内，并且使用背胶贴在该凹槽的中心位置，确保所述拉刀刀柄表面光滑平坦与所述RFID抗金属标签紧密贴合，以保证该RFID抗金属标签与所述读写器的读写距离。

作为进一步改进，所述RFID抗金属标签包括用以接收所述电磁波信号和获得能量的内置天线和用以储存和发送内部信息的标签电路。

作为进一步改进，所述读写器的内部包括射频天线、读写模块以及ARM处理芯片，该读写器的工作频率、射频功率和单次读取时间能够通过软件调节。

作为进一步改进，所述读写器的工作频率为902～928MHZ，射频功率为12dBm～30dBm，单次读取时间为12～20ms。

作为进一步改进，所述运动监测装置支架组件包括读写器固定支架和角度调整支架，所述读写器通过压紧螺钉与该读写器固定支架连接，所述角度调整支架设有弧形槽和定位孔，所述读写器固定支架通过该弧形槽、定位孔以及连接螺钉连接在所述角度调整支架上且实现在一定角度范围内的方向位置调整。

本发明的另一技术方案为：

一种采用上述在线监测装置实现的拉刀运动状态在线监测方法，基于射频识别技术，采用所述RFID抗金属标签作为数据存储芯片，利用所述读写器作为传感器，该读写器的读写模块接收ARM处理芯片发出的命令，通过所述射频天线向空间发射频段为902～928MHZ的电磁波信号，当所述RFID抗金属标签随所述拉刀进入磁场区域时，该RFID抗金属标签的内置天线接收所述电磁波信号并获得能量，用以驱动所述标签电路将内部信息送出，所述读写模块接收该内部信息，同时返送给所述ARM处理芯片，进而该读写模块向所述RFID抗金属标签内部写入拉刀拉削次数的信息，实现对所述拉刀拉削次数主动的监测。

作为进一步改进，通过嵌入式程序使所述读写器不断处于读取状态，同时设置与所述拉刀运动周期一致的写入时间间隔，该读写器读到所述RFID抗金属标签后向其内部写入拉刀拉削次数信息，从而对拉刀的运动状态进行长时间持续精确的监测。

本发明将一套RFID无源抗金属标签及读写器分别安装于拉刀和机床内部，完成了在拉削刀具寿命周期内长时间、持续的记录刀具拉削次数的实时记录。

本发明的优点和效果是：采用RFID无源抗金属标签作为数据存储芯片，其尺寸小、寿命长且价格便宜，实现了长时间持续的刀具拉削次数记录；拉削数据存储于RFID抗金属标签内部，而RFID抗金属标签直接安装于拉刀上，数据与拉刀共存，不会因刀具上下机床及修磨等操作导致数据丢失，而且不同拉刀的数据互相独立；读写器固定于机床内部，一台机床仅需进行一次设置即可完成对拉床的改造，从而实现对拉削次数的实时记录，不会因换刀、上下工件等操作导致失效。本发明对安装环境要求低，安装容易，成本低，稳定性较高；本发明能够在金属，灰尘，油污，潮湿环境下工作；本发明不影响原有机床和刀具系统的正常的工作，且能够适应多种规格尺寸的拉刀。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中A部放大图。

图3为图2中B向视图。

图中，

1工件，2机床，3拉刀，4RFID抗金属标签，5环氧胶，6读写器，7读写器固定支架，8压紧螺钉，9角度调整支架，10连接螺钉。

具体实施方式

本发明是一种用于拉削加工中对拉刀运动进行长时间持续监测的装置，其基于射频识别的原理传递运动信息，通过将监测装置安装在拉刀和机床上，实现刀具寿命周期内长时间持续的拉刀运动监测；具体是利用预先嵌入拉刀柄部的无源抗金属标签作为数据存储芯片，再通过安装在机床内部的超高频读写器对抗金属标签进行一定的读写操作，实现长时间持续的拉刀运动信息采集。整套装置通过嵌入式程序设计实现自动识别标签并写入特定数据，无需主机支持，可直接安装于机床内部，并保证长时间、持续、精确的拉刀运动监测。

下面结合实施例和附图对本发明作详细说明，本实施例以发明技术方案为前提，给出了详细的实施方法和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实施例所述拉刀运动状态在线监测装置包括：拉刀运动监测系统及运动监测装置支架组件。所述拉刀运动监测系统包括RFID抗金属标签4及读写器6，所述RFID抗金属标签4安装于拉刀3的刀柄上，所述读写器6通过所述运动监测装置支架组件固定于机床2内部。

所述的RFID抗金属标签4采用无源电子标签，没有内装电池，无需考虑其供电问题；其金属表面读写范围为50-80cm，工作频率为902～928MHZ，存储量≥96bits。在读写器6的读取范围之内，该RFID抗金属标签4从读写器6发出的射频信号中提取其工作所需的电源。RFID抗金属标签4具有体积小、寿命长等优势，可满足长时间持续运动监测的需求，同时可适应不同规格尺寸的拉刀3。

