CN109702557A - 一种刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统。根据本发明的刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统包括：至少一个刀柄模块，每个刀柄模块包括上刀柄和下刀柄，下刀柄与上刀柄之间通过拉压力传感器连接，其中外力被施加在所述下刀柄上，以使得所述刀柄模块插入刀套和从刀套拔出；电路模块，包括信号采集模块和WIFI模块，所述信号采集模块被配置为采集所述拉压力传感器检测到的信号，并且所述WIFI模块发送经处理的所述信号；以及上位机模块，被配置为标识所述刀柄模块，并接收所述WIFI模块发送的信号。

Description

一种刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统

技术领域

本发明涉及一种检测系统，具体地，涉及一种刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统。

背景技术

刀库是数控加工中心的重要功能部件。通常刀库在出厂时，刀套内的锁紧弹簧根据经验进行调整，需要行之有效的对于锁紧弹簧对刀柄在插刀、拔刀动作时所施加的阻力(即插刀力和拔刀力)进行检测的检测系统，以及准确调整机械臂位置，以调整插刀、拔刀角度的系统。此外，当刀套内的锁紧螺钉出现松动或是锁紧弹簧出现疲劳现象，或是机械臂与刀盘相对位置发生偏移时，往往会导致插刀力、拔刀力异常，甚至出现掉刀等系统故障。而且在实际生产加工过程中，刀库因为长期使用容易出现刀柄与刀套磨损、机械手位置偏移等问题，引发刀具掉刀、卡刀等故障，使得刀库成为故障高发的部件之一。而插刀力、拔刀力是进行加工中心刀库故障诊断、性能检测的重要特征信息，因此准确、实时地检测插刀力、拔刀力对于刀库故障诊断具有重要意义，对于判断刀库机械手与刀库刀套、主轴位置偏差和刀套磨损、拉钉松动等故障具有很高的参考价值，有助于刀库以及加工中心可靠性研究。

目前，国外关于刀库系统插刀力、拔刀力的检测系统结构较为复杂，造价高昂，不满足实时性检测与规模化应用的要求。目前对于插刀力检测的装置主要有两种，一是设计专用的插拔刀装置，利用有线传感器测取插刀力、拔刀力，不足之处在于装置的机械结构过于复杂，不能应用于实际工作中；二是在刀柄内嵌入检测装置，信号数据存储在刀柄内部的存储卡，读取数据时需拆下刀柄的机械部分，因此其数据读取不方便，数据分析不直观且不具备实时性，不利于大规模应用。

公开号为CN106514433A的中国专利申请公开了一种链式刀库可靠性试验方法及状态监测系统，该链式刀库状态监测系统包括刀盘子系统和控制子系统，所述的刀盘子系统承载待检测刀库，还包括换刀机械手子系统，换刀机械手子系统对刀盘子系统中的待检测刀库进行换刀动作；还包括故障自动监测子系统，故障自动监测子系统包括布置在各子系统之中的传感器和数据采集系统；所述的控制子系统内嵌于工控系统中，对上述各子系统进行实时控制、数据分析与存储。

该文献公开了刀库状态监测系统，但其监测的对象是刀具直径交换、装入、重量等，未对与刀柄插和拔刀力相关的参数进行监控。

公开号为CN204730969U的中国专利申请公开了一种刀库刀套插刀力、拔刀力及工作状态检测系统。该系统由机械结构模块、控制模块、气路模块、数据采集与处理模块组成。该系统可以方便地拆装需要检测的刀套，调节刀柄、刀套间的轴向距离，由小型PLC控制刀套、刀柄间实现自动的插刀、拔刀动作，通过数据采集卡记录检测数据并与工控机进行数据交互。本检测系统不仅可以在刀柄与刀套插拔刀动作时实时检测插刀力和拔刀力，还能通过前后对比同一刀套的数据得到其工作状态，且本检测系统能进行长期连续地插拔刀动作和检测得到刀套的疲劳效应。为专业生产厂提供了检测刀套插刀力、拔刀力及工作状态的方案，为刀库插刀不入、掉刀等故障提供力学依据。

