CN116394069A - 一种多传感集成的智能化刀柄实时监测与防碰撞系统 - Google Patents
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Abstract
一种多传感集成的智能化刀柄实时监测与防碰撞系统，包括：智能化刀柄装置、外置PLC控制器、内置继电器、数控机床和PC端信号处理与显示模块；所述智能化刀柄装置包括：柄锥结构体、力传感器结构体、电阻式应变片组、保护壳、若干支撑铜柱、第一硬件电路板、第二硬件电路板、振动传感器、锂电池、固定上壳、固定底壳、拉钉、卡簧、压帽、立铣刀。本发明基于所采集的切削信号实时进行分析并做出快速判断和响应，不受加工环境、工件形状大小的影响，测量精准，极大的减小了外置传感器布置距离对切削数据准确性的影响，本发明适用于零件加工过程中切削力、振动的监测以及防碰撞监控环节中，提高切削自动化、智能化、安全性水平。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工智能装备监控技术领域，具体涉及一种多传感集成的智能化刀柄实时监测与防碰撞系统。
背景技术
切削加工过程中切削数据监测技术及防碰撞技术是数控机床实现安全加工自动化、智能化的重要发展方向。数控机床的意外碰撞和扎刀是导致机床长时间故障停机、加工质量和加工效率降低的一项重要原因，数控机床一旦受损，将给企业造成严重的经济损失、影响企业科研和生产。在实际加工过程发生碰撞时，由于人的反应时间有限，无法及时采取有效措施。目前在技术层面有效避免机床碰撞、降低碰撞损失、实现碰撞保护的方式主要有两种：一种是数控系统防碰撞技术，另一种是数控机床碰撞保护技术。
数控系统防碰撞技术主要是在数控系统中全面构建机床实际加工的数字化环境，实时监控机床部件、工装、刀具、夹具之间的空间位置，避免在机床运行过程中发生碰撞，提高机床运行安全性。然而搭建数控机床实际加工的数字化环境不但需要数控机床本身的数模，且对于常用的刀具、夹具以及工装都需要建立数模，以致该功能的使用难度较大且过程较为繁琐。
而数控机床碰撞保护技术主要是采用一些外置传感器，如电流传感器、扭矩传感器、振动传感器等，感知机床碰撞、扎刀时数据的变化，通过数据边界阈值和合适算法来判断碰撞和扎刀情况，并发送指令使机床急停。采用测振、测力等传感器监测的数控机床碰撞保护技术，对数控系统本身配置没有要求，安装调试完成后就可以直接使用，功能实现较为简易。然而，传统的方式主要是将力传感器或振动传感器放置在主轴箱上或工作台上，监测位置离碰撞区域较远，无法准确高效的采集碰撞信号，且监控信号单一。
发明内容
本发明的目的是提供一种多传感集成的智能化刀柄实时监测与防碰撞系统，克服传统防碰撞传感器布置距离远，碰撞信号单一，无法全面辨识加工过程中碰撞信息，在对干式铣削等复杂加工环境中刀具所受三维切削力、三向振动实时无线监测的同时实现刀具碰撞安全监控。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种多传感集成的智能化刀柄实时监测与防碰撞系统，包括：智能化刀柄装置、外置PLC控制器、内置继电器、数控机床和PC端信号处理与显示模块。
所述智能化刀柄装置包括：柄锥结构体、力传感器结构体、电阻式应变片组、保护壳、若干支撑铜柱、第一硬件电路板、第二硬件电路板、振动传感器、锂电池、固定上壳、固定底壳、拉钉、卡簧、压帽、立铣刀。
所述柄锥结构体为削去顶端的圆锥体，所述柄锥结构体的下端向外设有三个延伸块。
所述柄锥结构体的第二延伸块和第三延伸块间设有第一凹槽。
所述柄锥结构体的第一凹槽内侧的顶部向内设有第一螺孔。
所述柄锥结构体的第二延伸块上设置有若干第二螺孔，所述第二螺孔与柄锥结构体的轴向平行。
所述柄锥结构体的第三延伸块上设置有若干第一通孔。
所述柄锥结构体的底部向内设置有开口。
所述柄锥结构体的第三延伸块上设置有若干第六螺孔。
所述力传感器结构体为圆柱体，所述力传感器结构体的侧面设有若干第二凹槽，所述第二凹槽内设有工字型支撑柱。
