CN105500113A - 基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警装置及方法 - Google Patents

基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种适用于各种精密加工的、基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警装置及方法。部件包括：无线距离传感器，标准数控刀柄，计算机。具体步骤为：1、将无线距离传感器固定到刀柄的夹头里；2、将BT40刀柄预装到主轴上；3、主轴静止时，启动距离传感器，通过调整轴向位置，使得各个传感器基点到主轴基准面的初始距离H0保持一致；4、设定距离超差阈值△h，当各距离传感器同一时刻测得值中Hmax—Hmin≤△h，则可以正常进行加工；当各距离传感器同一时刻测得值中Hmax—Hmin＞△h，系统自动报警。本发明与普通铣床相比，避免了在加工过程中铣床主轴系统的不良磨损，甚至损坏，延长了铣床寿命，提高了加工精度。

Description

基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警装置及方法
技术领域
本发明属于检测技术领域，具体涉及一种基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警装置及报警方法。
背景技术
数控机床是制造业的工作母机，铣床是数控机床的第一要员。铣床可以加工平面、沟槽、分齿零件，特别是螺旋形表面及各种曲面都有其独特优势。对加工航空、航天、船舶、汽车和模具等制造业，都需要高档数控机床作为其重要的生产工具。高效、精密、可靠、智能是数控铣床的主要发展趋势，然而，数控铣床由于主轴夹屑造成的刀具不对中现象及控制一直是世界各国机床业面临的不可忽视的难题之一。随着对高精度零件的要求，加工精度已经由毫米级、微米级向亚微米级、甚至纳米级发展，在高精度加工过程中，主轴夹屑造成的刀具不对中会严重影响零件加工质量。而主轴夹屑的位置主要是两处：一是在刀柄上表面和主轴下表面之间的缝隙中（如图3），二是在主轴和刀柄接触的锥面上（如图4）。实践中可知：以上两处夹屑位置产生夹屑故障都发生在铣床换刀过程中。故在刀柄预装上主轴过程中控制和预警主轴夹屑故障，是避免主轴夹屑造成刀柄不对中对零件加工质量影响的重要途径。
目前，机床设备传统的检测方法是接触式测量法。接触式测量技术虽然在工件定位和坐标设定、测量零件的几何尺寸和三维形貌、刀具参数、刀具磨损检测等方面有着一定的应用，但还存在受力不均，测量时间长，测量点空间分辨率不够高、不能测量软质物体等先天缺陷。同时，由于受离心力的影响，接触式传感器在机床主轴高速旋转、切削加工等场合的应用也受到很大的限制。
对于数控机床，要实现一种基于非接触位移传感器的主轴夹屑报警及控制，其技术难点在于：（1）无线距离传感器如何安装到数控铣床上；（2）如何建立距离传感器测得值与主轴夹屑的关系；（3）检测数据如何传输及传输路径；（4）如何在线监测与控制。
经实际操作经验和研究表明：铣床在生产过程中的刀柄不对中的主要原因是换刀时主轴夹屑。本发明采用了预埋式方法把无线距离传感器组装到刀体内部，通过刀柄上表面检测点到主轴基准面的距离的变化换算为主轴中心线不对中角度的关系，进而转化为与刀尖偏心距离的关系，并通过无线信号传输与接收的方式对铣床加工进行定时监测。
发明内容
发明目的：本发明提供一种基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警装置及通过该装置的报警方法，本发明的目的在于解决现有技术中存在的传感器难以安装到数控铣床上、距离传感器测得值与主轴夹屑的关系不易判定、如何将刀柄上的传感器数据传输到计算机上等问题。
技术方案：
一种基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：该装置包括刀柄，所述刀柄的上表面有圆周均布底座孔和圆周均布螺纹孔；所述各底座孔中安装有无线距离传感器，所述无线距离传感器中安装有蓝牙模块；所述无线距离传感器通过压片和定位钉与刀柄轴向定位；所述无线距离传感器通过蓝牙模块与计算机相连。
所述的基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：所述压片对各无线距离传感器的压紧力均匀，各无线距离传感器的基点在同一平面上。
所述的基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：所述刀柄为标准数控刀柄，所述刀柄上有刀柄拉钉、刀柄夹头。
所述的基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：所述的无线距离传感器外安装有带有T型轴肩的定位外壳；所述刀柄上的底座孔为与定位外壳配做的台阶孔。
所述的一种基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：所述各台阶孔的台阶面相互平行度小于0.02mm；所述各台阶孔的台阶面粗糙度小于Ra1.6。
一种基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：将如上文所述报警装置安装在立式数控铣床上，连接好信号接收及处理的计算机；
步骤二：使主轴静止，启动无线距离传感器，通过调整轴向位置，使得各个无线距离传感器基点到主轴基准面的初始距离H0保持一致；
步骤三：设定距离超差阈值△h；在后续的每次主轴预装上刀柄后，当同一时刻各距离传感器测得值中Hmax—Hmin≤△h，则可以正常进行加工；当各距离传感器测得值中Hmax—Hmin＞△h，系统自动报警。
所述的基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警方法，其特征在于：所述步骤一中在安装报警装置的刀柄前须保证刀柄和主轴接合锥面无杂物。
优点及效果：本发明与普通铣床加工相比，能快速预知主轴和刀柄装配时主轴夹屑及其他刀柄不对中问题，避免了在加工过程中铣床主轴系统的不良磨损，甚至损坏，延长了铣床寿命，提高了加工精度。
附图说明：
图1是本发明与铣床主轴组装示意图；
图2是本发明中刀柄与无线距离传感器组装示意图；
图3是本发明刀柄上表面与主轴夹屑示意图；
图4是本发明刀柄与主轴接触锥面夹屑示意图；
图5是本发明标准BT40-ER-100刀柄夹头改造示意图；
图6是本发明无线距离传感器定位外壳示意图；
图7是本发明传感器定位压片结构示意图；
图8是本发明传感器定位螺钉示意图；
图9是本发明无线距离传感器工作原理示意图；
图中标注：1刀柄，2底座孔，3螺纹孔，4无线距离传感器，5压片，6传感器定位钉，7刀柄拉钉，8刀柄夹头，9铣床主轴，10定子。
具体实施方式：
本发明是一种基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警装置及报警方法，其技术思想是采用了预埋式方法把无线距离传感器组装到刀体内部，通过刀柄上表面检测点到主轴基准面的距离的变化换算为主轴中心线不对中角度的关系，进而转化为与刀尖偏心距离的关系，并通过无线信号传输与接收的方式对铣床加工进行定时监测。
本发明中的报警装置包括以下结构：
如图所示：该装置包括刀柄1，所述刀柄1的上表面有圆周均布底座孔2和圆周均布螺纹孔3；所述各底座孔中安装有无线距离传感器4，所述无线距离传感器4中安装有蓝牙模块；所述无线距离传感器4通过压片5和定位钉6与刀柄1轴向定位；所述无线距离传感器4通过蓝牙模块与计算机相连。
所述压片5对各无线距离传感器4的压紧力均匀，各无线距离传感器4的基点在同一平面上。
所述刀柄1为标准数控刀柄，以BT40-ER-100刀柄为例，所述刀柄上有刀柄拉钉7、刀柄夹头8。
所述的无线距离传感器4外安装有带有T型轴肩的定位外壳；所述刀柄1上的底座孔2为与定位外壳配做的台阶孔。
所述各台阶孔的台阶面相互平行度小于0.02mm；所述各台阶孔的台阶面粗糙度小于Ra1.6。
本发明还包括通过无线非接触位移传感器来进行主轴夹屑报警的方法：
步骤1：将已有的一种距离传感器进行改造，改造部分为：（1）配加定位外壳，带有T型轴肩（如图6）；（2）配加无线蓝牙模块，以实现无线数据传输。改造后无线距离传感器工作原理如图9；
步骤2：选择一款标准弹性夹头（本发明以BT40-ER-2-100L为例），为了精准检测到主轴夹屑位置和不对中角度的变化，在夹头上表面根据无线传感器外壳尺寸配做8个圆周均布台阶孔，同时按照定位钉配做8个均布螺纹孔；
步骤3：确认无线距离传感器组件，检查电池、蓝牙组件及内部电路，组装好无线距离传感器，确定好检测方向；
步骤4：清理干净夹头上表面及底座孔后，将8个传感器装入弹性夹头底座孔处，将压片压住传感器进行轴向定位，并用定位钉将压片固定在夹头上，并连接好拉钉、弹簧夹、锁紧螺母和刀杆；
步骤5：清理与刀柄配合的主轴下表面，保证此基准面的平整整洁；将组装好传感器的刀柄预装到立式数控铣床（VWC8508为例）上，连接好信号接收及数据处理的计算机，主轴静止时，通过计算机启动距离传感器，调整轴向位置，使得各个传感器基点到主轴基准面的初始距离H0保持一致；
步骤5：设定距离超差阈值△h，并设定传感器每次的唤醒时间为2分钟。在后续的每次预装上刀柄后，主轴静止时：当各距离传感器同一时刻测得值中Hmax—Hmin＞△h，系统自动报警；当各距离传感器同一时刻测得值中Hmax—Hmin≤△h时，则转至步骤6；
步骤6：启动主轴，当各距离传感器同一时刻测得值中Hmax—Hmin＞△h，系统自动报警；当各距离传感器同一时刻测得值中满足Hmax—Hmin≤△h时，则可以进行正常零件加工，2分钟后无线距离传感器自动关闭。

