CN110788670B - 基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统，包括刀具、石墨烯传感器和检测电路。刀具包括刀杆和切削刀片，刀杆的一端开设有槽体，切削刀片设置于槽体，其中切削刀片包括主后刀面。石墨烯传感器包括两个电极以及串联在两个电极之间的电阻栅，其中，两个电极设置于槽体内壁，电阻栅设置于主后刀面，电阻栅在切削刀片磨损时电阻发生变化。检测电路与两个电极分别电连接，用于检测电阻栅两端的电流变化，并根据电流变化计算电阻栅的阻值变化，并根据电阻栅的阻值变化确定切削刀片的磨损程度。基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统可以在不受电网电压或电磁噪声的干扰的前提下，在切削过程中实现对切削刃的磨损状态实时检测。

Description

基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统

技术领域

本申请涉及刀具磨损监测技术领域，特别是涉及一种基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统。

背景技术

在工件加工过程中，切削刀具与待加工的工件之间存在振动，且两者之间的挤压和摩擦会产生大量热量，导致切削刀片发生磨损。因此，对切削刀片进行磨损监测可以确保工件的质量和性能，同时可以为加工工艺改进、切削刀片设计以及切削机理改进提供参考数据。

现有刀具磨损监测方法主要采用主轴扭矩监测、加工声音监测以及光学磨损偏移量监测等。然而，上述刀具磨损监测方法仅适合于粗加工场合，且容易受到电网电压和电磁噪声的干扰。

发明内容

基于此，有必要针对现有刀具磨损监测方法存在的适用范围窄以及容易受到干扰的问题，提供一种基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统。

本申请提供一种基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统，包括：

刀具，包括刀杆和切削刀片，所述刀杆的一端开设有槽体，所述切削刀片设置于所述槽体，其中所述切削刀片包括主后刀面；

石墨烯传感器，包括两个电极以及串联在所述两个电极之间的电阻栅，其中，所述两个电极设置于所述槽体内壁，所述电阻栅设置于所述主后刀面，所述电阻栅在所述切削刀片磨损时电阻发生变化；以及

检测电路，与所述两个电极分别电连接，用于检测所述电阻栅两端的电流变化，并根据所述电流变化计算所述电阻栅的阻值变化，并根据所述电阻栅的阻值变化确定所述切削刀片的磨损程度。

在其中一个实施例中，所述槽体设置有所述两个电极的内壁开设有第三凹槽，所述两个电极以及连接所述两个电极与所述电阻栅的导线均设置于所述第三凹槽。

在其中一个实施例中，所述槽体设置有所述两个电极的内壁开设有让位槽，所述两个电极与所述检测电路连接的外接导线从所述让位槽延伸出所述槽体。

在其中一个实施例中，所述电阻栅包括：

第一固定电阻，串联于所述两个电极之间；以及

至少一个磨损电阻，分别与所述第一固定电阻并联，用于在所述切削刀片磨损时断开所述磨损电阻所在支路。

在其中一个实施例中，所述电阻栅还包括第二固定电阻，所述第二固定电阻与所述磨损电阻一一对应，且每个所述第二固定电阻与对应的所述磨损电阻串联后与所述第一固定电阻并联。

在其中一个实施例中，所述电阻栅还包括保护电阻，所述保护电阻串联于所述第一固定电阻和与所述第一固定电阻电连接的所述电极之间，用于防止所述两个电极输出电流过大。

在其中一个实施例中，所述磨损电阻为条状，且所述磨损电阻平行于所述切削刀片的切削刃。

在其中一个实施例中，所述两个电极和所述电阻栅的材料为多层石墨烯金属复合薄膜材料。

在其中一个实施例中，所述检测电路包括：

信号采集电路，与所述两个电极分别电连接，用于采集所述两个电极的输出电流，得到电流信号；以及

计算电路，与所述信号采集电路电连接，对所述信号采集电路输出的所述电流信号进行计算，得到所述电阻栅的阻值变化，并根据所述电阻栅的阻值变化确定所述切削刀片的磨损程度。

