CN106584210A - 一种用于精密切削的智能刀具系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于精密切削的智能刀具系统，包括切削刀片、上刀杆、下刀杆、第一压力传感器、第二压力传感器、信号处理模块、蓝牙传输模块以及供电装置，切削刀片通过螺纹紧固件固定在所述上刀杆前端，切削刀片的刀尖位于所述上刀杆主体横截面的中心线上，切削刀片后端处开有微槽，设置有第一压力传感器和第二压力传感器竖直和水平嵌入在所述微槽，进行信号采集处理，并通过所述蓝牙传输模块将刀具双向切削力的实时状态感知信号传输给机床数控系统。本发明通解决了各向切削力相互耦合的问题，信号处理算法简单，灵敏度更高，减小对刀具的影响，提高了整体刚度；耗能极低、传输效率高、传输距离长。

Description

一种用于精密切削的智能刀具系统

技术领域

本发明涉及到切削刀具领域，尤其涉及到一种用于精密切削的智能刀具系统。

背景技术

机械加工过程中，切削力、切削温度等信息的获取，对于优化加工过程工艺参数，提高加工质量具有重要意义。为了提高超精密切削加工的零件表面质量，高效稳定的获得完整一致面形精度的大尺寸表面的零部件，切削刀具在加工过程中的实时状态信息起着至关重要的作用。

目前，在切削加工过程监测研究中，多采用集成力传感器模块的方案，但是设备复杂，体积较大，安装难度较大，且影响机床的自身特性，对机床刚度和加工精度造成负面影响。也有采用集成传感器于刀片中的方案，虽然结构紧凑，集成化高，但面临着切削过程中切削热的严重影响，导致信息失真和失效的情况。

另一方面，现有机械切削加工过程监测系统多采用有线数据、能量传输或者采用RFID、红外、WIFI等无线检测方案或基于声表面波的无线无源检测方案。存在以下不足：采用有线数据、能量传输，只能适用于刀具固定的加工过程，对于需要刀具同步运动的加工过程不适用，限制了使用范围；采用RFID的无线数据传输方案，虽然功耗较低，可采用锂电池供能，但是传输距离较短，通常小于5米，峰值速率只有200kbps左右，单位时间传输数据量少，影响监测的实时性；采用红外的无线传输方案，通信距离、方向性等要求多，比如当前红外技术的极限距离是3m，且接受角度严重受限，仅为30°，且不能用于单点对多点的情况，因此应用受限；采用WIFI能实现高速远距离传输，能符合超精密加工检测对数据传输速率的要求，能保证实时性，但是WIFI传输消耗功率大，采用电池功能时使用时间短，不适用于连续长时间的加工过程，且数据安全性能不高；基于声表面波的无线无源检测方案，装置较复杂，传输距离短，仅为0.5米。以上方案均无法满足超精密加工过程中，对长时间、连续性、实时高稳定性远距离无线监测的要求，也无法满足超精密加工应用对测量精度和灵敏度的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或应用需求，本发明提供了一种基于高速蓝牙传输的精密加工智能刀具系统，其目的在于实现超精密切削过程微弱物理信息的高速高精度实时检测与传输，解决了传统的智能刀具系统存在的各种问题，并具备集成度高、功耗极低、可持续工作、感知物理量多、传输速率快、实时性强、检测精度高、成本低廉且易用等诸多优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于精密切削的智能刀具系统，包括切削刀片、上刀杆、下刀杆、第一压力传感器、第二压力传感器、信号处理模块、蓝牙传输模块以及供电装置，所述信号处理模块、蓝牙传输模块、供电装置通过导线顺序连接并固定于下刀杆后端，供电装置为各装置提供电能；

其中，所述切削刀片通过螺纹紧固件固定在所述上刀杆前端，所述切削刀片的刀尖位于所述上刀杆主体横截面的中心线上；

所述切削刀片后端处开有微槽，所述第一压力传感器竖直嵌入在所述微槽内，通过螺栓在所述微槽外部进行预紧，使得第一压力传感器与所述上刀杆充分接触，所述微槽设置于所述上刀杆的左侧，当所述切削刀片受到水平方向的径向力时，所述第一压力传感器处于受压应力状态，测量水平方向的径向力；

