CN110465890A - 一种感应式切削力测量智能刀具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种感应式切削力测量智能刀具，包括刀柄、刀头、感应线圈、电源、放大与检出模块和应变片；所述电源为恒压源或恒流源；应变片贴于刀柄；感应线圈环绕在应变片周围，不与应变片和刀柄接触；电源、放大与检出模块和感应线圈依次相连，形成检测回路，检测回路位置固定，不随刀柄转动。可见，本发明采用电磁感应原理实现非接触信号测量，布线不受旋转部件的影响；采用应变片作为变形检测原件，价格低廉，布线简单，不受高速旋转部件的冲击和离心力影响，结构安全可靠；从刀柄处检出测量信号，实现直接测量切削力，检测精度高。

Description

一种感应式切削力测量智能刀具
技术领域
本发明涉及智能刀具设计技术领域，具体涉及一种感应式切削力测量智能刀具。
背景技术
在超硬材料磨削中，磨削深度对磨削力影响较大，且磨削力远大于磨削普通金属材料。超硬材料的韧性较差，在磨削过程中极易发生破裂，产生废品。磨削力作为磨削负荷最直接的表征参数，可以很好的反映工件受力情况，监控工件破裂风险。但是，由于磨削砂轮在磨削过程中高速自转，难以直接布置力传感器。
在当前的精密磨削加工中，一般是通过检测主轴电机电流、将力传感器布置在非连续转动转台位置、以及使用旋转测力计，这三种方式来监控磨削状态。
第一种方式实际上是监控砂轮磨削扭矩，但磨削力和磨削扭矩之间的关系十分复杂，难以直接反映磨削力状态。
第二种方式能够直接监控主轴受力情况，但是转台和砂轮之间存在很多的接触面，由于接触刚度和运动部件姿态的影响，无法精确测量工件局部受力情况。
第三种方式可以精确测量工件受力，但需要在有限空间内布置多块压电陶瓷晶体传感器，机构复杂，成本昂贵。
综上所述，现有的磨削力监控手段，无法直接检测工件受力状况，测量精度差，成本高昂，不能很好地反映出磨削风险或大范围工业化推广。
磨削力是切削力的一种，对于其他刀柄高速旋转的刀具，例如铣刀，也存在上述问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种感应式切削力测量智能刀具，采用电磁感应原理实现非接触信号测量，布线不受旋转部件的影响；采用应变片作为变形检测原件，价格低廉，布线简单，不受高速旋转部件的冲击和离心力影响，结构安全可靠；从刀柄处检出测量信号，实现直接测量切削力，检测精度高。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种感应式切削力测量智能刀具，包括刀柄和刀头，其特征在于，还包括感应线圈、电源、放大与检出模块和应变片；所述电源为恒压源或恒流源；
应变片贴于刀柄使其能够测量刀柄的弯曲形变；感应线圈环绕在应变片周围，不与应变片和刀柄接触；电源、放大与检出模块和感应线圈依次相连，形成检测回路；检测回路位置固定，不随刀柄转动。
优选地，应变片为n对，n为大于1的整数；每对中的两个应变片180度相对贴在刀柄上，且两应变片相连形成一条被检回路；每条被检回路对应各自的一路检测回路；不同应变片对在刀柄上的贴装位置上下错开。
优选地，检测回路固定在切削主轴上。
优选地，所述放大与检出模块为与电源类型配套的电流表或电压表。
有益效果：
(1)本发明提出的感应式切削力测量智能刀具，采用电磁感应原理非接触地从刀柄处检出测量信号。由于刀柄处检出测量信号，测量数据能够直接反映刀头的切削力状态，实现直接测量切削力，检测精度高；采用电磁感应原理实现信号的非接触测量，因此布线不受旋转部件的影响；采用应变片作为变形检测原件，价格低廉，布线简单，不受高速旋转部件的冲击和离心力影响，结构安全可靠。
(2)本发明在刀柄处布置多对应变片，可以获取更丰富的检测数据，为提高力解算精度提供了基础。
(3)检测回路固定在切削主轴上，保证检测回路的位置固定，不随刀柄转动，而且充分利用有限空间，避免增加额外工件，从而降低刀具结构的复杂度。
该方案可以应用于智能砂轮，智能铣刀等刀具。
附图说明