所述力传感器结构体的下端向外设有延伸块。所述力传感器结构体下端的延伸块外侧设有螺纹。
所述力传感器结构体的顶端向内设置有和柄锥结构体的第一通孔相匹配的第三螺孔。
所述力传感器结构体的中心设置有第二通孔。
所述力传感器结构体的第二通孔上端设置有第三凹槽。
所述力传感器结构体的第三凹槽向内设置有第四螺孔。
所述保护壳为圆柱形外壳，且顶部设有和柄锥结构体的第二螺孔相配合的第三通孔。
所述第一硬件电路板包括两块半圆环形电路板。
所述第一硬件电路板上设有若干第四通孔。
所述第二硬件电路板上设有若干第五通孔。
所述固定上壳上设置有第六通孔。
所述固定底壳上设置有与固定上壳的第六通孔相匹配的第七通孔。
所述固定底壳上设置有第八通孔。
所述柄锥结构体的第一通孔、固定底壳的第八通孔和力传感器结构体的第三螺孔通过螺钉固定连接。所述电阻式应变片组粘贴在力传感器结构体的工字型支撑柱上，所述电阻式应变片组引出的导线与第一硬件电路板相连。所述保护壳的第三通孔和柄锥结构体的第二螺孔通过螺钉固定连接。所述支撑铜柱固定连接在柄锥结构体的第一螺孔处，所述第一硬件电路板的第四通孔和支撑铜柱通过螺钉固定连接。所述第二硬件电路板的第五通孔和力传感器结构体的第四螺孔通过螺钉连接，所述第二硬件电路板位于力传感器结构体的第三凹槽内。所述第二硬件电路板引出的导线连接在第一硬件电路板上，实现供电和数据交换。所述振动传感器焊接在第二硬件电路板上，所述锂电池位于固定上壳和固定底壳之间。所述固定上壳的第六通孔、固定底壳的第七通孔和柄锥结构体的第七螺孔通过螺钉固定连接。所述固定底壳位于柄锥结构体的第三延伸块上。所述拉钉位于柄锥结构体内。所述立铣刀位于力传感器结构体的第二通孔内。所述卡簧限位于立铣刀和压帽之间。所述压帽与力传感器结构体下端的螺纹固定连接。
所述的外置PLC控制器同时连接PC端信号处理与显示模块和内置继电器，PC端信号处理与显示模块在感知立铣刀碰撞后，产生碰撞信号并传输给外置PLC控制器，通过外置PLC控制器控制内置继电器，从而实现机床系统的急停。所述PC端信号处理与显示模块通过WIFI与智能化刀柄装置相连，实现数据的传输与显示。
铣削发生碰撞时，立铣刀与工件接触并受到反作用切削力，该切削力相继通过立铣刀、卡簧传递到力传感器结构体上。粘贴在力传感器结构体上的电阻式应变片组和焊接在第二硬件电路板上的振动传感器采集相应的信号后，传递到第一硬件电路板，经过处理后无线传输到PC端信号处理与显示模块进行数据显示和碰撞判断。当判断为碰撞时，PC端信号处理与显示模块产生碰撞信号并传输给外置PLC控制器，外置PLC控制器控制控制内置继电器断开，从而实现机床系统的急停。
进一步，所述电阻式应变片组包括电阻应变片R1-R16。
所述电阻应变片R1～R4组成惠斯通电桥测量X向力。
所述电阻应变片R5～R8组成惠斯通电桥测量Y向力。
所述电阻应变片R9～R16组成惠斯通电桥测量Z向力。
进一步，所述柄锥结构体的第三延伸块上还设置有若干出线槽，用于供第一硬件电路板、第二硬件电路板、电阻式应变片组和锂电池走线。
进一步，所述保护壳侧面还设置有电源开关孔和充电插口孔。
进一步，所述第一硬件电路板包括信号调理模块和数据处理模块。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明通过基于智能化刀柄装置的切削力和切削振动感知功能，在实时监测切削加工数据的同时，利用碰撞和扎刀时切削数据的异常变化来感知机床碰撞情况并控制机床急停，最终实现切削加工过程实时监测和防碰撞智能控制。
本发明的一种多传感集成的智能化刀柄实时监测与防碰撞系统的结构与布置简单，在实时监测加工切削过程中刀具切削信息的同时实现机床碰撞监控。利用智能化刀柄装置、外置PLC控制器、内置继电器和机床系统组成的监测-控制回路实现对机床碰撞的快速响应，具有适应性强、性能稳定等优点。本装置的应用对提高切削加工自动化、智能化和安全性有着积极作用，具有良好的经济效益和社会效益。