所述第二压力传感器水平嵌入于所述上刀杆与所述下刀杆连接缝隙处，通过所述上刀杆与所述下刀杆紧固连接的压应力固定，用于测量竖直方向的主切削力；

所述第一压力传感器、所述第二压力传感器分别与所述信号处理模块电连接；所述第一压力传感器与所述第二压力传感器进行信号采集处理，并通过所述蓝牙传输模块将刀具双向切削力的实时状态感知信号传输给机床数控系统。

进一步地，所述上刀杆与所述下刀杆之间采用四个螺纹紧固件紧固连接。

进一步地，所述下刀杆中线处设置有用于导线走线的导线槽，所述导线槽通向刀杆后方，所述上刀杆与所述下刀杆紧固连接，所述上刀杆的下表面密封所述导线槽。

进一步地，所述的切削刀片为聚晶金刚石刀片。

进一步地，所述上刀杆和所述下刀杆为40Cr材料。

进一步地，所述第一力传感器和所述第二压力传感器选用型号为PZT-5H的压电传感器。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)、本发明通过创新布置竖直方向和水平方向的压力传感器位置，实现了两向切削力的直接测量，可以解决各向切削力相互耦合的问题，并且测量的最小阈值和动态刚度可以通过改变刀具的相关参数来实现，信号处理算法简单，灵敏度更高；

(2)、本发明通过在刀杆设置小面积微槽内嵌压力传感器，相比整体分离再连接的方案，减小了对刀具自身特性的影响，提高了刀具的整体刚度；

(3)、本发明耗能极低，可利用储能装置实现长时间切削过程无线监测，正常情况下无需有线电源；

(4)、本发明集成度高，基于模块化设计，制造维护成本低，对于机床的自身特性影响小，对机床本身刚度和加工精度不会造成负面影响；

(5)、本发明的检测信号受障碍物和机床自身影响小，提高了超精密切削过程无线监控的可靠性，数据传输协议通用适配性强，能在工业控制计算机、移动电话等多种类终端实现实时监控；

(6)、本发明提供传输速率更高，监测实时性更好，最快信号响应时间可达到0.2ms；

(7)、本发明切削力检测分辨率高，最高可达0.1N，显著优传统RF、红外智能刀具系统能并能达到传统测量使用的有线Kistler测力计的精度；

(8)、本发明无线传输距离长，可实现大于10m的加工状态测量的无线信号传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它附图。

图1为本发明的一种用于精密切削的智能刀具系统的主视图；

图2为本发明的一种用于精密切削的智能刀具系统的侧视图；

其中，1-切削刀片，2-上刀杆，3-下刀杆，4-第一压力传感器，5-第二压力传感器，6-信号处理模块，7-蓝牙传输模块，8-供电装置，9-导线，10-导线槽，11-螺纹紧固件。

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。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

图1为本发明的一种用于精密切削的智能刀具系统的主视图；图2为本发明的一种用于精密切削的智能刀具系统的侧视图。结合图1-2，本发明的一种用于精密切削的智能刀具系统，包括切削刀片1、上刀杆2、下刀杆3、第一压力传感器4、第二压力传感器5、信号处理模块6、蓝牙传输模块7以及供电装置8，所述信号处理模块5、蓝牙传输模块6、供电装置7通过导线顺序连接并固定于下刀杆3后端，供电装置8为各装置提供电能。

其中，所述切削刀片1通过螺纹紧固件固定在所述上刀杆2前端，所述切削刀片1的刀尖位于所述上刀杆2主体横截面的中心线上。

所述切削刀片1后端处开有微槽，所述第一压力传感器4竖直嵌入在所述微槽内，通过螺栓在所述微槽外部进行预紧，使得第一压力传感器4与所述上刀杆2充分接触，所述微槽设置于所述上刀杆2的左侧，当所述切削刀片1受到水平方向的径向力时，所述第一压力传感器处于受压应力状态，测量水平方向的径向力。

