CN114414111A - 一种夹具夹紧力数据采集装置、采集方法及夹具系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种夹具夹紧力数据采集装置、采集方法及夹具系统，以解决生产线加工中夹具夹紧力大小不能实时监控，从而易导致的生产线事故的技术问题。该装置包括含测量传感器、数据采集器、无线传输单元和数据处理系统的检测模块和含压板和支撑块的夹具组件；测量传感器设置在支撑块的上端，与压板之间存在间隙，测量传感器设置有多个传感器贴片；数据采集器用于接收传感器贴片产生信号。该夹具系统包括上述采集装置。该方法包括以下步骤：1、对测量传感器标定，得到标定力与微应变值之间的对应关系；2、将测量传感器设置在支撑块上；3、启动夹具组件，测量传感器产生应力检测信号；4、应力检测信号处理后得压板的压紧力。
Description
技术领域
本发明涉及夹紧力采集装置，具体涉及一种夹具夹紧力数据采集装置、采集方法及夹具系统。
背景技术
随着智能化、自动化、数字化技术在机加产线的应用越来越广泛，对加工过程中的各种数据的采集需求也越来越高。通过采集产线加工过程中的各种数据，可用于分析、反馈、改进工艺过程的稳定性及质量趋势，使得过程特性能通过数据的形式得以直观显现，并可以随时监控、报警各种异常,防止出现运行事故。所以加工过程各种数据的采集技术及方法的研究对推广数字化在产线中的应用非常重要。
夹具做为生产线加工中非常重要的组成部分，其加工过程的夹紧力变化对加工过程的稳定性及零件加工质量的保证至关重要。目前对夹具夹紧力大小的设计主要依据切削力经过理论计算后进行设计，对于实际加工过程中的实时夹紧力数据尚无技术手段采集，这对于自动化产线运行过程中对夹具数据的监控造成极大的隐患。如果加工过程发生夹具压板断裂、失压或刀具切削异常而没有相应数据反馈给产线自动控制系统，则会可能造成产线事故。因此在自动化产线生产中，对生产过程夹紧力数据进行采集、反馈、监控、报警，从而保证自动化产线的正常运行成为亟待解决的问题。
中国专利CN203770497U公开了一种能够测量夹紧应力的刹车蹄粘结用随行夹具，包括封闭钢带，封闭钢带内设有两个半圆形的随行夹具压头，两个随行夹具压头之间设有弹性机构，弹性机构能够将两个半圆形的随行夹具压头分别顶紧封闭钢带，随行夹具压头与封闭钢带之间设有压力传感器，压力传感器连接有信号数据采集转换模块和计算机。该专利能够测量夹紧应力的刹车蹄粘结用随行夹具能够根据随行夹具压头与封闭钢带之间的夹紧力大小来判断摩擦片是否合格，实时检测，但是该专利采用的薄膜压力传感器为标准化产品，且该专利提供的夹紧应力测量装置适用于试验检测阶段对夹紧力进行检测，使得该装置并不适用于生产线工况下夹紧力的实时测量。
中国专利CN111992774A公开了一种圆周型薄板件智能可重构钻孔夹具，该智能工装主要包括三个部分，感知部分：安装在基础板上的光栅位移内部的位移传感器、定位球头处的拉压力传感器和吸盘下端盖上的真空压力传感器；控制部分：数据采集装置、PLC和上位机；执行部分：弧形滑块导轨组件和液压连杆分度组件，其可重构钻孔夹具适用于薄板件的钻孔加工，定位夹紧装置采用分度式传动机构，能够在钻孔间隙智能周向调整装夹位置，并完成对薄板件的装夹，但是该专利中采用的真空压力传感器的复杂结构使其在使用过程中具有局限性，通用性弱，并不适用于重工生产线作业的夹具的夹紧力实时监控。
发明内容
本发明的目的在于解决生产线加工中夹具夹紧力大小不能实时监控，从而易导致的生产线事故的技术问题，提出一种夹具夹紧力数据采集装置、采集方法及夹具系统。
本发明提供的技术方案为：
一种夹具夹紧力数据采集装置，其特殊之处在于：包括检测模块和至少一组夹具组件；
所述夹具组件包括支撑块和设置在支撑块上方的压板，所述压板具有用于压紧工件的压紧面；
所述检测模块包括测量传感器、数据采集器、无线传输单元和数据处理系统；
所述测量传感器设置在所述支撑块的上端，且在非工作状态下测量传感器与压板的压紧面之间存在间隙，所述测量传感器的侧面设置有多个传感器贴片；
所述多个传感器贴片分别与同一个数据采集器电连接；
所述数据采集器包括电源模块、数据采集模块及无线收发模块；
所述电源模块用于向检测模块供电，所述数据采集模块用于接收工作状态下，压板通过压紧工件使传感器贴片形变产生的应力检测信号；所述无线收发模块用于向所述无线传输单元通过无线信号传输所述应力检测信号；
所述无线传输单元与数据处理系统电连接。
进一步地，所述传感器贴片为电阻应变片；
