CN113352148A - 集成式断刀检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成式断刀检测装置及检测方法，集成式断刀检测装置包括数控刀柄壳体、超声检测机构、弹性压缩件、动平衡保持机构和限位支撑机构，通过超声检测机构实现对刀具长度信号的发出和监测。超声检测机构通过与弹性压缩件、动平衡保持机构、限位支撑机构配合，和刀具可一体集成安装于数控刀柄壳体内，数控刀柄壳体外部结构仍然采用标准设计，超声检测机构的安装不额外占用空间，不受使用环境和安装空间影响，结构设计成本低廉，安装使用方便。

Description

集成式断刀检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于数控加工技术领域，具体涉及一种集成式断刀检测装置及检测方法。

背景技术

机械部件在进行精密加工过程中，经常出现刀具断裂现象，若不能及时发现容易造成加工产品报废和后续加工工艺中相关刀具的断裂，造成重大损失。

为了解决上述问题，目前市场上有采用接触式传感器或非接触式光电开关分别对每支刀具进行检测的方法。这种方式不仅成本较高,而且因为使用环境十分恶劣(大量切削液和铁屑)，使得传感器或光电开关信号不稳定,造成无检测或漏检测,从而造成后序铰刀、丝锥连环折断,依旧无法避免给企业造成重大经济损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种设计成本低、不受使用环境限制、集成安装于数控刀柄内、检测稳定性好的集成式断刀检测装置。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

集成式断刀检测装置，包括：

数控刀柄壳体，所述数控刀柄壳体具有贯通的内腔，所述数控刀柄壳体的上端具有安装在主轴上的安装部，所述数控刀柄壳体的下端具有夹持刀具的夹持部；所述安装部与所述夹持部之间设置有检测部；

超声检测机构，安装于所述检测部处，用于实现对刀具长度信号的发出和监测；

弹性压缩件，安装于所述超声检测机构上端与所述数控刀柄壳体之间，未安装刀具状态下，所述弹性压缩件处于一定的压缩状态；

动平衡保持机构，安装于所述超声检测机构外周与所述数控刀柄壳体之间，以减少刀具高速旋转时所述超声检测机构的振动以及保持刀具整体的动平衡；

限位支撑机构，设置于所述超声检测机构下端与所述数控刀柄壳体之间，未安装刀具状态下，所述限位支撑机构对内腔内的整体结构支撑固定。

作为优选的技术方案，所述超声检测机构包括封装壳体，所述封装壳体底端设置有两个半圆形晶振片，两个所述晶振片连接有信号传输模块。

作为优选的技术方案，所述信号传输模块为无信通信模块。

作为优选的技术方案，所述弹性压缩件为压缩弹簧。

作为优选的技术方案，所述动平衡保持机构包括套装于两个所述晶振片外周的动平衡环，所述动平衡环与所述晶振片过盈配合。

作为优选的技术方案，所述动平衡环的内周面上设置有配重块安装槽，所述配重块安装槽内设置有配重块。

作为优选的技术方案，所述限位支撑机构包括所述数控刀柄壳体内壁上开设的卡槽，所述卡槽内配合设置有卡扣。

作为优选的技术方案，所述卡扣具有一体成型的内圈和外圈，所述内圈和外圈之间形成U型槽，所述外圈上突出形成与所述卡槽配合的卡环。

作为优选的技术方案，所述数控刀柄壳体位于所述检测部处的内腔呈锥型。

本发明还提供了采用上述集成式断刀检测装置的检测方法，包括如下步骤：

S1、刀具安装：将刀具安装于数控刀柄壳体的夹持部，确保刀具顶端和超声检测机构底部的两个晶振片直接并且完全接触，并耦合良好；

S2、在确认耦合良好的状态下，超声检测机构开始工作，其中一个晶振片发出超声波，超声波在长度方向的界面上产生驻波，驻波沿刀具传导至另一个晶振片，此晶振片接收驻波信号，超声检测机构通过发射波与接收波的对比，判断刀杆长度，判断是否存在断刀的情况；

