CN113231890A - 一种具有数字孪生系统的数控机床电主轴刀柄夹具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有数字孪生系统的数控机床电主轴刀柄夹具，包括夹具本体、活动型压电陶瓷块、固定型压电陶瓷块、检测电路、旋转编码器、数据处理模块和数字孪生系统；所述夹具本体内设有锥形的内孔，所述夹具本体的前端面的凹孔中设置活动型压电陶瓷块，所述活动型压电陶瓷块设于夹具本体内部的一端通过弹簧与夹具本体活动连接，所述活动型压电陶瓷块的伸出端设置有导电碰触端子；其特征在于，所述夹具本体的锥形内孔中垂直设置有盲孔，盲孔中设置固定型压电陶瓷块，固定型压电陶瓷块设于夹具本体内部的一端与夹具本体固定连接，本发明的有益效果：改变了夹屑检测距离变化的位置，提高了检测精度；可以实时显示夹屑的具体位置。

Description

一种具有数字孪生系统的数控机床电主轴刀柄夹具
技术领域
本发明属于机床部件技术领域，具体涉及一种具有数字孪生系统的数控机床电主轴刀柄夹具。
背景技术
数控机床是装备制造业的工作母机，其技术水平的高低代表了一个国家制造业的发展水平。加工中心是数控机床的第一要员。加工中心由于工序的集中和自动换刀，减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的80％左右(普通机床仅为15～20％)；同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，缩短了生产周期，具有明显的经济效果。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产。对加工航空、航天、船舶、汽车和模具等产品的制造业，都需要高档加工中心作为其重要的生产工具。高效、精密、可靠、智能是加工中心的主要发展趋势，然而，加工中心由于主轴夹屑造成的刀具不对中现象一直是世界各国机床制造业面临的难题之一。随着对高精度零件要求的不断提高，加工精度己经由毫米级、微米级向亚微米级甚至纳米级发展，在高精度加工过程中，主轴夹屑造成的刀具不对中会严重影响工件的加工质量。主轴夹屑的位置主要是两处：一是在刀柄上表面和锥塞下表面之间的缝隙中，二是在锥塞和刀柄接触的锥面上。在实际应用中发现：以上两处夹屑位置产生夹屑故障都发生在加工中心换刀过程中。因此，可以在刀柄预装进刀柄夹具过程中，检测和预警主轴夹屑故障，避免主轴夹屑对零件加工质量产生影响。
申请号为CN201911289503.4、公告号为CN110695765B、名称为一种数控机床用压电驱动式电主轴夹屑检测装置的发明专利，公开了一种刀柄夹具夹屑的检测装置，可以在换刀过程中对夹具与刀柄之间是否夹屑进行检测，避免夹屑对零件加工质量的影响。
但是在使用过程中发现，该检测方法的检测精度不高，很多极小的铁屑并不能很好的进行检测预警。分析原因发现，是因为有些铁屑本身就很小，而上述专利申请的技术方案是对铁屑存在时产生的距离误差进行检测。如图1所示，而分析其技术方案可以看出，夹屑的位置是在刀具21和夹具22之间的位置，而其压电陶瓷块25检测的是刀具21的端面的距离变化。即，检测的距离变化并非是夹屑直接造成的距离变化，而是由夹屑造成的刀具21的角度的变化而引起的端面的距离变化。这样就引起两方面的问题，一个是，铁屑本身体积很小，其引起的刀具21的角度变化微乎其微，检测装置很难检测出；另一个是，假如在圆周对称方向上均有铁屑的情况下，刀柄本身可能并不产生角度变化，所以检测装置并不能检测出来。
另外，在检测到夹屑之后，下一步就是清理掉铁屑。但是，目前的检测装置无法显示夹屑的具体位置，这就使得清理的过程中比较盲目而没有具体的位置目标，清理工作效率低。
发明内容
针对现有技术中检测装置检测精度低、不能显示夹屑位置的问题，提供了一种具有数字孪生系统的数控机床电主轴刀柄夹具。
一种具有数字孪生系统的数控机床电主轴刀柄夹具，包括夹具本体、活动型压电陶瓷块、固定型压电陶瓷块、检测电路、旋转编码器、数据处理模块和数字孪生系统；
