本發(fā)明涉及一種用于金屬切削過(guò)程中對(duì)刀柄的切削力信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，屬于切削力測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前傳統(tǒng)的在線振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般包括傳感器、預(yù)處理電路、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集卡以及PC終端等，而且多數(shù)傳感器采用的是固定式有線加速度傳感器來(lái)完成振動(dòng)信號(hào)采集，通常將傳感器直接粘貼在主軸殼體上、工件上、夾具上或者工作臺(tái)上，振動(dòng)信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)叫盘?hào)放大器，經(jīng)濾波和放大后被數(shù)據(jù)采集卡接收，然后經(jīng)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)絇C終端進(jìn)行顯示和儲(chǔ)存。一般來(lái)講，切削振動(dòng)主要指的是刀具的振動(dòng)，已有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)越是遠(yuǎn)離刀尖的地方，振動(dòng)信號(hào)的幅值越小，刀柄法蘭處的幅值僅為刀尖處的16％，由此可見(jiàn)傳感器的安裝位置對(duì)振動(dòng)信號(hào)采集的重要性。然而在切削過(guò)程中刀具始終處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，安裝方式的局限對(duì)振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)造成了巨大的阻礙。

為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了兩種方案，一種是將傳感器集成到機(jī)床主軸上，另一種是集成到銑刀刀柄上。相較于調(diào)整復(fù)雜的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)，將傳感器集成到刀柄上更容易實(shí)現(xiàn)，并且刀柄可以在不同的數(shù)控機(jī)床間使用，應(yīng)用方式更加靈活、方便，可以更快地實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種隨動(dòng)集成式切削振動(dòng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，改變現(xiàn)有的切削力測(cè)量方案，將加速度傳感器集成到數(shù)控機(jī)床刀柄上，測(cè)試時(shí)與刀具一同旋轉(zhuǎn)，此時(shí)刀具受到的切削力會(huì)直接作用在加速度傳感器上，從而突破對(duì)工件尺寸、安裝約束等限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)切削力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及安裝拆卸方便、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的隨動(dòng)集成式切削振動(dòng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用以下技術(shù)方案：

該系統(tǒng)，包括刀柄隨動(dòng)模塊、無(wú)線供電發(fā)射模塊和數(shù)據(jù)接收模塊；所述刀柄隨動(dòng)模塊包括刀柄和刀柄隨動(dòng)體，刀柄隨動(dòng)體連接在刀柄的下端，刀柄內(nèi)設(shè)置有加速度傳感器，刀柄隨動(dòng)體內(nèi)設(shè)置有前置調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線通信模塊和無(wú)線供電接收模塊，加速度傳感器、前置調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和無(wú)線通信模塊依次連接并均與無(wú)線供電接收模塊連接，刀柄隨動(dòng)體上還設(shè)置有光電編碼器模塊；無(wú)線供電發(fā)射模塊與無(wú)線供電接收模塊無(wú)線連接，數(shù)據(jù)接收模塊與無(wú)線通信模塊無(wú)線連接。

所述加速度傳感器通過(guò)預(yù)緊螺栓固定在刀柄的底端，且處于刀柄的軸線上。

所述前置調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和無(wú)線通信模塊均安裝在模塊支架上。

所述光電編碼器模塊包括安裝在所述刀柄隨動(dòng)體上的光柵讀頭和固定在機(jī)床主軸下端的環(huán)形光柵尺。

所述刀柄隨動(dòng)體的上端面安裝有平衡環(huán)。

所述無(wú)線供電接收模塊包括無(wú)線供電接收電路、第一鐵氧體片、接收線圈、第一保持架、第一中繼線圈和封板，接收線圈和第一中繼線圈分別卡裝在第一保持架的上下兩面，第一保持架與第一鐵氧體片和封板固定在一起，無(wú)線供電接收電路與接收線圈連接。通過(guò)封板將無(wú)線供電接收模塊連接于刀柄隨動(dòng)體內(nèi)。

所述無(wú)線供電發(fā)射模塊包括無(wú)線供電發(fā)射電路、第二鐵氧體片、第二中繼線圈、第二保持架、發(fā)射線圈和外殼，第二鐵氧體片、第二中繼線圈、無(wú)線供電發(fā)射電路、第二保持架和發(fā)射線圈由上至下依次設(shè)置在外殼內(nèi)，無(wú)線供電發(fā)射電路與發(fā)射線圈連接。