S3、正常运行状态下，两个晶振片发出和接收的信号不会发生变化，刀具正常旋转；

S4、当出现断刀状况时，两个晶振片发出和接收的信号会发生变化，此时，超声检测机构通过无线信号传递给整个加工中心，实现加工过程的中断。

由于采用了上述技术方案，本发明具有至少以下有益效果：

（1）工作时，超声检测机构中一个晶振片发出超声波，超声波在长度方向的界面上产生驻波，驻波沿刀具传导至另一个晶振片，此晶振片接收驻波信号，超声检测机构通过发射波与接收波的对比，判断刀杆长度，判断是否存在断刀的情况；这样，通过超声检测机构实现对刀具长度信号的发出和监测，正常运行状态下，超声片发出和接收的信号不会发生变化，刀具正常旋转；当出现断刀状况时，刀具长度信号会发生变化，超声检测机构将信号传递给整个加工中心，实现加工过程的中断，不受使用环境影响，检测稳定性好。

（2）超声检测机构通过与弹性压缩件、动平衡保持机构、限位支撑机构配合，和刀具可一体集成安装于数控刀柄壳体内，数控刀柄壳体外部结构仍然采用标准设计，超声检测机构的安装不额外占用空间，不受使用环境和安装空间影响，结构设计成本低廉，安装使用方便。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明实施例的外观结构示意图；

图2是本发明实施例的剖面结构示意图；

图3是本发明实施例中超声检测机构的结构示意图；

图4是本发明实施例中动平衡环的结构示意图；

图5是本发明实施例中卡扣的俯视结构示意图；

图6是图5中A-A向的剖面结构示意图；

图7是本发明实施例安装刀具后的外观结构示意图；

图8是本发明实施例安装刀具后的剖面结构示意图。

图中：10-数控刀柄壳体；11-安装部；111-内螺纹；112-轴承；12-检测部；13-夹持部；131-外螺纹；20-超声检测机构；21-封装壳体；22-晶振片；23-电路板；30-弹性压缩件；40-动平衡保持机构；41-动平衡环；42-配重块安装槽；43-配重块；50-限位支撑机构；51-卡槽；52-卡扣；521-内圈；522-外圈；523-U型槽；524-卡环；60-螺母；70-刀具；80-夹头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1至图6所示，集成式断刀检测装置，包括数控刀柄壳体10、超声检测机构20、弹性压缩件30、动平衡保持机构40和限位支撑机构50，其中：

参考图2，所述数控刀柄壳体10具有贯通的内腔，所述数控刀柄壳体10的上端具有安装部11，安装部11处的内腔具有内螺纹111，且设置轴承112，通过安装部11可以将数控刀柄壳体10与数控机床的主轴连接，所述数控刀柄壳体10的下端具有夹持部13，所述夹持部13处的壳体具有安装螺母60的外螺纹131，所述夹持部13用于夹持刀具70（如铣刀、钻头等）；以上为公知常用技术，在此不再进行赘述；所述安装部11与所述夹持部13之间设置有检测部12；

参考图2和图3，所述超声检测机构20用于实现对刀具70长度信号的发出和监测；所述超声检测机构20整体安装于所述检测部12处的内腔中，此处内腔优选采用锥型腔，可以对超声检测机构20起到锥面定位的作用；本实施例中，所述超声检测机构20包括呈柱形的封装壳体21，所述封装壳体21底端设置有两个半圆形晶振片22，半圆形晶振片22用于产生超声波（即超声片），两个所述晶振片22分别连接至电路板23，电路板23封装于所述封装壳体21内。工作时，一个晶振片发出超声波，超声波在长度方向的界面上产生驻波，驻波沿刀具传导至另一个晶振片，此晶振片接收驻波信号，超声检测机构通过发射波与接收波的对比，判断刀杆长度，判断是否存在断刀的情况；所述电路板23设置有信号传输模块，信号传输模块与加工中心的信号接收器无线连接。其中，所述信号传输模块包括但不限于蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等无信通信模块，其均应属于本发明的保护范围。这样，通过超声检测机构实现对刀具长度信号的发出和监测，正常运行状态下，超声片发出和接收的信号不会发生变化，刀具正常旋转；当出现断刀状况时，刀具长度信号会发生变化，超声检测机构将信号传递给整个加工中心，实现加工过程的中断，不受使用环境影响，检测稳定性好 。