所述RFID抗金属标签4包括用以接收所述电磁波信号和获得能量的内置天线和用以储存和发送内部信息的标签电路。

所述的读写器6的内部包括射频天线、读写模块以及ARM处理芯片。读写模块接收ARM处理芯片的命令后，通过射频天线向空间频率为902～928MHZ的电磁波信号，当RFID抗金属标签4随所述拉刀3进入磁场区域时，RFID抗金属标签4的内置天线接收信号并获得能量，用以驱动其标签电路将内部信息送出，读写模块便接收该内部信息，并返送给ARM处理芯片。通过嵌入式程序设计，使读写器6不断处于标签读取状态，同时设置写入时间间隔，使之与拉刀3运动周期一致，当读写器6读到RFID抗金属标签4后向其内部写入拉刀运动数据，实现对拉削次数主动、精确的监测。

所述的读写器6可根据具体监测需求而设置不同的功率和写入时间间隔，对于读写距离较远的拉刀3可设置更高的功率；对于运动周期较长的拉刀3可设置更长的写入时间间隔。所述读写器6的工作频率、射频功率和单次读取时间能够通过软件调节，该读写器的工作频率为902～928MHZ，射频功率为12dBm～30dBm，单次读取时间为12～20ms。所述读写器6为一体化读写器，可在灰尘、油污和潮湿环境下工作，实现在机床2内部环境下正常工作。

所述运动监测装置支架组件包括读写器固定支架7和角度调整支架9。所述读写器6通过压紧螺钉8与读写器固定支架7连接；请参阅图3，读写器固定支架7上加工出2个与角度调整支架9配合的定位孔，角度调整支架9上加工出弧形槽和另一定位孔，读写器固定支架7通过该弧形槽、定位孔以及连接螺钉10连接所述角度调整支架9，即可实现在一定角度范围内读写器固定支架7的方向位置调整，从而在一定角度范围内调整所述读写器6的所对方向，确保读写器6与所述RFID抗金属标签4的正常通信。

采用所述在线监测装置实现的拉刀运动状态在线监测方法，基于射频识别技术，采用所述RFID抗金属标签4作为数据存储芯片，利用所述读写器6作为传感器，该读写器6的读写模块接收ARM处理芯片发出的命令，通过所述射频天线向空间发射频段为902～928MHZ的电磁波信号，当所述RFID抗金属标签4随所述拉刀3进入磁场区域时，该RFID抗金属标签4的内置天线接收所述电磁波信号并获得能量，用以驱动所述标签电路将内部信息送出，所述读写模块接收该内部信息，同时返送给所述ARM处理芯片，进而该读写模块向所述RFID抗金属标签4内部写入拉刀拉削次数的信息，实现对所述拉刀3拉削次数主动的监测。

通过嵌入式程序使所述读写器6不断处于读取状态，同时设置与所述拉刀3运动周期一致的写入时间间隔，当读写器6读到所述RFID抗金属标签4后向其内部写入拉刀拉削次数信息，从而对拉刀3的运动状态进行长时间持续精确的监测。

本发明所述在线监测装置初次安装复杂，应注意装配顺序。如图1和图2所示，首先应根据拉刀3的规格尺寸选择合适的RFID抗金属标签4，在所述拉刀3刀柄处预先加工出安装凹槽，使用高强度背胶将所述RFID抗金属标签4贴在腔体或凹槽的中心位置，然后用环氧胶5灌封填满空隙，使金属表面光滑平坦与RFID抗金属标签4紧密贴合，将RFID抗金属标签4在拉刀3柄部安装到位，并保证该RFID抗金属标签4与所述读写器6有合适的读写距离；然后将拉刀3在机床2上安装到位；将读写器6通过读写器固定支架7以及角度调整支架9固定到机床2内部合适位置，确保RFID抗金属标签4在随拉刀3的运动过程中，能够在正对读写器6的位置上被稳定读写。在读写器6内设置合适的发射功率及写入时间间隔后，进行拉刀3空拉削测试，确保拉刀3运动次数被精确写入RFID抗金属标签4内部，从而完成整套监测装置的初次安装。

本发明所述拉刀运动状态在线监测装置的简要工作流程为：在线监测装置初次安装完成后，见图1，将工件1安装到位，拉刀3运动开始，RFID抗金属标签4随拉刀3运动，RFID抗金属标签4进入读写器6的读取范围后，读写器6自动完成标签识别以及数据写入，然后进入写入延时状态，直到拉刀3完成一次拉削工作。进入下一次拉削后，所述在线监测装置重复以上过程，从而将拉刀3运动信息存入RFID抗金属标签4中，并且与相应的拉刀3对应。RFID抗金属标签4内部数据可由读写器6直接输出到上位机中，从而获得从开始记录到记录停止(可在刀具全寿命周期内任意时刻)时拉刀3的拉削次数。

