CN105690183B - 一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置及其监测方法，它涉及一种机械加工领域。本发明为解决现有刀具磨损与破损的在线难以实时监测及控制的问题。监测装置包括测头、观察盖、采集发射机构、永磁吸盘和控制面板，观察盖设置在测头的下端，测头的上端设置有永磁吸盘，测头与永磁吸盘之间设有采集发射机构，观察盖的下端面上设有定位通孔，测头包括外壳体、定位机构和调节机构，定位机构和调节机构分别设置在外壳体的内部，调节机构上设有电涡流振动传感器。监测方法：安装刀具；确定电涡流振动传感器的位置；启动机床；建立信号模型；实时监测。本发明用于铣削刀具的实时监测及控制。

Description

一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及机械加工领域，具体涉及一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置及其监测方法。

背景技术

随着装备制造业的不断发展，制造智能化成为非常重要的趋势。人们已经普遍认识到，智能机械设备优于传统工业生产，其在未来必将代替广泛的传统工业生产不可逆转，中国制造业向智能化发展，均存在着巨大的空间。智能化制造工厂要求清楚掌握产销流程、提高生产过程的可控性、减少生产线人工干预、及时正确地搜集生产线数据、更加合理的生产计划编排与生产进度等，包括从产品开发到设计、外包、生产及交付等，生产制造的每个阶段都需要实现高度的自动化、智能化，并且各阶段的信息高度集成是必然趋势。对于中国制造业的产业升级来说已是必然选择。

数控铣削加工刀具异常工作状态监测对数控铣削实现产业升级十分重要，当刀具发生异常的工作状态(如磨损或破损)时，如不能及时发现并采取措施，将导致工件报废，甚至机床损坏，造成很大的损失。因此，对刀具状态进行在线实时监控非常重要。因为及时确定刀具磨损和破损的程度并进行在线实时监控，是提高生产过程自动化程度及保证产品质量，避免损坏机床、刀具、工件的关键要素之一。

振动信号是一种非常好的信息载体，其突出特点是频响范围宽，对切削过程中的异常反应敏感，所以适合用振动信号来检测刀具的使用情况。

发明内容

本发明为了解决现有刀具磨损与破损的在线难以实时监测及控制的问题，进而提出一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置及其监测方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置包括测头、观察盖、采集发射机构、永磁吸盘和控制面板，观察盖设置在测头的下端，测头的上端设置有永磁吸盘，测头与永磁吸盘之间设有采集发射机构，观察盖的下端面上设有定位通孔，测头包括外壳体、定位机构和调节机构，定位机构和调节机构分别设置在外壳体的内部，调节机构上设有电涡流振动传感器，电涡流振动传感器与采集发射机构连接，控制面板上设有无线接收器，无线接收器接收采集发射机构发出的信号，

外壳体的内部设有隔板，隔板上沿径向方向分别设有三个第一限位槽和三个第二限位槽，隔板的中部设有中间通孔，定位机构包括定位大锥齿轮、一组定位小锥齿轮和三个定位柱，调节机构包括调节大锥齿轮、一组调节小锥齿轮和三个卡爪，定位大锥齿轮和调节大锥齿轮对称设置在隔板的两端且定位大锥齿轮和调节大锥齿轮的端面分别向内设置，定位大锥齿轮和调节大锥齿轮的端面上均设有一组呈螺旋状分布的凸起，三个定位柱分别沿圆周方向对称设置在定位大锥齿轮的端面上，且每个定位柱分别设置在一个第一限位槽内，三个卡爪分别沿圆周方向对称设置，每个卡爪的形状均为L形，卡爪的一端设置在调节大锥齿轮的端面上，且每个卡爪的一端分别设置在一个第二限位槽内，卡爪的另一端设置在中间通孔内，卡爪另一端的末端的内侧均设有电涡流振动传感器，卡爪另一端的末端设置在观察盖内，三个定位柱和三个卡爪的侧壁上均沿螺旋状的凸起的方向设有一组螺旋凹槽，螺旋凹槽与凸起滑动连接，一组定位小锥齿轮分别沿圆周方向竖直对称设置且端部插装在外壳体的侧壁上，定位小锥齿轮分别与定位大锥齿轮相啮合，一组调节小锥齿轮分别沿圆周方向竖直对称设置且端部插装在外壳体的侧壁上，调节小锥齿轮分别与调节大锥齿轮相啮合。

