CN110340459A - 一种基于光电码盘扭矩检测的智能仿人攻丝卡头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光电码盘扭矩检测的仿人攻丝卡头，将攻丝装置的扭矩测量模块和控制箱的单片机连在一起。通过单片机对扭矩测量模块传出的信号进行处理，判断攻丝状态，调节与单片机相连的步进电机驱动器实现对电机的控制，调整攻丝状态，攻丝稳定，精度高，适用面广，效率高该发明可用于加工直径小于或者等于M4的内螺纹，适合在本行业大范围推广使用。

Description

一种基于光电码盘扭矩检测的智能仿人攻丝卡头

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，涉及一种基于光电码盘扭矩检测的智能仿人攻丝卡头。

背景技术

机械连接的主要形式有螺纹连接、焊接和铆接等。其中螺纹连接是比较常见的方式。螺纹分为内螺纹和外螺纹。内螺纹加工是机械加工中的重要工序，在未来的工业加工领域将发挥重要作用。尤其是在机器人、机床、医疗设备、航空航天等领域的制造行业，随着科技的发展，对机械零件性能的要求日益提高，在产品中大量运用不锈钢、高温合金、钛合金等高性能新材料。

随着高性能材料的大量应用，加工问题随之而来。攻丝是一种广泛应用于切削加工中内螺纹加工的方法。钛合金、不锈钢等材料因为其导热系数低散热慢，不利于热平衡，对于钻孔、攻丝过程，散热和冷却效果更差。钛合金、不锈钢材料弹性模量小，屈强比高，攻丝时加工表面易发生弹性恢复和硬化，加工变形回弹量大，孔壁挤压丝锥牙型面，造成攻丝扭矩剧增，并且攻丝是在半封闭状态下的切削攻丝，切削条件恶劣，攻丝扭矩过大，丝锥寿命低，螺纹质量差，难以适用于钛合金、不锈钢等难加工材料的攻丝，尤其是M4(直径4毫米)以下螺纹攻丝相当困难，基本无法进行。由于小直径攻丝切削条件差、攻丝扭矩大、丝锥磨损快、易折断等问题，在生产中仍依赖于人工经验，大量采用手动或半自动攻丝方式。尽管手动攻丝方式以其灵活的攻丝策略和良好的适应性对各孔径内螺纹都有较好的可加工能力。但人手工攻丝时，由于攻丝力矩不稳定，容易造成丝锥折断，同时还会出现精度低、废品率高和加工效率低等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光电码盘扭矩检测的智能仿人攻丝卡头，解决了现有技术中存在的攻丝装置精度不高，无法加工直径小于或者等于M4的内螺纹的问题。

本发明采用的技术方案是，

一种基于光电码盘扭矩检测的仿人攻丝卡头，包括锥端法兰，锥端法兰下方通过螺栓固定有步进电机，步进电机的输出轴连接有扭矩传感模块，扭矩传感模块的下方设置有弹簧，扭矩传感模块的下方设置有丝锥夹头转换套，丝锥夹头转换套内部安装有丝锥夹头，扭矩传感模块通过导线连接有控制箱。

扭矩传感模块包括传感器箱，传感器箱的外侧设置有传感器座，传感器座的上部和下部分别装有沟球轴承a和深沟球轴承b，深沟球轴承上设置有弾性轴的一端，弾性轴的另一端连接有丝锥夹头转换套，丝锥夹头转换套一端连接有丝锥转接杆套，另一端连接有丝锥夹头相连接，弹性轴上通过螺钉安装有下码盘和上码盘，下码盘和上码盘外侧设置有光电传感器，光电传感器与控制箱相连。

传感器座的外侧设置有航空插座，所述光电传感器通过航空插座与控制箱连接。

传感器箱下方设置有端盖。

一种基于光电码盘扭矩检测的仿人攻丝方法，采用如上一种基于光电码盘扭矩检测的仿人攻丝卡头进行攻丝，具体的步骤为：

A、通过控制箱选择丝锥型号，设置攻丝深度、丝锥螺距。控制箱将攻丝深度和丝锥螺距结合转化成为攻丝圈数x(攻丝圈数x*丝锥螺距＝攻丝深度)；

B、通过控制箱启动步进电机；步进电机启动后，会带动丝锥正转开始攻丝。

C、攻丝时，通过扭矩测量模块检测占空比，并将检测到的占空比数据实时传输给控制箱；

D、控制箱2判断步进电机是否正转，若步进电机正转，则表示正常攻丝；若步进电机反转，则表示装置处于退丝状态；

E、控制箱将扭矩测量模块传输出来的占空比转化为扭矩，同时和控制箱固定扭矩进行比较，如果没有出现控制箱中所示的特殊状态，则继续正转攻丝并且记录攻丝圈数x₁；如果出现控制箱中所示的特殊状态，则步进电机反转退丝，进入到退丝环节。

