CN106112696A - 一种铣削力、扭矩的监测方法、系统及刀柄传感器 - Google Patents

Abstract

一种铣削力、扭矩监测方法，将数据采样部件、AD转换部件、无线发射部件、相关电路及电池集成于刀柄内部形成刀柄传感器，无需外接数据线；使用所述电池为刀柄内部的系统供电；将数据采样部件获得的信号经过AD转换所得的数据打包通过无线通信的方式发送到外部处理系统，由外部处理系统完成实时显示、存储、信号分析功能。一种实现上述方法的铣削力、扭矩监测系统，包括刀柄传感器和外部处理系统。本发明刀柄传感器在使用时无需外接数据线也没有多余的附件，安装在铣床上传感器会自动开始开机、取下之后会自动断电待机；刀柄传感器的外形和普通刀柄无异，采用内置电池供电以及无线的方式进行数据传输，不影响正常的铣削加工。

Description

一种铣削力、扭矩的监测方法、系统及刀柄传感器

技术领域

本发明属于测试技术领域，涉及铣削加工时铣削力或扭矩的在线实时监测技术。

背景技术

机械加工中，70-80％的零件的成型是通过切削加工进行的，铣削作为切削加工中极其重要的一种形式在先进制造中扮演重要角色。在铣削加工中铣刀的状态对加工质量、效率、成本具有重要影响，主要表现在影响加工厂品的尺寸精度和表面质量、可能对工件或者是机床保持架等造成损坏、直接影响机器的停机时间和非预期停机影响生产效率三方面。刀具切削状态对于保证加工质量、实现连续自动化加工非常重要，并且保证其效率最大化的关键就是刀具的磨损状态的监测。铣削力和扭矩作为铣削过程中重要的特征参数，其监测技术一直是国内外研究与应用最多的铣削过程监测方法之一，因此通过铣削力和扭矩来监测铣刀状态对提高加工质量、保护加工设备和工件具有重要意义。

现有的铣削测力传感器大多为台式，将待加工零件安装在铣削测力仪上通过检测待加工零件所受到的力从而获得铣刀的受力。然而这种方式存在显而易见的缺点就是受限于测力传感器的大小，所安装的待加工零件不能太大，并且零件高度不能太大，不然在铣削加工时会给传感器带来附加的力或力矩干扰传感器正常工作，使用范围极其有限。现有的传感器也有安装在铣床主轴或刀柄上的，但是这种方式需要在铣床主轴或刀柄上加装一系列零部件，影响正常的铣削加工过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铣削力、扭矩的监测方法、系统及刀柄传感器，克服现有技术中的上述缺点。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种铣削力、扭矩监测方法，将数据采样部件、AD转换部件、无线发射部件、相关电路及电池集成于刀柄内部形成刀柄传感器，无需外接数据线；使用所述电池为刀柄内部的系统供电；将数据采样部件获得的信号经过AD转换所得的数据打包通过无线通信的方式发送到外部处理系统，由外部处理系统完成实时显示、存储、信号分析功能。

进一步，将所述刀柄传感器安装在铣床上时自动通电开机，将其由铣床上取下之后自动断电待机。

优选地，将所述刀柄传感器安装在主轴上，通过光电方式控制电路导通，由刀柄传感器内置电池开始为整个系统供电；通过电源电路板将内置电池的供电电压转换成各部件所需要的不同电压，同时对电源进行相关操作保证供电电压的稳定；采集切削加工中的铣削力信号、扭矩信并转换成电信号，进行滤波、放大系列调理，再将其转换成数字信号，处理后通过无线的方式发送出去；当所述刀柄传感器从铣床主轴上取下时，通过光电方式控制电路自动断开，系统供电停止不再继续工作。

一种实现上述方法的铣削力、扭矩监测系统，包括刀柄传感器和外部处理系统，所述刀柄传感器包括集成于刀柄内部的数据采样部件、AD转换部件、无线发射部件、相关电路及电池；所述电池为刀柄传感器供电，所述无线发射装置将刀柄传感器所采集到的信号发射到外部处理系统中。

优选地，所述刀柄传感器包括弹簧夹头螺母、弹簧夹头、接线电路板、防护罩、弹性挡圈、FPGA电路板、电路板挡圈、充电插座、电源电路板、光电开关电路、电池、信号调理电路板、防护罩、无线模块、集成传感器、刀柄本体、光电开关挡片；