所述發(fā)射線圈、第二中繼線圈、接收線圈和第一中繼線圈均由3～5層線圈并聯(lián)繞制且每層線圈均為平面盤(pán)型漸開(kāi)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠增大空間磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅值并降低等效電感的量值。

在切削過(guò)程中，集成在刀柄軸線上的三軸加速度傳感器實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)出刀具的振動(dòng)信號(hào)，原始振動(dòng)信號(hào)經(jīng)前置調(diào)理模塊濾波和放大后，由數(shù)據(jù)采集模塊接收并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存，同時(shí)接收光電編碼器模塊采集的刀具旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)，然后將振動(dòng)信號(hào)和角度信號(hào)通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送出去，被數(shù)據(jù)接收模塊接收、處理并實(shí)時(shí)顯示。

本發(fā)明切削力測(cè)量精度高，能夠隨動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證了切削力信號(hào)強(qiáng)度。解決了現(xiàn)有切削力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度低，無(wú)法隨動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、切削力信號(hào)衰減嚴(yán)重等問(wèn)題。相比于現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的有益效果：

1.本發(fā)明將加速度傳感器集成到標(biāo)準(zhǔn)刀柄上，直接獲得刀具本身的振動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)了測(cè)振點(diǎn)與切削區(qū)域的相對(duì)位置保持不變，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀具振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

2.本發(fā)明采用電磁耦合諧共振原理實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸，為用電模塊提供了非接觸、連續(xù)的能量供給，克服了接觸式電能傳輸碳刷磨損快、發(fā)熱量大、刀具轉(zhuǎn)速過(guò)低等缺點(diǎn)，且相比于感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸，電磁耦合諧共振無(wú)線電能傳輸?shù)哪芰績(jī)H能傳輸給具有相同共振頻率的接收線圈，能量損失小，可實(shí)現(xiàn)更高傳輸效率和更長(zhǎng)的傳輸距離，同時(shí)對(duì)線圈位置的限制相對(duì)更少，有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備簡(jiǎn)化和更加自由的設(shè)備布局，便于工程應(yīng)用。

3.采用WiFi無(wú)線信號(hào)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的傳輸，從而使信號(hào)接收端不用再使用數(shù)據(jù)線接收信號(hào)，突破了傳感器安裝方式的局限。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明隨動(dòng)集成式切削振動(dòng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖2是本發(fā)明中刀柄隨動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明中加速度傳感器的安裝結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明中模塊組合體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5和圖6是本發(fā)明中光電編碼器模塊的安裝示意圖。

圖7是本發(fā)明中無(wú)線供電接收模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8是本發(fā)明中無(wú)線供電發(fā)射模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1.刀柄隨動(dòng)模塊，2.無(wú)線供電發(fā)射模塊，3.電纜，4.電源，5.機(jī)床主軸，6.數(shù)據(jù)接收模塊，7.刀柄，8.刀具連接部，9.刀柄隨動(dòng)體,10.模塊組合體，11.無(wú)線供電接收模塊，12.加速度傳感器，13.預(yù)緊螺栓,14.無(wú)線供電接收電路，15.前置調(diào)理模塊，16.模塊支架，17.數(shù)據(jù)采集模塊，18.無(wú)線通信模塊，19.平衡環(huán)，20.光柵讀頭，21.環(huán)形光柵尺，22.第一鐵氧體片，23.接收線圈，24.第一保持架，25.第一中繼線圈，26.封板，27.第二鐵氧體片，28.第二中繼線圈，29.無(wú)線供電發(fā)射電路，30.第二保持架，31.發(fā)射線圈，32.外殼。

具體實(shí)施方式

本申請(qǐng)的隨動(dòng)集成式切削振動(dòng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1和圖2所示，包括刀柄隨動(dòng)模塊1、無(wú)線供電發(fā)射模塊2和數(shù)據(jù)接收模塊6。無(wú)線供電發(fā)射模塊2通過(guò)電纜3與電源4連接，無(wú)線供電發(fā)射模塊2和數(shù)據(jù)接收模塊6分別以無(wú)線方式與刀柄隨動(dòng)模塊1連接。使用時(shí)，刀柄隨動(dòng)模塊1安裝在機(jī)床主軸5上。

