本發(fā)明屬于測試技術(shù)領(lǐng)域，涉及銑削加工時銑削力或扭矩的在線實時監(jiān)測技術(shù)。

背景技術(shù)：

機械加工中，70-80％的零件的成型是通過切削加工進(jìn)行的，銑削作為切削加工中極其重要的一種形式在先進(jìn)制造中扮演重要角色。在銑削加工中銑刀的狀態(tài)對加工質(zhì)量、效率、成本具有重要影響，主要表現(xiàn)在影響加工廠品的尺寸精度和表面質(zhì)量、可能對工件或者是機床保持架等造成損壞、直接影響機器的停機時間和非預(yù)期停機影響生產(chǎn)效率三方面。刀具切削狀態(tài)對于保證加工質(zhì)量、實現(xiàn)連續(xù)自動化加工非常重要，并且保證其效率最大化的關(guān)鍵就是刀具的磨損狀態(tài)的監(jiān)測。銑削力和扭矩作為銑削過程中重要的特征參數(shù)，其監(jiān)測技術(shù)一直是國內(nèi)外研究與應(yīng)用最多的銑削過程監(jiān)測方法之一，因此通過銑削力和扭矩來監(jiān)測銑刀狀態(tài)對提高加工質(zhì)量、保護(hù)加工設(shè)備和工件具有重要意義。

現(xiàn)有的銑削測力傳感器大多為臺式，將待加工零件安裝在銑削測力儀上通過檢測待加工零件所受到的力從而獲得銑刀的受力。然而這種方式存在顯而易見的缺點就是受限于測力傳感器的大小，所安裝的待加工零件不能太大，并且零件高度不能太大，不然在銑削加工時會給傳感器帶來附加的力或力矩干擾傳感器正常工作，使用范圍極其有限。現(xiàn)有的傳感器也有安裝在銑床主軸或刀柄上的，但是這種方式需要在銑床主軸或刀柄上加裝一系列零部件，影響正常的銑削加工過程。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種銑削力、扭矩的監(jiān)測方法、系統(tǒng)及刀柄傳感器，克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺點。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種銑削力、扭矩監(jiān)測方法，將數(shù)據(jù)采樣部件、AD轉(zhuǎn)換部件、無線發(fā)射部件、相關(guān)電路及電池集成于刀柄內(nèi)部形成刀柄傳感器，無需外接數(shù)據(jù)線；使用所述電池為刀柄內(nèi)部的系統(tǒng)供電；將數(shù)據(jù)采樣部件獲得的信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換所得的數(shù)據(jù)打包通過無線通信的方式發(fā)送到外部處理系統(tǒng)，由外部處理系統(tǒng)完成實時顯示、存儲、信號分析功能。

進(jìn)一步，將所述刀柄傳感器安裝在銑床上時自動通電開機，將其由銑床上取下之后自動斷電待機。

優(yōu)選地，將所述刀柄傳感器安裝在主軸上，通過光電方式控制電路導(dǎo)通，由刀柄傳感器內(nèi)置電池開始為整個系統(tǒng)供電；通過電源電路板將內(nèi)置電池的供電電壓轉(zhuǎn)換成各部件所需要的不同電壓，同時對電源進(jìn)行相關(guān)操作保證供電電壓的穩(wěn)定；采集切削加工中的銑削力信號、扭矩信并轉(zhuǎn)換成電信號，進(jìn)行濾波、放大系列調(diào)理，再將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，處理后通過無線的方式發(fā)送出去；當(dāng)所述刀柄傳感器從銑床主軸上取下時，通過光電方式控制電路自動斷開，系統(tǒng)供電停止不再繼續(xù)工作。

一種實現(xiàn)上述方法的銑削力、扭矩監(jiān)測系統(tǒng)，包括刀柄傳感器和外部處理系統(tǒng)，所述刀柄傳感器包括集成于刀柄內(nèi)部的數(shù)據(jù)采樣部件、AD轉(zhuǎn)換部件、無線發(fā)射部件、相關(guān)電路及電池；所述電池為刀柄傳感器供電，所述無線發(fā)射裝置將刀柄傳感器所采集到的信號發(fā)射到外部處理系統(tǒng)中。

優(yōu)選地，所述刀柄傳感器包括彈簧夾頭螺母、彈簧夾頭、接線電路板、防護(hù)罩、彈性擋圈、FPGA電路板、電路板擋圈、充電插座、電源電路板、光電開關(guān)電路、電池、信號調(diào)理電路板、防護(hù)罩、無線模塊、集成傳感器、刀柄本體、光電開關(guān)擋片；

銑刀夾在彈簧夾頭上，所述彈簧夾頭安裝在刀柄本體上；集成傳感器的輸出線穿過第一過線孔焊在接線電路板上；接線線路板固定在刀柄本體上，在接線電路板的外側(cè)安裝有防護(hù)罩防止使用過程中銑削液或灰塵沾染到接線電路板上；在刀柄本體內(nèi)部放置三塊電路板，從上到下分別為電源電路板、信號調(diào)理電路板和FPGA電路板，三塊電路板在垂直方向上通過第一電路板擋圈和第二電路板擋圈隔開，第一電路板擋圈和第二電路板擋圈上設(shè)有缺口用于電路板之間走線；無線模塊的供電和輸入輸出線通過第二過線孔和相應(yīng)的電路板連接。

