CN114378641A

CN114378641A - 一种四分量切削力在线监测智能刀柄

Info

Publication number: CN114378641A
Application number: CN202210300690.7A
Authority: CN
Inventors: 马贵林; 李世超; 伍广; 高宏力; 郭亮; 吴向东; 邓斌; 由智超; 潘江; 段志琴; 杨磊; 王钦超; 骆书芳
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2022-03-25
Filing date: 2022-03-25
Publication date: 2022-04-22

Abstract

本发明公开了一种四分量切削力在线监测智能刀柄，包括刀柄本体、外壳、固定环、固定螺钉、测力器、支撑片、电阻式应变片、安装槽、第一螺孔、线槽、第二螺孔、通孔、电源模块、应变采集模块、数字信号采集单元和应变力解耦单元，所述固定环的一侧外壁上均匀分布设置有安装槽，安装槽的一侧内壁上开设有第一螺孔，安装槽的一侧开设有线槽，本发明相较于现有的压电式测力仪，通过在刀柄上进行改进来测量切削力，不影响刀柄的正常使用，不会限制待加工工件的尺寸，适用性更广泛；本发明通过电阻式应变片来监测粘贴位置的应变实现切削力的测量，有效提高了监测效果，有着更好的经济价值，且能够提高工作效率。

Description

一种四分量切削力在线监测智能刀柄

技术领域

本发明涉及切削力测量装置技术领域，具体为一种四分量切削力在线监测智能刀柄。

背景技术

近些年全球制造业竞争日趋激烈，进一步提高生产效率和产品质量、降低生产成本愈发重要，同时，随着加工系统复杂程度和自动化程度不断提高，切削过程在线监测技术越来越受到人们的关注，而切削力是机械加工中的重要参数，能够直接反映出刀具状态，对提高加工质量、提升加工效率具有重要意义，此外切削力一直是金属切削机理与加工工艺研究中的重要对象，获取实时切削力后对建立刀具切削模型，对优化刀具参数以及加工参数具有决定性作用，目前，主流的切削力监测主要采用压电效应完成对切削力的监测，市场上已经形成了一套相对成熟的解决方案，但是由于压电薄膜存在电荷泄露、成本昂贵、后期维护成本高昂等固有缺陷，导致压电式测力仪无法在工程实际中得到有效应用，大部分的切削力测力仪为盒式结构，需要安装在机床工作台上才能够正常工作，这不可避免的对待加工工件的尺寸等进行了限制，进一步限制了切削力测力仪在实际工程中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种四分量切削力在线监测智能刀柄，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种四分量切削力在线监测智能刀柄，包括刀柄本体、外壳、固定环、固定螺钉、测力器、支撑片、电阻式应变片、安装槽、第一螺孔、线槽、第二螺孔、通孔、电源模块、应变采集模块、信号采集模块、WIFI信号传输模块和PC端处理模块，所述刀柄本体的内部分布设置有测力器，测力器的两侧对称设置有支撑片，测力器的两侧外壁上分布固定有电阻式应变片，刀柄本体的一侧外壁上安装有固定环，且固定环套接于测力器一侧外壁上，固定环的一侧外壁上套接有外壳，外壳的底端分布设置有固定螺钉，且固定螺钉的一端固定连接于固定环的内部。

优选的，所述固定环的一侧外壁上均匀分布设置有安装槽，安装槽的一侧内壁上开设有第一螺孔，安装槽的一侧开设有线槽。

优选的，所述外壳的底端外壁上分布开设有第二螺孔，且固定螺钉安装于第二螺孔的一侧内壁上，外壳的两侧对称开设有通孔，且刀柄本体的套接于通孔的一侧内壁上。

优选的，所述固定环的内部安装有电源模块，电源模块的一侧连接有应变采集模块，应变采集模块的一侧连接有信号采集模块，信号采集模块的一侧连接有WIFI信号传输模块，WIFI信号传输模块的一侧连接有PC端处理模块。