所述电阻应变片包括依次层叠设置的基底层、应变电阻层和保护层，所述应变电阻层包括设置在基底层上的应变电阻和设置在应变电阻两端的引线；
所述基底层贴附于所述测量传感器的侧面；
所述应变电阻层通过应变电阻两端的引线与所述数据采集器的数据采集模块电连接；
所述应变电阻在形变时，电阻值改变。
进一步地，每个所述测量传感器包括四个电阻应变片，四个电阻应变片分别包括第一应变电阻R1、第二应变电阻R2、第三应变电阻R3和第四应变电阻R4；所述第一应变电阻R1、第二应变电阻R2、第三应变电阻R3和第四应变电阻R4依次首尾连接；
第一应变电阻R1和第四应变电阻R4相连的接点与电源端口的第一端子电连接，第二应变电阻R2和第三应变电阻R3相连的接点与电源端口的第二端子电连接；
第一应变电阻R1和第二应变电阻R2相连的接点与检测端口的第一端子电连接；第三应变电阻R3和第四应变电阻R4相连的接点与检测端口的第二端子电连接。
进一步地，所述第一应变电阻R1、第二应变电阻R2、第三应变电阻R3和第四应变电阻R4在无形变状态下，电阻值大小相同。
进一步地，所述测量传感器四周设置有防护罩，用于保护传感器贴片。
进一步地，所述数据采集器的电源模块为可移动电池。
本发明还提供一种夹具系统，其特殊之处在于：包括上述夹具夹紧力数据采集装置。
本发明还提供一种夹具夹紧力数据采集方法，其特殊之处在于，基于上述夹具夹紧力数据采集装置，包括以下步骤：
S1、将设置有多个传感器贴片的测量传感器放置在试验台上，通过对测量传感器上端面施加标定力，测量不同标定力下对应的不同的微应变值，得到标定力与微应变值之间的对应关系；
S2、将标定后的测量传感器设置在支撑块上，并将工件放置在压板的压紧面和测量传感器的上端面之间；
S3、启动夹具组件，压板向下压紧，压板的压紧面压在工件上，并通过工件在测量传感器的上端面施加夹紧力，测量传感器产生形变从而导致传感器贴片因形变而产生应力检测信号；
S4、数据采集器接收应力检测信号并通过无线传输单元将应力检测信号传输给数据处理系统进行数据处理，得到传感器贴片微应变值；根据步骤S1中标定力与微应变值之间的对应关系，获得压板的夹紧力。
进一步地，步骤S4中，所述数据处理系统包括数据处理单元、数据显示单元和报警单元；所述数据处理单元将接收到的应力检测信号进行处理转换成夹紧力，并在数据显示单元上进行显示；所述报警单元根据不同的使用场景设置不同的正常夹紧力范围，并在检测的夹紧力超出正常夹紧力范围时发出报警信号。
本发明的有益效果：
1、本发明通过在夹具组件的支撑块设置测量传感器，由数据采集器采集测量传感器上传感器贴片因为形变产生的应力检测信号，该信号以无线形式从数据采集器传输到无线传输单元，由数据处理系统对应力检测信号进行处理后生成夹紧力实时监测曲线，实现夹紧力数据的监控和分析，为自动化、智能化产线数字化控制提供技术支持。
2、夹具夹紧力数据采集方法通过标定拟合微应变值与施加在测量传感器上端的标定力之间的关系，将实际测量得到的微应变值与夹紧力进行转换，实现对夹紧力的采集、监测和报警，从而保证自动化产线的正常运行。
附图说明
图1为本发明实施例夹具夹紧力数据采集装置结构示意图一(未示出工件)；
图2为本发明实施例夹具夹紧力数据采集装置结构示意图二；
图3为本发明实施例中传感器贴片设置示意图；
图4为本发明实施例中检测模块结构示意图；
图5为本发明实施例中传感器贴片结构示意图；
图6为本发明实施例中传感器贴片电桥连接示意图；
图7为本发明实施例中测量传感器标定结果示意图；
图8为本发明实施例中第一压板夹紧力变化曲线示意图；
图9为本发明实施例中第二压板夹紧力变化曲线示意图；
图10为本发明实施例中第三压板夹紧力变化曲线示意图；
图11为本发明实施例中第四压板夹紧力变化曲线示意图。
附图标记如下：
1-压板，11-第一压板，12-第二压板，13-第三压板，14-第四压板，2-防护罩，3-支撑块，4-数据采集线，5-数据采集器，6-测量传感器，61-传感器贴片，611-应变电阻，612-基底层，613-保护层，614-引线，7-无线传输单元，8-数据处理系统，9-工件。
具体实施方式
参见图1-图4，本实施例提供一种夹具夹紧力数据采集装置，该装置包括检测模块和四组夹具组件；夹具组件包括压板1和支撑块3，压板1具有用于压紧工件9的压紧面，包括第一压板11、第二压板12、第三压板13和第四压板14；检测模块包括测量传感器6、数据采集器5、无线传输单元7和数据处理系统8。
测量传感器6设置在支撑块3的上端，且在非工作状态下测量传感器6的上端面与压板1的压紧面之间存在间隙，测量传感器6包括设置在侧面的四个传感器贴片61和罩设在测量传感器6四个侧面的防护罩2，四个传感器贴片61通过两条数据采集线4与同一个数据采集器5电连接；