图1为基于本发明实施例中感应式磨削力测量智能砂轮的结构图。
具体实施方式
本发明提供了一种感应式切削力测量智能刀具，其基本思想是：在智能刀具的刀柄位置布置应变片，通过感应线圈向应变片施加交变电场，通过测量交变电场电参数的变化来反映刀头切削受力状况。由于从刀柄处获取数据，刀柄与刀头属于直接相连，因此检测结果几乎能够准确反映刀头的受力情况，因此检测精度高。而且由于采用了电磁感应原理非接触地检出测量信号，设备可以适应刀头高速自转，简化布线和结构。
本发明可以应用于智能砂轮等刀柄高速旋转的刀具。下面以应用于砂轮为例，对本发明实施例进行详细描述。
如图1所示，本发明实施例的智能磨削砂轮包括：磨削砂轮料层1、磨削砂轮刀柄2、感应线圈3、恒压或恒流源4、电流或电压放大与检出模块5和应变片6。其中，
感应线圈3、恒压源或恒流源4、电流或电压放大与检出模块5形成检测回路。检测回路位置固定，不随砂轮转动。优选地可以固定在磨削主轴上，充分利用有限空间，避免增加额外工件，从而降低刀具结构的复杂度。
电流或电压放大与检出模块5可以采用电压表或电流表，根据电源部分选用恒压源或恒流源而定。
应变片6贴于磨削砂轮刀柄2，贴装方向满足使其能够检测到刀柄的弯曲形变。本实施例中，采用两片应变片6，如图1所示，这两片应变片180度相对贴在磨削砂轮刀柄2上，两应变片通过导线相连形成被检回路，并随着磨削砂轮料层1高速匀速旋转。检测回路和被检回路没有机械接触，仅通过电磁感应相互影响。两片应变片可以测量刀柄两侧的对称形变，通过两侧的形变可以获得更为准确的刀头切削力。
在实际中，还可以设置不只一对的应变片实现测量。那么，每对应变片按照图中的样子180度相对贴在刀柄上，且两应变片相互连接形成一条被检回路。每组应变片使用自己对应的感应线圈、电源和放大与检出模块；多组应变片各自形成相互独立的被检回路。不同应变片对在刀柄上的贴装位置上下错开。例如，如果采用两对应变片，则一对按照图1进行贴装，另一对贴装在图中应变片的上方或下方，相互不接触。
本智能刀具的磨削力检测原理如下所述：
磨削砂轮料层1和磨削工件接触，在磨削加工过程中产生磨削力。磨削力引起磨削砂轮刀柄2弯曲变形。磨削砂轮刀柄2的弯曲变形带动应变片6变形，从而改变应变片的电阻。恒压源(恒流源)4产生稳定的电场施加在感应线圈3两端。感应线圈3产生磁场穿过应变片6组成的被检回路。被检回路随着砂轮以恒定的速度高速旋转从而切割感应线圈产生感应电动势。被检回路在感应电动势作用下产生感应电流，感应电流随应变片6电阻变化。被检回路随着感应电流的流动产生磁场。被检回路产生的磁场在感应线圈3产生逆感应电动势，与恒压源(恒流源)产生的磁场叠加，影响检测回路中的电流(电压)。电流(电压)放大和检出模块5检测到检测回路中的电流(电压)变化，从而测出磨削砂轮所受外力，实现磨削力测量。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种感应式切削力测量智能刀具，包括刀柄(2)和刀头(1)，其特征在于，还包括感应线圈(3)、电源(4)、放大与检出模块(5)和应变片(6)；所述电源(4)为恒压源或恒流源；
应变片(6)贴于刀柄(2)使其能够测量刀柄的弯曲形变；感应线圈(3)环绕在应变片周围，不与应变片和刀柄(2)接触；电源(4)、放大与检出模块(5)和感应线圈(3)依次相连，形成检测回路；检测回路位置固定，不随刀柄转动。
2.如权利要求1所述的感应式切削力测量智能刀具，其特征在于，应变片(6)为n对，n为大于1的整数；每对中的两个应变片180度相对贴在刀柄(2)上，且两应变片相连形成一条被检回路；每条被检回路对应各自的一路检测回路；不同应变片对在刀柄(2)上的贴装位置上下错开。
3.如权利要求1所述的感应式切削力测量智能刀具，其特征在于，检测回路固定在切削主轴上。
4.如权利要求1所述的感应式切削力测量智能刀具，其特征在于，所述放大与检出模块(5)为与电源(4)类型配套的电流表或电压表。
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