本发明的多传感集成的智能化刀柄实时监测系统可以对旋转的刀具所受的切削力和切削振动直接进行测量，并基于所采集的切削信号实时进行分析并做出快速判断和响应，不受加工环境、工件形状大小的影响，测量精准，极大的减小了外置传感器布置距离对切削数据准确性的影响，此装置适用于零件加工过程中切削力、振动的监测以及防碰撞监控环节中，提高切削自动化、智能化、安全性水平。
附图说明
图1是智能化刀柄实时监测与防碰撞系统框图；
图2是智能化刀柄装置柄身整体装配图；
图3是智能化刀柄装置柄身部分结构图；
图4是智能化刀柄装置柄身的整体剖面图；
图5是刀柄柄锥结构体示意图；
图6是电阻式应变片组粘贴示意图，图(a)为电阻式应变片组粘贴俯视图，图(b)为电阻式应变片组粘贴仰视图；
图7是电阻式应变片组对应三向力的惠斯通电桥电路示意图；
图8是本发明所涉及的智能化刀柄装置数据采集电路系统框图；
图中，智能化刀柄装置1、柄锥结构体101、第一凹槽1011、第一螺孔10111、第二螺孔1012、第一通孔1013、出线槽1014、钉孔1015、开口1016、第六螺孔1017、力传感器结构体102、第二凹槽1021、第三螺孔1022、第二通孔1023、第三凹槽1024、第四螺孔1025、电阻式应变片组103、保护壳104、第三通孔1041、电源开关孔1042、充电插口孔1043、若干支撑铜柱105、第五螺孔1051、第一硬件电路板106、第四通孔1061、第二硬件电路板107、第五通孔1071、振动传感器108、锂电池109、固定上壳110、第六通孔1101、固定底壳111、第七通孔1111、第八通孔1112、拉钉112、卡簧113、压帽114、立铣刀115、外置PLC控制器2、内置继电器3、数控机床4、PC端信号处理与显示模块5。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1至图8，一种多传感集成的智能化刀柄实时监测与防碰撞系统，包括：智能化刀柄装置1、外置PLC控制器2、内置继电器3、数控机床4和PC端信号处理与显示模块5。
由智能化刀柄装置1作为感知单元和信号接收与处理单元，外置PLC控制器2作为控制单元，内置继电器3和机床系统4作为执行单元。
所述智能化刀柄装置1包括：柄锥结构体101、力传感器结构体102、电阻式应变片组103、保护壳104、若干支撑铜柱105、第一硬件电路板106、第二硬件电路板107、振动传感器108、锂电池109、固定上壳110、固定底壳111、拉钉112、卡簧113、压帽114、立铣刀115。
所述柄锥结构体101为削去顶端的圆锥体，所述柄锥结构体101的下端向外设有三个延伸块。
所述柄锥结构体101的第二延伸块和第三延伸块间设有第一凹槽1011。
所述柄锥结构体101的第一凹槽1011内侧的顶部向内设有第一螺孔10111。
所述柄锥结构体101的第二延伸块上设置有若干第二螺孔1012，所述第二螺孔1012与柄锥结构体101的轴向平行。
所述柄锥结构体101的第三延伸块上设置有若干第一通孔1013。
所述柄锥结构体101的顶端向内设置有钉孔1015。
所述柄锥结构体101的底部向内设置有开口1016。
所述柄锥结构体101的第三延伸块上设置有若干第六螺孔1017。
所述力传感器结构体102为圆柱体，所述力传感器结构体102的侧面设有若干第二凹槽1021，所述第二凹槽1021内设有工字型支撑柱。
所述力传感器结构体102的下端向外设有延伸块。所述力传感器结构体102下端的延伸块外侧设有螺纹。
所述力传感器结构体102的顶端向内设置有和柄锥结构体101的第一通孔1013相匹配的第三螺孔1022。
所述力传感器结构体102的中心设置有第二通孔1023。
所述力传感器结构体102的第二通孔1023上端设置有第三凹槽1024。
所述力传感器结构体102的第三凹槽1024向内设置有第四螺孔1025。
所述保护壳104为圆柱形外壳，且顶部设有和柄锥结构体101的第二螺孔1012相配合的第三通孔1041。