一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置的监测方法包括如下步骤：

步骤一：安装刀具：首先根据刀柄的类型和尺寸选择合适的测头，将刀具从下端的定位通孔装入，将监测装置通过永磁吸盘吸附在主轴的上端，然后旋转定位小锥齿轮，使定位小锥齿轮带动定位大锥齿轮旋转，三个定位柱在螺旋状的凸起和第一限位槽的作用下沿径向方向向内夹紧刀柄；

步骤二：确定电涡流振动传感器的位置：旋转调节小锥齿轮，使调节小锥齿轮带动调节大锥齿轮旋转，三个卡爪在螺旋状的凸起和第二限位槽的作用下沿径向方向移动，调整电涡流振动传感器与刀柄之间的距离，使电涡流振动传感器到达所需位置；

步骤三：启动机床：首先反向旋转定位小锥齿轮，将三个定位柱沿径向方向退回，然后启动机床和检测装置；

步骤四：建立信号模型：电涡流振动传感器监测到的数据传送到采集卡中，采集卡把数据通过无线发射器发射出来，控制面板通过无线接收器接收数据信号，控制面板将正常工作状态下的数据进行保存并分析，进行标定和建模；

步骤五：实时监测：电涡流振动传感器监测到的数据传送到采集卡中，采集卡把数据通过无线发射器发射出来，控制面板通过无线接收器接收数据信号，将测得的数据信号与信号模型进行比较分析，如测得的数据信号发现异常，则自动启动控制面板中的安全控制器，刀具运行到安全的位置后停车并报警。

本发明与现有技术相比包含的有益效果是：

1、本发明提出了一种新的刀具异常工作状态监测方法和设备，当刀具发生异常工作状态如磨损或破损时，能够及时采取措施，可以实现对刀具状态进行实时监控。

2、本发明可以实现对刀具加工状态的可视化监控，极大地提高了测量精度。

3、本发明能够有效的保护工件和机床，能够提高生产过程自动化程度及保证产品质量。

4、本发明监测装置当发现异常时控制系统启动安全器，将刀具运行到安全的位置后停车并报警。

5、本发明采取三点定心定位方法，测量精度精确。

6、本发明采用永磁吸盘的吸附方式，使监测装置使用起来更方便。

7、本发明有效解决了由于刀具磨损或破损给生产带来损失的问题，从而大大的节约人力，并且提高生产效率，提高生产过程自动化程度及保证产品质量，避免损坏机床、刀具和工件。

附图说明

图1是本发明整体结构的轴测透视图；

图2是图1的主视图；

图3是图2的俯视图；

图4是本发明整体结构的轴测图；

图5是本发明中测头1的轴测图；

图6是本发明中定位机构和调节机构的主视图；

图7是图6的俯视图；

图8是本发明中定位机构的轴测图；

图9是本发明中调节机构的轴测图；

图10是图9的仰视图；

图11是本发明中定位柱1-4的轴测图；

图12是本发明中定位柱1-4的仰视图；

图13是本发明中卡爪1-7的轴测图；

图14是本发明中卡爪1-7的仰视图；

图15是本发明中观察盖2的轴测图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图15说明本实施方式，本实施方式所述一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置包括测头1、观察盖2、采集发射机构3、永磁吸盘4和控制面板，观察盖2设置在测头1的下端，测头1的上端设置有永磁吸盘4，测头1与永磁吸盘4之间设有采集发射机构3，观察盖2的下端面上设有定位通孔2-1，测头1包括外壳体1-1、定位机构和调节机构，定位机构和调节机构分别设置在外壳体1-1的内部，调节机构上设有电涡流振动传感器1-10，电涡流振动传感器1-10与采集发射机构3连接，控制面板上设有无线接收器，无线接收器接收采集发射机构3发出的信号，