再参考图2，所述弹性压缩件30安装于所述超声检测机构20上端与所述数控刀柄壳体10的安装部11之间，弹性压缩件30底端与超声检测机构20顶端固定，安装刀具后，超声检测机构20在刀具的推力作用下和加工刀具柄顶端表面接触。弹性压缩件30的原始长度略长于超声检测机构20顶端到数控刀柄内螺纹111下端的距离，确保未安装刀具前，弹性压缩件30处于一定的压缩状态或通过调整销进行预紧力的调整；其中，所述弹性压缩件30优选采用具有一定弹性模量的压缩弹簧。

参考图2和图4，所述动平衡保持机构40安装于所述超声检测机构20外周与所述数控刀柄壳体10之间，以减少刀具高速旋转时所述超声检测机构20的振动以及保持刀具整体的动平衡；所述动平衡保持机构40包括套装于两个所述晶振片22外周的动平衡环41，所述动平衡环41的内周面与所述晶振片22过盈配合。所述动平衡环41的内周面上设置有配重块安装槽42，所述配重块安装槽42内设置有配重块43。出厂前对动平衡进行校验，并通过配重块43调整平衡，确保刀柄在高速转动的情况下，减少内部超声检测机构的振动，维持内部和整体一定的平衡，保证超声检测准确性、稳定性。

参考图2，所述限位支撑机构50设置于所述超声检测机构20下端与所述数控刀柄壳体10之间，未安装刀具状态下，所述限位支撑机构50对内腔内的整体结构起到支撑固定作用。本实施例中，所述限位支撑机构50包括所述数控刀柄壳体10内壁上开设的两个卡槽51，所述卡槽51内配合设置有卡扣52。参考图5和图6，所述卡扣52的断截面呈U型结构，卡扣52具有一体成型的内圈521和外圈522，所述内圈521和外圈522之间形成U型槽523，卡扣上形成U型槽523便于安装刀具时形成压缩位移，并提供一定预紧力；所述外圈522上突出形成两个与上下所述卡槽51配合的卡环524，避免卡扣52产生轴向位移。

参考图7和图8，本发明的使用方法及工作原理如下：

S1、使用前，数控刀柄首先安装刀具70（如铣刀、钻头等），螺母60上紧的过程推动夹头80向上移动，夹头80带动刀具70向上移动并夹紧，在夹头80与刀具70的夹紧力达到一定程度后，继续推动夹头80上移的过程，卡扣52向数控刀柄内腔周侧及U型槽内区域移动，锥型腔顶部的弹簧会相应地进行压缩，给予晶振片与刀具顶端面一定作用力，确保刀具顶端和超声检测机构底部的晶振片直接并且完全接触，并耦合良好；

S2、在确认耦合良好的状态下，超声检测机构开始工作，其中一个晶振片发出超声波，超声波在长度方向的界面上产生驻波，驻波沿刀具传导至另一个晶振片，此晶振片接收驻波信号，超声检测机构通过发射波与接收波的对比，判断刀杆长度，判断是否存在断刀的情况；

