CN208556894U - 一种用于断刀检测的新型智能刀柄 - Google Patents
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Abstract
数控机床加工过程中常出现因未及时查看刀具破损情况导致刀具断刀却仍在加工，以致工件报废或主轴卡死损坏零件等情况的发生。本实用新型公开了一种用于断刀检测的新型智能刀柄，主要由标准刀柄（1）、振动传感器（7）、信号调理电路和ADC转换电路（8）、嵌入式微处理电路系统（9）、锂电池（10）、信号无线发射模块（11）、外装封环（3）、密封盖（4）组成。本实用新型对原刀柄结构更改较小，不影响刀具安装、使用和机械手的抓取，结构简单，能够在线监测刀具振动数据，防止具有断刀隐患的刀具或已折断的刀具对工件继续加工，造成浪费。
Description
技术领域
本发明涉及工业数控机床中用于断刀检测的新型智能刀柄技术领域，具体为一种用于断刀检测的测振智能刀柄。
背景技术
现如今，数控机床普遍投入到工厂的加工制作过程中，自动化系统在不断升级，加工处理越来越快速，生产效率大大提高，但随之而来的也有一些问题，由于需加工的工件量急剧增大，数控机床的故障在所难免，其中最典型突出的便是刀具的磨损、折断导致了工件的损坏，影响了加工效率和工件损坏所丢失的利益，并且刀具越渐昂贵，若不能及时发现，还将会带来其他工件的二次损伤等棘手问题。因此，当下对数控机床中进行断刀检测的需求亟待解决。
刀具状态监测方法可分为以下几种：直接测量法，能够识别刀刃外观、表面质量或几何形状的变化，一般只能在不切削时进行，它有两个明显的缺点：一是要求停机检测；二是不能检测出加工过程中出现的刀具突然破损。国内外采用的刀具磨损量的直接测量法有：电阻测量法、刀具工件间距测量法、光学测量法、放电电流测量法、射线测量法、微结构镀层法及计算机图像处理法。
电阻测量法：该方法利用待测切削刃与传感器接触产生的电信号脉冲，来测量待测刀具的实际磨损状态。该方法的优点在于传感器价格低廉，缺点是传感器的选材必须十分注意，既要有良好的可切削性，又要对刀具寿命无明显的影响，而且工作不太可靠，因为切屑和刀具上的积屑可能引起传感器接触部分短路，从而影响精度。
刀具工件间距测量法：切削过程中随着刀具的磨损，刀具与工件间的距离减小，此距离可用电子千分尺、超声波测量仪、气动测量仪、电感位移传感器等进行测量。但是这种方法的灵敏度易受工件表面温度、表面品质、冷却液及工件尺寸等因素的影响，使其应用收到一定限制。
光学测量法：光学测量法的原理是磨损区比未磨损区有更强的光反射能力，刀具磨损越大，刀刃反光面积就越大，传感器检测的光通量就越大。由于热应力引起的变形及切削力引起的刀具位移都影响检测结果，所以该方法所测得的结果并非真实的磨损量，而是包含了上述因素在内的一个相对值，此法在刀具直径较大时效果较好。
放电电流测量法：将切削力刀具与传感器之间加上高压电，在测量回路中流过的（弧光放电）电流大小就取决于刀刃的几何形状（即刀尖到放电电极间的距离）。该方法的优点是可以进行在线检测，检测崩齿、断刀等刀具几何尺寸的变化，但不能精确地测量刀刃的几何尺寸。
射线测量法：将有放射性的物质掺入刀具材料内，当刀具磨损时，放射性的物质微粒就会随切屑一起通过一个预先设计好的射线测量器。该法的最大弱点是放射性物质对环境的污染大，对人体健康非常不利。此外，尽管此法可以测量刀具的磨损量，并不能准确地测定刀具切削刃的状态。因此，该法仅适用于某些特殊场合，不宜广泛采用。
微结构镀层法：将微结构导电镀层同刀具的耐磨保护层结合在一起。该方法的优点是检测电路简单，检测精度高，可以实现在线检测。缺点是对微结构导电镀层的要求很高：要具有良好的耐磨性、耐高温性和抗冲击性能。
计算机图像处理法：计算机图像处理法是一种快捷、无接触、无磨损的检测方法，它可以精确地检测每个刀刃上不同形式的磨损状态。这种检测系统通常由CCD摄像机、光源和计算机构成。但由于光学设备对环境的要求很高，而实际生产中刀具的工作环境非常恶劣（如冷却介质、切屑等），故该方法目前仅适用于实验室自动检测。