外壳体1-1的内部设有隔板1-1-1，隔板1-1-1上沿径向方向分别设有三个第一限位槽1-1-2和三个第二限位槽1-1-3，隔板1-1-1的中部设有中间通孔1-1-4，定位机构包括定位大锥齿轮1-2、一组定位小锥齿轮1-3和三个定位柱1-4，调节机构包括调节大锥齿轮1-5、一组调节小锥齿轮1-6和三个卡爪1-7，定位大锥齿轮1-2和调节大锥齿轮1-5对称设置在隔板1-1-1的两端且定位大锥齿轮1-2和调节大锥齿轮1-5的端面分别向内设置，定位大锥齿轮1-2和调节大锥齿轮1-5的端面上均设有一组呈螺旋状分布的凸起1-8，三个定位柱1-4分别沿圆周方向对称设置在定位大锥齿轮1-2的端面上，且每个定位柱1-4分别设置在一个第一限位槽1-1-2内，三个卡爪1-7分别沿圆周方向对称设置，每个卡爪1-7的形状均为L形，卡爪1-7的一端设置在调节大锥齿轮1-5的端面上，且每个卡爪1-7的一端分别设置在一个第二限位槽1-1-3内，卡爪1-7的另一端设置在中间通孔1-1-4内，卡爪1-7另一端的末端的内侧均设有电涡流振动传感器1-10，卡爪1-7另一端的末端设置在观察盖2内，三个定位柱1-4和三个卡爪1-7的侧壁上均沿螺旋状的凸起1-8的方向设有一组螺旋凹槽1-9，螺旋凹槽1-9与凸起1-8滑动连接，一组定位小锥齿轮1-3分别沿圆周方向竖直对称设置且端部插装在外壳体1-1的侧壁上，定位小锥齿轮1-3分别与定位大锥齿轮1-2相啮合，一组调节小锥齿轮1-6分别沿圆周方向竖直对称设置且端部插装在外壳体1-1的侧壁上，调节小锥齿轮1-6分别与调节大锥齿轮1-5相啮合。

具体实施方式二：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置还包括关节轴承5，关节轴承5设置在采集发射机构3与测头1之间，测头1的上端通过锁紧螺钉6与关节轴承5连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

本实施方式中测头1与采集发射机构3之间通过关节轴承5连接，防止永磁吸盘4所吸附的上表面不平而影响测头1的定位，从而保证测量精度。

具体实施方式三：结合图1至图4和图15说明本实施方式，本实施方式所述观察盖2的定位通孔2-1上设有防尘圈2-2。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式二相同。

当机床带切削液运行时，切削液对测量精度的影响非常严重，本实施方式中通过防尘圈2-2实现全封闭式检测，从而保证测量精度。

具体实施方式四：结合图1至图4和图6至图10说明本实施方式，本实施方式所述定位小锥齿轮1-3和调节小锥齿轮1-6端部的端面上设有内六角孔1-11。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

如此设计利用工具插装在内六角孔1-11内，便于实现定位小锥齿轮1-3和调节小锥齿轮1-6的回转。

具体实施方式五：结合图1至图4和图6至图10说明本实施方式，本实施方式所述定位内六角孔1-11的边缘设有刻度。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式四相同。

本实施方式中可以通过刻度的观察，精确的改变电涡流振动传感器1-10与刀柄的距离，达到精密检测。

具体实施方式六：结合图1至图4和图6至图10说明本实施方式，本实施方式所述一组定位小锥齿轮1-3包括三个定位小锥齿轮1-3，一组调节小锥齿轮1-6包括三个调节小锥齿轮1-6。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述采集发射机构3包括采集卡、无线发射器和电源，电涡流振动传感器1-10通过采集卡与无线发射器连接，无线接收器接收无线发射器发出的信号，采集卡和无线发射器分别与电源连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图1至图15说明本实施方式，本实施方式所述一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置的监测方法包括如下步骤：

