一种机床主轴实时扭矩无线测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种机床主轴实时扭矩无线测量系统，包括信号采集和发射部分及远程监控部分，其中：所述信号采集和发射部分包括安装于机床主轴的刀柄组件、扭矩传感器和卡罩，所述远程监控部分包括无线信号接收装置和计算机处理系统，无线信号接收装置接收所述信号采集和发射部分发出的信号，并传输到所述计算机处理系统进行数据管理和存储显示。本发明避免了接触疲劳磨损问题，并且保护测量电路；使用基于GPRS的无线信号传输方式，传输距离远，传输数据率高；采用远程监控系统实时监控加工过程中扭矩信号的变化，实现了对加工过程的状态管理、控制及安全预警。
【专利说明】一种机床主轴实时扭矩无线测量系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机械加工的机床加工监控领域，具体地，涉及一种机床主轴实时扭矩 无线测量系统。
【背景技术】
[0002] 在机床加工过程中，通过对机床主轴扭矩信号的检测可以实时了解机床的加工状 态，为制定和优化工艺参数以及加工过程的故障预警提供依据。如何将旋转轴的测量扭矩 信号传输出去是扭矩测量的重点，目前广泛使用有线和无线的方式对扭矩信号进行传输， 有线方式以集电环为代表，但是集电环的使用限制了轴的转速，存在旋转接触疲劳磨损等 问题，并且存在线长干扰。无线扭矩传输的方式受到越来越多的关注。
[0003] 经过对现有技术的文献检索发现，宋谦、马树元、黄杰等人在传感器与微系统 (2013年第32卷第6期）发表的"基于ZigBee的无线扭矩测量系统研宄"，该文采用应变 计作为敏感元件，测量装置固定于旋转轴上，通过ZigBee无线传输协议将测得数据发送到 无线接收装置上，然后通过串口传输给计算机。该文涉及的技术内容主要存在以下的缺陷 和不足：（1)测量扭矩时需要保证整个测量装置的密闭性，且是大空间的密闭性；（2)应变 片电路完全暴露在加工车间，没有防护措施，易损坏；(3)采用基于ZigBee无线传输方式， 虽然成本低，功耗低，但是传输距离近、数据率低；(4)只是对扭矩信号进行实时采集，并未 利用远程监控系统实行数据的管理以及安全预警。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种机床主轴实时扭矩无线测量系 统，该系统安装使用方便、操作简单、传输数据率高。
[0005]本发明提供一种机床主轴实时扭矩无线测量系统，包括信号采集和发射部分及远 程监控部分，其中：
[0006]所述信号采集和发射部分包括：安装于机床主轴的刀柄组件、扭矩传感器和卡罩， 其中：所述扭矩传感器采用电阻应变片式，由电阻应变片组成全臂测量电桥安装在刀柄组 件上；所述卡罩套在刀柄组件上，用于密闭电阻应变片保护测量电路；
[0007]所述远程监控部分包括：无线信号接收装置和计算机处理系统，其中：
[0008]所述无线信号接收装置接收信号采集和发射部分发出的信号，并传输到计算机处 理系统进行数据管理和存储显示；
[0009]所述计算机处理系统包括扭矩信号监控系统和扭矩信号数据库，扭矩信号监控系 统对接收到的信号进行滤波、A/D转换，并根据电阻应变片测量电桥的输出电压与电阻应 变、电阻应变与主轴扭矩之间的计算关系将其转化为扭矩值，并将其显示在显示屏上实时 观察加工过程中扭矩信号的变化，另外设定扭矩安全阈值，当加工过程中的扭矩信号值超 过阈值时进行报警以提醒工作人员加工过程的安全性，在加工结束后将监控得到的电流、 电压、扭矩信号、采集时间等信号传输到扭矩信号数据库；所述扭矩信号数据库存储并更新 实时监测的电流、电压、扭矩信号。
[0010] 优选地，所述扭矩传感器采用电阻应变片式，应变片采用应变簇并对称的粘贴于 刀柄组件中的旋转轴上。
[0011] 更优选地，所述应变簇包含相互垂直的两片应变片。
[0012] 优选地，所述卡罩采用环形结构，套在刀柄组件上，并随刀柄组件一起转动。
[0013] 优选地，所述卡罩内部安装电源和无线信号发射装置，无线信号发射装置与电阻 应变片测量电桥相连接，电源为电阻应变片测量电桥和无线信号发射装置供电。
[0014] 优选地，所述无线信号发射装置和无线信号接收装置采用基于GPRS的传输方式， 具有实时在线、传输速率高、安装灵活、方便可靠的特点。