与直接测量法相对应的是间接测量法，间接测量法利用刀具磨损或将要破损时的状态对不同的工作参数的影响效果，测量反映刀具磨损、破损的各种影响程度的参量，能在刀具切削时进行检测，不影响切削加工过程，其不足之处在于检测到的各种过程信号中含有大量的干扰因素。尽管如此，随着信号分析处理技术、模式识别技术的发展，这一方法己成为一种主流方法，并取得了很好的效果。国内外采用的刀具磨损的间接测量法有：切削力测量法、机械功率测量法、声发射、热电压测量法、振动信号及多信息融合检测。
本实用新型专利采用的便是采集振动信号进行断刀检测。刀具在切削过程中，工件与磨损的刀刃部侧面摩擦，会产生不同频率的振动。对这种振动的监测有两种方法：一是把振幅分成高低两部分，在切削过程中对此两部分振幅进行对比；二是把振幅分成几个独立的幅带，用微处理机对这些幅带进行不断地记录及分析，即能监测出刀具后刀面的磨损程度。本实用新型专利是一种间接测量法，能在刀具切削时进行检测，而不影响切削加工过程，且对环境要求较低，无污染，另外刀具的材质尺寸也不构成影响因素。
发明内容
本实用新型针对现有技术中不能及时检测断刀的缺点，提供了一种能及时检测断刀的安装在数控机床刀柄上的断刀检测装置。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于断刀检测的新型智能刀柄系统，主要由标准刀柄、振动传感器、锂电池、信号调理电路、ADC转换电路、微处理电路系统、IO扩展电路、信号无线发射模块、外封装环、密封盖组成，其中，标准刀柄的法兰部分与下端的圆柱体部分之间置一个振动传感器，振动传感器下部穿过电路模块环与刀具相连接。电路模块环固定在标准刀柄上，位于振动传感器下端，电路模块环围绕着标准刀柄的下端圆柱体，电路模块环中安放锂电池、信号调理电路、ADC转换电路、嵌入式微处理电路系统及信号无线发射模块，沿信号传递方向信号调理电路、ADC转换电路、微处理电路系统、IO扩展电路及信号无线发射模块通过导线依次连接，锂电池与信号调理电路及ADC转换电路、微处理电路系统及IO扩展电路、信号无线发射模块均通过导线连接，电路模块环下端用密封盖固定。
本实用新型中，采用蓝牙无线传输技术将微处理器中的信息传输到计算机系统进行显示、处理。
本实用新型用于断刀检测的新型智能刀柄系统对原标准刀柄结构更改较
小，在不影响刀具安装、使用和机械手的抓取的情况下采集刀具振动信号，结构简单，适用性强，能够根据计算机处理过后的刀具的振动数据在线识别刀具的具体状态，根据故障特征报警或提醒操作员工甚至预测性的维护，有良好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是用于断刀检测的智能刀柄系统整体外观示意图；
图2是图1的侧视结构示意图；
图3是图2中从下往上的剖面图；
图4是本实用新型中所涉及的智能刀柄系统无线数据采集系统框图；
图中：1-标准刀柄，2-紧定螺钉，3-外装封环，4-密封盖，5-电路模块环，6-密封圈，7-振动传感器，8-信号调理电路及ADC转换电路，9-基于ARM的嵌入式微处理器系统及IO扩展电路，10-锂电池，11-信号无线发射模块，12-螺钉。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案作进一步的说明，但所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1至图3所示，本实用新型的基于物联网的振动监测智能刀柄系统主要由标准刀柄1、电路模块环5、紧定螺钉2、外装封环3、密封盖4、螺钉12、
振动传感器7、信号调理电路及ADC转换电路8、基于ARM的嵌入式微处理器系统及IO扩展电路9、锂电池10、信号无线发射模块11、密封圈6组成。