如圖2所示，刀柄隨動(dòng)模塊1包括刀柄7、刀柄隨動(dòng)體9、模塊組合體10和無(wú)線供電接收模塊11，無(wú)線供電接收模塊11安裝在模塊組合體10的底部，模塊組合體10安裝在刀柄隨動(dòng)體9內(nèi)，刀柄隨動(dòng)體9連接在刀柄7的下端，刀柄隨動(dòng)體9套裝在刀柄7上刀具連接部8的外部。

如圖3所示，加速度傳感器12是采集切削力信號(hào)的主體，選用三軸內(nèi)置電荷放大器的壓電晶體加速度傳感器，采用型號(hào)為356A17的ICP壓電加速度傳感器，采集切削過(guò)程中三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)。加速度傳感器12通過(guò)螺釘安裝在其底座上，加速度傳感器12通過(guò)其底座粘貼在螺栓13的上端面，螺栓13安裝于刀柄7內(nèi)孔中。螺栓13下端面加工有內(nèi)六角孔，方便安裝，將加速度傳感器12安裝在刀柄7的軸線上，避免了刀柄高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力對(duì)水平方向振動(dòng)信號(hào)的影響。通過(guò)在刀柄7的側(cè)壁上打孔，采用數(shù)據(jù)線將加速度傳感器12和前置調(diào)理模塊15連接起來(lái)。

如圖4所示，前置調(diào)理模塊15、數(shù)據(jù)采集模塊17、無(wú)線通信模塊18和無(wú)線供電接收電路14分別通過(guò)螺釘安裝在模塊支架16上，構(gòu)成模塊組合體10(參見(jiàn)圖2)。前置調(diào)理模塊15、數(shù)據(jù)采集模塊17和無(wú)線通信模塊18依次連接在一起，且均與無(wú)線供電接收電路14連接。模塊支架16通過(guò)螺釘與刀柄隨動(dòng)體9一同安裝在刀柄7的下端面上。

前置調(diào)理模塊15用于為加速度傳感器12提供恒流電源，并將加速度傳感器12輸出的疊加在直流偏壓上的交流振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，并通過(guò)CR高通隔直，隔掉直流變壓，采用現(xiàn)有常規(guī)電路。數(shù)據(jù)采集模塊17用于接收來(lái)自前置調(diào)理模塊15處理后的交流加速度模態(tài)信號(hào)，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并儲(chǔ)存，并接收來(lái)自光電編碼器模塊的角度信號(hào)。無(wú)線通信模塊18采用wifi傳輸技術(shù)，將切削力和角度的數(shù)字信號(hào)通過(guò)WiFi傳輸出去，然后被數(shù)據(jù)接收模塊6接收。無(wú)線供電接收電路14是無(wú)線供電接收模塊11中的整流調(diào)壓模塊，均采用現(xiàn)有常用電路，作用是將高頻交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的5V直流電，其主要包括整流、濾波及穩(wěn)壓電路，采用全橋整流電路將接收線圈23接收到的高頻交流電轉(zhuǎn)化為脈沖直流電，采用RC-π型濾波電路以保證比較穩(wěn)定的直流電壓輸出，然后經(jīng)ZM4751型穩(wěn)壓二極管使得輸出電壓穩(wěn)定在5V左右。無(wú)線供電接收電路14分別通過(guò)導(dǎo)線與前置調(diào)理模塊15、數(shù)據(jù)采集模塊17、無(wú)線通信模塊18相連，為各模塊提供直流電。

數(shù)據(jù)采集模塊6采用Cortex-M4為內(nèi)核的STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的模擬切削力信號(hào)通過(guò)STM32芯片內(nèi)嵌的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將切削力信號(hào)和角度信號(hào)經(jīng)SPI總線傳入無(wú)線通信模塊18。

無(wú)線通信模塊18采用EL-M150芯片為核心，基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在接收到切削力信號(hào)和角度信號(hào)后，建立WiFi通信鏈路，將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)接收模塊(上位機(jī))6，然后由數(shù)據(jù)接收模塊6對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理。

如圖5和圖6所示，本發(fā)明的光電編碼器模塊采用Reni shaw光柵讀數(shù)系統(tǒng)，將光柵讀頭20通過(guò)螺釘安裝在刀柄隨動(dòng)體9上，同時(shí)將環(huán)形光柵尺21固定在機(jī)床主軸5的下端面上。在刀具旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵讀頭20跟隨刀具一塊旋轉(zhuǎn)，通過(guò)讀取環(huán)形光柵尺21上的刻度，輸出數(shù)字角度信號(hào)。為了確保刀柄隨動(dòng)體9的動(dòng)平衡特性，在刀柄隨動(dòng)體9的上端面通過(guò)螺釘安裝平衡環(huán)19，以便在做刀柄動(dòng)平衡測(cè)試時(shí)在其上進(jìn)行鉆孔等操作去除刀柄的偏重，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀柄不平衡量的調(diào)整。

