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一种数控机床用电主轴粘屑检测系统

发明公布  在审
申请(专利)号:CN201811586548.3国省代码:山东 37
申请(专利权)人:烟台大学
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摘要:
本发明公开了一种数控机床用电主轴粘屑检测系统,包括:锥形夹具本体、电源模块、传感器模块、信号处理模块、信号发射模块;所述电源模块、传感器模块、信号处理模块、信号发射模块布置在所述锥形夹具的外表面上;所述传感器模块为连接成全桥电路的至少4片电阻应变片;所述电阻应变片均匀地分布在所述锥形夹具外圆表面上;所述信号处理模块用于将所述传感器模块检测到的微弱模拟信号转化成数字信号;所述信号发射模块用于将测得数据无线的发射出去。本发明提供的检测装置集成在主轴上的锥形夹具上,采用全桥检测线路,测量敏感度高;报警临界值可预设,不需要频繁标定数值,提高检测的稳定性和可靠性。

主权项:
1.一种数控机床用电主轴粘屑检测系统,其特征在于,包括锥形夹具本体、电源模块、传感器模块、信号处理模块、信号发射模块;所述电源模块、传感器模块、信号处理模块、信号发射模块布置在所述锥形夹具本体的外表面上;所述电源模块分别与所述传感器模块、信号处理模块、信号发射模块电连接;所述传感器模块、信号处理模块、信号发射模块依次串联;其中所述电源模块用于提供工作电源;所述传感器模块为连接成全桥电路的至少4片电阻应变片;所述电阻应变片均匀地分布在所述锥形夹具本体靠近刀头工作部的外圆表面上;所述信号处理模块用于将所述传感器模块检测到的微弱模拟信号转化成数字信号;所述信号发射模块用于将所述信号处理模块转换后的数字化电压信号无线发射出去。


说明书

一种数控机床用电主轴粘屑检测系统

技术领域

本发明涉及数控机床领域,尤其涉及一种数控机床用电主轴粘屑检测系统。

背景技术

数控机床是装备制造业的工作母机,加工中心是数控机床的第一要员。加工中心
由于工序的集中和自动换刀,减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间,使机床的切削时
间达到机床开动时间的80%左右(普通机床仅为15~20%);同时也减少了工序之间的工件
周转、搬运和存放时间,缩短了生产周期,具有明显的经济效果。加工中心适用于零件形状
比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产,对加工航空、航天、船舶、汽车和
模具等产品的制造业,都需要高档加工中心作为其重要的生产工具。高效、精密、可靠、智能
是加工中心的主要发展趋势。

随着对高精度零件要求的不断提高,加工精度己经由毫米级、微米级向亚微米级
甚至纳米级发展,在高精度加工过程中,主轴夹屑造成的刀具不对中会严重影响工件的加
工质量。由于加工中心主轴夹屑造成的刀柄不对中问题一直是世界各国机床制造业面临的
难题。

主轴夹屑的位置主要是两处:一是在刀柄上表面和锥形夹具下表面之间的缝隙
中,二是在锥形夹具和刀柄接触的锥面上。在实际应用中发现:以上两处夹屑位置产生夹屑
故障都发生在加工中心换刀过程中。因此,若能在刀柄预装进锥形夹具过程中,检测和预警
主轴夹屑故障,则可以避免主轴夹屑对零件加工质量产生影响。

现有技术中对刀具是否对中的检测方法主要有传统的接触式测量方法以及刀柄
内置传感器的检测方法。

接触式测量技术虽然在工件定位、坐标设定、测量零件的几何尺寸和三维形状、刀
具参数、刀具磨损检测等方面有一定的应用,但是却存在受力不均、测量时间长,测量点空
间分辨率不够高、不能测量软质物体等先天缺陷。同时,由于受到离心力的影响,接触式传
感器在机床主轴高速旋转、切削加工等场合的应用也受到很大的限制。