所述夹具本体内设有锥形的内孔，所述夹具本体的前端面的盲孔中设置活动型压电陶瓷块，所述活动型压电陶瓷块设于夹具本体内部的一端通过弹簧与夹具本体活动连接，所述活动型压电陶瓷块的伸出端设置有导电碰触端子；
所述夹具本体的锥形内孔中垂直设置有盲孔，盲孔中设置固定型压电陶瓷块，固定型压电陶瓷块设于夹具本体内部的一端与夹具本体固定连接，固定型压电陶瓷块的伸出端设置有导电碰触端子；
所述固定型压电陶瓷块与活动型压电陶瓷块端部的导电触碰端子上施加有不同的电性，所述检测电路用于当固定型压电陶瓷块的导电触碰端子被短接时检测该固定型压电陶瓷块上所施加的电压，所述检测电路将测量的结果传输给数据处理模块；
所述旋转编码器设置于夹具本体上；
所述数字孪生系统包括三维引擎，所述三维引擎中导入夹具本体的三维模型，所述夹具本体的三维模型根据实体夹具本体构建，所述数字孪生系统与旋转编码器、数据处理模块保持数据通信，以获取实体夹具本体实时旋转动作数据信息。
其中，所述活动型压电陶瓷块端部的导电触碰端子接负电，所述固定型压电陶瓷块端部的导电触碰端子接正电。
其中，所述固定型压电陶瓷块的数量为6-10个。
其中，所述三维引擎中导入夹具本体的三维模型由几个大小相同的单元块组装而成，单元块的数量与压电陶瓷块的数量相同。
本发明的有益效果：
1.改变了夹屑检测距离变化的位置，提高了检测精度；
2.可以实时显示夹屑的具体位置。
附图说明
图1为现有技术方案图；
图2为本发明实施例的结构示意图；
图3为本发明实施例夹具本体的数字孪生体的示意图。
附图标记说明：
1、刀柄，2、夹具本体，4、活动型压电陶瓷块，5、固定型压电陶瓷块，6、弹簧，7、旋转编码器，9、数据处理模块，10、报警模块，11、端面，12、锥形端面，21、刀具，22、夹具，25、压电陶瓷块。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
参见图1-图3，本实施例提供一种具有数字孪生系统的数控机床电主轴刀柄夹具，使得夹屑检测更加精准，可以实时显示夹屑位置，方便清理夹屑。
如图2所示，夹具本体2内有锥形的内孔，内孔用于安装夹持刀柄1。
夹具本体2的前端面的盲孔中设置活动型压电陶瓷块4，活动型压电陶瓷块4设于夹具本体内部的一端通过弹簧6与夹具本体2活动连接，活动型压电陶瓷块4的伸出端设置有导电碰触端子。导电碰触端子接负电，装入刀柄1之后，在弹簧6的作用下，导电碰触端子触接刀柄的端面11，使刀柄1接负电。
夹具本体2的锥形内孔中垂直设置有盲孔，盲孔垂直于锥形内孔的内表面。盲孔中设置固定型压电陶瓷块5，固定型压电陶瓷块5设于夹具本体2内部的一端与夹具本体固定连接，固定型压电陶瓷块5的伸出端设置有导电碰触端子，导电触碰端子接正电。当固定型压电陶瓷块5在加上电压的条件下往前伸出，使带正电的导电触碰端子触接到刀柄1而短接。此时，检测电路被触发，并检测该固定型压电陶瓷块5上所施加的电压，检测电路将测量的结果传输给数据处理模块9。数据处理模块9将电压值与没有夹屑时的正常电压值进行比对，当电压大于正常的值的时候，就意味着夹屑了。检测电路分别对各个固定型压电陶瓷块5的电压值进行检测，通过电压异常的固定型压电陶瓷块5的位置，确定夹屑的具体位置。
旋转编码器7设置于夹具本体2上，用于实时记录夹具本体2的旋转位姿。
数字孪生系统包括三维引擎，三维引擎中导入夹具本体2的三维模型，夹具本体2的三维模型根据实体夹具本体2构建，数字孪生系统与旋转编码器7、数据处理模块9保持数据通信，以获取实体夹具本体2实时旋转动作数据信息。
固定型压电陶瓷块5的数量可以设置6-10个，如图3所示，设置了8个。同时，也将夹具本体2沿图中虚线位置分解成8个单元块，导入三维引擎中的三维模型由8个单元块组装而成，8个单元块中分别包含一个固定型压电陶瓷块5。
