CN109760074A - 无线传输的atc插刀力检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传输的ATC插刀力检测系统，包括：分体式刀柄模块，分体式刀柄模块包括：刀柄主体，刀柄锥体，筒夹，筒夹设置于刀柄主体的底部，筒夹包括筒夹螺母，以固定筒夹；信号采集与传输模块，信号采集与传输模块包括拉压力传感器、电路板与电路腔保护盖；控制模块，控制模块具体包括WiFi路由器、上位机电脑与信号接收处理装置，形成服务端，以读取多个装置的刀柄插刀力、拔刀力的实时数据。该系统通过无线传输装置使得检测分析ATC插刀力、拔刀力变成实时性，结构简单、紧凑，模块化程度高，信号稳定，可用于加工中心ATC的性能检测与可靠性研究。

Description

无线传输的ATC插刀力检测系统

技术领域

本发明涉及部件检测技术领域，特别涉及一种无线传输的ATC插刀力检测系统。

背景技术

刀库及机械手是加工中心的核心部件之一，由于其换刀频繁、速度快、定位精度要求高，且在故障发生时会严重影响正常生产，使得ATC(ATC--Automatic Train Control，机床自动控制)系统成为加工中心整机可靠性的薄弱环节。在实际生产过程中，刀库与ATC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ATC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ATC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ATC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ATC以及加工中心可靠性研究。

传感器信号的无线、实时传输可以不受线缆制约，从而扩展使用范围，甚至直接应用于生产加工中。而且数据的实时采集、传输与分析，对于故障分析与预警极其关键。目前，国外关于ATC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。国内对这方面的研究尚不成熟，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，不足之处在于数据读取与分析不能实现实时性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种无线传输的ATC插刀力检测系统，该系统结构简单、紧凑，模块化程度高，易于装配。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种无线传输的ATC插刀力检测系统，包括：分体式刀柄模块，所述分体式刀柄模块包括：

刀柄主体，所述刀柄主体的一侧轴线上加工有凹槽，所述凹槽中加工有第一通孔与螺纹孔，所述螺纹孔用于安装拉压力传感器，所述第一通孔用于所述拉压力传感器的信号线缆的走线，且所述刀柄主体中部加工有内凹方形的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体和所述第二腔体间通过第二通孔连接，所述第二通孔与所述第一通孔连通；

刀柄锥体，所述刀柄锥体设置有拉钉，所述刀柄锥体的轴线上加工有螺纹孔，以与所述拉压力传感器连接，其中，所述刀柄锥体与所述刀柄主体间隙配合，并通过所述拉压力传感器的螺纹柱连接；

筒夹，所述筒夹设置于所述刀柄主体的底部，所述筒夹包括筒夹螺母，以固定所述筒夹；

信号采集与传输模块，所述信号采集与传输模块包括所述拉压力传感器、电路板与电路腔保护盖，其中，所述拉压力传感器的前后两端有螺纹柱，以通过所述螺纹柱分别与所述刀柄椎体、所述刀柄主体相连，且所述信号线缆通过所述刀柄主体间的通孔走线到电路腔，以与所述电路板的单片机连接。

电源模块，用于为所述系统提供电源，其中，所述电源模块包括第一电池组、第二电池组、钣金件与电池腔保护盖，所述第一电池组和所述第二电池组的线缆通过腔体通孔向所述电路板供电；以及

控制模块，所述控制模块具体包括WiFi路由器、上位机电脑与信号接收处理装置，形成服务端，以读取多个装置的刀柄插刀力、拔刀力的实时数据。

本发明实施例的无线传输的ATC插刀力检测系统，通过无线传输，使得插刀力、拔刀力的检测成为实时性，实现数据的同步显示与实时处理，有助于ATC系统的故障诊断与预测；提供了一种基于WiFi的服务端与客户端的模式，支持信号的多发一收，实现多个ATC装置同时检测，拓展检测系统的使用范围，降低规模化使用成本。