所述支撑铜柱105上设置有外螺纹。
所述支撑铜柱105的底部向内设有第五螺孔1051。
所述第一硬件电路板106包括两块半圆环形电路板。
所述第一硬件电路板106上设有若干第四通孔1061。
所述第二硬件电路板107上设有若干第五通孔1071。
所述固定上壳110上设置有第六通孔1101。
所述固定底壳111上设置有与固定上壳110的第六通孔1101相匹配的第七通孔1111。
所述固定底壳111上设置有第八通孔1112。
所述柄锥结构体101的第一通孔1013、固定底壳111的第八通孔1112和力传感器结构体102的第三螺孔1022通过螺钉固定连接。所述电阻式应变片组103粘贴在力传感器结构体102的工字型支撑柱上，所述电阻式应变片组103引出的导线与第一硬件电路板106相连。所述保护壳104的第三通孔1041和柄锥结构体101的第二螺孔1012通过螺钉固定连接。所述支撑铜柱105固定连接在柄锥结构体101的第一螺孔10111处，所述第一硬件电路板106的第四通孔1061和支撑铜柱105的第五螺孔1051通过螺钉固定连接。所述第二硬件电路板107的第五通孔1071和力传感器结构体102的第四螺孔1025通过螺钉连接，所述第二硬件电路板107位于力传感器结构体102的第三凹槽1024内。所述第二硬件电路板107引出的导线连接在第一硬件电路板106上，实现供电和数据交换。所述振动传感器108焊接在第二硬件电路板107上，所述锂电池109位于固定上壳110和固定底壳111之间。所述固定上壳110的第六通孔1101、固定底壳111的第七通孔1111和柄锥结构体101的第七螺孔1017通过螺钉固定连接。所述固定底壳111位于柄锥结构体101的第三延伸块上。所述拉钉112位于柄锥结构体101的钉孔1015内。所述立铣刀115位于力传感器结构体102的第二通孔1023内。所述卡簧113限位于立铣刀115和压帽114之间。所述压帽114与力传感器结构体102下端的螺纹固定连接。
PC端信号处理与显示模块5通过数据线与外置PLC控制器2连接，内置继电器3与机床系统4内部的数控面板和手摇急停继电器一起串联并保持一样的常闭状态，PLC控制器2与内置继电器3通过数据线连接，通过控制外置PLC控制器2从而实现对内置继电器3通断的控制，进而实现对机床的急停控制。
所述的外置PLC控制器2同时连接PC端信号处理与显示模块5和内置继电器3，PC端信号处理与显示模块5在感知立铣刀115碰撞后，产生碰撞信号并传输给外置PLC控制器2，通过外置PLC控制器2控制内置继电器3，从而实现机床系统4的急停。所述PC端信号处理与显示模块5通过WIFI与智能化刀柄装置1相连，实现数据的传输与显示。
在铣削开始前，通过Type-C充电插口对刀柄进行供电，以保证刀柄有足够电量运行。通过电源开关控制刀柄中锂电池109的通断从而控制智能化刀柄装置内部硬件电路系统的运行和停止。
铣削发生碰撞时，立铣刀115与工件接触并受到反作用切削力，该切削力相继通过立铣刀115、卡簧113传递到力传感器结构体102上。
在应变式力传感器结构体102上产生X、Y方向的径向力以及Z方向的轴向力，使得应变式力传感器结构体102产生微小形变，粘贴在应变式力传感器结构体102上电阻式应变片的阻值发生相应变化，在施加U0的激励电压后，对应的三路惠斯通电桥产生Ux、Uy和Uz毫伏电压信号并传递至信号采集与调理模块；刀具接触工件时产生切削振动，并通过刀具、卡簧113和应变式力传感器结构体102传递到第二硬件电路板107上的振动传感器108上，振动传感器108产生的毫伏模拟信号通过第二硬件电路板107上的外导线传递到第一硬件电路板106的信号采集与调理模块。
粘贴在力传感器结构体102上的电阻式应变片组103和焊接在第二硬件电路板107上的振动传感器108采集相应的信号后，传递到第一硬件电路板106，经过放大、滤波等数据处理和A/D转换后无线传输到PC端信号处理与显示模块5进行数据显示和碰撞判断。当判断为碰撞时，PC端信号处理与显示模块5产生碰撞信号并传输给外置PLC控制器2，外置PLC控制器2控制控制内置继电器3断开，从而实现机床系统4的急停。