在其中一个实施例中，所述检测电路还包括：

滤波电路，与所述信号采集电路电连接，对所述信号采集电路输出的所述电流信号进行滤波，得到滤波后的所述电流信号；

放大电路，与所述滤波电路电连接，对所述滤波电路输出的滤波后的所述电流信号进行放大，得到放大后的所述电流信号；以及

数模转换电路，分别与所述放大电路和所述计算电路电连接，对所述放大电路输出的放大后的所述电流信号进行数模转换，得到数字信号，并将所述数字信号发送至所述计算电路。

上述基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统设置有石墨烯传感器，石墨烯传感器包括用于检测切削刀片磨损情况的电阻栅以及用于信号输出的两个电极，且电阻栅串联于两个电极之间。通过将石墨烯传感器中的电阻栅设置于切削刀片的主后刀面上，并将两个电极设置于刀杆上开设的槽体内壁上，电阻栅中的部分电阻可以随切削刀片中切削刃的磨损而损坏，导致电阻栅的阻值随切削刃的磨损程度发生变化。采用检测电路可以检测电阻栅两端的电流变化，根据电流变化可以计算电阻栅的阻值变化，从而确定切削刀片的磨损程度。因此，基于石墨烯的切削刀片通过设置电阻栅和电极，可以检测切削刃的不同程度的磨损，且可以在不受电网电压或电磁噪声的干扰的前提下，在切削过程中实现对切削刃磨损状态的实时监测。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种基于石墨烯传感器的切削刀片主视结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种基于石墨烯传感器的切削刀片俯视结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种基于石墨烯传感器的切削刀片主后刀面上的电阻栅结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种基于石墨烯传感器的切削刀片安装侧面上的电极结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种基于石墨烯传感器的电阻栅电路结构示意图；

图6为本申请实施例提供的另一种基于石墨烯传感器的电阻栅电路结构示意图；

图7为本申请实施例提供的一种基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的一种基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统的槽体内壁上的电极结构示意图；

图9为本申请实施例提供的一种基于石墨烯传感器的检测电路结构示意图。

附图标号说明

100 刀具磨损监测系统

10 切削刀片

110 主后刀面

111 第一凹槽

112 第三凹槽

113 让位槽

120 安装侧面

121 第二凹槽

20 石墨烯传感器

210 电极

220 电阻栅

221 第一固定电阻

222 磨损电阻

223 第二固定电阻

224 保护电阻

30 检测电路

310 信号采集电路

320 计算电路

330 滤波电路

340 放大电路

350 数模转换电路

40 刀具

410 刀杆

411 槽体

50 导线

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请提供一种基于石墨烯传感器的切削刀片，基于石墨烯传感器的切削刀片包括切削刀片10、石墨烯传感器20和检测电路30。切削刀片10包括主后刀面110和安装侧面120。石墨烯传感器20包括两个电极210以及串联在两个电极210之间的电阻栅220，其中，两个电极210设置于安装侧面120，电阻栅220设置于主后刀面110，电阻栅220在切削刀片10磨损时电阻发生变化。检测电路30与两个电极210分别电连接，用于检测电阻栅220两端的电流变化，并根据电流变化计算电阻栅220的阻值变化，并根据电阻栅220的阻值变化确定切削刀片10的磨损程度。

可以理解，本申请对切削刀片10的形状、种类和材质等不作限定，即所述切削刀片10可根据不同加工方式选取合适的刀片。请参见图2，在其中一个实施例中，切削刀片10具有六个表面，包括主后刀面110、副后刀面和前刀面。其中，主后刀面110和副后刀面为切削刀片10的相邻的两个侧面，前刀面为切削刀片10的顶面。此外，切削刀片10还包括与前刀面相对设置的底面，以及分别与主后刀面和副后刀面相对设置的侧面。在本实施例中，主后刀面110为切削刃所在平面，且主后刀面110为与待加工表面相互作用和相对的表面。可以理解，安装侧面120可以为除主后刀面110以外的任一表面。在其中一个实施例中，安装侧面120可以为分别与主后刀面110和副后刀面相对设置的侧面中的一个。当安装侧面120为与主后刀面110和副后刀面相对设置的侧面中的一个时，可以防止两个电极210以及与电阻栅220连接的导线50在磨损监测过程中发生损坏，可以延长基于石墨烯传感器的切削刀片的使用寿命。