申请号为US2016067880A1的美国专利申请公开了一种桌式刀具机床，具有刀片监控装置以减少对操作人员的伤害。

仍然需要一种结构简单、实时便捷的刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统。

发明内容

根据本发明的一个方面，公开了一种刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统，其特征在于，包括：至少一个刀柄模块，每个刀柄模块包括上刀柄和下刀柄，下刀柄与上刀柄之间通过拉压力传感器连接，其中外力被施加在所述下刀柄上，以使得所述刀柄模块插入刀套和从刀套拔出；电路模块，包括信号采集模块和WIFI模块，所述信号采集模块被配置为采集所述拉压力传感器检测到的信号，并且所述WIFI模块发送经处理的信号；以及上位机模块，被配置为标识所述刀柄模块，并接收所述WIFI模块发送的信号。

与现有技术相比，本发明例如具有以下优点和有益效果：

本发明提供了一种基于WIFI连接的刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统，能够方便的安装，且安装后无需拆卸；通过DC5.5-2.1接口实现充电，通过无线传输获取刀柄插刀力、拔刀力数据，使刀柄插、拔刀力检测成为实时性，实现数据的同步显示与实时处理，有助于刀库系统的故障诊断与预测。并且提供了一种基于WIFI连接的服务端与客户端的模式，支持信号的多发一收，实现多个刀库装置同时检测，降低规模化使用成本。

参考附图，根据以下对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得清楚。

附图说明

图1是检测系统结构示意图。

图2是带插刀力监测装置的刀柄结构图。

图3是改装刀柄的剖面图。

图4是改装刀柄的三维图。

图5是单个插刀力检测装置的检测流程图。

图6是电路模块电路图。

图7是刀柄IP配置界面。

图8是部分刀柄插、拔力波形显示界面。

在图中，1-拉钉；2-上刀柄；3-拉压力传感器；4-DC5.5-2.1母接口；5-下刀柄；6-锂电池；7-电池腔保护盖；8-电池固定板；9-筒夹；10-筒夹螺母；11-电路板；12-电路腔保护盖；13-电路指示灯。

具体实施方式

本发明公开了一种刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统，更具体地，公开了一种基于WIFI传输的刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统。该系统采用服务器-客户端模式，接收并处理多个刀柄内发送的信号，从而实时监测、分析刀库插刀力与拔刀力。

本发明通过在局域网中建立基于WIFI的服务器-客户端模式，使得能够实时检测和分析插刀力与拔刀力，并且仅需一个上位机服务器即可接收多个刀柄力数据，扩大了系统的使用范围，且采用WIFI实现数据传输给安装也带来便捷。该装置结构简单、紧凑，模块化程度高，信号传输稳定，使用范围广，可用于加工中心刀库的性能检测与可靠性研究。

以下，参考附图描述本发明的示例性实施例，但是应当理解，以下的实施例仅仅是示例性的，并且不是要将本发明限制到这些实施例。

整体配置

参考图1，描述根据本发明的刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统(以下简称为检测系统)的整体配置。如图1所示，根据本发明的刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统包括至少一个刀库，例如，刀库1，刀库2…刀库n。刀库主要用于提供储刀位置，并能依程式的控制，正确选择刀具加以定位，以进行刀具交换。其中，换刀机构执行刀具交换的动作。刀库可以是各种类型的刀库，例如斗笠式刀库、圆盘式刀库和链条式刀库，并且不限于图1中所示的刀库类型。

刀库中存储有刀柄，刀柄是机械主轴与刀具和其它附件工具连接件，目前主要标准有BT、SK、CAPTO、BBT、HSK等几种规格的主轴型号。例如，刀柄可以为HSK刀柄、KM刀柄、NC5刀柄、CAPTO刀柄或者其它类型的刀柄。

根据本发明的检测系统的刀柄中设置有电路模块，以对插刀力和拔刀力进行实时检测，并将检测到的插刀力和/或拔刀力通过WIFI模块发送到上位机模块，以对信号进行分析。

如图1所示，在实际工作时，将刀柄放入到刀库试验台的空刀套内，操作刀库试验台的工控机，使其执行自动换刀操作。当机械手准备从刀套中拔出目标刀柄时，此时安装在上刀柄2上的拉钉1顶端被钢锁球卡住。机械手的拉力作用在下刀柄5上，经拉压力传感器3传至上刀柄2与拉钉1，当机械手拉力达到一定值时，钢锁球后面弹簧压缩，拉钉1顶端不再被钢球卡住，刀柄被机械手拔出。这个过程中，机械手的拔刀力一直作用在下刀柄5上并通过拉压力传感器3传递给上刀柄2及拉钉1。拉压力传感器3采集拔刀力信号，并输出给电路板11，并通过WIFI发送给上位机处理，完成力的采集。

