CN110539205A - 断刀检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种断刀检测系统及方法，其适用于机床，包括受机床的主轴驱动可旋转的刀具、断刀检测装置和定位部件；定位部件一端固定连接在断刀检测装置上，另一端搭放在刀具上；正常状态下，定位部件因刀具旋转受摩擦力，断刀检测装置受到定位部件的作用力；断刀状态下时，定位部件不受摩擦力，亦对断刀检测装置无作用力；断刀检测装置包括感应元件，感应元件感应断刀检测装置在有无作用力下状态发生改变，从而实时检测刀具处于正常状态或断刀状态；该断刀检测系统整体结构简单，操作便捷，检测方法方便，可靠性强。

Description

断刀检测系统及方法

技术领域

本发明涉及机床加工技术领域，尤其涉及机床上的一种断刀检测系统及方法。

背景技术

在利用机床对工件进行加工时，由于刀具磨损、应力疲劳等原因到其使用寿命或者操作人员不规范作业均容易导致刀具断裂，尤其是直径较小的刀具。由于机床加工过程中防护门是紧闭的，出现断刀情况并没有报警装置，而且机床的加工过程是自动化的，员工可能一人需操作不等数量的机床，工作节拍紧凑话，机床运行中难免会有不留意情况，从而使加工人员无法及时发现断裂的刀具，可能出现继续利用断裂的刀具进行加工的情况，导致加工出的工件质量不合格，增加报废率，提高了生产成本。

专利号为CN204504895U的断刀检测机构及数控机床，公开了一种刀具行进路径上的断刀检测机构，其具有第一导电弹片和第二导电弹片，并通过侦测模块对电性导通进行检测从而实现检测：当刀具没有发生断裂时，刀具运动，并将第二导电弹片向第一导电弹片挤压，使两者电性导通；当刀具断裂时，刀具对第二导电弹片无挤压或挤压量无法使其与第一导电弹片相接触，两者未实现电性导通。

上述发明只可以在数控机床完成一个工序，刀具停止旋转时对断刀情况进行检测，无法在一个工序内，实时监测断刀情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在刀具作业时实时监测断刀情况的断刀检测系统，进一步提供断刀检测系统的检测方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：断刀检测系统，用于机床，包括受机床动力装置驱动的主轴、连接于主轴上的刀具、断刀检测装置和定位部件；

所述的断刀检测装置包括可旋转运动的旋转组件，所述的旋转组件的旋转轴与刀具平行，正常状态下，所述的定位部件一端固定连接在旋转组件上，另一端连接在刀具上；所述的定位部件限制旋转组件旋转；断刀状态下，刀具脱离主轴，所述的定位部件一端无着力点，对所述的旋转组件的运动不起限制作用，旋转组件发生旋转；

所述的断刀检测装置包括感应元件，所述的感应元件感应所述的旋转组件的旋转位移，从而检测刀具处于正常状态或断刀状态。

本发明的进一步优化方案为：还包括控制动力装置的控制模块，所述的控制模块与所述的断刀检测装置之间通讯，断刀状态下，所述的断刀检测装置发送信号给所述的控制模块以使动力装置停止驱动。

本发明的进一步优化方案为：还包括报警模块，所述的控制模块与所述的断刀检测装置之间通讯，断刀状态下，所述的断刀检测装置发送信号给所述的报警模块以使报警模块发出警报，以提醒操作者及时手动关闭动力装置。

本发明的进一步优化方案为：所述的断刀检测装置包括固定不动的底座，断刀状态下，所述的旋转组件可相对于底座旋转。

本发明的进一步优化方案为：正常状态下，所述的定位部件一端固定连接所述的旋转组件上，另一端搁置在刀具的上表面，从而限制所述的旋转组件朝刀具侧旋转。

本发明的进一步优化方案为：所述的旋转组件包括圆柱销和旋转块，所述的圆柱销固定连接在所述的旋转块的一侧，所述的底座位于所述的旋转块另外一侧，所述的圆柱销与所述的定位部件连接，所述的旋转块和圆柱销可相对于底座旋转。

本发明的进一步优化方案为：所述的定位部件为钢丝，所述的钢丝一端缠绕紧固在圆柱销上，另一端横向搁置于刀刃后端的刀具上表面上。

本发明的进一步优化方案为：所述的圆柱销的前端穿过一固定于底座的前盖，所述的前盖和旋转块之间连接有弹簧；正常状态下，所述的弹簧形变；断刀状态下，所述的弹簧恢复原形，其回弹力使所述的旋转块朝刀具侧旋转。