本发明采用超高频无源RFID抗金属标签4作为数据存储芯片，固定于拉刀3表面，同时采用专用抗金属标签读写器6对RFID抗金属标签4进行读卡和写卡操作；在拉刀对工件1进行切削的过程中，RFID抗金属标签4随拉刀3做周期性往复运动，其运动行程和时间均可在一定范围内确定，只需要对读写器6进行嵌入式程序开发，每隔一个运动周期对RFID抗金属标签4内数据进行规范化改写，即可实现对拉刀3周期运动的实时监测；同时通过开发专用桌面读写软件，即可将RFID抗金属标签4内部数据装换为刀具运动信息，从而得到拉刀3实时已加工工件数目。

本发明可实现拉刀在整个寿命周期内所加工工件总数量的实时在线监测，具有非接触式、精确、记录时间长等特点，适用于各种规格尺寸的拉刀。

Claims (9)

1.一种拉刀运动状态在线监测装置，其特征在于：所述在线监测装置安装在机床和拉刀上，在拉刀切削过程中，通过嵌入式程序实现自动识别并写入数据，完成对拉刀拉削次数的实时记录，从而对拉刀的运动状态进行长时间持续精确的监测；

所述在线监测装置包括拉刀运动监测系统和运动监测装置支架组件；所述拉刀运动监测系统包括RFID抗金属标签和读写器，该RFID抗金属标签安装于所述拉刀的刀柄上，该读写器通过所述运动监测装置支架组件固定于所述机床上，该运动监测装置支架组件能够在一定角度范围内调整所述读写器的所对方向，确保该读写器与所述RFID抗金属标签正常通信；

所述读写器发射频段为902～928MHZ的电磁波信号，当所述RFID抗金属标签随所述拉刀进入磁场区域时，该RFID抗金属标签接收所述电磁波信号并获得能量，将其内部信息送出，所述读写器接收所述RFID抗金属标签送出的内部信息，同时向该RFID抗金属标签内部写入拉刀拉削次数的信息，实现对拉刀拉削次数的主动、精确的监测。

2.根据权利要求1所述的拉刀运动状态在线监测装置，其特征在于：所述RFID抗金属标签为无源电子标签，金属表面读写范围为50-80cm，工作频率为902～928MHZ，存储量≥96bits。

3.根据权利要求1所述的拉刀运动状态在线监测装置，其特征在于：所述RFID抗金属标签安装于所述拉刀刀柄上预先加工出的凹槽内，并且使用背胶贴在该凹槽的中心位置，确保所述拉刀刀柄表面光滑平坦与所述RFID抗金属标签紧密贴合，以保证该RFID抗金属标签与所述读写器的读写距离。

4.根据权利要求1所述的拉刀运动状态在线监测装置，其特征在于：所述RFID抗金属标签包括用以接收所述电磁波信号和获得能量的内置天线和用以储存和发送内部信息的标签电路。

5.根据权利要求1所述的拉刀运动状态在线监测装置，其特征在于：所述读写器的内部包括射频天线、读写模块以及ARM处理芯片，该读写器的工作频率、射频功率和单次读取时间能够通过软件调节。

6.根据权利要求5所述的拉刀运动状态在线监测装置，其特征在于：所述读写器的工作频率为902～928MHZ，射频功率为12dBm～30dBm，单次读取时间为12～20ms。

7.根据权利要求1所述的拉刀运动状态在线监测装置，其特征在于：所述运动监测装置支架组件包括读写器固定支架和角度调整支架，所述读写器通过压紧螺钉与该读写器固定支架连接，所述角度调整支架设有弧形槽和定位孔，所述读写器固定支架通过该弧形槽、定位孔以及连接螺钉连接在所述角度调整支架上且实现在一定角度范围内的方向位置调整。

8.一种采用权利要求2所述的在线监测装置实现的拉刀运动状态在线监测方法，其特征在于：所述在线监测方法基于射频识别技术，采用所述RFID抗金属标签作为数据存储芯片，利用所述读写器作为传感器，该读写器的读写模块接收ARM处理芯片发出的命令，通过所述射频天线向空间发射频段为902～928MHZ的电磁波信号，当所述RFID抗金属标签随所述拉刀进入磁场区域时，该RFID抗金属标签的内置天线接收所述电磁波信号并获得能量，用以驱动所述标签电路将内部信息送出，所述读写模块接收该内部信息，同时返送给所述ARM处理芯片，进而该读写模块向所述RFID抗金属标签内部写入拉刀拉削次数的信息，实现对所述拉刀拉削次数主动的监测。

9.根据权利要求8所述的拉刀运动状态在线监测方法，其特征在于：通过嵌入式程序使所述读写器不断处于读取状态，同时设置与所述拉刀运动周期一致的写入时间间隔，该读写器读到所述RFID抗金属标签后向其内部写入拉刀拉削次数信息，从而对拉刀的运动状态进行长时间持续精确的监测。