优选的，所述信号采集模块包括数模转换单元和数字信号采集单元。

优选的，所述PC端处理模块包括WIFI信号接收单元、信号监测单元和应变力解耦单元。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明相较于现有的压电式测力仪，通过在刀柄上进行改进来测量切削力，不影响刀柄的正常使用，不会限制待加工工件的尺寸，适用性更广泛；本发明通过电阻式应变片来监测粘贴位置的应变实现切削力的测量，有效提高了监测效果，有着更好的经济价值，且能够提高工作效率。

附图说明

图1为本发明的整体主视正视图；

图2为本发明的刀柄本体主视结构示意图；

图3为本发明的固定环立体结构示意图；

图4为本发明的外壳主视剖切结构示意图；

图5为本发明的测力器立体结构示意图；

图6为本发明的系统模块框架图；

图7为本发明的系统流程图；

图中：1、刀柄本体；2、外壳；3、固定环；4、固定螺钉；5、测力器；6、支撑片；7、电阻式应变片；8、安装槽；9、第一螺孔；10、线槽；11、第二螺孔；12、通孔；13、电源模块；14、应变采集模块；15、信号采集模块；151、数模转换单元；152、数字信号采集单元；16、WIFI信号传输模块；17、PC端处理模块；171、WIFI信号接收单元；172、信号监测单元；173、应变力解耦单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图7，本发明提供的一种实施例：一种四分量切削力在线监测智能刀柄，包括刀柄本体1、外壳2、固定环3、固定螺钉4、测力器5、支撑片6、电阻式应变片7、安装槽8、第一螺孔9、线槽10、第二螺孔11、通孔12、电源模块13、应变采集模块14、信号采集模块15、WIFI信号传输模块16和PC端处理模块17，刀柄本体1的内部分布设置有测力器5，测力器5的两侧对称设置有支撑片6，测力器5的两侧外壁上分布固定有电阻式应变片7，刀柄本体1的一侧外壁上安装有固定环3，且固定环3套接于测力器5一侧外壁上，固定环3的一侧外壁上套接有外壳2，外壳2的底端分布设置有固定螺钉4，且固定螺钉4的一端固定连接于固定环3的内部；固定环3的一侧外壁上均匀分布设置有安装槽8，安装槽8的一侧内壁上开设有第一螺孔9，安装槽8的一侧开设有线槽10，固定环3上开设的四个安装槽8按顺时针方向分别用于安装电池、信号采集电路、电池和WIFI信号传输器，第一螺孔9用于配合螺钉将固定环3固定在刀柄本体1上，线槽10用于放置电源线；外壳2的底端外壁上分布开设有第二螺孔11，且固定螺钉4安装于第二螺孔11的一侧内壁上，外壳2的两侧对称开设有通孔12，且刀柄本体1的套接于通孔12的一侧内壁上，第二螺孔11用于配合固定螺钉4固定，通孔12使外壳2可以套在刀柄本体1的外部；固定环3的内部安装有电源模块13，电源模块13的一侧连接有应变采集模块14，应变采集模块14的一侧连接有信号采集模块15，信号采集模块15的一侧连接有WIFI信号传输模块16，WIFI信号传输模块16的一侧连接有PC端处理模块17，电源模块13用于供电，应变采集模块14由多个电阻式应变片7组成，用于采集应变力与扭矩，信号采集模块15可以对信号进行放大、滤波，WIFI信号传输模块16将信号发送至PC端处理模块17，PC端处理模块17对数据进行分析与显示；信号采集模块15包括数模转换单元151和数字信号采集单元152，数模转换单元151可以将模拟量转换成数字量，数字信号采集单元152用于采集数字量信号；PC端处理模块17包括WIFI信号接收单元171、信号监测单元172和应变力解耦单元173，WIFI信号接收单元171用于接收信号，信号监测单元172可以实时监测切削力，应变力解耦单元173会对切削力、扭矩进行解耦。

基于上述，使用本发明进行四分量切削力在线监测时，具体包括以下步骤：步骤一，安装刀柄；步骤二，传感应变；步骤三，信号转化；步骤四，信号放大；步骤五，数据上传；步骤六，分析显示；