同理，当机械手从目标刀套中插刀时，插刀力信号也被采集、处理，并通过WIFI发送到上位机进行进一步处理。

以下，参考附图对每个模块进行详细的说明，但是应当理解，所述检测系统还可以包含其它已知的模块，为了使本发明更加清楚且不会不适当地模糊本发明，在本说明书中省略对这些模块的具体描述，但是对于本领域技术人员清楚的是，包括这些模块的检测系统也包含在本发明的范围之内。

刀柄模块

首先，参考图2至图4描述根据本发明的刀柄模块。如图2所示，根据本发明的刀柄模块可以通过对BT40刀柄进行改进来获得。根据本发明的刀柄模块包括拉钉1、上刀柄2、下刀柄5、筒夹9与筒夹螺母10。拉钉1通过螺纹连接安装在上刀柄2上，下刀柄5与上刀柄2之间通过拉压力传感器3上的螺纹进行连接。

拉压力传感器3可以将物理信号(例如，应变)转变为可测量的电信号输出。拉压力传感器3例如可以是压电式压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、蓝宝石压力传感器、压阻式力传感器或者其它类型的拉压力传感器。在本示例性实施例中，拉压力传感器3采用全桥应变片的形式。

在本示例性实施例中，上刀柄2与下刀柄5以彼此不接触的方式进行安装，并且两者之间通过拉压力传感器3来传导力。筒夹9安装在下刀柄5的筒夹槽内，筒夹螺母10通过螺纹安装在下刀柄5上以固定筒夹，筒夹用于夹持刀具。

如上所述，根据本示例性实施例的刀柄采用分体式结构，分为上刀柄2与下刀柄5，上刀柄2底部加工有圆环凸缘(参见图2和图3)，与下刀柄5的凹槽(参见图2和图3)间隙配合，起到辅助定位作用。

如图2所示，根据本示例性实施例的下刀柄5上(图中示出为其中部位置)加工有两个对称的方形腔体，分别用于安装电路板11和电池6，两腔体间加工有通孔，用于电线连接。虽然在图2中腔体被示出为对称的方形腔体，但是腔体可以被设置为不对称的形式，并且腔体的形状不限于方形，并且可以是菱形、梯形或者其它形状，只要其能够起到容纳电路板11和电池6的作用即可。

下刀柄5中安装电池的腔体内设置有电池槽，以便于电池6的安装，电池例如可以是锂电池18650。

根据本示例性实施例的电路板11包括处理器模块(例如STM32处理器模块)、信号采集模块、电源模块和WIFI模块。稍后对电路板11进行详细的描述。

根据本示例性实施例的下刀柄5的用于安装电路板11的腔体和用于安装电池6的腔体的侧面设置有螺纹通孔，电池腔螺纹通孔用于安装电源插座母头4，电源插座母头4例如是带圆孔螺纹的DC5.5-2.1电源插座母头4，以用于给电池6充电，从而避免频繁更换电池。电路腔螺纹通孔用于安装指示灯13，指示灯13例如是带螺纹的LED指示灯，用于指示系统状态，包括电池电量、系统工作状态等。

如图2所示，根据本示例性实施例的电路板11用M3螺钉安装在下刀柄5的腔体内。电池6被置于腔体内的电池槽中，起到定位作用，电池固定板8用M3螺钉安装在电池腔体上，固定锂电池，防止晃动。电池腔保护盖7和电路腔保护盖12可以采用螺钉固定在下刀柄5上，以保护电池腔和电路腔，并且二者均采用塑料制成，以防止WIFI信号被屏蔽掉，阻碍数据传输。根据另一个实施例，电池腔保护盖7和电路腔保护盖12中的至少一个可以采用金属之类的其它材料制成。

根据本示例性实施例的拉压力传感器3的信号线缆由其一端的螺纹柱引出，并通过通孔与腔体中的电路板11相连接。由拉压力传感器3采集到的信号通过线缆被传送到电路板11，并由电路板11对所采集到的信号进行后续的处理。虽然在此拉压力传感器3的信号被描述为通过线缆的形式被传输到电路板11，但是应当理解，拉压力传感器3的信号还可以通过无线的形式被传输到电路板11，例如WIFI、蓝牙、zigbee等等。