本发明的进一步优化方案为：所述的旋转组件和底座围合形成气流腔，所述的底座上设有进气通道和两个出气通道，即第一出气通道和第二出气通道；

正常状态下，刀具使所述的旋转组件受所述的定位部件限制不发生旋转，所述的第一出气通道被所述的旋转组件遮蔽，气体从所述的第二出气通道流出；

断刀状态下，所述的旋转组件不受刀具限制，所述的旋转组件发生旋转，所述的第二出气通道被所述的旋转组件遮蔽，气体从所述的第一出气通道流出；

所述的感应元件为气体感应元件，所述的气体感应元件设置在至少一个所述的出气通道后端以感应各出气通道的气信号从而判断刀具处于正常状态或断刀状态。

本发明的另一个主题：断刀检测方法，包括如下步骤：

一、安装断刀检测装置，用定位部件将所述的旋转组件与刀具相连接；

二、机床开机，主轴带动刀具旋转，所述的断刀检测装置检测刀具处于正常状态或断刀状态；

正常状态：所述的定位部件限制所述的旋转组件旋转，所述的感应元件，判断刀具处于正常状态；

断刀状态：断裂的刀具从主轴上脱离，所述的定位部件一端无着力点，所述的旋转组件不受限制而发生旋转，所述的感应元件感应到旋转位移，判断刀具处于断刀状态；

三、当感应元件检测到刀具处于断刀状态时，断刀检测装置将信号发送给控制驱动主轴旋转的动力装置的控制模块或报警模块，控制模块使动力装置停止驱动或操作者人工关闭动力装置停止加工作业。

与现有技术相比，本发明的优点是利用一端搁置在刀具上的定位部件，限制在刀具正常状态下断刀检测装置内可动部件的运动，在断刀后，可动部件因定位部件的限制作用消失而发生运动，并被感应元件感应，从而在刀具对工件加工过程中实时检测刀具处于断刀状态，避免无效加工、工件破坏性加工和浪费工时。

附图说明

以下将结合附图和优选实施例来对本发明进行进一步详细描述，但是本领域技术人员将领会的是，这些附图仅是出于解释优选实施例的目的而绘制的，并且因此不应当作为对本发明范围的限制。此外，除非特别指出，附图仅示意在概念性地表示所描述对象的组成或构造并可能包含夸张性显示，并且附图也并非一定按比例绘制。

图1为本发明优选实施例的断刀检测系统的示意图；

图2为本发明优选实施例的断刀检测装置的示意图；

图3为本发明优选实施例的断刀检测装置的分解示意图；

图4为本发明优选实施例的断刀检测装置的爆炸图一；

图5为本发明优选实施例的断刀检测装置的爆炸图二；

图6为本发明优选实施例的断刀检测装置的爆炸图三；

图7为本发明优选实施例的底座的示意图；

图8为本发明优选实施例的底座的基体和第二限位部的示意图一；

图9为本发明优选实施例的底座的基体和第二限位部的示意图二；

图10为本发明优选实施例的旋转组件的示意图；

图11为本发明优选实施例的旋转块的示意图；

图12为本发明优选实施例的正常状态的剖视图；

图13为本发明优选实施例的断刀状态的剖视图；

图14为本发明优选实施例的正常状态的示意图；

图15为本发明优选实施例的断刀状态的示意图。

具体实施方式

以下将参考附图来详细描述本发明的优选实施例。本领域中的技术人员将领会的是，这些描述仅为描述性的、示例性的，并且不应被解释为限定了本发明的保护范围。

应注意到：相似的标号在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中可能不再对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明涉及一种机床上所用的断刀检测技术。本实施例以数控机床为例，详细说明断刀检测装置200及断刀检测系统的具体结构、原理及方法。

数控机床主要由控制模块、机身、主轴箱、动力装置和冷却设备组成。控制模块控制和调节动力装置及冷却设备启闭并执行相关操作，从而使数控机床实现自动化。

如图1所示，主轴箱包括主轴机架01和主轴，主轴前端设有刀架02，刀具100可拆卸地安装在刀架02上。刀具100随主轴在动力装置驱动下旋转给进以对工件进行切削加工。刀具100的一侧安装有断刀检测装置200，其通过连接件03安装在主轴机架 01上，用时通过锁紧块04将其紧固，确保安装可靠性。