F、控制箱判断是否完成退丝，如果在控制箱预设参数范围内，则继续反转退丝，同时记录反转圈数x₂；如果超出预设参数范围外，则控制箱控制步进电机正转，继续攻丝；

G、若丝锥的净正转圈数x₁-x₂等于预设的攻丝圈数x，则证明攻丝完成，丝锥反转退出螺纹孔；如果不等于，则证明攻丝还没有完成，继续正转攻丝，直至攻丝完成。

控制箱中设有每个直径大小螺纹的攻丝扭矩范围，根据攻丝扭矩判断是哪一种直径的螺纹。然后对扭矩进行判断，如果没有超出范围，继续攻丝，如果超出范围，则反转退丝。

步骤E中将占空比处理为扭矩的方法为：

弹性轴扭转变形造成两码盘周向位置差，反应为光电传感器信号占空比变化量，可通过运算来获取。

假设码盘齿槽数为N，则弹性轴旋转一周输出的方波信号个数也为N，因此，每个周期的方波信号对应的转角θ_T为：

占空比k用来表示两码盘的周向位置，可通过齿遮挡脉冲和槽通过脉冲来表示：

当弾性轴未受到扭矩作用时，即T＝0，其初始占空比k₀为：

为了增加检测频率，提高检测精度，采取交错测量的方式，即方波信号与相位相错180°的方波信号交错进行占空比计算，比如将第一个码盘齿与码盘槽记作周期T1，则在周期T1内计算得占空比K1，第一码盘槽和第二码盘齿记作周期T2，则在周期T2内计算得第二个占空比K2，以此类推，第i个周期内空间占比k_i为：

式中i为齿数；a为齿遮挡脉冲数，b为槽通过脉冲数；

占空比变化量Δt为：

Δt＝t_i-t₀

式中t为受扭矩前后的周期长度差；

由此可获得任意时刻弹性环节的扭转变形角Δθ_i为：

根据弹性轴扭转变形角，可知传动系统的扭矩M_n为：

本发明的有益效果在于：

本发明将攻丝装置的扭矩测量模块和控制箱的单片机连在一起。通过单片机对扭矩测量模块传出的信号进行处理，判断攻丝状态，调节与单片机相连的步进电机驱动器实现对电机的控制，调整攻丝状态，攻丝稳定，精度高，适用面广，效率高该发明可用于加工直径小于或者等于M4的内螺纹。

附图说明

图1为本发明一种基于光电码盘扭矩检测的仿人攻丝卡头的结构示意图；

图2为本发明一种基于光电码盘扭矩检测的仿人攻丝卡头中扭矩测量原理图；

图3为本发明一种基于光电码盘扭矩检测的仿人攻丝卡头攻丝方法流程图。

图4为发明一种基于光电码盘扭矩检测的扭矩检测模块输出信号变化图。

参考附图1所示，1.锥端法兰，2.控制箱3.步进电机，4.传感器箱，5.航空插座，6.传感器座，7.光电传感器，8.端盖，9.弹簧，10.丝锥夹头，11.丝锥夹头转换套，12.深沟球轴承，13.码盘，14.码盘，15.深沟球轴承，16.弹性轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种基于光电码盘扭矩检测的仿人攻丝卡头，如图1所示，包括锥端法兰1，锥端法兰1下方通过螺栓固定有步进电机3的固定端，步进电机3的输出轴连接有扭矩传感模块，扭矩传感模块的下方设置有弹簧9，扭矩传感模块的下方设置有丝锥夹头转换套11，丝锥夹头转换套11内部安装有丝锥夹头10，扭矩传感模块通过导线连接有控制箱2。

扭矩传感模块包括传感器箱4，传感器箱4的外侧设置有传感器座6，传感器座6的上部和下部分别装有沟球轴承a15和深沟球轴承b12，深沟球轴承15上设置有弾性轴16的一端，弾性轴16的另一端连接有丝锥夹头转换套11，丝锥夹头转换套11一端连接有丝锥转接杆套，另一端连接有丝锥夹头10相连接，弹性轴16上通过螺钉安装有下码盘13和上码盘14，下码盘13和上码盘14外侧设置有光电传感器7，光电传感器7与控制箱2相连。