请一并参见图1，可以理解，石墨烯传感器20包括两个电极210以及串联在两个电极210之间的电阻栅220。采用电阻栅220对切削刃的磨损情况进行检测的过程中，电阻栅220的阻值可以随切削刃磨损程度的变化而改变，故基于石墨烯传感器的切削刀片具有灵敏度高和测量精度高的优点。此外，石墨烯传感器20不容易受电网电压或电磁噪声的干扰，提高了基于石墨烯传感器的切削刀片的抗干扰性。由于石墨烯传感器20的体积较小，故将其设置在切削刀片10上时无需改变切削刀片10的大小，可以应用于多种环境下的车削加工刀片。

在进行车削加工时，切削刀片10的切削刃与待加工的工件接触并产生挤压和摩擦。由于石墨烯传感器20中电阻栅220所处位置与磨损位置一致，若切削刀片10的切削刃处产生磨损，则安装在切削刀片10的主后刀面110的石墨烯传感器20中靠近切削刃磨损位置处的一个磨损电阻222被切断，导致整体电阻栅220的阻值增大。在其中一个实施例中，电阻栅220可以包括多个磨损电阻222，且多个磨损电阻222之间相互并联。随着切削刀片10的磨损程度的进一步加剧，被切断的磨损电阻222数量也逐渐增加。根据磨损量由小到大的增加，石墨烯传感器20中整体的电阻栅220的阻值逐渐增加。当在石墨烯传感器20的两端通入电压后，石墨烯传感器20中整体电阻栅220的阻值变化会引起电流变化。检测电路30可以检测电阻栅220两端的电流变化，并根据电流变化计算电阻栅220的阻值变化，根据电阻栅220的阻值变化确定切削刀片10的磨损程度。

上述基于石墨烯的切削刀片10设置有石墨烯传感器20，石墨烯传感器20包括用于检测切削刀片10磨损情况的电阻栅220以及用于信号输出的两个电极210，且电阻栅220串联于两个电极210之间。通过将石墨烯传感器20中的电阻栅220设置于切削刀片10的主后刀面110上，电阻栅220中的部分电阻可以随切削刀片10中切削刃的磨损而断开，导致电阻栅220的阻值随切削刃的磨损程度发生变化。采用检测电路30可以检测电阻栅220两端的电流变化，根据电流变化可以计算电阻栅220的阻值变化，确定切削刀片10的磨损程度。因此，基于石墨烯的切削刀片10通过设置电阻栅220和电极210，可以检测切削刃的不同程度的磨损，且可以在不受电网电压或电磁噪声的干扰的前提下，在切削过程中实现对切削刃的磨损状态的实时监测。

请一并参见图3-图5，在其中一个实施例中，电阻栅220包括第一固定电阻221和至少一个磨损电阻222。第一固定电阻221串联于两个电极210之间。每个磨损电阻222与第一固定电阻221并联，用于在切削刀片10磨损时断开磨损电阻222所在支路。可以理解，石墨烯传感器20中用于感知切削刀片10磨损状态的关键部分是电阻栅220。电阻栅220包括第一固定电阻221和至少一个磨损电阻222。在本实施例中，每个磨损电阻222与第一固定电阻221并联，当切削刀片10发生磨损时，断开的磨损电阻222所述在支路断开，电阻栅220的总电阻发生改变。通过检测电路30检测电阻栅220两端的电流，可以判断电阻栅220的电阻改变量，得到切削刀片10的磨损程度。通过设置第一固定电阻221，可以保证两个电极210有持续的电流输出，避免当检测电路30检测不到电流时，无法判断是全部磨损电阻222断开，还是检测电路30自身存在故障，即第一固定电阻221的设置提高了基于石墨烯传感器的切削刀片的可靠性。磨损电阻222的设置可以提高对切削刃磨损状态检测的灵敏度。