Claims (7)

1.一种基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：该装置包括刀柄（1），所述刀柄（1）的上表面有圆周均布底座孔（2）和圆周均布螺纹孔（3）；所述各底座孔中安装有无线距离传感器（4），所述无线距离传感器（4）中安装有蓝牙模块；所述无线距离传感器（4）通过压片（5）和定位钉（6）与刀柄（1）轴向定位；所述无线距离传感器（4）通过蓝牙模块与计算机相连。
2.根据权利要求1所述的基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：所述压片（5）对各无线距离传感器（4）的压紧力均匀，各无线距离传感器（4）的基点在同一平面上。
3.根据权利要求1所述的基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：所述刀柄（1）为标准数控刀柄，所述刀柄上有刀柄拉钉（7）、刀柄夹头（8）。
4.根据权利要求1所述的基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：所述的无线距离传感器（4）外安装有带有T型轴肩的定位外壳；所述刀柄（1）上的底座孔（2）为与定位外壳配做的台阶孔。
5.根据权利要求4所述的基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：所述各台阶孔的台阶面相互平行度小于0.02mm；所述各台阶孔的台阶面粗糙度大于Ra1.6。
6.一种基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：将如权利要求1所述报警装置安装在立式数控铣床上，连接好信号接收及处理的计算机；
步骤二：使主轴静止，启动无线距离传感器，通过调整轴向位置，使得各个无线距离传感器基点到主轴基准面的初始距离H0保持一致；
步骤三：设定距离超差阈值△h；在后续的每次主轴预装上刀柄（1）后，当同一时刻各距离传感器测得值中Hmax—Hmin≤△h，则可以正常进行加工；当各距离传感器测得值中Hmax—Hmin＞△h，系统自动报警。
7.根据权利要求6所述的一种基于非接触位移传感器的机床主轴夹屑报警方法，其特征在于：所述步骤一中在安装报警装置的刀柄前须保证刀柄和主轴接合锥面无杂物。
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