传感器座6的外侧设置有航空插座5，所述光电传感器7通过航空插座5与控制箱2连接。

传感器箱4下方设置有端盖8。

一种基于光电码盘扭矩检测的仿人攻丝方法，如图3采用如权利要求1所述的一种基于光电码盘扭矩检测的仿人攻丝卡头进行攻丝，具体的步骤为：

A、通过控制箱2选择丝锥型号，设置攻丝深度、丝锥螺距等。控制箱2将攻丝深度和丝锥螺距结合转化成为攻丝圈数x；

B、通过控制箱2启动步进电机3；步进电机3启动后，会带动丝锥正转开始攻丝。

C、攻丝时，通过扭矩测量模块检测占空比，并将检测到的占空比数据实时传输给控制箱；

D、控制箱2判断步进电机3是否正转，若步进电机正转，则表示正常攻丝；若步进电机3反转，则表示装置处于退丝状态；

E、控制箱2将扭矩测量模块传输出来的占空比转化为扭矩，同时和控制箱2固定扭矩进行比较，如果没有出现控制箱中所示的特殊状态，则继续正转攻丝并且记录攻丝圈数x₁；如果出现控制箱中所示的特殊状态，则步进电机反转退丝，进入到退丝环节。

F、控制箱2判断是否完成退丝，如果在步骤A预设参数范围内，则继续反转退丝，同时记录反转圈数x₂；如果超出预设参数范围外，则控制箱控制步进电机3正转，继续攻丝；

G、若丝锥的净正转圈数x₁-x₂等于预设的攻丝圈数x，则证明攻丝完成，丝锥反转退出螺纹孔；如果不等于，则证明攻丝还没有完成，继续正转攻丝，直至攻丝完成。

本发明将攻丝装置的扭矩测量模块和控制箱的单片机连在一起。通过单片机对扭矩测量模块传出的信号进行处理，判断攻丝状态，调节与单片机相连的步进电机驱动器实现对电机的控制，调整攻丝状态。

实现本发明的装置，此装置包括锥柄、动力部分、扭矩测量模块、控制箱和丝锥夹头。锥柄末端的法兰盘通过螺钉安装在动力部分的步进电机箱上，扭矩测量部分的传感器箱通过螺钉安装在动力部分的下端，步进电机的输出轴和弹性轴一端连接在一起，丝锥夹头通过丝锥转换杆、丝锥转换套和弹性轴另外一端相连接，控制箱通过导线和扭矩测量模块相连接。

所述扭矩测量模块，通过在其传动套弹性部位两边安装两个相同的码盘，用一个光电传感器获取码盘的占空比(在一个脉冲信号发出时，码盘发生相对旋转，旋转后遮挡的角度和初始的比值)。光电传感器与控制箱通过导线连接。光电传感器会将检测到的扭矩实时地传输给控制箱。控制箱对光电传感器获取的占空比进行处理。

所述控制箱包括上位机、单片机、存储器和步进电机驱动器。其中上位机与单片机相连接，用途是设置攻丝参数和监测攻丝扭矩。存储器用于丝锥型号及其安，全扭矩和攻丝反转扭矩的储存，步进电机驱动器与步进电机连接。扭矩测量模块连接在单片机上，通过单片机对扭矩测量模块传出的信号进行处理，将检测到的占空比转化为扭矩。不同的占空比对应不同的扭矩。通过判断扭矩的大小，不断的调节与单片机相连的步进电机驱动器，进而实现对电机的控制，实时地调整攻丝状态，并通过上位机将攻丝过程中的扭矩显示出来。

本发明模拟人手攻丝的过程。当步进电机带动丝锥正转的时候，由于切削液无法进入切削区或者因为切削屑堆积在容削槽中造成阻塞，从而使得攻丝时产生剧烈波动，影响攻丝进程，甚至会使丝锥折断。扭矩传感器实时测量码盘两端的扭矩。当检测到扭矩过大攻丝受阻时，主轴反转，反转的同时继续检测出扭矩，如果所测的扭矩还是过大时，则说明存在切屑或者积屑瘤，继续反转。检测到正常后，正转攻丝。