優(yōu)選地，所述刀柄傳感器中所有的線焊在接線電路板上，通過接線電路板上焊盤間的走線來完成整個系統(tǒng)的布線工作使得內(nèi)部走線緊湊牢靠。

優(yōu)選地，所述三塊電路板的軸向定位靠彈性擋圈實現(xiàn)，在FPGA電路板和彈性擋圈之間墊有電路板壓蓋；光電開關(guān)電路和充電插座通過膠粘的方式固定在刀柄本體上。

優(yōu)選地，銑刀夾在彈簧夾頭上，所述彈簧夾頭安裝在刀柄本體上，兩者通過圓錐面配合定位。

優(yōu)選地，接線線路板通過螺釘固定在刀柄本體上；通過緊定螺釘使電池上壓蓋和電池下壓蓋夾緊電池從而達(dá)到將電池固定在刀柄本體內(nèi)部的目的；無線模塊通過螺釘連接的方式連接在刀柄本體上，無線模塊外側(cè)所安裝的防護(hù)罩同樣通過螺釘?shù)姆绞竭B接在刀柄本體上。

優(yōu)選地，所述外部處理系統(tǒng)包括通過串口線連接的數(shù)據(jù)接收處理硬件和計算機，所述數(shù)據(jù)接收處理硬件包括相互連接配合的電源、FPGA電路、無線接收模塊。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明將傳感器集成在刀柄上并且采用了內(nèi)置電池的電源方案和無線數(shù)據(jù)傳輸，使得傳感器所需零部件完全集成在刀柄內(nèi)部，使得傳感器在使用時，和普通刀柄一樣，傳感器上無需外接數(shù)據(jù)線也沒有多余的附件，只需將刀柄式傳感器和普通刀柄一樣安裝在銑床上，傳感器會自動開始開機、取下之后會自動斷電待機。刀柄傳感器的外形和普通刀柄無異，采用內(nèi)置電池供電以及無線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，絲毫不影響正常的銑削加工。

附圖說明

圖1為本發(fā)明刀柄式銑削力、扭矩測試系統(tǒng)中刀柄式傳感器實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明刀柄式銑削力、扭矩測試系統(tǒng)實施例的數(shù)據(jù)接收處理部分示意圖。

圖中標(biāo)記：1-銑刀，2-彈簧夾頭螺母，3-彈簧夾頭，4-接線電路板，5-防護(hù)罩，6-彈性擋圈，7-FPGA電路板，8-第一過線孔，9-第一電路板擋圈，10-充電插座，11-電源電路板，12-光電開關(guān)電路，13-緊定螺釘，14-電池上壓蓋，15-充電鋰電池，16-電池下壓蓋，17-信號調(diào)理電路板，18-第二過線孔，19-第二電路板擋圈，20-電路板壓蓋，21-防護(hù)罩，22-無線模塊，23-集成傳感器，24-刀柄本體，25-數(shù)據(jù)接收處理硬件，26-RS232串口線，27-計算機,28-光電開關(guān)擋片。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

請參閱圖1，為本發(fā)明的刀柄式傳感器實施例的結(jié)構(gòu)，包括：彈簧夾頭螺母2、彈簧夾頭3、接線電路板4、防護(hù)罩5、彈性擋圈6、FPGA電路板7、第一過線孔8、第一電路板擋圈9、充電插座10、電源電路板11、光電開關(guān)電路12、緊定螺釘13、電池上壓蓋14、充電鋰電池15、電池下壓蓋16、信號調(diào)理電路板17、第二過線孔18、第二電路板擋圈19、電路板壓蓋20、防護(hù)罩21、無線模塊22、集成傳感器23、刀柄本體24、光電開關(guān)擋片28。

銑刀1夾在彈簧夾頭3上，彈簧夾頭3通過彈簧夾頭螺母2安裝在刀柄本體24上，兩者通過圓錐面配合定位。集成傳感器23的輸出線穿過第一過線孔8焊在接線電路板4上。接線線路板4通過四個螺釘固定在刀柄本體24上，在接線電路板4的外側(cè)安裝有防護(hù)罩5，防止在實際使用過程中銑削液或灰塵沾染到接線電路板4上，同樣防護(hù)罩也是通過螺釘連接的方式連接到刀柄本體上。在刀柄本體24內(nèi)部放置有三塊電路板，從上到下分別為電源電路板11、信號調(diào)理電路板17和FPGA電路板7，三塊電路板在垂直方向上通過第一電路板擋圈9和第二電路板擋圈19隔開，第一電路板擋圈9和第二電路板擋圈19上設(shè)有缺口用于電路板之間走線。三塊電路板11、17、7的軸向定位靠彈性擋圈6實現(xiàn)，在FPGA電路板7和彈性擋圈之間墊有電路板壓蓋20。光電開關(guān)電路12和充電插座10通過膠粘的方式固定在刀柄本體24上。通過緊定螺釘13使電池上壓蓋14和電池下壓蓋16夾緊充電鋰電池15從而達(dá)到將充電鋰電池固定在刀柄本體24內(nèi)部的目的，充電鋰電池15正負(fù)極焊有引出線。無線模塊22通過螺釘連接的方式連接在刀柄本體24上，無線模塊22外側(cè)所安裝的防護(hù)罩21同樣也是通過螺釘?shù)姆绞竭B接在刀柄本體24上。無線模塊的供電和輸入輸出線通過過線孔18和相應(yīng)的電路板連接。需要在刀柄本體24內(nèi)部狹小的空間內(nèi)完成復(fù)雜的板間布線工作，因此先將所有的線焊在接線電路板4上，通過接線電路板上焊盤間的走線來完成整個系統(tǒng)的布線工作，使得內(nèi)部走線緊湊牢靠。數(shù)據(jù)接收處理硬件25包括電源、FPGA電路、無線接收模塊，數(shù)據(jù)接收處理硬件25通過RS232串口線26和計算機27相連接。

