本發(fā)明涉及一種用于金屬切削過程中對刀柄的切削力信號實時監(jiān)測的系統(tǒng)，屬于切削力測試技術領域。

背景技術：

切削力是切削加工中的一種極為重要的物理現(xiàn)象，直接影響切削效率、切削過程安全、加工變形、加工表面質量和刀具磨損等，切削力大小的變化能實時反映出刀具的磨損情況，并能為提高加工精度、金屬切削機理研究和加工工藝研究提供理論依據(jù)，因此切削力的精確、實時監(jiān)測對提高加工技術水平有著極為重要的意義。

目前應為最為廣泛的動態(tài)切削力測量系統(tǒng)為臺式壓電式切削測力儀，其安裝在機床工作臺和被測工件之間，切削力信號通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)叫盘柗糯笃?，?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終端進行顯示和儲存。這種切削測力儀通常都對工件尺寸和安裝約束有限制，另外，由于機床工作臺的振動和工件材料去除量變化引起的慣性力也會造成測量的不確定性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種隨動集成式切削力智能監(jiān)測系統(tǒng)，改變現(xiàn)有的切削力測量方案，將力傳感器集成到數(shù)控機床刀柄上，測試時與刀具一同旋轉，此時刀具受到的切削力會直接作用在力傳感器上，從而突破對工件尺寸、安裝約束等限制，實現(xiàn)對切削力的實時監(jiān)測，該系統(tǒng)具有靈敏度高、結構簡單以及安裝拆卸方便、易于維護等優(yōu)點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的隨動集成式切削力智能監(jiān)測系統(tǒng)，采用以下技術方案：

該系統(tǒng)，包括刀柄隨動模塊、無線供電發(fā)射模塊和數(shù)據(jù)接收模塊；所述刀柄隨動模塊包括刀柄、刀具連接體和刀柄隨動體，刀柄隨動體和刀具連接體均連接在刀柄的下端，刀柄隨動體套裝在刀具連接體的外部，刀柄底端設置有力傳感器，刀柄隨動體內(nèi)設置有前置調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊和無線供電接收模塊，力傳感器、前置調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和無線通信模塊依次連接并均與無線供電接收模塊連接，刀柄隨動體上還設置有光電編碼器模塊；無線供電發(fā)射模塊與無線供電接收模塊連接無線，數(shù)據(jù)接收模塊與無線通信模塊無線連接。

所述力傳感器通過預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體上的光柵讀頭和固定在機床主軸下端的環(huán)形光柵尺。

所述刀柄隨動體的上端面安裝有平衡環(huán)。

所述無線供電接收模塊包括第一鐵氧體片、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。通過封板將無線供電接收模塊連接于刀柄隨動體內(nèi)

所述無線供電發(fā)射模塊包括第二鐵氧體片、第二中繼線圈、發(fā)射電路、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、發(fā)射電路、第二保持架和發(fā)射線圈由上至下依次設置在外殼內(nèi)。

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型漸開結構，這種結構能夠增大空間磁場強度的幅值并降低等效電感的量值。

在切削過程中，力傳感器實時地監(jiān)測出刀具的切削力信號，原始切削力信號經(jīng)前置調(diào)理模塊濾波和放大后，由數(shù)據(jù)采集模塊接收并進行A/D轉換和儲存。數(shù)據(jù)采集模塊同時接收光電編碼器模塊采集的刀具旋轉角度信號，然后將切削力信號和角度信號通過無線通信模塊發(fā)送出去，被數(shù)據(jù)接收模塊接收、處理并實時顯示。

本發(fā)明切削力測量精度高，能夠隨動實時監(jiān)控，保證了切削力信號強度。解決了現(xiàn)有切削力測量系統(tǒng)測量精度低，無法隨動實時監(jiān)控、切削力信號衰減嚴重等問題。相比于現(xiàn)有技術實現(xiàn)的有益效果：