防护罩2采用厚度为3mm的钣金，该保护罩与传感器贴片周边存在4～8mm间隙，待传感器贴片及接线安装完成后，用凝胶填充间隙，完成封装，该防护罩2可以防止夹具使用过程中切削液、切屑、撞击等外部因素对传感器的损害，保证传感器贴片61使用过程中的测量精度，且具有较好可移植性，使用范围广泛。
参见图5，本实施例中传感器贴片61为电阻应变片；电阻应变片包括依次层叠设置的基底层612、应变电阻层和保护层613，应变电阻层包括设置在基底层612上的应变电阻611和设置在应变电阻611两端的引线614，引线614与数据采集线4连接，进而通过数据采集线4与数据采集器5电连接；基底层612贴附于测量传感器6的侧面；应变电阻611在形变时，电阻值会发生改变。
每个测量传感器6包括四个电阻应变片，其工作原理为：电阻应变片一般粘贴在弹性元件上，当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起电阻应变片的阻值变化，然后通过测量电路将其转变成电压输出，电压变化的大小反映了被测物理量的大小。这种测量传感器6的结构简单、性能稳定、灵敏度较高，对静态测量和动态测量都能适用，因此在电力、化工、机械、建筑、医疗等领域得到广泛应用。
具体的，在本实施例中，参见图6，四个电阻应变片分别包括第一应变电阻R1、第二应变电阻R2、第三应变电阻R3和第四应变电阻R4，且第一应变电阻R1、第二应变电阻R2、第三应变电阻R3和第四应变电阻R4依次首尾连接；无形变时，四个电阻的电阻值大小相同；四个电阻的电桥电路的具体结构为：第一应变电阻R1和第四应变电阻R4相连的接点与电源端口的第一端子电连接，第二应变电阻R2和第三应变电阻R3相连的接点与电源端口的第二端子电连接；第一应变电阻R1和第二应变电阻R2相连的接点与检测端口的第一端子电连接；第三应变电阻R3和第四应变电阻R4相连的接点与检测端口的第二端子电连接；该电桥电路可以准确将测量传感器6的上端受力数据通过相应的电阻应变片和线路连接测量出来。数据采集器5能够向电源端口供电，且能够接收检测端口的电压信号。
数据采集器5由电源模块、数据采集模块及无线收发模块组成，用于接收工作状态下，压板1通过压紧工件9使测量传感器6受力变形导致电阻应变片产生的应力检测信号，数据采集器5连续采样最高频率1000sps，无线传输距离50～80m。本实施例设定0.05S采集一个数据，即每分钟采集1200个数据。
数据采集器5是一种基于802.15.4协议的新型数据采集器5，可自组织形成星型、线型和网状网等多种网络拓扑结构。该数据采集器5使用简单方便，无线数字信号传输方式消除了长电缆传输带来的噪声干扰，使整个测量系统具有极高的测量精度和抗干扰能力。该数据采集器5每个通道内置有独立的高精度500Ω桥路电阻和放大调理电路，每个通道的最高采样率可达到1000sps，支持电压激励和电流激励两种测量方法。采用电压激励时测量最大量程为15000με，采用电流激励时测量最大量程为100000με，两种方法均可连接成各种桥路，且可方便地由软件自动切换选择1/4桥、1/2桥、全桥测量方式，兼容各种类型的桥路传感器。采集的数据既可以实时无线传输至计算机，也可以存储在数据采集器5内置的数据存储器，保证了采集数据的准确性。数据采集器5的空中传输速率可以达到250KBPS，有效室外通讯距离可达100m。数据采集器5支持外部I/O触发采集控制模式，通过外部接口接入高电平信号进行控制；数据采集器5带有USB接口，可以通过USB接口对数据采集器5充电，可以快速地把存储器内的数据下载到计算机里。
本实施例中，数据采集器5的电源模块采用便携式可换可移动电池进行供电，保证最少8小时的持续供电能力，解决了数据采集装置连续采集的能源问题。
无线传输单元7用于通过无线信号传输应力检测信号至数据处理系统8，数据处理系统8包括数据处理单元、数据显示单元和报警单元；数据处理单元将接收到的应力检测信号进行处理转换成夹紧力，并在数据显示单元上进行显示；报警单元根据不同的使用场景设置不同的正常夹紧力范围，并在检测的夹紧力超出夹紧力范围时发出报警信号，可以实现在自动加工产线上夹具夹紧力的实时监测和预警，防止因为夹具夹紧故障导致的产线事故。
本实施例还提供一种夹具系统，该夹具系统包括上述的夹具夹紧力数据采集装置。该夹具系统可以是通用夹具或专用夹具或其他类型的夹具系统，该夹具系统具有上述夹具夹紧力数据采集装置实施方式所描述的任意一种采集装置，因此具有相同的有益效果，此处不再赘述。