电路模块

根据本示例性实施例的电路模块由电路板11配置，如图6所示，电路板11包括电源模块61、信号采集模块62、处理器模块63和WIFI模块64。信号采集模块62将从拉压力传感器3采集到的信号(例如，电压信号)进行放大与A/D转化，电源模块61将锂电池6提供的电压精确转化为3.3V、5V以及7.5V，供应不同模块的电压需求，处理器模块63对采集到的信号进行分析处理，最后通过WIFI模块64将信号数据发送给上位机进行处理。以下对每个模块进行详细的描述。

电源模块61采用两个18650锂电池串联，每个锂电池的电压约为3.7V(标准锂电池输出电压)，这样，串联的两个18650锂电池的输出电压约为VCC7.5V。但是该电压不能够直接为处理器供电，而需要进行电压转换。考虑到转换电压的功耗，在本示例性实施例中采用150KHz的开关电源LM2596S-3.3V和LM2596S-5.0V，该系列芯片最大输出电流可到3000mA，从而得到电压VCC5V和VCC3V3。在本示例性实施例中，VCC3V3电压可以直接给稍后描述的处理器模块63，具体地，主控芯片STM32F103C8T6供电，VCC5V可直接给信号采集模块62中的放大器OPA655供电，而VCC7.5V可以直接给拉压力传感器3的全桥供电。

在本示例性实施例中，电源模块61的端口PowerADC用于对电池电压进行实时检测，具体地，通过两个20KΩ±1％和10KΩ±1％的精密电阻组成分压电路进行检测。处理器模块63的外设数模转换(ADC)从电源模块61获取电源电压实时值。

信号采集模块62主要采集两个方向的力，即拉力和压力。对于本示例性实施例中的全桥应变片形式的拉压力传感器3，其最大支持3-15V供电，考虑到应变片发热以及检测精度问题，采用串联电池电压7.5V直接供电。拉压力传感器3的输出为差分方式，而信号采集模块62只能接受单端电压，故而需要将输出的差分电压进行转换。在本示例性实施例中，采用INA110差分放大器进行差分到单端电压的转换，转换后的电压经过OPA655进行放大，并通过稳压二极管进行稳压处理最后送给处理器模块63的ADC外设。

处理器模块63用于获取电源电压信息以及拉压力传感器3的压力信息，并通过串口实现与WIFI模块的通信。在本示例性实施例中，采用意法半导体公司的STM32F103C8T6，该处理器为32Bit处理器，最高时钟频率72MHz，内部Flash为128K。

根据本示例性实施例的WIFI模块64例如可以采用汉枫LPT100F，WIFI模块64与处理器模块63通信，实现将处理器模块63的输出信号发送到上位机模块。

上位机模块

根据本示例性实施例的上位机模块至少包括客户端和信号接收装置。上位机模块通过客户端和信号接收装置对刀柄进行标识，接收、显示并存储刀炳插刀力与拔刀力信号。

在本示例性实施例中，客户端例如可以是PC、台式机或智能电话。客户端通过WIFI网络配置使带有检测装置(拉压力传感器3)的刀柄组成服务端-客户端系统，实现上位机模块对多个刀柄信号的多发一收功能。在此，为了区分不同刀柄所传输的信号，对刀柄进行标识，根据一个实施例，上位机模块可以为每个刀柄分配唯一的标识符，根据另一个实施例，上位机模块可以对刀柄进行编码，根据还有的实施例，上位机模块可以通过对刀柄分配IP地址。如图7所示，其示出了在客户端对刀柄进行IP配置的操作。

在电路模块中包含的是WIFI模块的情况下，信号接收装置为WIFI接收装置。WIFI接收装置例如可以采用8187L芯片或者低辐射高灵敏度雷凌3070芯片。根据另一个实施例，WIFI接收装置可以是带WIFI功能的路由器。

在WIFI接收装置接收到力信号的情况下，可以将力信号实时显示在客户端上。如图8所示，其示出了部分刀柄插刀力与拔刀力的波形。根据一个实施例，可以在客户端选择性地示出部分或者所有刀柄的插刀力与拔刀力，不同刀柄的插刀力与拔刀力可以采用不同颜色或者样式的线条进行表示。