另外，根据本发明上述实施例的无线传输的ATC插刀力检测系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述刀柄锥体的底部加工有圆环凸缘，以与所述刀柄主体的凹槽间隙配合，用于辅助安装所述拉压力传感器。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述刀柄主体为对称结构，中部加工有两个对称的所述第一腔体和所述第二腔体，以分别用于安装所述电路板和电池组，腔体间加工有通孔，以用于电线连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述刀柄主体的腔体的保护盖均采用塑料材质，以防止WiFi信号屏蔽。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述拉压力传感器的信号线缆从一端的螺纹柱引出，经过所述的刀柄主体凹槽内的所述螺纹孔、所述通孔与腔体间通孔，与所述电路腔中电路板相连。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述刀柄主体设有夹持刀具结构，所述刀柄主体的底部安装的所述筒夹与所述筒夹螺母，以用于安装刀具。

进一步地，在本发明的一个实施例中，电池组由两节18650电池组成，通过螺丝在所述刀柄主体的电池腔中安装所述钣金件，以固定所述电池组，所述电池组的线缆通过腔体间通孔向所述电路板供电。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电路板包括STM32处理器模块、信号处理与采集模块、电源转换模块和WiFi收发模块。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电路板的信号采集模块包括差分放大电路，以采集所述拉压力传感器的传感器信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电路板的电源转换模块包括电源电压数值转换器ADC，以检测电池的电量数据。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的带插刀力监测装置的刀柄结构图；

图2为根据本发明实施例的分体式刀柄的剖面图；

图3为根据本发明实施例的系统运行流程图；

图4为根据本发明实施例的插刀力检测系统电路结构框图；

图5为根据本发明实施例的WiFi模块电路图；

图6为根据本发明实施例的信号放大与A/D转换电路图；

图7为根据本发明实施例的电池电压检测A/D转换电路图；

图8为根据本发明实施例的STM32处理器连线图；

图9为根据本发明实施例的5V恒压源电路图；

图10为根据本发明实施例的7.5V转5V三端稳压器电路图；

图11为根据本发明实施例的5V三端稳压器电路图；

图12为根据本发明实施例的5V转15V升压电路图。

附图标记：1-拉钉；2-刀柄锥体；3-拉压力传感器；4-刀柄主体；5-钣金件；6-电池腔保护盖；7-电池组；8-筒夹；9-筒夹螺母；10-电路腔保护盖；11-电路板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的无线传输的ATC插刀力检测系统。

图1为根据本发明实施例的带插刀力监测装置的刀柄结构图。

如图1所示，该无线传输的ATC插刀力检测系统包括：分体式刀柄模块、信号采集与传输模块、电源模块以及带有WiFi接收装置的控制模块。

其中，分体式刀柄模块包括：刀柄主体、刀柄锥体和筒夹。

刀柄主体的一侧轴线上加工有凹槽，凹槽中加工有第一通孔与螺纹孔，螺纹孔用于安装拉压力传感器，第一通孔用于拉压力传感器的信号线缆的走线，且刀柄主体中部加工有内凹方形的第一腔体和第二腔体，第一腔体和第二腔体间通过第二通孔连接，第二通孔与第一通孔连通。

刀柄锥体设置有拉钉，刀柄锥体的轴线上加工有螺纹孔，以与拉压力传感器连接，其中，刀柄锥体与刀柄主体间隙配合，并通过拉压力传感器的螺纹柱连接。

筒夹，筒夹设置于刀柄主体的底部，筒夹包括筒夹螺母，以固定筒夹。

信号采集与传输模块包括拉压力传感器、电路板与电路腔保护盖，其中，拉压力传感器的前后两端有螺纹柱，以通过螺纹柱分别与刀柄椎体、刀柄主体相连，且信号线缆通过刀柄主体间的通孔走线到电路腔，以与电路板的单片机连接。

电源模块用于为系统提供电源，其中，电源模块包括第一电池组、第二电池组、钣金件与电池腔保护盖，第一电池组和第二电池组的线缆通过腔体通孔向电路板供电。

控制模块具体包括WiFi路由器、上位机电脑与信号接收处理装置，形成服务端，以读取多个装置的刀柄插刀力、拔刀力的实时数据。

该系统结构简单、紧凑，模块化程度高，易于装配。

进一步地，在本发明的实施例中，刀柄采用分体式结构，分为刀柄锥体与刀柄主体，刀柄锥体底部加工有圆环凸缘，与刀柄主体的凹槽间隙配合，起到辅助安装作用。

进一步地，刀柄主体为对称结构，中部加工有两个对称的方形腔体，分别用于安装电路板和电池组，两腔体间加工有通孔，用于电线连接，刀柄主体的两个腔体保护盖均采用塑料材质，防止WiFi信号屏蔽。

