CN105397566B - 一种加工中心刀具磨损在线检测与智能补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加工中心刀具磨损在线检测与智能补偿系统及方法，所述系统包括固定在工作台上，用于测量刀具在X、Y、Z方向的位置的测量组件；测量组件包括支座和对刀传感器；支座固定在工作台上，对刀传感器设置在支座的上端；对刀传感器包括X向对刀面、Y向对刀面和Z向对刀面；所述系统还包括用于保护测量组件不受破坏的磁力防护罩；移动工作台和主轴箱使对刀传感器和刀具相互靠近并接触相应的对刀面以测量刀具的位置，加工中心工作一段时间后，再次测量刀具的位置，并和上次测量的数据相比较，计算出刀具的磨损量，加工中心的控制系统根据磨损量对刀具进行智能补偿。本发明能够实现刀具磨损在线随时检测，刀具智能准确补偿。

Description

一种加工中心刀具磨损在线检测与智能补偿系统及方法

技术领域

本发明涉及数控机床领域，具体为一种加工中心刀具磨损在线检测与智能补偿系统及方法。

背景技术

在加工中心加工工件的过程中，刀具磨损是普遍存在的现象，刀具磨损会影响加工的工件的质量和公差，所以为了提高加工的工件质量和降低加工成本，要对刀具磨损的部分通过调节刀具的初始加工位置给予补偿。传统的刀具补偿方法为用统计分析方法定时补偿或定件补偿。所谓定时补偿为刀具工作特定时间后，根据统计的刀具磨损量对刀具进行恒定量的补偿。所谓定件补偿为刀具加工特定数量的工件后，根据统计的刀具磨损量对刀具进行恒定量的补偿。定时补偿和定件补偿设定的补偿值是恒定的，但是由于加工环境或者刀具的个体差别等因素的影响，这种刀具补偿方式往往并不能精确，经常出现过量补偿或者补偿不足的现象。

发明内容

本发明针对定时补偿和定件补偿的不足，而研究设计一种加工中心刀具磨损在线检测与智能补偿系统及方法。本发明通过在工作台上设置带有对刀传感器的测量组件，通过本次测量的位置数据与上次测量的位置数据相比较来计算刀具的磨损量，加工中心根据刀具的磨损量自动智能补偿。

本发明的技术手段如下：

本发明的一个目的在于公开一种加工中心刀具磨损在线检测与智能补偿系统，其特征在于，所述系统包括：

用于测量刀具在X、Y、Z方向的位置的测量组件；所述测量组件固定在工作台的一角，所述测量组件包括支座和对刀传感器；所述支座固定在工作台上，所述对刀传感器设置在所述支座的上端；所述对刀传感器包括X向对刀面、Y向对刀面和Z向对刀面；移动工作台和主轴箱使对刀传感器和刀具相互靠近并接触相应的对刀面以测量刀具的位置；

以及记录所述测量组件测量的位置数据，并计算刀具的磨损量，根据磨损量控制加工中心进行刀具智能补偿的控制单元；

测量刀具在X向和Y向的位置时，使刀具低速旋转至少一周，分别取最大值为X₀和Y₀，测量刀具在Z向的位置时只需将刀尖接触Z向对刀面，测出刀具在Z向的位置Z₀；加工中心工作一段时间后，再次测量刀具在X、Y和Z向的位置，分别为X₁、Y₁和Z₁，控制单元通过将数据X₁、Y₁和Z₁分别与X₀、Y₀和Z₀相比较，计算出刀具的磨损量ΔX、ΔY和ΔZ，取ΔX和ΔY的平均值ΔR，控制单元根据ΔR控制加工中心对刀具进行智能补偿，并根据ΔZ控制加工中心对刀具在Z方向上进行智能补偿。

进一步地，所述系统还包括用于保护测量组件不受破坏的磁力防护罩；所述磁力防护罩在测量组件测量刀具位置完毕后手动罩在测量组件外部，且吸附在工作台上。

本发明的另一个目的在于公开一种加工中心刀具磨损在线检测与智能补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、拿开磁力防护罩使测量组件露出，移动工作台使对刀传感器在X向和Y向靠近刀具，然后移动主轴箱，使刀具在Z向靠近并接触对刀传感器的Z向对刀面，测量出刀具在Z向的位置Z₀；

S2、移动工作台和主轴箱，使刀具接触X向对刀面，并使刀具低速旋转至少一周，测量刀具在X向的位置，取最大值为X₀；

S3、移动工作台和主轴箱，使刀具接触Y向对刀面，并使刀具低速旋转至少一周，测量刀具在Y向的位置，取最大值为Y₀；

S4、刀具位置测量完毕后，移动工作台使测量组件远离刀具，将磁力防护罩手动罩在测量组件外部，并吸附在工作台上；

S5、加工中心工作一段时间后，重复S1-S4，再次测量刀具在X、Y和Z向的位置X₁、Y₁和Z₁，并和上次测量的数据X₀、Y₀和Z₀相比较，控制单元计算出刀具在相应方向的磨损量ΔX、ΔY和ΔZ；