步骤一：安装刀具：首先根据刀柄的类型和尺寸选择合适的测头1，将刀具从下端的定位通孔2-1装入，将监测装置通过永磁吸盘4吸附在主轴的上端，然后旋转定位小锥齿轮1-3，使定位小锥齿轮1-3带动定位大锥齿轮1-2旋转，三个定位柱1-4在螺旋状的凸起1-8和第一限位槽1-1-2的作用下沿径向方向向内夹紧刀柄；

步骤二：确定电涡流振动传感器1-10的位置：旋转调节小锥齿轮1-6，使调节小锥齿轮1-6带动调节大锥齿轮1-5旋转，三个卡爪1-7在螺旋状的凸起1-8和第二限位槽1-1-3的作用下沿径向方向移动，调整电涡流振动传感器1-10与刀柄之间的距离，使电涡流振动传感器1-10到达所需位置；

步骤三：启动机床：首先反向旋转定位小锥齿轮1-3，将三个定位柱1-4沿径向方向退回，然后启动机床和检测装置；

步骤四：建立信号模型：电涡流振动传感器1-10监测到的数据传送到采集卡中，采集卡把数据通过无线发射器发射出来，控制面板通过无线接收器接收数据信号，控制面板将正常工作状态下的数据进行保存并分析，进行标定和建模；

步骤五：实时监测：电涡流振动传感器1-10监测到的数据传送到采集卡中，采集卡把数据通过无线发射器发射出来，控制面板通过无线接收器接收数据信号，将测得的数据信号与信号模型进行比较分析，如测得的数据信号发现异常，则自动启动控制面板中的安全控制器，将刀具运行到安全的位置后停车并报警。

具体实施方式九：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述步骤一中在三个定位柱1-4夹紧刀柄后，调整关节轴承5的角度和位置，然后旋紧关节轴承5上的锁紧螺钉6，调整并固定测头1的位置。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式八相同。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置，其特征在于：所述一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置包括测头(1)、观察盖(2)、采集发射机构(3)、永磁吸盘(4)和控制面板，观察盖(2)设置在测头(1)的下端，测头(1)的上端设置有永磁吸盘(4)，测头(1)与永磁吸盘(4)之间设有采集发射机构(3)，观察盖(2)的下端面上设有定位通孔(2-1)，测头(1)包括外壳体(1-1)、定位机构和调节机构，定位机构和调节机构分别设置在外壳体(1-1)的内部，调节机构上设有电涡流振动传感器(1-10)，电涡流振动传感器(1-10)与采集发射机构(3)连接，控制面板上设有无线接收器，无线接收器接收采集发射机构(3)发出的信号，

外壳体(1-1)的内部设有隔板(1-1-1)，隔板(1-1-1)上沿径向方向分别设有三个第一限位槽(1-1-2)和三个第二限位槽(1-1-3)，隔板(1-1-1)的中部设有中间通孔(1-1-4)，定位机构包括定位大锥齿轮(1-2)、一组定位小锥齿轮(1-3)和三个定位柱(1-4)，调节机构包括调节大锥齿轮(1-5)、一组调节小锥齿轮(1-6)和三个卡爪(1-7)，定位大锥齿轮(1-2)和调节大锥齿轮(1-5)对称设置在隔板(1-1-1)的两端且定位大锥齿轮(1-2)和调节大锥齿轮(1-5)的端面分别向内设置，定位大锥齿轮(1-2)和调节大锥齿轮(1-5)的端面上均设有一组呈螺旋状分布的凸起(1-8)，三个定位柱(1-4)分别沿圆周方向对称设置在定位大锥齿轮(1-2)的端面上，且每个定位柱(1-4)分别设置在一个第一限位槽(1-1-2)内，三个卡爪(1-7)分别沿圆周方向对称设置，每个卡爪(1-7)的形状均为L形，卡爪(1-7)的一端设置在调节大锥齿轮(1-5)的端面上，且每个卡爪(1-7)的一端分别设置在一个第二限位槽(1-1-3)内，卡爪(1-7)的另一端设置在中间通孔(1-1-4)内，卡爪(1-7)另一端的末端的内侧均设有电涡流振动传感器(1-10)，卡爪(1-7)另一端的末端设置在观察盖(2)内，三个定位柱(1-4)和三个卡爪(1-7)的侧壁上均沿螺旋状的凸起(1-8)的方向设有一组螺旋凹槽(1-9)，螺旋凹槽(1-9)与凸起(1-8)滑动连接，一组定位小锥齿轮(1-3)分别沿圆周方向竖直对称设置且端部插装在外壳体(1-1)的侧壁上，定位小锥齿轮(1-3)分别与定位大锥齿轮(1-2)相啮合，一组调节小锥齿轮(1-6)分别沿圆周方向竖直对称设置且端部插装在外壳体(1-1)的侧壁上，调节小锥齿轮(1-6)分别与调节大锥齿轮(1-5)相啮合。