如图2和图3所示，本实用新型直接使用标准刀柄1为原型进行结构更改，在标准刀柄1的法兰部分与下端的圆柱体部分之间置一个振动传感器7，振动传感器7下部穿过电路模块环5与刀具相连接，当智能刀柄使用刀具工作时，刀具准备工作状态和正在工作即切削工件状态产生的振动都会被振动传感器7感知；电路模块环的尺寸参数，如内外圆直径、环高，因标准刀柄的内外直径的不同而不同，可以综合考虑刀柄的结构刚度要求与感知灵敏度指标，利用材料力学理论结合有限元仿真手段优化选择。
如图3所示，振动传感器7装配方式为：圆筒式呈圆柱体状的振动传感器7与标准刀柄法兰部分以外圈螺纹连接，振动传感器7下部分穿过电路模块环5与刀具刚性相接，用以满足采集振动信号的需求。
本实用新型中，外装封环3的作用是封装振动传感器7和电路模块环5。如图2所示，电路模块环5包括信号调理电路及ADC转换电路8、基于ARM的嵌入式微处理器系统及IO扩展电路9、信号无线发射模块11以及为整个电路系统供电的锂电池10均被封装在外装封环3中并通过紧定螺钉2固定在标准刀柄1上，振动传感器7与电路模块环5之间导线连接，电路模块环5中沿信号传递方向，信号调理电路和ADC转换电路8、微处理电路系统和IO扩展电路9及信号无线发射模块11通过导线依次连接，同时考虑系统能量供给，锂电池10与信号调理电路及ADC转换电路8、微处理电路系统及IO扩展电路9、信号无线发射模块11均通过导线连接，外装封环3上端抵靠机械手抓取端，下端用密封盖4通过螺钉12固定，密封盖4与标准刀柄1之间的间隙用密封圈6密封。
如图4所示，振动传感器7测量到刀具准备工作状态时和切削工件时的振动数据后，经过信号调理电路处理，再进行AD转换，最后由基于ARM的微处理电路系统数据采集提取，通过蓝牙无线传输到计算机系统进行数值分析和波形绘制，整个无线数据采集系统由锂电池10供电，无线传输系统基于蓝牙技术实现，满足了振动信号采集要求并实现了较低成本。
Claims (5)
1.一种用于断刀检测的新型智能刀柄，其特征在于所述一种用于断刀检测的新型智能刀柄由刀柄（1）、振动传感器（7）、电路模块环（5）、外装封环和密封盖组成；其中，刀柄（1）的法兰部分与下端的圆柱体部分之间置一个振动传感器（7），振动传感器（7）下部穿过电路模块环（5）与刀具相连接，电路模块环（5）固定在刀柄（1）上，位于振动传感器（7）下端，电路模块环（5）围绕着刀柄（1）的下端圆柱体，电路模块环（5）中安放锂电池（10）、信号调理电路和ADC转换电路（8）、嵌入式微处理电路系统（9）及信号无线发射模块（11），沿信号传递方向信号调理电路和ADC转换电路（8）、微处理电路系统和IO扩展电路（9）及信号无线发射模块（11）通过导线依次连接，锂电池（10）与信号调理电路及ADC转换电路（8）、微处理电路系统及IO扩展电路（9）、信号无线发射模块（11）均通过导线连接，电路模块环（5）下端用密封盖（4）固定。
2.根据权利要求1所述的一种用于断刀检测的新型智能刀柄，其特征在于所述刀柄（1）法兰部分和下端的圆柱体部分之间置一个振动传感器（7）。
3.根据权利要求1所述的一种用于断刀检测的新型智能刀柄，其特征在于所述的振动传感器（7）和电路模块环（5）均通过外装封环（3）封装。
4.根据权利要求1所述的一种用于断刀检测的新型智能刀柄，其特征在于所述外装封环（3）下端用密封盖（4）通过螺钉（12）固定。
5.根据权利要求1所述的一种用于断刀检测的新型智能刀柄，其特征在于所述密封盖（4）与刀柄（1）之间的间隙用密封圈（6）密封。
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| CN116922159A (zh) * | 2023-09-19 | 2023-10-24 | 上海航天壹亘智能科技有限公司 | 智能刀柄的加工方法及系统 |
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