所述电阻式应变片组103包括电阻应变片R1-R16。
所述电阻应变片R1～R4组成惠斯通电桥测量X向力。
所述电阻应变片R5～R8组成惠斯通电桥测量Y向力。
所述电阻应变片R9～R16组成惠斯通电桥测量Z向力。
所述柄锥结构体101的第三延伸块上还设置有若干出线槽1014，用于供第一硬件电路板106、第二硬件电路板107、电阻式应变片组103和锂电池109走线。
所述保护壳104侧面还设置有电源开关孔1042和充电插口孔1043。
所述第一硬件电路板106包括信号调理模块和数据处理模块。
实施例2：
参见图1至图8，一种多传感集成的智能化刀柄实时监测与防碰撞系统，由智能化刀柄装置1、外置PLC控制器2、内置继电器3和数控机床4组成。
其中智能刀柄装置1包含刀柄柄锥结构体101、应变式力传感器结构体102、力传感器结构体固定螺钉、电阻式应变片组103、保护壳104、保护壳固定螺钉、力传感器固定螺钉、支撑铜柱105、第一硬件电路板106、硬件电路第一固定螺钉、第二硬件电路板107、硬件电路第二固定螺钉、振动传感器108、锂电池109、锂电池固定上壳110、锂电池固定底壳111、锂电池固定螺钉、电路供电模块、信号采集与调理模块、数据处理模块、无线传输模块、拉钉112、卡簧113、压帽114、立铣刀115、PC端信号处理与显示模块5。
在智能化刀柄装置中，应变式力传感器结构体一端通过螺栓与刀柄柄锥结构体连接，另一端通过卡簧和压帽与立铣刀连接；电阻式应变片组粘贴在应变式力传感器结构体上，电阻式应变片组由R1～R16共16块电阻应变片组成，其中应变片R1～R4组成惠斯通电桥测量X向力，应变片R5～R8组成惠斯通电桥测量Y向力，应变片R9～R16组成惠斯通电桥测量Z向力；电阻式应变片组引出的导线与第一硬件电路板相接。
锂电池由锂电池固定上壳、锂电池固定底壳以及锂电池固定螺钉固定在刀柄柄锥结构体上；第一硬件电路板由两块半圆环形电路板组成，支撑铜柱的外螺纹与刀柄柄锥结构体连接，内螺纹通过硬件电路第一固定螺钉固定第一硬件电路板；刀柄柄锥结构体上开有出线槽，供第一硬件电路板、第二硬件电路板、电阻式应变片组和锂电池走线。
第二硬件电路板上焊接有振动传感器，其通过硬件电路第二固定螺钉固定在应变式力传感器结构体上；第二硬件电路板上有导线连接在第一硬件电路板上，实现供电和数据交换。
保护壳通过螺钉固定在刀柄柄锥结构体上，在保护壳侧边开有电源开关孔以及电源充电孔。
外置PLC控制器同时连接智能化刀柄装置的PC端信号处理与显示模块以及机床系统的内置继电器，PC端信号处理与显示模块不断的接收并显示刀柄内部发出的切削信号，当发生碰撞时PC端信号处理与显示模块感知切削信号突变并产生碰撞信号，碰撞信号通过数据线快速传输给外置PLC控制器，通过外置PLC控制器控制机床系统的内置继电器而实现急停。
实施例3：
参见图1至图8，一种多传感集成的智能化刀柄实时监测与防碰撞系统，在智能化刀柄装置安装和装配时，刀柄柄锥结构体101一端通过力传感器结构体固定螺钉与应变式力传感器结构体102连接，另一端连接拉钉112，应变式力传感器结构体102、卡簧113和压帽114配合使用以夹紧立铣刀115。锂电池109由锂电池固定上壳110、锂电池固定底壳111以及锂电池固定螺钉固定在刀柄柄锥结构体101上。第一硬件电路板106由两块半圆环形电路板组成，支撑铜柱105的外螺纹与刀柄柄锥结构体101连接，内螺纹通过硬件电路第一固定螺钉固定第一硬件电路板106。第二硬件电路板107上焊接有振动传感器108，其通过硬件电路第二固定螺钉固定在应变式力传感器结构体102的第二硬件电路凹槽中；第二硬件电路板107上有导线连接在第一硬件电路板106上，实现供电和数据交换；刀柄柄锥结构体101上开有出线槽1014，供第一硬件电路板106、第二硬件电路板107、电阻式应变片组103和锂电池109走线；保护壳104通过螺钉固定在刀柄柄锥结构体101上，在保护壳104侧边开有电源开关孔1042以及充电插口孔1043。