其中上述步骤一中，首先使用螺钉通过第一螺孔9将固定环3固定在刀柄本体1上，然后使用固定螺钉4通过第二螺孔11将外壳2固定在固定环3外部，再使用刀具进行各项加工，来使其在加工过程中产生切削力；

其中上述步骤二中，刀柄本体1产生的切削力传递至内部人字形的测力器5，经测力器5放大应变后，由电阻式应变片7测量出测力单元产生的切削力与扭矩，其中，12个测力器5上共有48个电阻式应变片7，记为

，其中，用于监测轴向力

的电阻式应变片7为

，监测径向力

、

的电阻式应变片7

，监测扭矩

的电阻式应变片7为

，切削力计算公式如下：

其中，

表示标号为的

电阻式应变片7所测得的应变值，

需要根据刀柄的静态标定实验得到，每一个刀柄的

均不同；

其中上述步骤三中，由应变采集模块14中的惠斯通电桥将检测到的应变转化为电压信号，并传输至信号采集电路；

其中上述步骤四中，信号采集模块15中的差分放大器对电压信号进行放大、滤波；

其中上述步骤五中，将处理后的信号通过WIFI信号传输模块16上传至PC端处理模块17中；

其中上述步骤六中，PC端处理模块17接收WIFI信号，并由计算机对数据进行解耦、分析，然后将结果显示出来；

其中，支撑片6用于辅助安装测力器5，电源模块13对所有电路供电，安装槽8用于安装电源模块13、信号采集模块15和WIFI信号传输模块16，线槽10用于放置电源线，通孔12使外壳2可以套在刀柄本体1的外部，数模转换单元151可以将模拟量转换成数字量，数字信号采集单元152用于采集数字量信号，WIFI信号接收单元171用于接收WIFI信号，信号监测单元172可以实时监测切削力，应变力解耦单元173会对切削力、扭矩进行解耦。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims

1.一种四分量切削力在线监测智能刀柄，包括刀柄本体（1），其特征在于：所述刀柄本体（1）的内部分布设置有测力器（5），测力器（5）的两侧对称设置有支撑片（6），测力器（5）的两侧外壁上分布固定有电阻式应变片（7），刀柄本体（1）的一侧外壁上安装有固定环（3），且固定环（3）套接于测力器（5）一侧外壁上，固定环（3）的一侧外壁上套接有外壳（2），外壳（2）的底端分布设置有固定螺钉（4），且固定螺钉（4）的一端固定连接于固定环（3）的内部。

2.根据权利要求1所述的一种四分量切削力在线监测智能刀柄，其特征在于：所述固定环（3）的一侧外壁上均匀分布设置有安装槽（8），安装槽（8）的一侧内壁上开设有第一螺孔（9），安装槽（8）的一侧开设有线槽（10）。

3.根据权利要求1所述的一种四分量切削力在线监测智能刀柄，其特征在于：外壳（2）的底端外壁上分布开设有第二螺孔（11），且固定螺钉（4）安装于第二螺孔（11）的一侧内壁上，外壳（2）的两侧对称开设有通孔（12），且刀柄本体（1）的套接于通孔（12）的一侧内壁上。

4.根据权利要求2所述的一种四分量切削力在线监测智能刀柄，其特征在于：所述固定环（3）的内部安装有电源模块（13），电源模块（13）的一侧连接有应变采集模块（14），应变采集模块（14）的一侧连接有信号采集模块（15），信号采集模块（15）的一侧连接有WIFI信号传输模块（16），WIFI信号传输模块（16）与PC端处理模块（17）建立数据连接。

5.根据权利要求4所述的一种四分量切削力在线监测智能刀柄，其特征在于：所述信号采集模块（15）包括数模转换单元（151）和数字信号采集单元（152）。

6.根据权利要求4所述的一种四分量切削力在线监测智能刀柄，其特征在于：所述PC端处理模块（17）包括WIFI信号接收单元（171）、信号监测单元（172）和应变力解耦单元（173）。