刀柄内置传感器的检测方法,虽然很好的弥补了传统接触式测量方法的不足,但
由于机械加工过程中,加工一个工件可能要使用多把不同规格的刀具,如果所有的刀柄都
带有相同传感器检测装置,无疑会增加产品的生产成本,降低产品的市场竞争力,并且造成
资源浪费,违背绿色环保可持续发展的原则。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷,本发明所要解决的技术问题是:如何快速便捷的检测
出数控机床的电主轴是否夹屑。

为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:

一种数控机床用电主轴粘屑检测系统,包括:锥形夹具本体、电源模块、传感器模块、信
号处理模块、信号发射模块;所述电源模块、传感器模块、信号处理模块、信号发射模块布置
在所述锥形夹具本体的外表面上;所述电源模块分别与所述传感器模块、信号处理模块、信
号发射模块电连接;所述传感器模块、信号处理模块、信号发射模块依次串联;其中

所述电源模块用于提供工作电源;

所述传感器模块为连接成全桥电路的至少4片电阻应变片;所述电阻应变片均匀地分
布在所述锥形夹具本体靠近刀头工作部的外圆表面上;

所述信号处理模块用于将所述传感器模块检测到的微弱模拟电压信号放大后转化成
数字信号;

所述信号发射模块用于将所述信号处理模块转换后的数字化电压信号无线的发射出
去。

在上述技术方案的基础上,本发明还可以做如下改进。

进一步的,所述电源模块采用无线射频供电,所述信号发射模块采用无线射频发
射。

进一步的,所述传感器模块为4、8、12或16片电阻应变片。

进一步地,所述数控机床用电主轴粘屑检测系统,还包括电主轴外壳和套装于所
述电主轴外壳内的电主轴;所述锥形夹具本体同轴固定于所述电主轴的一端。电主轴外壳
主要其固定支撑作用,并不会随电主轴的旋转而旋转。

进一步的,所述数控机床用电主轴粘屑检测系统还包括无线供电模块,所述无线
供电模块包括环绕安装在所述锥形夹具本体上的受电线圈以及环绕安装在所述电主轴外
壳端部的供电线圈,所述供电线圈围绕在所述受电线圈外部,所述受电线圈与所述电源模
块电连接,所述供电线圈与外部电源电连接,所述供电线圈与所述无线受电线圈组成一对
相互耦合的线圈。

进一步的,所述数控机床用电主轴粘屑检测系统还包括数据处理模块,所述数据
处理模块用于接收所述信号发射模块传输的数据并进行计算处理,从而判断主轴是否有夹
屑情况存在;可以提前预设或更改测得数据的报警阈值,避免因刀柄加工精度导致的误判,
当测得数据超过报警阈值时,向数控机床的控制系统发送重新换刀指令。

进一步的,所述数控机床用电主轴粘屑检测系统还包括警报模块,当测得数据触
发报警时,所述警报模块会发出声光报警。

与现有技术相比,本发明具有如下技术效果:

1、本发明的数控机床用电主轴粘屑检测系统集成在主轴上的锥形夹具本体上,主轴上
的锥形夹具本体不需要频繁的更换,故一套加工中心只需要一套夹具或检测系统即可,实
现节约资源,降低产品生产成本;

2、采用全桥检测线路,测量敏感度高;报警阈值可调,数值稳定,不需要频繁标定数值,
提高检测的精确性、稳定性和可靠性;

3、实现数据的无线传输及电能的无线传输,解决了行业内刀头检测装置供电难、数据
传输难的问题;

4、便捷的实现主轴粘屑的检测,提高了加工中心的工作稳定性。

附图说明

图1为本发明的数控机床用电主轴粘屑检测系统的结构示意图;

图2为图1中A-A 向剖视图;

图3为图1中B-B 向剖视图;

图4为图1中C-C 向剖视图;

图5为实施例中无线传输电能工作原理示意图;

图6为本发明的检测工作原理示意框图。

在附图中,各标号所表示的部件名称列表如下:

1 、刀柄,2 、锥形夹具本体,3、传感器模块,31、电阻应变片,32、环氧树脂,4、信号处理
模块,41、电压放大组件,42、A/D转换组件 ,5、电源模块,6、无线供电模块,61、供电线圈,
62、受电线圈,7、信号发射模块,8、电主轴外壳,9、数据处理模块,10、警报模块,11、外部电
源。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并
非用于限定本发明的范围。

请参照图1~图6所示,所述数控机床用电主轴粘屑检测系统包括:锥形夹具本体2、
传感器模块3、信号处理模块4、电源模块5、无线供电模块6、信号发射模块7、电主轴外壳8、
套装于所述电主轴外壳8内的电主轴、数据处理模块9、警报模块10、外部电源11;

所述传感器模块3、信号处理模块4、电源模块5、信号发射模块7布置在所述锥形夹具本
体2的外圆表面上;所述电源模块5分别与所述传感器模块3、信号处理模块4、信号发射模块
7电连接;所述传感器模块3、信号处理模块4、信号发射模块7依次串联;

其中所述传感器模块3为连接成全桥电路的8片电阻应变片31;所述电阻应变片31均匀
地分布在所述锥形夹具本体2靠近刀头工作部的外圆表面上;并由环氧树脂32固定保护。

所述信号处理模块4包括电压放大组件41和A/D转换组件42,用于将所述传感器模
块3检测到的微弱模拟电压信号放大并转化成数字信号;

所述信号发射模块7用于将所述信号处理模块4转换后的数字化电压信号无线的发射
出去。

调整好的全桥检测电路输出电压为零。

当换刀后主轴夹屑,无论是刀柄1锥面夹屑还是刀柄1端面夹屑,碎屑的存在都会
使得锥形夹具本体2外圆表面受力不再均匀,会造成锥形夹具本体2外圆应力变化不均匀,
此时贴在外圆表面的电阻应变片31的电阻会有所变化,进而全桥电路失去平衡,全桥电路
输出电压信号,通过观测全桥电路输出电压的变化范围,可以判断主轴是否夹屑。

所述电源模块5用于提供工作电源;

所述无线供电模块6包括环绕安装在所述锥形夹具本体2上的受电线圈62以及环绕安
装在所述电主轴外壳端部的供电线圈61,所述供电线圈61围绕在所述受电线圈62外部,所
述受电线圈62与所述电源模块5电连接,所述供电线圈61与外部电源11电连接,所述供电线
圈61与所述受电线圈62组成一对相互耦合的线圈。即供电线圈61相当于变压器的初级线
圈,受电线圈62相当于变压器的次级线圈,通以交流电,可以实现电能的无线传输。

所述外部电源11为交流电,所述电源模块5内包含有整流电路,所述整流电路将所
述无线供电模块6无线传输来的交流电整流成直流电,供各个模块使用。

所述电主轴外壳8主要其固定支撑作用,并不会随电主轴的旋转而旋转。

所述数据处理模块9用于接收所述信号发射模块7传输的数据并进行计算处理,即
判断信号发射模块7发来的电压值是否超过设定的测得数据的报警阈值,用于判断是否有
主轴夹屑的情况存在;可以预设或更改测得数据的报警阈值,当测得数据超过报警阈值时,
向机床的控制系统发送重新换刀指令。

由于刀柄制造时误差的存在是不可避免的,故每把刀安装后,锥形夹具本体2都会
有一定的应力变化,这种变化同样会导致布局在锥形夹具本体2表面的全桥电路检测出来,
但是这样的变化应该在允许范围内,故可以通过调高测得数据的报警阈值,避免因为刀柄
加工误差导致的误报,提高本系统的工作稳定性。

所述警报模块10用来向工作人员发出报警信号,当测得数据触发报警时,所述警
报模块会发出声光报警。

由此,本发明的电主轴粘屑检测系统主要集成在主轴上的锥形夹具本体上,主轴
上的锥形夹具本体不需要频繁的更换,故一套加工中心只需要一套检测系统即可,实现节
约资源,降低产品生产成本。本发明采用全桥检测线路,测量敏感度高;报警阈值可调,故不
需要频繁标定数值,提高了检测的精确性、稳定性和可靠性;...

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图1
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