电阻式应变片组103粘贴在应变式力传感器结构体102上，电阻式应变片组103由R1～R16共16块电阻应变片组成，其中应变片R1～R4组成惠斯通电桥测量X向力，应变片R5～R8组成惠斯通电桥测量Y向力，应变片R9～R16组成惠斯通电桥测量Z向力；电阻式应变片组103引出的导线与第一硬件电路板106相接。
如图1所示，多传感器集成的智能化刀柄实时监测与防碰撞系统由智能化刀柄装置1、外置PLC控制器2、内置继电器3以及机床系统4组成。由智能化刀柄装置1作为感知单元和信号接收与处理单元，外置PLC控制器2作为控制单元，内置继电器3和机床系统4作为执行单元。
在铣削开始前，通过Type-C充电插口对刀柄进行供电，以保证刀柄有足够电量运行。通过电源开关控制刀柄中锂电池109的通断从而控制智能化刀柄装置内部硬件电路系统的运行和停止。智能化刀柄装置的PC端信号处理与显示模块5通过WiFi与智能化刀柄柄身相连，实现数据的传输与显示。同时智能化刀柄装置的PC端信号处理与显示模块5通过数据线与外置PLC控制器2连接，内置继电器3与机床内部数控面板和手摇急停继电器一起串联并保持一样的常闭状态，PLC控制器2与内置继电器3通过数据线连接，通过控制外置PLC控制器2从而实现对内置继电器3通断的控制，进而实现对机床的急停控制。
智能化刀柄装置开机时，锂电池109和电路供电模块为采集硬件电路部分和与之相连的电阻式应变片组103、振动传感器108提供稳定的电压。铣削或发生碰撞时，刀具与工件接触并受到反作用切削力，该切削力相继通过刀具、卡簧113传递到应变式力传感器结构体102上，在应变式力传感器结构体102上产生X、Y方向的径向力以及Z方向的轴向力，使得应变式力传感器结构体102产生微小形变，粘贴在应变式力传感器结构体102上电阻式应变片的阻值发生相应变化，在施加U0的激励电压后，对应的三路惠斯通电桥产生Ux、Uy和Uz毫伏电压信号并传递至信号采集与调理模块；刀具接触工件时产生切削振动，并通过刀具、卡簧113和应变式力传感器结构体102传递到第二硬件电路板107上的振动传感器108上，振动传感器108产生的毫伏模拟信号通过第二硬件电路板107上的外导线传递到第一硬件电路板106的信号采集与调理模块。
如图7所示，电阻式应变片组103、振动传感器108产生的信号通过信号采集与调理模块进行放大、滤波等处理，随后通过数据处理模块数据处理和A/D转换后进入无线传输模块，信号经无线传输后到PC端信号处理与显示模块5中进行数据显示和碰撞判断。当发生碰撞时，PC端信号处理与显示模块5检测到切削数据变化异常，通过数据线发送相应指令给外置PLC控制器2，外置PLC控制器2快速控制机床系统4内的内置继电器3断开，使机床快速急停。
该多传感集成的智能化刀柄实时监测系统及其方法可以对旋转的刀具所受的切削力和切削振动直接进行测量，并基于所采集的切削信号实时进行分析并做出快速判断和响应，不受加工环境、工件形状大小的影响，测量精准，极大的减小了外置传感器布置距离对切削数据准确性的影响，此装置适用于零件加工过程中切削力、振动的监测以及防碰撞监控环节中，提高切削自动化、智能化、安全性水平。
Claims (5)
1.一种多传感集成的智能化刀柄实时监测与防碰撞系统，其特征在于，包括：智能化刀柄装置(1)、外置PLC控制器(2)、内置继电器(3)、数控机床(4)和PC端信号处理与显示模块(5)。
所述智能化刀柄装置(1)包括：柄锥结构体(101)、力传感器结构体(102)、电阻式应变片组(103)、保护壳(104)、若干支撑铜柱(105)、第一硬件电路板(106)、第二硬件电路板(107)、振动传感器(108)、锂电池(109)、固定上壳(110)、固定底壳(111)、拉钉(112)、卡簧(113)、压帽(114)、立铣刀(115)。
所述柄锥结构体(101)为削去顶端的圆锥体，所述柄锥结构体(101)的下端向外设有三个延伸块；