1.本發(fā)明將力傳感器直集成到刀柄上，突破了對工件尺寸、安裝約束等限制，實現(xiàn)對切削力的實時監(jiān)測，該系統(tǒng)具有靈敏度高、結構簡單以及安裝拆卸方便、易于維護等優(yōu)點。

2.本發(fā)明采用電磁耦合諧共振原理實現(xiàn)電能的無線傳輸，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、刀具轉速過低等缺點，且相比于感應式無線電能傳輸，電磁耦合諧共振無線電能傳輸?shù)哪芰績H能傳輸給具有相同共振頻率的接收線圈，能量損失小，可實現(xiàn)更高傳輸效率和更長的傳輸距離，同時對線圈位置的限制相對更少，有利于實現(xiàn)設備簡化和更加自由的設備布局，便于工程應用。

3.采用WiFi無線信號傳輸技術實現(xiàn)了信號的傳輸，從而使信號接收端不用再使用數(shù)據(jù)線接收信號，突破了傳感器安裝方式的局限。

附圖說明

圖1是本發(fā)明隨動集成式切削力智能監(jiān)測系統(tǒng)的整體結構原理示意圖。

圖2是本發(fā)明中刀柄隨動模塊的結構示意圖。

圖3是本發(fā)明中力傳感器的安裝結構示意圖。

圖4是本發(fā)明中模塊組合體的結構示意圖。

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)明中無線供電接收模塊的結構示意圖。

圖8是本發(fā)明中無線供電發(fā)射模塊的結構示意圖。

圖中：1.刀柄隨動模塊，2.無線供電發(fā)射模塊，3.電纜，4.電源，5.機床主軸，6.數(shù)據(jù)接收模塊，7.刀柄，8.刀具連接體，9.刀柄隨動體,10.模塊組合體，11.無線供電接收模塊，12.力傳感器，13.預緊螺栓,14.無線供電接收電路，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。

具體實施方式

本申請的隨動集成式切削力智能監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1和圖2所示，包括刀柄隨動模塊1、無線供電發(fā)射模塊2和數(shù)據(jù)接收模塊6。無線供電發(fā)射模塊2通過電纜3與電源4連接，無線供電發(fā)射模塊2和數(shù)據(jù)接收模塊6分別以無線方式與刀柄隨動模塊1連接。使用時，刀柄隨動模塊1安裝在機床主軸5上。

如圖2所示，刀柄隨動模塊1包括刀柄7、刀具連接體8、刀柄隨動體9、模塊組合體10和無線供電接收模塊11，無線供電接收模塊11安裝在模塊組合體10的底部，模塊組合體10安裝在刀柄隨動體9內(nèi)，刀柄隨動體9和刀具連接體8均連接在刀柄7的下端，刀柄隨動體9套裝在刀具連接體8的外部。

如圖3所示，力傳感器12是采集切削力信號的主體，采用三軸壓電力傳感器，以采集切削過程中三個方向的切削力信號，其體積小，可以集成到刀柄內(nèi)孔中。力傳感器12通過預緊螺栓13固定在刀柄7的底端。為了確保力傳感器12的測試范圍滿足切削力的測量要求，預緊力為70kN，預緊螺栓13端面加工有內(nèi)六角孔，方便安裝，將力傳感器12安裝在刀柄7的軸線上，以避免刀柄7高速旋轉產(chǎn)生的離心力對水平方向切削力信號的影響。刀柄7的底部設置有刀具連接體8，力傳感器12被包裹在刀具連接體8內(nèi)。