在其中一个实施例中，电阻栅220还包括第二固定电阻223，第二固定电阻223与磨损电阻222一一对应，且每个第二固定电阻223与对应的磨损电阻222串联后与第一固定电阻221并联。在本实施例中，电阻栅220包括多个磨损电阻222，每个磨损电阻222可以与一个第二固定电阻223串联，得到多个串联支路，且多个串联支路分别与第一固定电阻221并联。可以理解，第一固定电阻221可以用于确保两个电极210之间保持电流的输出。第一固定电阻221的设置可以防止当两个电极210之间检测不到电流时，无法判断是由于检测电路30的故障引起还是由于磨损电阻222断路引起。第二固定电阻223与磨损电阻222串联，这是由于磨损电阻222的阻值较小，若只采用多个磨损电阻222并联，当其中的一个磨损电阻222断开时，对电阻栅220整体的阻值影响较小。因此，第二固定电阻223的设置可以保证电阻栅220检测切削刀片10磨损程度的灵敏性。

在其中一个实施例中，距离切削刀片10的切削刃越远的磨损电阻222串联的第二固定电阻223的阻值越大。可以理解，在本实施例中，电阻栅220包括多个磨损电阻222，每个磨损电阻222分别与一个第二固定电阻223串联。通过设定每个第二固定电阻223的阻值，可以在磨损电阻222断开时使电阻栅220的阻值变化较大，方便提高检测电路30检测电流的灵敏度。在其中一个实施例中，距离切削刀片10的切削刃越远的磨损电阻222串联的第二固定电阻223的阻值越大，且第二固定电阻223的阻值可以依次成倍数正常，进一步提高检测切削刃磨损程度的灵敏度。

请一并参见图6，在其中一个实施例中，电阻栅220中的电路连接关系可以采用图6所示的电路图。在本实施例中，除靠近切削刃的第一个磨损电阻R1以外，其余每个磨损电阻R2～R6分别与一个第二固定电阻R8～R12串联，多个磨损电阻R2～R6可以以并联方式连接后再与保护电阻224串联，且磨损电阻R6两端还并联有一个第二固定电阻R7。可以理解，在本实施例中，由于磨损电阻222的阻值较小，故第二固定电阻223与磨损电阻222配合使用。若仅使用磨损电阻222进行并联，则并联后的电阻阻值主要取决于每个磨损电阻222的阻值，对电阻栅220整体的阻值影响较小。当个别磨损电阻222断开时，此时电阻栅220的总阻值近似等于一个第二固定电阻223与保护电阻224的阻值和。此时，电阻栅220的电阻增大，电流减小，进而检测电路30检测到的电流发生改变。

在其中一个实施例中，磨损电阻222为条状，且磨损电阻222平行于切削刀片10的切削刃。可以理解，当磨损电阻222为条状且磨损电阻222的延伸方向平行于切削刀片10的切削刃时，每个磨损电阻222距离切削刃的距离均不相同。在本实施例中，可以根据待监测的切削刀片10的常规磨损量来确定磨损电阻222的数量。

在其中一个实施例中，若待监测的切削刀片10的允许可磨损量较少，则可以仅设置一个磨损电阻222，当磨损电阻222损坏导致磨损电阻222所在支路断开时，电阻栅220的电阻增大，相同电压下的流经电阻栅220的电流减小。检测电路30可以检测到电流变化，确定电阻栅220的电阻发生改变，即切削刀片10的磨损量已超出允许范围。

在其中一个实施例中，若待监测的切削刀片10的允许可磨损量较大，则可以设置多个磨损电阻222，从靠近切削刃的第一个磨损电阻222发生损坏开始，发生损坏的磨损电阻222所在支路依次断开，电阻栅220的电阻逐渐增大，相同电压下的流经电阻栅220的电流逐渐减小。检测电路30可以检测到电流变化，并根据电流变化确定电阻栅220的电阻改变量，并根据电阻改变量可以判断电阻栅220中断开了几个磨损电阻222，即可以判断切削刀片10的磨损量是否已超出允许范围。