进一步地，在本发明的实施例中，拉压力传感器的信号线缆从一端的螺纹柱引出，经过刀柄主体凹槽内的螺纹孔直径较小的通孔与腔体间通孔，与电路腔中电路板相连接。

进一步地，在本发明的实施例中，刀柄主体保留夹持刀具结构，刀柄主体底部可安装筒夹与筒夹螺母，筒夹用于安装刀具。

进一步地，电源模块中的电池组，电池组模块包括由两节18650电池组成的电池组、钣金件与电池腔保护盖，用螺丝在刀柄主体的电池腔中安装钣金件起到固定电池组、防止其晃动的作用，电池组的线缆通过腔体间通孔向电路板供电。

进一步地，在本发明的实施例中，电路板分为STM32处理器模块、信号处理与采集模块、电源转换模块和WiFi收发模块。

其中，电路板的信号处理与采集模块采用差分放大电路来采集传感器信号。电路板的电源转换模块采用ADR444BRZ电压基准芯片来提供采集传感器信号的5V稳压参考电压。

电路板的电源转换模块中引入电源电压数值转换器ADC，用于监测电池电量情况，及时对电源供电量进行监督，有效避免无效检测实验。

电路板的电源转换模块采用ADR444BRZ电压基准芯片来提供采集传感器信号的5V稳压参考电压，该基准芯片具有输出噪声小，温度漂移小等特性，输出噪声电压1.8uVp-p，且温度系数仅10ppm/℃。电源转换模块中引入电源电压数值的A/D转换，用于监测电池电量情况。

进一步地，服务端为带有WiFi接收装置的上位机模块，客户端为各个带有WiFi传输装置的插刀力监测装置，实现上位机对多个装置信号的多发一收功能。

本发明的实施例通过无线传输装置使得检测分析ATC插刀力、拔刀力变成实时性，该装置结构简单、紧凑，模块化程度高，信号稳定，可用于加工中心ATC的性能检测与可靠性研究。

如图1-4所示，检测装置各个模块安装好之后，打开电路板开关，将检测装置放入到刀库试验台的空刀套内。检查系统后，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(检测装置)时，此时安装在刀柄锥体2上的拉钉1顶端被钢锁球卡住。机械手的拉力作用在刀柄主体4上，经拉压力传感器3传至刀柄锥体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刀柄主体4上并通过拉压力传感器3传递给刀柄锥体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上的信号采集模块，微弱的传感器电压信号先后经过信号采集模块的差分放大电路与A/D转换单元，形成数字信号进入到单片机的数据处理单元，并临时存放在单片机的虚拟内存中。最后单片机定时处理采集到的一段信号，通过滤波，计算该段信号的平均值，确定该段信号为有效信号后，将信号通过WiFi发送至上位机，上位机接收到信号后进行实时显示与分析，通过信号的时频分析提取信号的特征值，用于故障诊断与预警。

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。

如图4-8和图10-11所示，WiFi发射模块的工作电压VCC3V3由电池组电源引出的7.5V电压经7.5V转5V线性三端稳压器、5V转3.3V三端稳压器获得的；WiFinReset、WiFi RX，WiFiTX三个引脚分别连接单片机STM32的PA4、PA2、PA3三个引脚，用来控制WiFi信号的收发与重置。

如图4和图6-8所示，电源电压通过A/D转化形成数字信号powerADC，通过引脚PA1进入到STM32的ADC1的1通道；传感器的四根信号线接入信号采集模块，通过差分放大与A/D转化形成插刀力、拔刀力的数字信号PressADC，通过引脚PA7进入到STM32的ADC1的第7通道。