如图1-6所示，断刀检测装置200包括一旋转组件3和底座4，底座4固定不动，旋转组件3可相对底座4发生旋转。

进一步地，数控机床的主轴水平，旋转组件3的旋转轴平行于刀具100，且其可朝刀具方向旋转。

旋转组件3一端固定连接有定位部件05，正常状态下，定位部件05另外一端连接在刀具上，旋转组件3受定位部件05限制，无法发生旋转；断刀状态下，断裂的刀具脱离，定位部件05无着力点，对旋转组件3的限制作用消失，旋转组件发生旋转。

断刀检测装置200内还包括感应元件，该感应元件可以感应可动部件运动与否，从而检测刀具100处于正常状态或断刀状态。根据具体地断刀检测装置结构，感应元件类型不同，可为红外感应元件、气体感应元件等。

优选地，正常状态下，定位部件05的一端搁置在刀具的上表面以限制旋转组件3朝刀具100方向旋转，进一步优选地，定位部件05为采用成本较低的钢丝，其一端绕曲缠绕在旋转组件3上，另一端横向搁置在刀具100的上表面，且搁置位置位于刀具100 的刀刃001的后端，并尽可能靠近刀刃001。

可以理解的是，定位部件05的这种连接方式使其无论在预装或刀具100更换后重新安装时，都可在较短时间内完成连接，操作简单方便，可靠性强。

应当注意的是，定位部件05搁置在刀具100的上，且刀具100旋转作业时表面具有润滑液，从而使定位部件05对刀具100的作用力极小，在刀具100旋转作业过程中可忽略不计，从而避免了加工作业的影响，而其搁置在刀刃001之后并尽量靠进刀刃 001，即避免对刀刃001的磨损和对工件加工作业的干扰，又可增大断刀位置的检测范围。

具体而言，如图2-6所示，断刀检测装置200连接气源，旋转组件3旋转可使相关部件实现气体的通断，而感应旋转组件3旋转运动的感应元件为气体感应元件。断刀检测装置200具体结构除旋转组件3、底座4和气体感应元件外，还包括前盖1、轴承2 及气接头5。

如图7-9所示，底座4包括圆柱套6、基体7和第二限位部8。基体7为圆柱体，其设置有进气通道9和两个出气通道10。出气通道10包括第一出气通道101和第二出气通道102。进气通道9和出气通道10均为纵向的通孔，并且三孔沿圆周均布。并且，第一出气通道101和第二出气通道102中至少有一个连接有气体感应元件，可感应其中的气信号。

圆柱套6连接在基体7一侧，其内部中空，进气通道9、出气通道10、第二限位部 8位于圆柱套6内部中空区域。优选地，第二限位部8与基体7一体成型，而圆柱套6 通过螺钉与基体7联接。

如图3-5、10、11所示，旋转组件3位于圆柱套6内，其包括圆柱销11和旋转块 12。旋转块12包括底板13和凸出于底板13的第一限位部14。底板13上具有连接圆柱销11的安装孔301，其用于插接圆柱销11，圆柱销11与安装孔301紧配，实现圆柱销 11和旋转块12的同轴刚性连接，即圆柱销11和旋转块12径向、轴向均被固定。第一限位部14位于底板13的另外一侧，其面朝底座4的基体7，与第二限位部8配合。第一限位部14和第二限位部8内侧具有铜套20，圆柱销11穿过铜套20与底座4同轴旋转。

如图2-6所示，前盖1通过紧固件联接在圆柱套6的前端，其中心具有供旋转组件 3的圆柱销11穿过的圆孔，前盖1内侧设有轴承2。此轴承2用以支撑旋转组件3，降低其旋转时的摩擦力。圆柱销11穿过轴承2和前盖1圆孔后暴露在外，与定位部件05 连接。

进一步地，如图3-6，12、13所示，圆柱套6的内径和旋转块12的底板13的外径相吻合，旋转块12的底板13、底座4的基体7和圆柱套6三者围合形成气流腔300，并且进气通道9、出气通道10、第一限位部14和第二限位部8均容纳在气流腔300内，同时第一限位部14可以通过旋转块12的转动遮蔽各出气通道10。

优选地，如图8、11所示，本实施例中第一限位部14和第二限位部8均为扇环形凸出，且两者位于同一圆周上，并且出气通道10和进气通道9均位于此圆周上。第二限位部8具有第一侧面801和第二侧面802，第一进气通道101靠近第一侧面801，第二进气通道102靠近第一侧面802。