铣刀夹在弹簧夹头上，所述弹簧夹头安装在刀柄本体上；集成传感器的输出线穿过第一过线孔焊在接线电路板上；接线线路板固定在刀柄本体上，在接线电路板的外侧安装有防护罩防止使用过程中铣削液或灰尘沾染到接线电路板上；在刀柄本体内部放置三块电路板，从上到下分别为电源电路板、信号调理电路板和FPGA电路板，三块电路板在垂直方向上通过第一电路板挡圈和第二电路板挡圈隔开，第一电路板挡圈和第二电路板挡圈上设有缺口用于电路板之间走线；无线模块的供电和输入输出线通过第二过线孔和相应的电路板连接。

优选地，所述刀柄传感器中所有的线焊在接线电路板上，通过接线电路板上焊盘间的走线来完成整个系统的布线工作使得内部走线紧凑牢靠。

优选地，所述三块电路板的轴向定位靠弹性挡圈实现，在FPGA电路板和弹性挡圈之间垫有电路板压盖；光电开关电路和充电插座通过胶粘的方式固定在刀柄本体上。

优选地，铣刀夹在弹簧夹头上，所述弹簧夹头安装在刀柄本体上，两者通过圆锥面配合定位。

优选地，接线线路板通过螺钉固定在刀柄本体上；通过紧定螺钉使电池上压盖和电池下压盖夹紧电池从而达到将电池固定在刀柄本体内部的目的；无线模块通过螺钉连接的方式连接在刀柄本体上，无线模块外侧所安装的防护罩同样通过螺钉的方式连接在刀柄本体上。

优选地，所述外部处理系统包括通过串口线连接的数据接收处理硬件和计算机，所述数据接收处理硬件包括相互连接配合的电源、FPGA电路、无线接收模块。

由于采用了上述技术方案，本发明具有以下有益效果：本发明将传感器集成在刀柄上并且采用了内置电池的电源方案和无线数据传输，使得传感器所需零部件完全集成在刀柄内部，使得传感器在使用时，和普通刀柄一样，传感器上无需外接数据线也没有多余的附件，只需将刀柄式传感器和普通刀柄一样安装在铣床上，传感器会自动开始开机、取下之后会自动断电待机。刀柄传感器的外形和普通刀柄无异，采用内置电池供电以及无线的方式进行数据传输，丝毫不影响正常的铣削加工。

附图说明

图1为本发明刀柄式铣削力、扭矩测试系统中刀柄式传感器实施例的结构示意图；

图2为本发明刀柄式铣削力、扭矩测试系统实施例的数据接收处理部分示意图。

图中标记：1-铣刀，2-弹簧夹头螺母，3-弹簧夹头，4-接线电路板，5-防护罩，6-弹性挡圈，7-FPGA电路板，8-第一过线孔，9-第一电路板挡圈，10-充电插座，11-电源电路板，12-光电开关电路，13-紧定螺钉，14-电池上压盖，15-充电锂电池，16-电池下压盖，17-信号调理电路板，18-第二过线孔，19-第二电路板挡圈，20-电路板压盖，21-防护罩，22-无线模块，23-集成传感器，24-刀柄本体，25-数据接收处理硬件，26-RS232串口线，27-计算机,28-光电开关挡片。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

请参阅图1，为本发明的刀柄式传感器实施例的结构，包括：弹簧夹头螺母2、弹簧夹头3、接线电路板4、防护罩5、弹性挡圈6、FPGA电路板7、第一过线孔8、第一电路板挡圈9、充电插座10、电源电路板11、光电开关电路12、紧定螺钉13、电池上压盖14、充电锂电池15、电池下压盖16、信号调理电路板17、第二过线孔18、第二电路板挡圈19、电路板压盖20、防护罩21、无线模块22、集成传感器23、刀柄本体24、光电开关挡片28。