當(dāng)?shù)侗姐娤髁?、扭矩傳感器被安裝在主軸上時，光電開關(guān)電路12中的反射式光電開關(guān)利用主軸內(nèi)錐面充當(dāng)遮光面，實現(xiàn)光信號的反射，這樣光電開關(guān)電路12自動導(dǎo)通，充電鋰電池15開始為整個系統(tǒng)供電。光電開關(guān)電路12外安裝有透明的光電開關(guān)擋片28，可以實現(xiàn)對光電開關(guān)電路12的保護(hù)，且不影響光信號的傳遞。電源電路板11將充電鋰電池15的供電電壓轉(zhuǎn)換成電路板7和17上眾多芯片、無線模塊22、集成傳感器23所需要的不同電壓，同時對電源進(jìn)行濾波等操作保證供電電壓的穩(wěn)定。在切削加工中的銑削力信號、扭矩信號被集成傳感器23轉(zhuǎn)換成電信號，將集成傳感器23的輸出通過接線電路板4傳遞給信號調(diào)理電路板17。信號經(jīng)過調(diào)理電路板17進(jìn)行濾波、放大等一系列調(diào)理之后通過接線電路板4傳遞給FPGA電路板7。此時來自集成傳感器23的信號依舊為模擬信號，需要FPGA電路板7將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行一定的處理，同時FPGA電路板7配置無線模塊22將處理好的數(shù)字信號通過無線的方式發(fā)送出去。當(dāng)使用完畢刀柄式銑削力、扭矩傳感器從銑床主軸上取下時，光電開關(guān)電路12自動斷開，系統(tǒng)供電停止不再繼續(xù)工作。銑削力、扭矩信號數(shù)據(jù)由刀柄24中的無線模塊22發(fā)出之后被數(shù)據(jù)接收處理硬件25中的無線模塊所接收，并傳遞給數(shù)據(jù)接收處理硬件25中的FPGA，經(jīng)過一定的處理之后通過RS232串口線26傳遞給計算機27。計算機通過LabVIEW上位機程序可以將接收到的數(shù)據(jù)在相應(yīng)通道中實時地顯示出波形，同時將每個通道的數(shù)據(jù)存儲計算機硬盤中，以進(jìn)行進(jìn)一步的信號分析，如圖2所示。無線模塊和RS232串口通信為工業(yè)領(lǐng)域中經(jīng)常使用和成熟的技術(shù)，此不贅述。

綜上所述，圖1所示的本發(fā)明的刀柄式傳感器的結(jié)構(gòu)，集成有硬件電路，數(shù)據(jù)采樣、AD轉(zhuǎn)換均在內(nèi)部進(jìn)行，將所得的數(shù)據(jù)打包通過無線的方式發(fā)送出來，由圖2所示的處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)包接收、處理。本發(fā)明將傳感器集成在刀柄上并且采用了內(nèi)置電池的電源方案和無線數(shù)據(jù)傳輸，使得傳感器所需零部件完全集成在刀柄內(nèi)部，使得傳感器在使用時，和普通刀柄一樣，傳感器上無需外接數(shù)據(jù)線也沒有多余的附件，只需將刀柄式傳感器和普通刀柄一樣安裝在銑床上，傳感器會自動開始開機、取下之后會自動斷電待機。

圖1所示傳感器的外形和普通刀柄無異，采用內(nèi)置電池供電以及無線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，絲毫不影響正常的銑削加工。

如果是傳統(tǒng)的臺式測力計，若零件過大，那么相對應(yīng)的零件的重量就會很大，僅僅是將零件安裝在測力傳感器上之后就會給傳感器施加一個很大的力，但往往傳感器在保證相同的靈敏度情況下量程有限。傳感器本意是測量銑削加工時的銑削力，銑削力的作用點為銑刀和零件相接觸的位置，若零件高度過大，銑刀和零件的接觸位置變高，那么當(dāng)銑削力作用在零件上之相對于傳感器的安裝平面就會產(chǎn)生一個力矩，在銑削力大小一定的情況下，零件越高這個力矩越大，從而會干擾傳感器的正常工作。

上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。