S6、取ΔX和ΔY的平均值ΔR，控制单元控制加工中心根据ΔR对刀具进行智能补偿，加工中心根据ΔZ对刀具在Z方向上进行智能补偿。

与现有技术比较，本发明所述的加工中心刀具磨损在线检测与智能补偿系统及方法具有以下有益效果：

1、对刀传感器设置在工作台的一角，跟随工作台移动，能够在线随时检测刀具的磨损量，且不影响工件的安装和加工。

2、对刀传感器具有三个对刀方向，能够分别在X、Y、Z向测量刀具的位置，且对刀具在X向和Y向的磨损量求平均值，控制单元控制加工中心根据刀具磨损量对刀具进行智能补偿，刀具补偿更精确。

3、磁力防护罩能够防止加工中心切削工件时的切削屑对测量组件造成破坏而影响测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例在非测量状态下主视图；

图2为本发明实施例在非测量状态下俯视图；

图3为本发明实施例测量刀具在Z向位置时示意图；

图4为本发明实施例测量刀具在Y向位置时示意图；

图5为本发明实施例测量刀具在X向位置时示意图；

图6为本发明实施例智能补偿流程图。

图中：1、底座，2、Z向导轨，3、主轴箱，4、主轴，5、刀具，6、磁力防护罩，7、支座，8、对刀传感器，80、Z向对刀面，81、Y向对刀面，82、X向对刀面，9、X向导轨，10、Y向导轨，11、工作台。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。

如图1-图5所示，加工中心包括底座1、工作台11、主轴箱3、主轴4、刀具5，底座1上设置有X向导轨9、Y向导轨10和Z向导轨2；工作台11沿X向导轨9和Y向导轨10在水平面上移动；主轴4固定在主轴箱3内，主轴4的下端固定刀具5，其中，刀具5为铣刀；主轴箱3沿Z向导轨2移动。测量组件包括设置在工作台11的一角，用于测量刀具5在X、Y、Z方向的位置。

本发明实施例的加工中心刀具磨损在线检测与智能补偿系统包括：

用于测量刀具在X、Y、Z方向的位置的测量组件；测量组件固定在工作台11的一角，测量组件包括支座7和对刀传感器8；支座7固定在工作台11上，对刀传感器8设置在支座7的上端；对刀传感器8包括X向对刀面82、Y向对刀面81和Z向对刀面80；移动工作台11和主轴箱3使对刀传感器8和刀具5相互靠近并接触相应的对刀面以测量刀具5的位置；

以及记录测量组件测量的位置数据，并计算刀具5的磨损量，根据磨损量控制加工中心进行刀具智能补偿的控制单元；

测量刀具在X向和Y向的位置时，使刀具5低速旋转至少一周，分别取最大值为X₀和Y₀，测量刀具5在Z向的位置时只需将刀尖接触Z向对刀面，测出刀具5在Z向的位置Z₀；测量刀具5在Z、Y、X向的位置示意图分别如图3-5所示，加工中心工作一段时间后，再次测量刀具5在X、Y和Z向的位置，分别为X₁、Y₁和Z₁，控制单元通过将数据X₁、Y₁和Z₁分别与X₀、Y₀和Z₀相比较，计算出刀具5的磨损量ΔX、ΔY和ΔZ，取ΔX和ΔY的平均值ΔR，控制单元根据ΔR控制加工中心对刀具5进行智能补偿，并根据ΔZ控制加工中心对刀具5在Z方向上进行智能补偿。

本发明实施例所述的系统还包括用于保护测量组件不受破坏的磁力防护罩6；磁力防护罩6在测量组件测量刀具5位置完毕后手动罩在测量组件外部，且吸附在工作台11上。由于加工中心切削工件时，铁屑和切削液等迸溅到对刀传感器上会对其造成损害，磁力防护罩6能够防止加工中心切削工件时的切削屑对测量组件造成破坏而影响测量精度。

测量组件设置在工作台11的一角跟随工作台11移动，能够在线随时检测刀具5的磨损量，且不影响工件的安装和加工。

本发明实施例所述的加工中心刀具磨损在线检测与智能补偿方法，包括以下步骤：

S1、拿开磁力防护罩6使测量组件露出，移动工作台11使对刀传感器8在X向和Y向靠近刀具5，然后移动主轴箱3，使刀具5在Z向靠近并接触对刀传感器8的Z向对刀面80，测量出刀具5在Z向的位置Z₀；