2.根据权利要求1所述一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置，其特征在于：所述一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置还包括关节轴承(5)，关节轴承(5)设置在采集发射机构(3)与测头(1)之间，测头(1)的上端通过锁紧螺钉(6)与关节轴承(5)连接。

3.根据权利要求2所述一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置，其特征在于：所述观察盖(2)的定位通孔(2-1)上设有防尘圈(2-2)。

4.根据权利要求1所述一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置，其特征在于：所述定位小锥齿轮(1-3)和调节小锥齿轮(1-6)端部的端面上设有内六角孔(1-11)。

5.根据权利要求4所述一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置，其特征在于：所述内六角孔(1-11)的边缘设有刻度。

6.根据权利要求1、3、4或5所述一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置，其特征在于：所述一组定位小锥齿轮(1-3)包括三个定位小锥齿轮(1-3)，一组调节小锥齿轮(1-6)包括三个调节小锥齿轮(1-6)。

7.根据权利要求6所述一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置，其特征在于：所述采集发射机构(3)包括采集卡、无线发射器和电源，电涡流振动传感器(1-10)通过采集卡与无线发射器连接，无线接收器接收无线发射器发出的信号，采集卡和无线发射器分别与电源连接。

8.一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置的监测方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤一：安装刀具：首先根据刀柄的类型和尺寸选择合适的测头(1)，将刀具从下端的定位通孔(2-1)装入，将监测装置通过永磁吸盘(4)吸附在主轴的上端，然后旋转定位小锥齿轮(1-3)，使定位小锥齿轮(1-3)带动定位大锥齿轮(1-2)旋转，三个定位柱(1-4)在螺旋状的凸起(1-8)和第一限位槽(1-1-2)的作用下沿径向方向向内夹紧刀柄；

步骤二：确定电涡流振动传感器(1-10)的位置：旋转调节小锥齿轮(1-6)，使调节小锥齿轮(1-6)带动调节大锥齿轮(1-5)旋转，三个卡爪(1-7)在螺旋状的凸起(1-8)和第二限位槽(1-1-3)的作用下沿径向方向移动，调整电涡流振动传感器(1-10)与刀柄之间的距离，使电涡流振动传感器(1-10)到达所需位置；

步骤三：启动机床：首先反向旋转定位小锥齿轮(1-3)，将三个定位柱(1-4)沿径向方向退回，然后启动机床和检测装置；

步骤四：建立信号模型：电涡流振动传感器(1-10)监测到的数据传送到采集卡中，采集卡把数据通过无线发射器发射出来，控制面板通过无线接收器接收数据信号，控制面板将正常工作状态下的数据进行保存并分析，进行标定和建模；

步骤五：实时监测：电涡流振动传感器(1-10)监测到的数据传送到采集卡中，采集卡把数据通过无线发射器发射出来，控制面板通过无线接收器接收数据信号，将测得的数据信号与信号模型进行比较分析，如测得的数据信号发现异常，则自动启动控制面板中的安全控制器，将刀具运行到安全的位置后停车并报警。

9.根据权利要求8所述一种数控铣削刀具异常工作状态的监测装置的监测方法，其特征在于：所述步骤一中在三个定位柱(1-4)夹紧刀柄后，调整关节轴承(5)的角度和位置，然后旋紧关节轴承(5)上的锁紧螺钉(6)，调整并固定测头(1)的位置。