本发明的工作原理为：两个码盘最开始的时候是完全重合的，在攻丝的过程中，系统在无扭矩输入时，光电信号占空比为二分之一。当系统有扭矩输入时，弹性轴受扭变形，从而造成两个光电码盘周向位置发生变化，光电传感器输出的信号占空比会随之改变(如图1-1所示)。如附图2所示，产生变形角α。由于弹性轴扭转变形角的大小与系统所受的扭矩是成比例的，因此通过光电传感器的信号占空比变化量测得扭转变形量，从而实现系统扭矩的测量。攻丝力矩发生变化，弹性轴就会产生相对转动，如附图2所示，产生变形角α。这时光电传感器实时地检测占空比，并且将数据反馈给控制箱。控制箱将占空比处理为扭矩，供操作人员判断攻丝状态。

将占空比处理为扭矩的方法为：

采用两码盘相并共同测量的方式可以有效的减少数据量，增加检测精度。两码盘在周向安装位置一致，有利于交错测量的数据处理。系统扭矩的变化，会造成两个光电码盘周向位置发生变化，光电传感器输出的信号占空比会随之改变(如附图4所示)。由于弹性轴扭转变形角的大小与系统所受的扭矩是成比例的，因此通过光电传感器的信号占空比变化量测得扭转变形量，从而实现系统扭矩的测量。

弹性轴扭转变形造成两码盘周向位置差，反应为光电传感器信号占空比变化量，可通过运算来获取。

假设码盘齿槽数为N，则弹性轴旋转一周输出的方波信号个数也为N，因此，每个周期的方波信号对应的转角θ_T为：

占空比k用来表示两码盘的周向位置，可通过齿遮挡脉冲和槽通过脉冲来表示：

当弾性轴未受到扭矩作用时，即T＝0，其初始占空比k₀为：

为了增加检测频率，提高检测精度，采取交错测量的方式，即方波信号与相位相错180°的方波信号交错进行占空比计算，比如将第一个码盘齿与码盘槽记作周期T1，则在周期T1内计算得占空比K1，第一码盘槽和第二码盘齿记作周期T2，则在周期T2内计算得第二个占空比K2，以此类推，第i个周期内空间占比k_i为：

该式中i为齿数；a为齿遮挡脉冲数，b为槽通过脉冲数；

占空比变化量Δt为：

Δt＝t_i-t₀

由此可获得任意时刻弹性环节的扭转变形角Δθ_i为：

根据弹性轴扭转变形角，可知传动系统的扭矩M_n为：

本发明采用的方法是基于扭矩传感器的自动攻丝装置的攻丝方法，该方法包括：

(1)确定丝锥型号后，通过控制箱设定攻丝深度，在控制箱中储存着不同规格丝锥的安全扭矩，系统将攻丝深度和丝锥螺距结合转化成为攻丝圈数x；

(2)通过控制箱启动步进电机，步进电机带动丝锥进行攻丝。在攻丝的过程中，通过螺纹的自引导实现轴向进给。扭矩测量模块实时检测占空比，并且实时地传输数据给控制箱，控制箱将传输回来的数据处理成扭矩，并且结合攻丝控制策略不断的制定新的攻丝控制策略。如果没有出现控制箱中所示的特殊状态，则继续正转攻丝并且记录攻丝圈数；如果出现控制箱中所示的特殊状态，则需要步进电机反转退丝，并记录退丝圈数。如果在攻丝策略要求的范围内，则继续反转退丝，同时记录反转圈数；如果超出反转攻丝策略要求的范围外，则正转攻丝；

(3)控制箱记录正转、反转的圈数，将净正转圈数和预设的攻丝圈数x进行对比，如果小于预设的攻丝圈数，则继续攻丝；如果等于预设的攻丝圈数，则停止攻丝，丝锥反转退丝。重复(2)和(3)直到完成攻丝。

本发明将攻丝装置的扭矩测量模块和控制箱的单片机连在一起。通过单片机对扭矩测量模块传出的信号进行处理，判断攻丝状态，调节与单片机相连的步进电机驱动器实现对电机的控制，调整攻丝状态，攻丝稳定，精度高，适用面广，效率高该发明可用于加工直径小于或者等于M4的内螺纹。

Claims (6)

1.一种基于光电码盘扭矩检测的仿人攻丝卡头，其特征在于，包括锥端法兰(1)，锥端法兰(1)下方通过螺栓固定有步进电机(3)，步进电机(3)的输出轴连接有扭矩传感模块，扭矩传感模块的下方设置有弹簧(9)，扭矩传感模块的下方设置有丝锥夹头转换套(11)，丝锥夹头转换套(11)内部安装有丝锥夹头(10)，扭矩传感模块通过导线连接有控制箱(2)。