结合图12、14所示，当刀具处于正常状态时，第一限位部14接触第二限位部8的第一侧面801以使旋转块12和底座4的相对位置被限位，此时气流腔300内进气通道9 和第一出气通道101畅通，另外第二出气通道102被第一限位部14遮蔽。当刀具处于断刀状态时，旋转块12旋转，第一限位部14接触触到第二限位部8的第二侧面802，此时气流腔300内进气通道9和第二出气通道102畅通，另外第一出气通道101被第一限位部14遮蔽。

如图4-9所示，进气通道9和出气通道10末端均连接气接头5，进气通道9通过气接头5连接气源。另外气体感应元件位于气接头5处。

更进一步地，旋转组件3的转动依靠旋转复位机构提供动力，如图10、12-15所示，旋转复位机构为一可形变的弹性件15，弹性件15一端连接在旋转组件3上，另外一端被固定。弹性件15的形变回弹力提供旋转组件3的旋转的动力。

优化地弹性件15为套在圆柱销11外且连接在前盖1和旋转块12底板13上的圆柱形弹簧。旋转块12底板13外侧和前盖1内侧设置有卡接弹簧的小孔21，弹簧端部伸入小孔21内以实现卡接。

正常状态下，旋转块12与前盖1的相对位置使弹簧形变，且因定位部件05的限制，该形变保持；断刀状态下，旋转块12不受定位部件05作用力，弹簧恢复原形，其回弹力使旋转块12发生旋转。

本实施例中，断刀检测装置200可与数控机床的控制模块通讯，当感应元件感应到断刀状态时，断刀检测装置200发送信号给控制模块，控制模块接收信号停止动力装置，机床的加工停止。

此外，断刀检测装置200还可以连接报警模块，报警模块可以为指示灯报警或声音报警，当控制模块接收到断刀信号时控制报警模块的指示灯点亮，以方便操作人员进行更换刀具100等处理后重新启动设备。应当注意的是，在普通机床中，通讯模块也可将信息发送给报警模块，报警模块的指示灯点亮，由操作人员手动停止动力设备，停止加工作业。

以下对上述断刀检测系统及断刀检测装置200的工作方法及原理进行阐述。

预装断刀检测装置200时，将断刀检测装置200水平固定装配到数控机床上，拉动定位部件05，将旋转组件3朝远离刀具的方向旋转，使旋转复位机构的弹簧形变。如图 12、14所示，此时旋转块12的第一限位部14接触第二限位部8的第一侧面801以使旋转块12和底座4的相对位置被限位，此时气流腔300内进气通道9和第一出气通道101 畅通，另外第二出气通道102被第一限位部14遮蔽。

保持以上的状态，将定位部件05自由端搁置在刀具100上表面，且搁置位置位于刀刃001后端完成断刀检测装置200的安装。此时，定位部件05限制旋转组件3在弹簧回弹力促使下朝刀具100一侧旋转。

当机床开机，主轴带动刀具100旋转对工件进行加工，断刀检测装置200接通气源，对刀具100的断刀与否进行检测。

若刀具100处于正常状态，定位部件05始终限制旋转组件3旋转，断刀检测装置200保持预装状态，气体从第一出气通道101流出，气体感应元件接收到第一出气通道 101的气信号，判断刀具100处于正常状态。

如图13、15所示，若刀具100断裂，断裂部分脱离，因主轴旋转，断裂的刀具被甩飞。定位部件05与刀具连接端空置成为自由端，无着力点，定位部件05不再提供限制旋转组件3旋转的作用力，此时弹簧无外力作用，恢复形变，其变形储蓄的回弹力带动旋转组件3朝刀具侧复位旋转，直至旋转块12的第一限位部14接触底座的第二限位部8的第二侧面802，旋转块12停止旋转。此时气流腔300内进气通道9和第二出气通道102畅通，另外第一出气通道101被第一限位部14遮蔽，气流从第二出气通道102 流出，气体感应元件接收到第二出气通道102的气信号，从而判断出刀具100所于断刀状态，实现加工过程中的实时监控。

当气体感应元件感知第二出气通道102的气信号，断刀检测装置200做出断刀状态判断后，其发送信号控制驱动主轴旋转的动力装置的控制模块或报警模块，控制模块使动力装置停止驱动或操作者人工关闭动力装置停止加工作业。

本实施例提供的断刀检测系统，利用定位部件05将刀具100与断刀检测装置200联接，并通过在正常状态下和断刀状态下，定位部件05的受力情况改变进而改变其对断刀检测装置200的旋转组件3的旋转限制作用，从而在加工过程中实时监控断刀情况，可在断刀的短时间内及时感应并停止作业，避免对工件的无效加工或破坏性加工，降低不良品率和工时浪费，提高加工效率。