如图4、6、8、9、11和12所示，信号放大与A/D转换电路的传感器输入参考电压Verf5V是由电池组电源引出的7.5V电压经7.5V转5V三端稳压器、5V恒压源装置输出的，仪表差分放大器LT1167AIS8的工作电压VCC15V与VCC-15V是由电池组电源引出的7.5V电压经7.5V转5V线性三端稳压器、5V转15V升压装置提供的，差分放大电路能够有效提高压力信号在线路中传输的信噪比，后端电路完成差分到单端电压的转换。

根据本发明实施例提出的无线传输的ATC插刀力检测系统，ATC插刀力检测装置结构简单、紧凑，模块化程度高，易于装配，通过无线传输，使得插刀力、拔刀力的检测成为实时性，实现数据的同步显示与实时处理，有助于ATC系统的故障诊断与预测；提供了一种基于WiFi的服务端与客户端的模式，支持信号的多发一收，实现多个ATC装置同时检测，拓展检测系统的使用范围，降低规模化使用成本。

此外，术语“第一”、“第二”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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种无线传输的ATC插刀力检测系统，其特征在于，包括：

分体式刀柄模块，所述分体式刀柄模块包括：

刀柄主体，所述刀柄主体的一侧轴线上加工有凹槽，所述凹槽中加工有第一通孔与螺纹孔，所述螺纹孔用于安装拉压力传感器，所述第一通孔用于所述拉压力传感器的信号线缆的走线，且所述刀柄主体中部加工有内凹方形的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体和所述第二腔体间通过第二通孔连接，所述第二通孔与所述第一通孔连通；

刀柄锥体，所述刀柄锥体设置有拉钉，所述刀柄锥体的轴线上加工有螺纹孔，以与所述拉压力传感器连接，其中，所述刀柄锥体与所述刀柄主体间隙配合，并通过所述拉压力传感器的螺纹柱连接；

筒夹，所述筒夹设置于所述刀柄主体的底部，所述筒夹包括筒夹螺母，以固定所述筒夹；

信号采集与传输模块，所述信号采集与传输模块包括所述拉压力传感器、电路板与电路腔保护盖，其中，所述拉压力传感器的前后两端有螺纹柱，以通过所述螺纹柱分别与所述刀柄椎体、所述刀柄主体相连，且所述信号线缆通过所述刀柄主体间的通孔走线到电路腔，以与所述电路板的单片机连接；

电源模块，用于为所述系统提供电源，其中，所述电源模块包括第一电池组、第二电池组、钣金件与电池腔保护盖，所述第一电池组和所述第二电池组的线缆通过腔体通孔向所述电路板供电；以及

控制模块，所述控制模块具体包括WiFi路由器、上位机电脑与信号接收处理装置，形成服务端，以读取多个装置的刀柄插刀力、拔刀力的实时数据。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述刀柄锥体的底部加工有圆环凸缘，以与所述刀柄主体的凹槽间隙配合，用于辅助安装所述拉压力传感器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述刀柄主体为对称结构，中部加工有两个对称的所述第一腔体和所述第二腔体，以分别用于安装所述电路板和电池组，腔体间加工有通孔，以用于电线连接。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述刀柄主体的腔体的保护盖均采用塑料材质，以防止WiFi信号屏蔽。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述拉压力传感器的信号线缆从一端的螺纹柱引出，经过所述的刀柄主体凹槽内的所述螺纹孔、所述通孔与腔体间通孔，与所述电路腔中电路板相连。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述刀柄主体设有夹持刀具结构，所述刀柄主体的底部安装的所述筒夹与所述筒夹螺母，以用于安装刀具。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，电池组由两节18650电池组成，通过螺丝在所述刀柄主体的电池腔中安装所述钣金件，以固定所述电池组，所述电池组的线缆通过腔体间通孔向所述电路板供电。

8.根据权利要求1或7所述的系统，其特征在于，所述电路板包括STM32处理器模块、信号处理与采集模块、电源转换模块和WiFi收发模块。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述电路板的信号采集模块包括差分放大电路，以采集所述拉压力传感器的传感器信号。

10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，所述电路板的电源转换模块包括电源电压数值转换器ADC，检测电池的电量数据。