在其中一个实施例中，磨损电阻222的长度为切削刀片10的切削刃长度的1/2～4/5倍。可以理解，磨损电阻222的长度可以取决于切削刃的长度。在切削刀片10安装时，磨损电阻222的两端可能由于摩擦或碰撞导致表面的电阻损坏。磨损电阻222的长度为切削刀片10的切削刃长度的1/2～4/5倍，余下的1/2～1/5可以为摩擦或碰撞导致的损坏预留空间，提高了石墨烯传感器20在不同使用环境下的适应能力，扩大了基于石墨烯传感器的切削刀片10的可应用范围。

在其中一个实施例中，磨损电阻222的宽度与相邻的两个磨损电阻222之间的距离相同。在本实施例中，电阻栅220可以包括多个磨损电阻222。可以理解，当磨损电阻222的宽度与相邻的两个磨损电阻222之间的距离相同时，或者，磨损电阻222的宽度、相邻的两个磨损电阻222的距离均为预设值时，可以进一步通过检测电路30对电流的检测，确定切削刀片10的磨损尺寸，即多个磨损电阻222可以作为磨损量的刻度尺，扩大了基于石墨烯传感器20的切削刀片的应用范围。在其中一个实施例中，每个磨损电阻222的宽度可以与相邻的两个磨损电阻222之间的间距相等，均为0.05mm，此宽度/距离可以在工艺可实现的前提下提高电阻栅220的磨损检测精度。在其中一个实施例中，连接电阻栅220和两个电极210的导线50的宽度可以为0.1mm，且两个电极210的长与宽均为1mm，上述尺寸的设置可以保证电流信号的高速传输，并提高基于石墨烯传感器的切削刀片的磨损量监测灵敏度。

在其中一个实施例中，主后刀面110开设有第一凹槽111，电阻栅220设置于第一凹槽111。在其中一个实施例中，安装侧面120开设有第二凹槽121，两个电极210、连接两个电极210与电阻栅220的导线50，均设置于第二凹槽121。可以理解，主后刀面110和安装侧面120表面分别可以加工有第一凹槽111和第二凹槽121，且第一凹槽111和第二凹槽121可以为矩形微型沟槽，分别与电阻栅220、电极210以及导线50的形状相适应。其中，主后刀面110的第一凹槽111内设置有石墨烯传感器20的电阻栅220，且电阻栅220的位置可以靠近切削刃。安装侧面120的第二凹槽121内设置有导线50与两个电极210。在其中一个实施例中，第一凹槽111可以包括多个条状凹槽，即每个条状电阻分别设置于条状凹槽中。可以理解，通过设置第一凹槽111和第二凹槽121，可以为电阻栅220、两个电极210和导线50提供一定程度的机械保护，减小石墨烯传感器20的切削刀片在安装或使用过程中的磨损。

在其中一个实施例中，两个电极210和电阻栅220的材料为多层石墨烯金属复合薄膜材料。可以理解，可以直接在切削刀片10的切削刃所在的主后刀面110及安装侧面120上分别制备石墨烯传感器20。在其中一个实施例中，石墨烯传感器20可以为石墨烯金属复合材料薄膜传感器。

在其中一个实施例中，石墨烯金属复合材料薄膜传感器的制备过程如下：在切削刀片10安装石墨烯金属复合材料薄膜传感器位置处加工微型凹槽。对切削刀片10的主后刀面110制备电阻栅220的位置处进行打磨清洗处理，并使用粗抛、精抛以及金相抛光至镜面，并采用丙酮、去离子水、乙醇进行超声波清洗。通过化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，CVD)设备在处理后的主后刀面110上生长3μm的绝缘薄膜，绝缘薄膜材料可以为Al₂O₃/Si₃N₄/Al₂O₃。通过磁控溅射方法以及标准光刻工艺依次制备电阻栅220、两个电极210以及导线50。其中，电阻栅220、两个电极210以及导线50均可以为多层薄膜结构，薄膜材料可以依次为NiCr、Ni、石墨烯、Ni。