2.根据权利要求1所述的一种基于光电码盘扭矩检测的仿人攻丝卡头，其特征在于，所述扭矩传感模块包括传感器箱(4)，传感器箱(4)的外侧设置有传感器座(6)，传感器座(6)的上部和下部分别装有沟球轴承a(15)和深沟球轴承b(12)，深沟球轴承(15)上设置有弾性轴(16)的一端，弾性轴(16)的另一端连接有丝锥夹头转换套(11)，丝锥夹头转换套(11)一端连接有丝锥转接杆套，另一端连接有丝锥夹头(10)相连接，弹性轴(16)上通过螺钉安装有下码盘(13)和上码盘(14)，下码盘(13)和上码盘(14)外侧设置有光电传感器(7)，光电传感器(7)与控制箱(2)相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于光电码盘扭矩检测的仿人攻丝卡头，其特征在于，所述传感器座(6)的外侧设置有航空插座(5)，所述光电传感器(7)通过航空插座(5)与控制箱(2)连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于光电码盘扭矩检测的仿人攻丝卡头，其特征在于，所述传感器箱(4)下方设置有端盖(8)。

5.一种基于光电码盘扭矩检测的仿人攻丝方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的一种基于光电码盘扭矩检测的仿人攻丝卡头进行攻丝，具体的步骤为：

A、通过控制箱(2)选择丝锥型号，设置攻丝深度、丝锥螺距。控制箱(2)将攻丝深度和丝锥螺距结合转化成为攻丝圈数x其中，攻丝圈数x*丝锥螺距＝攻丝深度；

B、通过控制箱(2)启动步进电机(3)；步进电机(3)启动后，会带动丝锥正转开始攻丝。

C、攻丝时，通过扭矩测量模块检测占空比，并将检测到的占空比数据实时传输给控制箱；

D、控制箱2判断步进电机(3)是否正转，若步进电机正转，则表示正常攻丝；若步进电机(3)反转，则表示装置处于退丝状态；

E、控制箱(2)将扭矩测量模块传输出来的占空比转化为扭矩，同时和控制箱(2)固定扭矩进行比较，如果没有出现控制箱中所示的特殊状态，则继续正转攻丝并且记录攻丝圈数x₁；如果出现控制箱中所示的特殊状态，则步进电机反转退丝，进入到退丝环节。

F、控制箱(2)判断是否完成退丝，如果在控制箱预设参数范围内，则继续反转退丝，同时记录反转圈数x₂；如果超出预设参数范围外，则控制箱控制步进电机(3)正转，继续攻丝；

G、若丝锥的净正转圈数x₁-x₂等于预设的攻丝圈数x，则证明攻丝完成，丝锥反转退出螺纹孔；如果不等于，则证明攻丝还没有完成，继续正转攻丝，直至攻丝完成。

控制箱中设有每个直径大小螺纹的攻丝扭矩范围，根据攻丝扭矩判断是哪一种直径的螺纹。然后对扭矩进行判断，如果没有超出范围，继续攻丝，如果超出范围，则反转退丝。

6.根据权利要求5所述的一种基于光电码盘扭矩检测的仿人攻丝方法，其特征在于，所述步骤E中将占空比处理为扭矩的方法为：

弹性轴扭转变形造成两码盘周向位置差，反应为光电传感器信号占空比变化量，可通过运算来获取。

假设码盘齿槽数为N，则弹性轴旋转一周输出的方波信号个数也为N，因此，每个周期的方波信号对应的转角θ_T为：

占空比k用来表示两码盘的周向位置，可通过齿遮挡脉冲和槽通过脉冲来表示：

当弾性轴未受到扭矩作用时，即T＝0，其初始占空比k₀为：

为了增加检测频率，提高检测精度，采取交错测量的方式，即方波信号与相位相错180°的方波信号交错进行占空比计算，比如将第一个码盘齿与码盘槽记作周期T1，则在周期T1内计算得占空比K1，第一码盘槽和第二码盘齿记作周期T2，则在周期T2内计算得第二个占空比K2，以此类推，第i个周期内空间占比k_i为：

式中i为齿数；a为齿遮挡脉冲数，b为槽通过脉冲数；占空比变化量Δt为：

Δt＝t_i-t₀

式中t为受扭矩前后的周期长度差；

由此可获得任意时刻弹性环节的扭转变形角Δθ_i为：

根据弹性轴扭转变形角，可知传动系统的扭矩M_n为：