基于夹具夹紧力数据采集装置，其具体工作过程为：
S1、将设置有四个电阻应变片的测量传感器6放置在试验台上，通过对测量传感器6上端面施加标定力，测量不同标定力下对应的不同的微应变值，得到标定力与微应变值之间的对应关系，参见图7；标定力为标定过程中向测量传感器6上端面施加的加载力。
S2、将标定后的测量传感器6设置在支撑块3上，并将工件9放置在压板1的压紧面和测量传感器6的上端面之间。
S3、启动夹具组件，压板1向下压紧，压板1的压紧面压在工件9上，并通过工件9在测量传感器6的上端面施加夹紧力，测量传感器6产生形变从而导致电阻应变片因形变而产生应力检测信号；
S4、数据采集器5接收应力检测信号并通过无线传输单元7将应力检测信号传输给数据处理系统8进行数据处理，得到电阻应变片微应变值；根据步骤S1中标定力与微应变值之间的对应关系，获得各个压板1的夹紧力，结果参见图8-图11。
Claims (9)
1.一种夹具夹紧力数据采集装置，其特征在于：包括检测模块和至少一组夹具组件；
所述夹具组件包括支撑块(3)和设置在支撑块(3)上方的压板(1)，所述压板(1)具有用于压紧工件(9)的压紧面；
所述检测模块包括测量传感器(6)、数据采集器(5)、无线传输单元(7)和数据处理系统(8)；
所述测量传感器(6)设置在所述支撑块(3)的上端，且在非工作状态下测量传感器(6)的上端面与压板(1)的压紧面之间存在间隙，所述测量传感器(6)的侧面设置有多个传感器贴片(61)；
所述多个传感器贴片(61)分别与同一个数据采集器(5)电连接；
所述数据采集器(5)包括电源模块、数据采集模块及无线收发模块；
所述电源模块用于向检测模块供电，所述数据采集模块用于接收工作状态下，压板(1)通过压紧工件(9)使传感器贴片(61)形变产生的应力检测信号；所述无线收发模块通过无线传输向所述无线传输单元(7)传输所述应力检测信号；
所述无线传输单元(7)与数据处理系统(8)电连接。
2.根据权利要求1所述的夹具夹紧力数据采集装置，其特征在于：
所述传感器贴片(61)为电阻应变片；
所述电阻应变片包括依次层叠设置的基底层(612)、应变电阻层和保护层(613)，所述应变电阻层包括设置在基底层(612)上的应变电阻(611)和设置在应变电阻(611)两端的引线(614)；
所述基底层(612)贴附于所述测量传感器(6)的侧面；
所述应变电阻层通过应变电阻(611)两端的引线(614)与所述数据采集器(5)的数据采集模块电连接；
所述应变电阻(611)在形变时，电阻值改变。
3.根据权利要求1或2所述的夹具夹紧力数据采集装置，其特征在于：
每个所述测量传感器(6)包括四个电阻应变片，四个电阻应变片分别包括第一应变电阻R1、第二应变电阻R2、第三应变电阻R3和第四应变电阻R4；所述第一应变电阻R1、第二应变电阻R2、第三应变电阻R3和第四应变电阻R4依次首尾连接；
第一应变电阻R1和第四应变电阻R4相连的接点与电源端口的第一端子电连接，第二应变电阻R2和第三应变电阻R3相连的接点与电源端口的第二端子电连接；
第一应变电阻R1和第二应变电阻R2相连的接点与检测端口的第一端子电连接；第三应变电阻R3和第四应变电阻R4相连的接点与检测端口的第二端子电连接。
4.根据权利要求3所述的夹具夹紧力数据采集装置，其特征在于：
所述第一应变电阻R1、第二应变电阻R2、第三应变电阻R3和第四应变电阻R4在无形变状态下，电阻值大小相同。
5.根据权利要求4所述的夹具夹紧力数据采集装置，其特征在于：
所述测量传感器(6)四周设置有防护罩(2)，用于保护传感器贴片(61)。
6.根据权利要求5所述的夹具夹紧力数据采集装置，其特征在于：
所述数据采集器(5)的电源模块为可移动电池。
7.一种夹具系统，其特征在于：包括权利要求1-6任一所述的夹具夹紧力数据采集装置。
8.一种夹具夹紧力数据采集方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一所述的夹具夹紧力数据采集装置，包括以下步骤：
S1、将设置有多个传感器贴片(61)的测量传感器(6)放置在试验台上，通过对测量传感器(6)上端面施加标定力，测量不同标定力下传感器贴片(61)对应的不同的微应变值，得到标定力与微应变值之间的对应关系；
S2、将标定后的测量传感器(6)设置在支撑块(3)上，并将工件(9)放置在压板(1)的压紧面和测量传感器(6)的上端面之间；