在采用磁控溅射方法制备电阻栅220之前，首先在主后刀面110上喷涂光刻胶，经掩膜版曝光并显影后，溅射电阻栅220的第一层薄膜，即NiCr薄膜。NiCr薄膜的厚度可以为200nm～400nm。随后放入装有丙酮溶液的超声波机器内剥离残余的光刻胶，形成电阻栅220的第一层NiCr图案、两个NiCr电极和NiCr导线。可以理解，后续的两层Ni薄膜与Ni薄膜图案的制备方法与电阻栅220的第一层NiCr图案的制备方法相似。在切削刀片10的主后刀面110依次制备绝缘层、NiCr薄膜层、Ni薄膜层后，采用CVD设备制备石墨烯薄膜，并通过标准光刻工艺将石墨烯薄膜制备为电阻栅220、电极210和导线50的预设图案。最后再次通过CVD设备在主后刀面110生长上层绝缘薄膜，在此过程中，两个NiCr电极暴露在上层绝缘薄膜的外部。

基于同一发明构思，请一并参见图7，本申请还提供一种基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统100。基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统100包括刀具40、石墨烯传感器20和检测电路30。刀具40包括刀杆410和切削刀片10。刀杆410的一端开设有槽体411，切削刀片10设置于槽体411。切削刀片10包括主后刀面110。石墨烯传感器20包括两个电极210以及串联在两个电极210之间的电阻栅220。其中，两个电极210设置于槽体411内壁，电阻栅220设置于主后刀面110，电阻栅220在切削刀片10磨损时电阻发生变化。检测电路30与两个电极210分别电连接，用于检测电阻栅220两端的电流变化，并根据电流变化计算电阻栅220的阻值变化，并根据电阻栅220的阻值变化确定切削刀片10的磨损程度。

刀具40包括刀杆410和切削刀片10，且切削刀片10可以通过沉头螺钉固定于刀杆410的刀头上。可以理解，相对于刀杆410，切削刀片10的体积较小，且其质量的优劣更重要。因此，通过将两个电极210设置于刀杆410一端开设的槽体411内壁上，可以简化对切削刀片10的加工步骤，进一步提高切削刀片10的加工速度。

需指出的是，本实施例中的切削刀片10、石墨烯传感器20和检测电路30可以为上述实施例任一中的切削刀片10、石墨烯传感器20和检测电路30，在此不再赘述。

请一并参见图8，在其中一个实施例中，槽体411设置有两个电极210的内壁开设有第三凹槽112，两个电极210以及连接两个电极210与电阻栅220的导线50均设置于第三凹槽112。可以理解，槽体411设置有两个电极210的内壁开设有第三凹槽112，且第三凹槽112可以为矩形微型沟槽，分别与电极210以及导线50的形状相适应。第三凹槽112内可以设置有导线50与两个电极210。可以理解，通过设置第三凹槽112，可以为两个电极210和导线50提供一定程度的机械保护，减小切削刀片10在安装或使用过程中的磨损。

在其中一个实施例中，槽体411设置有两个电极210的内壁开设有让位槽113，两个电极210与检测电路30连接的外接导线从让位槽113延伸出槽体411。在与切削刀片10相对的槽体411的内壁上设置有让位槽113。采用外接导线分别连接两个电极210后，可以将外接导线经槽体411内壁上开设的让位槽113引出，并与检测电路30电连接。可以理解，让位槽113的设置可以方便检测电路30与两个电极210通过外接导线进行连接。在其中一个实施例中，检测电路30可以设置于刀杆410内部开设的安装槽或者安装腔内，此时检测电路30与两个电极210之间的外接导线需要依照两者之间的位置关系设置，并开设与外接导线对应的走线沟槽或孔等。

在其中一个实施例中，电阻栅220包括第一固定电阻221和至少一个磨损电阻222。第一固定电阻221串联于两个电极210之间。每个磨损电阻222分别与第一固定电阻221并联，用于在切削刀片10磨损时断开磨损电阻222所在支路。需指出的是，本实施例中的第一固定电阻221和至少一个磨损电阻222可以为上述实施例任一中的第一固定电阻221和至少一个磨损电阻222，在此不再赘述。