S2、移动工作台11和主轴箱3，使刀具5接触X向对刀面82，并使刀具5低速旋转至少一周，测量刀具5在X向的位置，取最大值为X₀；

S3、移动工作台11和主轴箱3，使刀具5接触Y向对刀面81，并使刀具5低速旋转至少一周，测量刀具5在Y向的位置，取最大值为Y₀；

S4、刀具5位置测量完毕后，移动工作台11使对测量组件远离刀具5，将磁力防护罩6手动罩在测量组件外部，并吸附在工作台11上；

S5、加工中心工作一段时间后，重复S1-S4，再次测量刀具5在X、Y、Z向的位置X₁、Y₁和Z₁，并和上次测量的数据X₀、Y₀和Z₀相比较，控制单元计算出刀具5在相应方向的磨损量ΔX、ΔY和ΔZ。

S6、、取ΔX和ΔY的平均值ΔR，控制单元控制加工中心根据ΔR对刀具5进行智能补偿，控制单元控制加工中心根据ΔZ对刀具5在Z方向上进行自动智能补偿。

本发明实施例的智能补偿方法参考图6，每次测量的刀具5的位置数据均存储在控制单元中，本次测量数据和上次测量数据相比较，计算ΔX，ΔY和ΔZ，其中，ΔX＝X₁-X₀，ΔY＝Y₁-Y₀，ΔZ＝Z₁-Z₀。控制单元判断ΔX，ΔY和ΔZ的值是否为0；若ΔX和ΔY均不为0，则说明刀具5在径向有磨损，求ΔX和ΔY的平均值ΔR，控制单元根据ΔR对刀具进行智能补偿；若ΔX和/或ΔY为0，则不补偿；事实上，在理想状态下，ΔX和ΔY的值应该是相等的，但是在实际操作过程中，即使同一个状态下的刀具，用同一个对刀面多次测量，结果也会产生偏差，所以ΔX和ΔY的值往往是不相同，取二者的平均值进行智能补偿更精确；若ΔZ的值不为0，则说明刀具在Z向有磨损，控制单元对刀具在Z方向上补偿ΔZ。

相对于定时补偿和定量补偿，操作人员可根据工作经验或者肉眼判断刀具的磨损程度，间隔任意时间随时检测刀具的磨损，根据磨损量操作加工中心智能补偿，使得刀具补偿量更精确。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种加工中心刀具磨损在线检测与智能补偿系统，其特征在于，所述系统包括：

用于测量刀具在X、Y、Z方向的位置的测量组件；所述测量组件固定在工作台的一角，所述测量组件包括支座和对刀传感器；所述支座固定在工作台上，所述对刀传感器设置在所述支座的上端；所述对刀传感器包括X向对刀面、Y向对刀面和Z向对刀面；移动工作台和主轴箱使对刀传感器和刀具相互靠近并接触相应的对刀面以测量刀具的位置；

以及记录所述测量组件测量的位置数据，并计算刀具的磨损量，根据磨损量控制加工中心进行刀具智能补偿的控制单元；

测量刀具在X向和Y向的位置时，使刀具低速旋转至少一周，分别取最大值为X₀和Y₀，测量刀具在Z向的位置时只需将刀尖接触Z向对刀面，测出刀具在Z向的位置Z₀；加工中心工作一段时间后，再次测量刀具在X、Y和Z向的位置，分别为X₁、Y₁和Z₁，控制单元通过将数据X₁、Y₁和Z₁分别与X₀、Y₀和Z₀相比较，计算出刀具的磨损量ΔX、ΔY和ΔZ，取ΔX和ΔY的平均值ΔR，控制单元根据ΔR控制加工中心对刀具进行智能补偿，并根据ΔZ控制加工中心对刀具在Z方向上进行智能补偿。

2.根据权利要求1所述的加工中心刀具磨损在线检测与智能补偿系统，其特征在于，所述系统还包括用于保护测量组件不受破坏的磁力防护罩；所述磁力防护罩在测量组件测量刀具位置完毕后手动罩在测量组件外部，且吸附在工作台上。

3.一种加工中心刀具磨损在线检测与智能补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、拿开磁力防护罩使测量组件露出，移动工作台使对刀传感器在X向和Y向靠近刀具，然后移动主轴箱，使刀具在Z向靠近并接触对刀传感器的Z向对刀面，测量出刀具在Z向的位置Z₀；

S2、移动工作台和主轴箱，使刀具接触X向对刀面，并使刀具低速旋转至少一周，测量刀具在X向的位置，取最大值为X₀；

S3、移动工作台和主轴箱，使刀具接触Y向对刀面，并使刀具低速旋转至少一周，测量刀具在Y向的位置，取最大值为Y₀；

S4、刀具位置测量完毕后，移动工作台使测量组件远离刀具，将磁力防护罩手动罩在测量组件外部，并吸附在工作台上；

S5、加工中心工作一段时间后，重复S1-S4，再次测量刀具在X、Y和Z向的位置X₁、Y₁和Z₁，并和上次测量的数据X₀、Y₀和Z₀相比较，控制单元计算出刀具在相应方向的磨损量ΔX、ΔY和ΔZ；

S6、取ΔX和ΔY的平均值ΔR，控制单元控制加工中心根据ΔR对刀具进行智能补偿，加工中心根据ΔZ对刀具在Z方向上进行智能补偿。