以下，参考图5描述根据本示例性实施例的检测系统的操作。

如图5所示，在进行刀柄插刀力与拔刀力的实时检测时，系统首先初始化WIFI配置，以对刀柄模块进行标识，具体地，对每个刀柄进行IP配置。此后，电路采集模块自动开始采集各刀柄上拉压力传器3的信号，并对所采集的信号进行A/D转换。在本示例性实施例中，系统对每1ms采集的信号进行分析，当判断为工作状态下的信号数据时，将数据保存为待发送数据其余数据不再保存，避免发送无效信号拥塞网络而阻碍有效数据的传输；当判断服务器状态为空闲时，将待发送信号数据通过WIFI发送给上位机，上位机对数据进行显示与分析，达到显示与分析实时性的目的。

具体地，电路采集模块将A/D转换后的数据以数据堆栈的形式存储为临时数据，当计时达到1ms的情况下，判断所采集的信号是否为工作状态下的信号。通常，在工作状态下，由于换刀操作会导致如图8所示的拉压力传感器3上的信号变化，由此可以通过拉压力传感器3上的信号的改变量来判断是否为工作状态。本领域可以理解的是，还可以通过其它方式来判断工作状态。

在判断出处于非工作状态的情况下，将临时存储的数据清空，并重新开始数据堆栈操作。当判断出处于工作的情况下，使得堆栈中的数据处于待发送状态，并且通过WIFI收发模块进行发送。

在上位机忙碌的情况下，使得堆栈中的数据处于待发送状态。当上位机不处于忙碌状态时，通过WIFI接收装置接收WIFI模块发送的数据，并在上位机模块中对所接收的数据进行分析和显示。

重复以上从电路采集模块采集数据到对所接收的数据进行分析和显示的步骤，直到结束为止。

通过以上操作，根据本示例性实施例的检测系统通过WIFI实现了服务端(刀柄)与客户端的连接，支持信号的多发一收，实现了多个刀库装置同时检测，降低了规模化使用成本。

尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最广泛的解释，以包含所有这些修改和等同的结构和功能。

Claims (8)

1.一种刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统，其特征在于，包括：

至少一个刀柄模块，每个刀柄模块包括上刀柄和下刀柄，下刀柄与上刀柄之间通过拉压力传感器连接，其中外力被施加在所述下刀柄上，以使得所述刀柄模块插入刀套和从刀套拔出；

电路模块，包括信号采集模块和WIFI模块，所述信号采集模块被配置为采集所述拉压力传感器检测到的信号，并且所述WIFI模块发送经处理的所述信号；以及

上位机模块，被配置为标识所述刀柄模块，并接收所述WIFI模块发送的信号。

2.根据权利要求1所述的刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统，其特征在于，所述上刀柄底部设置有圆环凸缘，并且所述下刀柄设置有与所述圆环凸缘间隙配合的凹槽。

3.根据权利要求1所述的刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统，其特征在于，所述下刀柄设置有对称的电路腔和电池腔，分别用于安装所述电路模块和电池，所述电路腔和电池腔之间设置有通孔以用于所述电路模块和电池之间的电连接。

4.根据权利要求1所述的刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统，其特征在于，所述电路腔和电池腔设置有保护盖，所述保护盖用塑料制成，以防止WIFI信号被屏蔽。

5.根据权利要求1所述的刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统，其特征在于，所述拉压力传感器通过两端的螺纹与所述上刀柄和所述下刀柄连接，并且所述拉压力传感器的信号线缆由一端的螺纹柱引出，通过通孔与电路腔中的电路模块相连。

6.根据权利要求1所述的刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统，其特征在于，所述电池腔内设置有电池槽，以便于电池的安装。

7.根据权利要求1所述的刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统，其特征在于，所述电路腔与电池腔均设置有螺纹通孔，电源插座母头被设置在电池腔螺纹通孔中以用于向电池充电，指示灯被安装在电路腔螺纹通孔中以用于指示系统状态。

8.根据权利要求1所述的刀柄插刀力与拔刀力实时检测系统，其特征在于，所述上位机模块经由带WIFI功能的路由器接收所述WI F I模块发送的信号。