如圖4所示，前置調(diào)理模塊15、數(shù)據(jù)采集模塊17、無線通信模塊18和無線供電接收電路14分別通過螺釘安裝在模塊支架16上，構成模塊組合體10(參見圖2)。前置調(diào)理模塊15、數(shù)據(jù)采集模塊17和無線通信模塊18依次連接在一起，且均與無線供電接收電路14連接。模塊支架16通過螺釘與刀柄隨動體9一同安裝在刀柄7的下端面上。前置調(diào)理模塊15用于對力傳感器12輸出的切削力模擬信號進行濾波和放大，采用現(xiàn)有常規(guī)電路。數(shù)據(jù)采集模塊17用于接收來自前置調(diào)理電路板15處理后的切削力模態(tài)信號，然后進行A/D轉換并儲存，并接收來自光電編碼器模塊的角度信號。無線通信模塊18采用wi fi傳輸技術，將切削力和角度的數(shù)字信號通過WiFi傳輸出去，然后被數(shù)據(jù)接收模塊6接收。無線供電接收電路14是無線供電接收模塊11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。無線供電接收電路14分別通過導線與前置調(diào)理模塊15、數(shù)據(jù)采集模塊17、無線通信模塊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單片機進行數(shù)據(jù)采集，將采集到的模擬切削力信號通過STM32芯片內(nèi)嵌的A/D轉換器轉換為數(shù)字信號，然后將切削力信號和角度信號經(jīng)SPI總線傳入無線通信模塊18。

無線通信模塊18采用EL-M150芯片為核心，基于IEEE802.11標準的無線局域網(wǎng)協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，在接收到切削力信號和角度信號后，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)，然后由數(shù)據(jù)接收模塊6對數(shù)據(jù)進行整合處理。

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通過螺釘安裝在刀柄隨動體9上，同時將環(huán)形光柵尺21固定在機床主軸5的下端面上。在刀具旋轉時，光柵讀頭20跟隨刀具一塊旋轉，通過讀取環(huán)形光柵尺21上的刻度，輸出數(shù)字角度信號。為了確保刀柄隨動體9的動平衡特性，在刀柄隨動體9的上端面通過螺釘安裝平衡環(huán)19，以便在做刀柄動平衡測試時在其上進行鉆孔等操作去除刀柄的偏重，實現(xiàn)對刀柄不平衡量的調(diào)整。

本發(fā)明中采用電磁耦合諧振電能傳輸方式，為刀柄隨動模塊1內(nèi)的所有模塊和力傳感器12供電。包括無線供電發(fā)射模塊2、無線供電接收模塊11和電源4。無線供電接收模塊11通過電纜3與電源4連接(參見圖1)。

如圖7所示，無線供電接收模塊11包括第一鐵氧體片22、接收線圈23、第一保持架24、第一中繼線圈25和封板26。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正反兩面上設計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通過螺紋連接于刀柄隨動體9內(nèi)。第一鐵氧體片22可以屏蔽刀柄7和機床主軸5部分金屬障礙物對無線供電接收模塊11的干擾，增強無線感應信號從而減少磁場能量的損失。

如圖8所示，無線供電發(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由上至下依次設置在外殼32內(nèi)。第二中繼線圈28和發(fā)射電路29設置在第二保持架30的上面，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設置于第二保持架30的底面。第二保持架30的正反兩面上設計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粘結在外殼32上。

無線供電發(fā)射電路29是高頻逆變電路，其通過電纜3與電源4相連，并與發(fā)射線圈23通過導線相連，本發(fā)明采用E類逆變電路，其作用是將輸入的直流電轉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型漸開結構，這種結構能夠增大空間磁場強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發(fā)射線圈31轉變?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25四個共振體之間相互電磁耦合諧共振進行電能的傳輸，接收線圈23將高頻磁場轉化為高頻交流電，無線供電接收電路14將接收到的高頻交流電轉化為穩(wěn)定的電能提供給所有用電模塊。

在切削過程中，力傳感器12實時地監(jiān)測出刀具的切削力信號，原始切削力信號經(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接收并進行A/D轉換和儲存。數(shù)據(jù)采集模塊17同時接收光電編碼器模塊采集的刀具旋轉角度信號，然后將切削力信號和角度信號通過無線通信模塊18發(fā)送出去，被數(shù)據(jù)接收模塊6接收、處理并實時顯示。