铣刀1夹在弹簧夹头3上，弹簧夹头3通过弹簧夹头螺母2安装在刀柄本体24上，两者通过圆锥面配合定位。集成传感器23的输出线穿过第一过线孔8焊在接线电路板4上。接线线路板4通过四个螺钉固定在刀柄本体24上，在接线电路板4的外侧安装有防护罩5，防止在实际使用过程中铣削液或灰尘沾染到接线电路板4上，同样防护罩也是通过螺钉连接的方式连接到刀柄本体上。在刀柄本体24内部放置有三块电路板，从上到下分别为电源电路板11、信号调理电路板17和FPGA电路板7，三块电路板在垂直方向上通过第一电路板挡圈9和第二电路板挡圈19隔开，第一电路板挡圈9和第二电路板挡圈19上设有缺口用于电路板之间走线。三块电路板11、17、7的轴向定位靠弹性挡圈6实现，在FPGA电路板7和弹性挡圈之间垫有电路板压盖20。光电开关电路12和充电插座10通过胶粘的方式固定在刀柄本体24上。通过紧定螺钉13使电池上压盖14和电池下压盖16夹紧充电锂电池15从而达到将充电锂电池固定在刀柄本体24内部的目的，充电锂电池15正负极焊有引出线。无线模块22通过螺钉连接的方式连接在刀柄本体24上，无线模块22外侧所安装的防护罩21同样也是通过螺钉的方式连接在刀柄本体24上。无线模块的供电和输入输出线通过过线孔18和相应的电路板连接。需要在刀柄本体24内部狭小的空间内完成复杂的板间布线工作，因此先将所有的线焊在接线电路板4上，通过接线电路板上焊盘间的走线来完成整个系统的布线工作，使得内部走线紧凑牢靠。数据接收处理硬件25包括电源、FPGA电路、无线接收模块，数据接收处理硬件25通过RS232串口线26和计算机27相连接。

当刀柄式铣削力、扭矩传感器被安装在主轴上时，光电开关电路12中的反射式光电开关利用主轴内锥面充当遮光面，实现光信号的反射，这样光电开关电路12自动导通，充电锂电池15开始为整个系统供电。光电开关电路12外安装有透明的光电开关挡片28，可以实现对光电开关电路12的保护，且不影响光信号的传递。电源电路板11将充电锂电池15的供电电压转换成电路板7和17上众多芯片、无线模块22、集成传感器23所需要的不同电压，同时对电源进行滤波等操作保证供电电压的稳定。在切削加工中的铣削力信号、扭矩信号被集成传感器23转换成电信号，将集成传感器23的输出通过接线电路板4传递给信号调理电路板17。信号经过调理电路板17进行滤波、放大等一系列调理之后通过接线电路板4传递给FPGA电路板7。此时来自集成传感器23的信号依旧为模拟信号，需要FPGA电路板7将其转换成数字量，并将转换后的数字信号进行一定的处理，同时FPGA电路板7配置无线模块22将处理好的数字信号通过无线的方式发送出去。当使用完毕刀柄式铣削力、扭矩传感器从铣床主轴上取下时，光电开关电路12自动断开，系统供电停止不再继续工作。铣削力、扭矩信号数据由刀柄24中的无线模块22发出之后被数据接收处理硬件25中的无线模块所接收，并传递给数据接收处理硬件25中的FPGA，经过一定的处理之后通过RS232串口线26传递给计算机27。计算机通过LabVIEW上位机程序可以将接收到的数据在相应通道中实时地显示出波形，同时将每个通道的数据存储计算机硬盘中，以进行进一步的信号分析，如图2所示。无线模块和RS232串口通信为工业领域中经常使用和成熟的技术，此不赘述。

综上所述，图1所示的本发明的刀柄式传感器的结构，集成有硬件电路，数据采样、AD转换均在内部进行，将所得的数据打包通过无线的方式发送出来，由图2所示的处理系统进行数据包接收、处理。本发明将传感器集成在刀柄上并且采用了内置电池的电源方案和无线数据传输，使得传感器所需零部件完全集成在刀柄内部，使得传感器在使用时，和普通刀柄一样，传感器上无需外接数据线也没有多余的附件，只需将刀柄式传感器和普通刀柄一样安装在铣床上，传感器会自动开始开机、取下之后会自动断电待机。