在其中一个实施例中，电阻栅220还包括第二固定电阻223，第二固定电阻223与磨损电阻222一一对应，且每个第二固定电阻223与对应的磨损电阻222串联后与第一固定电阻221并联。需指出的是，本实施例中的第二固定电阻223可以为上述实施例任一中的第二固定电阻223，在此不再赘述。

在其中一个实施例中，电阻栅220还包括保护电阻224，保护电阻224串联于第一固定电阻221和与第一固定电阻221电连接的电极210之间，用于防止两个电极210输出电流过大。可以理解，保护电阻224的阻值可以依据外加电压和检测电路30进行设置，保护电阻224的设置可以进一步防止在检测不到电流时，无法判断其是由于检测电路30的故障引起还是由于磨损电阻222断路引起。

在其中一个实施例中，磨损电阻222为条状，且磨损电阻222平行于切削刀片10的切削刃。需指出的是，本实施例中的磨损电阻222可以为上述实施例任一中的磨损电阻222，在此不再赘述。

在其中一个实施例中，两个电极210和电阻栅220的材料为多层石墨烯金属复合薄膜材料。需指出的是，本实施例中的两个电极210和电阻栅220可以为上述实施例任一中的两个电极210和电阻栅220，在此不再赘述。

请一并参见图9，在其中一个实施例中，检测电路30包括信号采集电路310和计算电路320。信号采集电路310与两个电极210分别电连接，用于采集两个电极210的输出电流，得到电流信号。计算电路320与信号采集电路310电连接，对信号采集电路310输出的电流信号进行计算，得到电阻栅220的阻值变化，并根据电阻栅220的阻值变化确定切削刀片10的磨损程度。

在其中一个实施例中，检测电路30还包括滤波电路330、放大电路340和数模转换电路350。滤波电路330与信号采集电路310电连接，对信号采集电路310输出的电流信号进行滤波，得到滤波后的电流信号。放大电路340与滤波电路330电连接，对滤波电路330输出的滤波后的电流信号进行放大，得到放大后的电流信号。数模转换电路350分别与放大电路340和计算电路320电连接，对放大电路340输出的放大后的电流信号进行数模转换，得到数字信号，并将数字信号发送至计算电路320。可以理解，滤波电路330、放大电路340和数模转换电路350的设置可以提高对切削刀片10磨损程度的检测精度。

基于石墨烯传感器的切削刀片和基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统100可以在切削过程中对刀具磨损的程度进行实时在线监控测量。在其中一个实施例中，嵌入切削刀片10中的石墨烯金属复合薄膜传感器具有微型化、集成化等优势，且其安装环境相对于传统的刀具磨损检测装置更为广泛。可以理解，由于石墨烯金属薄膜传感器的封装层采用耐高温绝缘复合陶瓷材料，其可以满足一定的酸碱腐蚀及高低温环境下的使用要求。此外，石墨烯金属薄膜传感器作为一种应变传感器，其应变敏感薄膜兼备石墨烯和金属两种材料的优良性能，具有应变系数高、应变极限大和散热好的特点。同时石墨烯金属薄膜传感器的材料本身属性也可以抵抗正常使用时外界振动与冲击对薄膜传感器的损坏。

石墨烯金属薄膜传感器较传统薄膜传感器具有灵敏度高、量程大的优点。制备石墨烯金属复合薄膜传感器可降低金属薄膜的电阻温度漂移系数，这是由于金属薄膜的电阻随着温度的升高而升高，而石墨烯薄膜的电阻随着温度的升高而降低，若将上述两种薄膜材料复合，则可以有效降低石墨烯金属复合薄膜传感器的电阻温度系数(TemperatureCoefficient of Resistance，TCR)，从而降低了测量误差，提高测量精度。本申请提供的基于石墨烯传感器的切削刀片和基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统100可以有效解决现有刀具磨损测量技术的精度和灵敏度低，安装位置及适用范围受限，可以适用于实验室或生产现场等多种场合下的车削加工。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统，其特征在于，包括：