所述柄锥结构体(101)的第二延伸块和第三延伸块间设有第一凹槽(1011)；
所述柄锥结构体(101)的第一凹槽(1011)内侧的顶部向内设有第一螺孔(10111)；
所述柄锥结构体(101)的第二延伸块上设置有若干第二螺孔(1012)，所述第二螺孔(1012)与柄锥结构体(101)的轴向平行；
所述柄锥结构体(101)的第三延伸块上设置有若干第一通孔(1013)；
所述柄锥结构体(101)的底部向内设置有开口(1016)；
所述柄锥结构体(101)的第三延伸块上设置有若干第六螺孔(1017)；
所述力传感器结构体(102)为圆柱体，所述力传感器结构体(102)的侧面设有若干第二凹槽(1021)，所述第二凹槽(1021)内设有工字型支撑柱；
所述力传感器结构体(102)的下端向外设有延伸块；所述力传感器结构体(102)下端的延伸块外侧设有螺纹；
所述力传感器结构体(102)的顶端向内设置有和柄锥结构体(101)的第一通孔(1013)相匹配的第三螺孔(1022)；
所述力传感器结构体(102)的中心设置有第二通孔(1023)；
所述力传感器结构体(102)的第二通孔(1023)上端设置有第三凹槽(1024)；
所述力传感器结构体(102)的第三凹槽(1024)向内设置有第四螺孔(1025)；
所述保护壳(104)为圆柱形外壳，且顶部设有和柄锥结构体(101)的第二螺孔(1012)相配合的第三通孔(1041)；
所述第一硬件电路板(106)包括两块半圆环形电路板；
所述第一硬件电路板(106)上设有若干第四通孔(1061)；
所述第二硬件电路板(107)上设有若干第五通孔(1071)；
所述固定上壳(110)上设置有第六通孔(1101)；
所述固定底壳(111)上设置有与固定上壳(110)的第六通孔(1101)相匹配的第七通孔(1111)；
所述固定底壳(111)上设置有第八通孔(1112)；
所述柄锥结构体(101)的第一通孔(1013)、固定底壳(111)的第八通孔(1112)和力传感器结构体(102)的第三螺孔(1022)通过螺钉固定连接；所述电阻式应变片组(103)粘贴在力传感器结构体(102)的工字型支撑柱上，所述电阻式应变片组(103)引出的导线与第一硬件电路板(106)相连；所述保护壳(104)的第三通孔(1041)和柄锥结构体(101)的第二螺孔(1012)通过螺钉固定连接；所述支撑铜柱(105)固定连接在柄锥结构体(101)的第一螺孔(10111)处，所述第一硬件电路板(106)的第四通孔(1061)和支撑铜柱(105)通过螺钉固定连接；所述第二硬件电路板(107)的第五通孔(1071)和力传感器结构体(102)的第四螺孔(1025)通过螺钉连接，所述第二硬件电路板(107)位于力传感器结构体(102)的第三凹槽(1024)内；所述第二硬件电路板(107)引出的导线连接在第一硬件电路板(106)上，实现供电和数据交换；所述振动传感器(108)焊接在第二硬件电路板(107)上，所述锂电池(109)位于固定上壳(110)和固定底壳(111)之间；所述固定上壳(110)的第六通孔(1101)、固定底壳(111)的第七通孔(1111)和柄锥结构体(101)的第七螺孔(1017)通过螺钉固定连接；所述固定底壳(111)位于柄锥结构体(101)的第三延伸块上；所述拉钉(112)位于柄锥结构体(101)内；所述立铣刀(115)位于力传感器结构体(102)的第二通孔(1023)内；所述卡簧(113)限位于立铣刀(115)和压帽(114)之间；所述压帽(114)与力传感器结构体(102)下端的螺纹固定连接；
所述的外置PLC控制器(2)同时连接PC端信号处理与显示模块(5)和内置继电器(3)，PC端信号处理与显示模块(5)在感知立铣刀(115)碰撞后，产生碰撞信号并传输给外置PLC控制器(2)，通过外置PLC控制器(2)控制内置继电器(3)，从而实现机床系统(4)的急停；所述PC端信号处理与显示模块(5)通过WIFI与智能化刀柄装置(1)相连，实现数据的传输与显示；