所述第二压力传感器5水平嵌入于所述上刀杆2与所述下刀杆3连接缝隙处，通过所述上刀杆2与所述下刀杆3紧固连接的压应力固定，用于测量竖直方向的主切削力。

所述第一压力传感器4、所述第二压力传感器5分别与所述信号处理模块6电连接；所述第一压力传感器4与所述第二压力传感器5进行信号采集处理，并通过所述蓝牙传输模块7将刀具双向切削力的实时状态感知信号传输给机床数控系统。

所述上刀杆2与所述下刀杆3之间采用四个螺纹紧固件11紧固连接。

所述下刀杆3中线处设置有用于导线走线的导线槽10，所述导线槽10通向刀杆后方，所述上刀杆2与所述下刀杆3紧固连接，所述上刀杆2的下表面密封所述导线槽10。

所述的切削刀片1为聚晶金刚石刀片。

所述上刀杆和所述下刀杆为40Cr材料。

所述第一力传感器和所述第二压力传感器选用型号为PZT-5H的压电传感器。本发明中的力传感器还可以选用电容传感器和电阻传感器。

本发明的另一实施方式是使用压电薄膜替代压力传感器。切削刀片尖头位置为受力点，通过的压电薄膜探测出的测量电压与算法测量并计算出水平方向的径向力，通过另一个方向的压电薄膜探测出的测量电压测量出竖直方向的主切削力，压电薄膜通过螺丝给予预紧力，采集到的信号通过埋在刀具内的导线传入信号处理模块再通过蓝牙传输模块发射至采集端。信号处理模块设置在刀柄上，信号传输功能集成在刀具上从而实现智能刀具。

本发明的信号处理模块和蓝牙传输模块是本领域常见的器件，本领域的技术人员可以根据需要选用合适的信号处理模块和蓝牙传输模块。

本发明所采用的物理结构的刚度以及自然频率通过FEA模拟优化经测试，保证在车床转速6000-8000rpm或以上依旧能够保证车床加工的精度需求。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (6)

1.一种用于精密切削的智能刀具系统，其特征在于：包括切削刀片、上刀杆、下刀杆、第一压力传感器、第二压力传感器、信号处理模块、蓝牙传输模块以及供电装置，所述信号处理模块、蓝牙传输模块、供电装置通过导线顺序连接并固定于下刀杆后端，供电装置为各装置提供电能；

其中，所述切削刀片通过螺纹紧固件固定在所述上刀杆前端，所述切削刀片的刀尖位于所述上刀杆主体横截面的中心线上；

所述切削刀片后端处开有微槽，所述第一压力传感器竖直嵌入在所述微槽内，通过螺栓在所述微槽外部进行预紧，使得第一压力传感器与所述上刀杆充分接触，所述微槽设置于所述上刀杆的左侧，当所述切削刀片受到水平方向的径向力时，所述第一压力传感器处于受压应力状态，测量水平方向的径向力；

所述第二压力传感器水平嵌入于所述上刀杆与所述下刀杆连接缝隙处，通过所述上刀杆与所述下刀杆紧固连接的压应力固定，用于测量竖直方向的主切削力；

所述第一压力传感器、所述第二压力传感器分别与所述信号处理模块电连接；所述第一压力传感器与所述第二压力传感器进行信号采集处理，并通过所述蓝牙传输模块将刀具双向切削力的实时状态感知信号传输给机床数控系统。

2.根据权利要求1所述的一种用于精密切削的智能刀具系统，其特征在于：所述上刀杆与所述下刀杆之间采用四个螺纹紧固件紧固连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于精密切削的智能刀具系统，其特征在于：所述下刀杆中线处设置有用于导线走线的导线槽，所述导线槽通向刀杆后方，所述上刀杆与所述下刀杆紧固连接，所述上刀杆的下表面密封所述导线槽。

4.根据权利要求1-3任一项的所述的一种用于精密切削的智能刀具系统，其特征在于：所述的切削刀片为聚晶金刚石刀片。

5.根据权利要求1-3任一项的所述的一种用于精密切削的智能刀具系统，其特征在于：所述上刀杆和所述下刀杆为40Cr材料。

6.根据权利要求1-3任一项的所述的一种用于精密切削的智能刀具系统，其特征在于：所述第一力传感器和所述第二压力传感器选用型号为PZT-5H的压电传感器。