检测流程：电主轴内的拉刀机构将刀柄1拉进刀柄1的夹具本体2内，使刀柄1的外锥面与夹具本体2内锥面紧紧贴合，刀柄1的外锥端面与夹具本体2的锥型凹槽端面接触。完成上刀动作后，活动型压电陶瓷块4加电压伸长，直至带负电的导电触碰端子接触刀柄1端面，使其刀柄1整体带负电，在弹簧6的作用下，导电触碰端子与刀柄1端面始终保持接触，然后给其余固定型压电陶瓷块5施加电压使其伸长，当固定型压电陶瓷块5端部带正电的导电触碰端子3接触到刀柄1端面时，检测电路触发，检测电路记录此时施加在各个固定型压电陶瓷块5上的电压信号，并通过信号发射模块将电压信号发送至数据处理模块9，处理模块9根据电压值的大小分析各个位置与刀柄1端面的距离。若刀柄1与夹具本体2接触面位置没有铁屑杂质，则各个固定型压电陶瓷块5均匀伸长，并且各个数值均在报警阈值之下，不会触发报警；若接触面位置有铁屑杂质，则各个固定型压电陶瓷块5不均匀伸长，一个或多个固定型压电陶瓷块5伸长的数值会超过报警阈值，报警模块10报警。
通过改变了检测距离的位置，使检测的更加直接。可以直接检测由于铁屑引起的刀柄1的锥形端面12与夹具本体2的锥形孔内端面的距离，提高了检测精度。
固定型压电陶瓷块5与三维引擎中的三维模型由8个单元块位置一一对应。根据超出超过报警阈值的固定型压电陶瓷块5位置，来确定夹屑的位置。数字孪生系统通过旋转编码器7获取实体夹具本体2的位姿，并实时的对三维模型进行同步调整。根据电压值异常的固定型压电陶瓷块5的位置，确定夹屑在夹具本体2上的位置，使该固定型压电陶瓷块5所在的8个单元块突出显示，以标识夹屑位置，供清理人员清楚的知道夹屑位置，方便其进行清理。
突出显示，可以是高亮显示，变色显示等方法。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顺时针”和“逆时针”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，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。
以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实 施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变， 这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种具有数字孪生系统的数控机床电主轴刀柄夹具，包括夹具本体(2)、活动型压电陶瓷块(4)、固定型压电陶瓷块(5)、检测电路、旋转编码器(7)、数据处理模块(9)和数字孪生系统；
所述夹具本体(2)内设有锥形的内孔，所述夹具本体(2)的前端面的盲孔中设置活动型压电陶瓷块(4)，所述活动型压电陶瓷块(4)设于夹具本体内部的一端通过弹簧(6)与夹具本体(2)活动连接，所述活动型压电陶瓷块(4)的伸出端设置有导电碰触端子；
其特征在于，所述夹具本体(2)的锥形内孔中垂直设置有盲孔，盲孔中设置固定型压电陶瓷块(5)，固定型压电陶瓷块(5)设于夹具本体(2)内部的一端与夹具本体固定连接，固定型压电陶瓷块(5)的伸出端设置有导电碰触端子；
所述固定型压电陶瓷块(5)与活动型压电陶瓷块(4)端部的导电触碰端子上施加有不同的电性，所述检测电路用于当固定型压电陶瓷块(5)的导电触碰端子被短接时检测该固定型压电陶瓷块(5)上所施加的电压，所述检测电路将测量的结果传输给数据处理模块(9)；
所述旋转编码器(7)设置于夹具本体(2)上；
所述数字孪生系统包括三维引擎，所述三维引擎中导入夹具本体(2)的三维模型，所述夹具本体(2)的三维模型根据实体夹具本体(2)构建，所述数字孪生系统与旋转编码器(7)、数据处理模块(9)保持数据通信，以获取实体夹具本体(2)实时旋转动作数据信息。
2.如权利要求1所述的具有数字孪生系统的数控机床电主轴刀柄夹具，其特征在于，所述活动型压电陶瓷块(4)端部的导电触碰端子接负电，所述固定型压电陶瓷块(5)端部的导电触碰端子接正电。
3.如权利要求1所述的具有数字孪生系统的数控机床电主轴刀柄夹具，其特征在于，所述固定型压电陶瓷块(5)的数量为6-10个。
4.如权利要求1所述的具有数字孪生系统的数控机床电主轴刀柄夹具，其特征在于，所述三维引擎中导入夹具本体(2)的三维模型由几个大小相同的单元块组装而成，单元块的数量与压电陶瓷块(5)的数量相同。
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