图1所示传感器的外形和普通刀柄无异，采用内置电池供电以及无线的方式进行数据传输，丝毫不影响正常的铣削加工。

如果是传统的台式测力计，若零件过大，那么相对应的零件的重量就会很大，仅仅是将零件安装在测力传感器上之后就会给传感器施加一个很大的力，但往往传感器在保证相同的灵敏度情况下量程有限。传感器本意是测量铣削加工时的铣削力，铣削力的作用点为铣刀和零件相接触的位置，若零件高度过大，铣刀和零件的接触位置变高，那么当铣削力作用在零件上之相对于传感器的安装平面就会产生一个力矩，在铣削力大小一定的情况下，零件越高这个力矩越大，从而会干扰传感器的正常工作。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铣削力、扭矩监测方法，其特征在于：将数据采样部件、AD转换部件、无线发射部件、相关电路及电池集成于刀柄内部形成刀柄传感器，无需外接数据线；使用所述电池为刀柄内部的系统供电；将数据采样部件获得的信号经过AD转换所得的数据打包通过无线通信的方式发送到外部处理系统，由外部处理系统完成实时显示、存储、信号分析功能。

2.根据权利要求1所述的铣削力、扭矩监测方法，其特征在于：将所述刀柄传感器安装在铣床上时自动通电开机，将其由铣床上取下之后自动断电待机。

3.根据权利要求1所述的铣削力、扭矩监测方法，其特征在于：

将所述刀柄传感器安装在主轴上，通过光电方式控制电路导通，由刀柄传感器内置电池开始为整个系统供电；通过电源电路板将内置电池的供电电压转换成各部件所需要的不同电压，同时对电源进行相关操作保证供电电压的稳定；采集切削加工中的铣削力信号、扭矩信并转换成电信号，进行滤波、放大系列调理，再将其转换成数字信号，处理后通过无线的方式发送出去；当所述刀柄传感器从铣床主轴上取下时，通过光电方式控制电路自动断开，系统供电停止不再继续工作。

4.一种实现权利要求1至3中任一所述方法的铣削力、扭矩监测系统，其特征在于：包括刀柄传感器和外部处理系统，所述刀柄传感器包括集成于刀柄内部的数据采样部件、AD转换部件、无线发射部件、相关电路及电池；所述电池为刀柄传感器供电，所述无线发射装置将刀柄传感器所采集到的信号发射到外部处理系统中。

5.根据权利要求4所述铣削力、扭矩监测系统，其特征在于：

所述刀柄传感器包括弹簧夹头螺母、弹簧夹头、接线电路板、防护罩、弹性挡圈、FPGA电路板、电路板挡圈、充电插座、电源电路板、光电开关电路、电池、信号调理电路板、防护罩、无线模块、集成传感器、刀柄本体、光电开关挡片；

铣刀夹在弹簧夹头上，所述弹簧夹头安装在刀柄本体上；集成传感器的输出线穿过第一过线孔焊在接线电路板上；接线线路板固定在刀柄本体上，在接线电路板的外侧安装有防护罩防止使用过程中铣削液或灰尘沾染到接线电路板上；在刀柄本体内部放置三块电路板，从上到下分别为电源电路板、信号调理电路板和FPGA电路板，三块电路板在垂直方向上通过第一电路板挡圈和第二电路板挡圈隔开，第一电路板挡圈和第二电路板挡圈上设有缺口用于电路板之间走线；无线模块的供电和输入输出线通过第二过线孔和相应的电路板连接。

6.根据权利要求5所述的铣削力、扭矩监测系统，其特征在于：所述刀柄传感器中所有的线焊在接线电路板上，通过接线电路板上焊盘间的走线来完成整个系统的布线工作使得内部走线紧凑牢靠。

7.根据权利要求5所述的铣削力、扭矩监测系统，其特征在于：

所述三块电路板的轴向定位靠弹性挡圈实现，在FPGA电路板和弹性挡圈之间垫有电路板压盖；光电开关电路和充电插座通过胶粘的方式固定在刀柄本体上。

8.根据权利要求5所述的铣削力、扭矩监测系统，其特征在于：铣刀夹在弹簧夹头上，所述弹簧夹头安装在刀柄本体上，两者通过圆锥面配合定位。

9.根据权利要求5所述的铣削力、扭矩监测系统，其特征在于：

接线线路板通过螺钉固定在刀柄本体上；通过紧定螺钉使电池上压盖和电池下压盖夹紧电池从而达到将电池固定在刀柄本体内部的目的；无线模块通过螺钉连接的方式连接在刀柄本体上，无线模块外侧所安装的防护罩同样通过螺钉的方式连接在刀柄本体上。

10.根据权利要求4所述的铣削力、扭矩监测系统，其特征在于：所述外部处理系统包括通过串口线连接的数据接收处理硬件和计算机，所述数据接收处理硬件包括相互连接配合的电源、FPGA电路、无线接收模块。