S3、启动夹具组件，压板(1)向下压紧，压板(1)的压紧面压在工件(9)上，并通过工件(9)在测量传感器(6)的上端面施加夹紧力，测量传感器(6)产生形变从而导致传感器贴片(61)因形变而产生应力检测信号；
S4、数据采集器接收应力检测信号并通过无线传输单元(7)将应力检测信号传输给数据处理系统(8)进行数据处理，得到传感器贴片(61)微应变值；根据步骤S1中标定力与微应变值之间的对应关系，获得压板(1)的夹紧力。
9.根据权利要求8所述的夹具夹紧力数据采集方法，其特征在于：步骤S4中，所述数据处理系统(8)包括数据处理单元、数据显示单元和报警单元；所述数据处理单元将接收到的应力检测信号进行处理转换成夹紧力，并在数据显示单元上进行显示；所述报警单元根据不同的使用场景设置不同的正常夹紧力范围，并在检测的夹紧力超出正常夹紧力范围时发出报警信号。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111590319.0A Pending CN114414111A (zh) | 2021-12-23 | 2021-12-23 | 一种夹具夹紧力数据采集装置、采集方法及夹具系统 |
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114414111A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114986255A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-09-02 | 西安智衍数字科技有限公司 | 一种夹紧力判定方法及系统 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011200975A (ja) * | 2010-03-25 | 2011-10-13 | Hitachi Engineering & Services Co Ltd | ワーク固定治具 |
| EP2522465A1 (de) * | 2011-05-13 | 2012-11-14 | AMTEC Advanced Measurement Messtechnischer Service GmbH | Vorrichtung zum kontrollierten Verspannen von Flanschverbindungen |
| CN107036543A (zh) * | 2015-10-14 | 2017-08-11 | 北京信息科技大学 | 一种光纤光栅应变传感器标定与疲劳检测系统 |
| US20170320181A1 (en) * | 2016-05-05 | 2017-11-09 | Caterpillar Inc. | Manufacturing Fixture System and Associated Process Having a Rest Pad Force Sensor with Closed Loop Feedback |
| WO2020173562A1 (en) * | 2019-02-27 | 2020-09-03 | The Provost, Fellows, Foundation Scholars, & The Other Members Of Board, Of The College Of The Holy & Undiv. Trinity Of Queen Elizabeth Near Dublin | System for wireless and passive monitoring of strain during manufacturing processes |
| US20210278295A1 (en) * | 2020-03-03 | 2021-09-09 | Balluff Gmbh | Sensor Device and Method for Monitoring a Clamping Force Exerted by a Clamping Element of a Clamping Device on a Component |
-
2021
- 2021-12-23 CN CN202111590319.0A patent/CN114414111A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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