S3、正常运行状态下，两个晶振片发出和接收的信号不会发生变化，刀具正常旋转；

S4、当出现断刀状况时，两个晶振片发出和接收的信号会发生变化，此时，超声检测机构通过无线信号传递给整个加工中心，实现加工过程的中断。

综上所述，本发明通过超声检测机构实现对刀具长度信号的发出和监测，正常运行状态下，超声片发出和接收的信号不会发生变化，刀具正常旋转；当出现断刀状况时，刀具长度信号会发生变化，超声检测机构将信号传递给整个加工中心，实现加工过程的中断，不受使用环境影响，检测稳定性好。

另外，超声检测机构通过弹性压缩件、动平衡保持机构、限位支撑机构的配合，和刀具可一体集成安装于数控刀柄壳体内，数控刀柄壳体外部结构仍然采用标准设计，超声检测机构的安装不额外占用空间，不受使用环境和安装空间影响，结构设计成本低廉，安装使用方便，适于广泛推广应用。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.集成式断刀检测装置，其特征在于，包括：

数控刀柄壳体，所述数控刀柄壳体具有贯通的内腔，所述数控刀柄壳体的上端具有安装在主轴上的安装部，所述数控刀柄壳体的下端具有夹持刀具的夹持部；所述安装部与所述夹持部之间设置有检测部；

超声检测机构，安装于所述检测部处，用于实现对刀具长度信号的发出和监测；

弹性压缩件，安装于所述超声检测机构上端与所述数控刀柄壳体之间，未安装刀具状态下，所述弹性压缩件处于一定的压缩状态；

动平衡保持机构，安装于所述超声检测机构外周与所述数控刀柄壳体之间，以减少刀具高速旋转时所述超声检测机构的振动以及保持刀具整体的动平衡；

限位支撑机构，设置于所述超声检测机构下端与所述数控刀柄壳体之间，未安装刀具状态下，所述限位支撑机构对内腔内的整体结构支撑固定。

2.如权利要求1所述的集成式断刀检测装置，其特征在于：所述超声检测机构包括封装壳体，所述封装壳体底端设置有两个半圆形晶振片，两个所述晶振片连接有信号传输模块。

3.如权利要求2所述的集成式断刀检测装置，其特征在于：所述信号传输模块为无线通信模块。

4.如权利要求2所述的集成式断刀检测装置，其特征在于：所述弹性压缩件为压缩弹簧。

5.如权利要求2所述的集成式断刀检测装置，其特征在于：所述动平衡保持机构包括套装于两个所述晶振片外周的动平衡环，所述动平衡环与所述晶振片过盈配合。

6.如权利要求5所述的集成式断刀检测装置，其特征在于：所述动平衡环的内周面上设置有配重块安装槽，所述配重块安装槽内设置有配重块。

7.如权利要求1所述的集成式断刀检测装置，其特征在于：所述限位支撑机构包括所述数控刀柄壳体内壁上开设的卡槽，所述卡槽内配合设置有卡扣。

8.如权利要求7所述的集成式断刀检测装置，其特征在于：所述卡扣具有一体成型的内圈和外圈，所述内圈和外圈之间形成U型槽，所述外圈上突出形成与所述卡槽配合的卡环。

9.如权利要求1至8任一项所述的集成式断刀检测装置，其特征在于：所述数控刀柄壳体位于所述检测部处的内腔呈锥型。

10.采用如权利要求2所述的集成式断刀检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、刀具安装：将刀具安装于数控刀柄壳体的夹持部，确保刀具顶端和超声检测机构底部的两个晶振片直接并且完全接触，并耦合良好；

S2、在确认耦合良好的状态下，超声检测机构开始工作，其中一个晶振片发出超声波，超声波在长度方向的界面上产生驻波，驻波沿刀具传导至另一个晶振片，此晶振片接收驻波信号，超声检测机构通过发射波与接收波的对比，判断刀杆长度，判断是否存在断刀的情况；

S3、正常运行状态下，两个晶振片发出和接收的信号不会发生变化，刀具正常旋转；

S4、当出现断刀状况时，两个晶振片发出和接收的信号会发生变化，此时，超声检测机构通过无线信号传递给整个加工中心，实现加工过程的中断。

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