以上对本发明所提供的断刀检测系统及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.断刀检测系统，用于机床，其特征在于包括受机床动力装置驱动的主轴、连接于主轴上的刀具、断刀检测装置和定位部件；

所述的断刀检测装置包括可旋转运动的旋转组件，所述的旋转组件的旋转轴与刀具平行，正常状态下，所述的定位部件一端固定连接在旋转组件上，另一端连接在刀具上；所述的定位部件限制旋转组件旋转；断刀状态下，刀具脱离主轴，所述的定位部件一端无着力点，对所述的旋转组件的运动不起限制作用，旋转组件发生旋转；

所述的断刀检测装置包括感应元件，所述的感应元件感应所述的旋转组件的旋转位移，从而检测刀具处于正常状态或断刀状态。

2.根据权利要求1所述的断刀检测系统，其特征在于还包括控制动力装置的控制模块，所述的控制模块与所述的断刀检测装置之间通讯，断刀状态下，所述的断刀检测装置发送信号给所述的控制模块以使动力装置停止驱动。

3.根据权利要求1所述的断刀检测系统，其特征在于还包括报警模块，所述的控制模块与所述的断刀检测装置之间通讯，断刀状态下，所述的断刀检测装置发送信号给所述的报警模块以使报警模块发出警报，以提醒操作者及时手动关闭动力装置。

4.根据权利要求1所述的断刀检测系统，其特征在于所述的断刀检测装置包括固定不动的底座，断刀状态下，所述的旋转组件可相对于底座旋转。

5.根据权利要求4所述的断刀检测系统，其特征在于正常状态下，所述的定位部件一端固定连接所述的旋转组件上，另一端搁置在刀具的上表面，从而限制所述的旋转组件朝刀具侧旋转。

6.根据权利要求5所述的断刀检测系统，其特征在于所述的旋转组件包括圆柱销和旋转块，所述的圆柱销固定连接在所述的旋转块的一侧，所述的底座位于所述的旋转块另外一侧，所述的圆柱销与所述的定位部件连接，所述的旋转块和圆柱销可相对于底座旋转。

7.根据权利要求6所述的断刀检测系统，其特征在于所述的定位部件为钢丝，所述的钢丝一端缠绕紧固在圆柱销上，另一端横向搁置于刀刃后端的刀具上表面上。

8.根据权利要求6所述的断刀检测系统，其特征在于所述的圆柱销的前端穿过一固定于底座的前盖，所述的前盖和旋转块之间连接有弹簧；正常状态下，所述的弹簧形变；断刀状态下，所述的弹簧恢复原形，其回弹力使所述的旋转块朝刀具侧旋转。

9.根据权利要求4所述的断刀检测系统，其特征在于所述的旋转组件和底座围合形成气流腔，所述的底座上设有进气通道和两个出气通道，即第一出气通道和第二出气通道；

正常状态下，刀具使所述的旋转组件受所述的定位部件限制不发生旋转，所述的第一出气通道被所述的旋转组件遮蔽，气体从所述的第二出气通道流出；

断刀状态下，所述的旋转组件不受刀具限制，所述的旋转组件发生旋转，所述的第二出气通道被所述的旋转组件遮蔽，气体从所述的第一出气通道流出；

所述的感应元件为气体感应元件，所述的气体感应元件设置在至少一个所述的出气通道后端以感应各出气通道的气信号从而判断刀具处于正常状态或断刀状态。

10.根据权利要求1-9所述的断刀检测系统的断刀检测方法，其特征在于包括如下步骤：

一、安装断刀检测装置，用定位部件将所述的旋转组件与刀具相连接；

二、机床开机，主轴带动刀具旋转，所述的断刀检测装置检测刀具处于正常状态或断刀状态；

正常状态：所述的定位部件限制所述的旋转组件旋转，所述的感应元件，判断刀具处于正常状态；

断刀状态：断裂的刀具从主轴上脱离，所述的定位部件一端无着力点，所述的旋转组件不受限制而发生旋转，所述的感应元件感应到旋转位移，判断刀具处于断刀状态；

三、当感应元件检测到刀具处于断刀状态时，断刀检测装置将信号发送给控制驱动主轴旋转的动力装置的控制模块或报警模块，控制模块使动力装置停止驱动或操作者人工关闭动力装置停止加工作业。