刀具(40)，包括刀杆(410)和切削刀片(10)，所述刀杆(410)的一端开设有槽体(411)，所述切削刀片(10)设置于所述槽体(411)，其中所述切削刀片(10)包括主后刀面(110)；

石墨烯传感器(20)，包括两个电极(210)以及串联在所述两个电极(210)之间的电阻栅(220)，其中，所述两个电极(210)设置于所述槽体(411)内壁，所述电阻栅(220)设置于所述主后刀面(110)，所述电阻栅(220)所在平面与所述主后刀面(110)平行，所述电阻栅(220)在所述切削刀片(10)磨损时电阻发生变化；

其中，所述电阻栅(220)包括第一固定电阻(221)和至少一个磨损电阻(222)，所述第一固定电阻(221)串联于所述两个电极(210)之间，至少一个磨损电阻(222)分别与所述第一固定电阻(221)并联，用于在所述切削刀片(10)磨损时断开所述磨损电阻(222)所在支路；以及

检测电路(30)，与所述两个电极(210)分别电连接，用于检测所述电阻栅(220)两端的电流变化，并根据所述电流变化计算所述电阻栅(220)的阻值变化，并根据所述电阻栅(220)的阻值变化确定所述切削刀片(10)的磨损程度。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统，其特征在于，所述槽体(411)设置有所述两个电极(210)的内壁开设有第三凹槽(112)，所述两个电极(210)以及连接所述两个电极(210)与所述电阻栅(220)的导线(50)均设置于所述第三凹槽(112)。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统，其特征在于，所述槽体(411)设置有所述两个电极(210)的内壁开设有让位槽(113)，所述两个电极(210)与所述检测电路(30)连接的外接导线从所述让位槽(113)延伸出所述槽体(411)。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统，其特征在于，所述电阻栅(220)还包括第二固定电阻(223)，所述第二固定电阻(223)与所述磨损电阻(222)一一对应，且每个所述第二固定电阻(223)与对应的所述磨损电阻(222)串联后与所述第一固定电阻(221)并联。

5.根据权利要求4所述的基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统，其特征在于，距离所述切削刀片(10)的切削刃越远的所述磨损电阻(222)串联的所述第二固定电阻(223)的阻值越大。

6.根据权利要求1所述的基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统，其特征在于，所述电阻栅(220)还包括保护电阻(224)，所述保护电阻(224)串联于所述第一固定电阻(221)和与所述第一固定电阻(221)电连接的所述电极(210)之间，用于防止所述两个电极(210)输出电流过大。

7.根据权利要求1所述的基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统，其特征在于，所述磨损电阻(222)为条状，且所述磨损电阻(222)平行于所述切削刀片(10)的切削刃。

8.根据权利要求1所述的基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统，其特征在于，所述两个电极(210)和所述电阻栅(220)的材料为多层石墨烯金属复合薄膜材料。

9.根据权利要求1所述的基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统，其特征在于，所述检测电路(30)包括：

信号采集电路(310)，与所述两个电极(210)分别电连接，用于采集所述两个电极(210)的输出电流，得到电流信号；以及

计算电路(320)，与所述信号采集电路(310)电连接，对所述信号采集电路(310)输出的所述电流信号进行计算，得到所述电阻栅(220)的阻值变化，并根据所述电阻栅(220)的阻值变化确定所述切削刀片(10)的磨损程度。

10.根据权利要求9所述的基于石墨烯传感器的刀具磨损监测系统，其特征在于，所述检测电路(30)还包括：

滤波电路(330)，与所述信号采集电路(310)电连接，对所述信号采集电路(310)输出的所述电流信号进行滤波，得到滤波后的所述电流信号；

放大电路(340)，与所述滤波电路(330)电连接，对所述滤波电路(330)输出的滤波后的所述电流信号进行放大，得到放大后的所述电流信号；以及

数模转换电路(350)，分别与所述放大电路(340)和所述计算电路(320)电连接，对所述放大电路(340)输出的放大后的所述电流信号进行数模转换，得到数字信号，并将所述数字信号发送至所述计算电路(320)。

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