本發(fā)明中采用電磁耦合諧振電能傳輸方式，為刀柄隨動(dòng)模塊1內(nèi)的所有模塊和加速度傳感器12供電。包括無(wú)線供電發(fā)射模塊2、無(wú)線供電接收模塊11和電源4。無(wú)線供電接收模塊11通過(guò)電纜3與電源4連接(參見(jiàn)圖1)。

如圖7所示，無(wú)線供電接收模塊11包括無(wú)線供電接收電路14、第一鐵氧體片22、接收線圈23、第一保持架24、第一中繼線圈25和封板26。如前所述，無(wú)線供電接收電路14安裝在模塊支架16上，并與接收線圈23通過(guò)導(dǎo)線連接。接收線圈23和第一中繼線圈25分別卡裝在第一保持架24的上下兩面，第一保持架24正反兩面上設(shè)計(jì)有弧形卡槽分別用于固定接收線圈23和第一中繼線圈25。通過(guò)膠水將第一保持架24正反卡槽的端面與第一鐵氧體片22和封板26固定在一起，然后將封板26通過(guò)螺紋連接于刀柄隨動(dòng)體9內(nèi)。第一鐵氧體片22可以屏蔽刀柄7和機(jī)床主軸5部分金屬障礙物對(duì)無(wú)線供電接收模塊11的干擾，增強(qiáng)無(wú)線感應(yīng)信號(hào)從而減少磁場(chǎng)能量的損失。

如圖8所示，無(wú)線供電發(fā)射模塊2包括第二鐵氧體片27、第二中繼線圈28、無(wú)線供電發(fā)射電路29、第二保持架30、發(fā)射線圈31和外殼32。第二鐵氧體片27、第二中繼線圈28、無(wú)線供電發(fā)射電路29、第二保持架30和發(fā)射線圈31由上至下依次設(shè)置在外殼32內(nèi)。第二中繼線圈28和無(wú)線供電發(fā)射電路29設(shè)置在第二保持架30的上面，無(wú)線供電發(fā)射電路29處于第二中繼線圈28和第二保持架30之間，發(fā)射線圈31設(shè)置于第二保持架30的底面。第二保持架30的正反兩面上設(shè)計(jì)有弧形卡槽分別用于固定發(fā)射線圈31和第二中繼線圈28。第二鐵氧體片27粘結(jié)在外殼32上。

無(wú)線供電發(fā)射電路29是高頻逆變電路，其通過(guò)電纜3與電源4相連，并與發(fā)射線圈23通過(guò)導(dǎo)線相連，本發(fā)明采用E類(lèi)逆變電路，其作用是將輸入的直流電轉(zhuǎn)化成高頻率的交流電。

發(fā)射線圈31、第二中繼線圈28、接收線圈23、第一中繼線圈25均由3～5層線圈并聯(lián)繞制且每層線圈均為平面盤(pán)型漸開(kāi)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠增大空間磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅值并降低等效電感的量值。

調(diào)整好電源4所需參數(shù)后，由電纜3將直流電傳輸?shù)桨l(fā)射電路29上，發(fā)射電路與發(fā)射線圈31相連，高頻逆變后的高頻率交流電通過(guò)發(fā)射線圈31轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l磁能，由發(fā)射線圈31、第二中繼線圈28、接收線圈23和第一中繼線圈25四個(gè)共振體之間相互電磁耦合諧共振進(jìn)行能量的傳輸，接收線圈23將高頻磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為高頻交流電，無(wú)線供電接收電路14將接收到的高頻交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能提供給所有用電模塊。

在切削過(guò)程中，加速度傳感器12實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)出刀具的切削力信號(hào)，原始切削力信號(hào)經(jīng)前置調(diào)理模塊15濾波和放大后，由數(shù)據(jù)采集模塊17接收并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存。數(shù)據(jù)采集模塊17同時(shí)接收光電編碼器模塊采集的刀具旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)，然后將切削力信號(hào)和角度信號(hào)通過(guò)無(wú)線通信模塊18發(fā)送出去，被數(shù)據(jù)接收模塊6接收、處理并實(shí)時(shí)顯示。