铣削发生碰撞时，立铣刀(115)与工件接触并受到反作用切削力，该切削力相继通过立铣刀(115)、卡簧(113)传递到力传感器结构体(102)上；粘贴在力传感器结构体(102)上的电阻式应变片组(103)和焊接在第二硬件电路板(107)上的振动传感器(108)采集相应的信号后，传递到第一硬件电路板(106)，经过处理后无线传输到PC端信号处理与显示模块(5)进行数据显示和碰撞判断；当判断为碰撞时，PC端信号处理与显示模块(5)产生碰撞信号并传输给外置PLC控制器(2)，外置PLC控制器(2)控制控制内置继电器(3)断开，从而实现机床系统(4)的急停。
2.根据权利要求1所述的一种多传感集成的智能化刀柄实时监测与防碰撞系统，其特征在于，所述电阻式应变片组(103)包括电阻应变片R1-R16；
所述电阻应变片R1～R4组成惠斯通电桥测量X向力；
所述电阻应变片R5～R8组成惠斯通电桥测量Y向力；
所述电阻应变片R9～R16组成惠斯通电桥测量Z向力。
3.根据权利要求1所述的一种多传感集成的智能化刀柄实时监测与防碰撞系统，其特征在于，所述柄锥结构体(101)的第三延伸块上还设置有若干出线槽(1014)，用于供第一硬件电路板(106)、第二硬件电路板(107)、电阻式应变片组(103)和锂电池(109)走线。
4.根据权利要求1所述的一种多传感集成的智能化刀柄实时监测与防碰撞系统，其特征在于，所述保护壳(104)侧面还设置有电源开关孔(1042)和充电插口孔(1043)。
5.根据权利要求1所述的一种多传感集成的智能化刀柄实时监测与防碰撞系统，其特征在于，所述第一硬件电路板(106)包括信号调理模块和数据处理模块。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310252147.9A CN116394069A (zh) | 2023-03-15 | 2023-03-15 | 一种多传感集成的智能化刀柄实时监测与防碰撞系统 |
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|---|---|---|---|
| CN202310252147.9A CN116394069A (zh) | 2023-03-15 | 2023-03-15 | 一种多传感集成的智能化刀柄实时监测与防碰撞系统 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116394069A true CN116394069A (zh) | 2023-07-07 |
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ID=87011495
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117259868A (zh) * | 2023-11-24 | 2023-12-22 | 山东威腾机械有限公司 | 一种风力发电机轴承座切削装置 |
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2023
- 2023-03-15 CN CN202310252147.9A patent/CN116394069A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117259868A (zh) * | 2023-11-24 | 2023-12-22 | 山东威腾机械有限公司 | 一种风力发电机轴承座切削装置 |
| CN117259868B (zh) * | 2023-11-24 | 2024-02-13 | 山东威腾机械有限公司 | 一种风力发电机轴承座切削装置 |
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