[0015] 优选地，所述扭矩信号监控系统包括：ARM单片机、扭矩监控系统RS485串行接口 和计算机，其中：无线信号接收装置接收无线信号发射装置发出的信号，该信号通过RS485 串行接口传输到ARM单片机进行数据滤波和A/D转换处理，处理后的信号通过扭矩监控系 统RS485串行接口传输给计算机进行扭矩信号的转换、分析处理，并将其显示在显示屏上 实时观察加工过程中扭矩信号的变化，另外设定扭矩安全阈值，当加工过程中的扭矩信号 值超过阈值时进行报警以提醒工作人员加工过程的安全性。计算机中相关功能的实现可以 基于虚拟仪器LabVIEW软件开发平台，LabVIEW具备强大、可靠的信号处理能力，便于研宄、 提取扭矩信号、电压信号和电流信号的特征，同时，LabVIEW也具备较强的数据库操作功能。
[0016]优选地，所述扭矩信号数据库包括：数据库服务器和数据库系统Socket接口，其 中：数据库服务器存储机床编号、刀具序列号、加工任务、加工过程中的电流、电压、扭矩信 号以及采集时间，并通过数据库系统Socket接口与扭矩信号监控系统相连，用以传输机床 编号、刀具序列号、加工任务、加工过程中的电流、电压、扭矩信号以及采集时间。
[0017] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0018] (1)卡罩内安装电源和与电阻应变片测量电桥相连的无线信号发射装置，与旋转 轴之间无相对转动，避免了接触疲劳磨损问题，并且卡罩密闭电阻应变片，保护测量电路；
[0019] (2)使用基于GPRS的无线信号传输方式，避免线长干扰问题，使无线信号接收装 置远离加工区域，传输距离远，传输数据率高；
[0020] (3)采用远程监控系统实时监控加工过程中扭矩信号的变化，实现了对加工过程 的状态管理、控制及安全预警。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0022] 图1为本发明扭矩信号的采集和发射部分的示意图；
[0023] 图2为本发明扭矩信号的远程监控部分的示意图；
[0024] 图3为电阻应变片测量电桥。
[0025] 图中：1 一电阻应变片测量电桥；2-刀柄组件；3-无线信号发射装置；4一电源； 5-卡罩；6、7-导线；8-无线信号接收装置；10-ARM单片机；9、11 一扭矩监控系统RS485 串行接口；12-PC机；13-数据库系统Socket接口；14一扭矩信号数据库。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0027] 本实施例提供一种机床主轴实时扭矩无线测量系统，包括信号采集和发射部分及 远程监控部分。
[0028] 如图1所示，所述信号采集和发射部分包括：安装于机床主轴的刀柄组件2、扭矩 传感器和卡罩5,其中：扭矩传感器采用电阻应变片式，由电阻应变片组成的全臂测量电桥 1安装在刀柄组件2上；卡罩5套在刀柄组件2上，并密闭电阻应变片保护测量电路。
[0029] 本实施例中，所述组成全臂测量电桥1中的电阻应变片采用应变簇的形式，并对 称的粘贴于旋转轴上，每一应变簇包含相互垂直的两片应变片。
[0030] 本实施例中，所述卡罩5内安装纽扣电池电源4和无线信号发射装置3,其中：无 线信号发射装置3和电阻应变片测量电桥1通过导线7相连，电源4和无线信号发射装置 3通过导线6相连，并且电源4为电阻应变片测量电桥1和无线信号发射装置3供电。
[0031] 本实施例中，所述卡罩5采用环形结构，套在刀柄组件2上，密闭电阻应变片测量 电桥1，并随刀柄组件2 -起转动。因此，卡罩5和电阻应变片测量电桥1是相对静止的，应 变电路采集的信号可以通过导线7连接至无线信号发射装置3,并由其发射给远程监控部 分。
[0032] 如图2所示，所述远程监控部分包括：无线信号接收装置8和计算机处理系统，其 中：无线信号接收装置8接收由无线信号发射装置3发射的信号，并传输到计算机处理系统 进行数据管理和存储显示。
[0033] 本实施例中，所述计算机处理系统包括：扭矩信号监控系统和扭矩信号数据库 14。由于信号的采集和发射部分采集的信号本质是电压信号，必须经过一定的换算才能反 映加工过程中主轴扭矩的变化，因此，采用扭矩信号监控系统对接收到的信号进行滤波、A/ D转换，并根据电阻应变片测量电桥的输出电压与电阻应变、电阻应变与主轴扭矩之间的计 算关系将其转化为扭矩值，并将其显示在显示屏上实时观察加工过程中扭矩信号的变化， 另外设定扭矩安全阈值，当加工过程中的扭矩信号超过阈值时进行报警以提醒工作人员加 工过程的安全性，在加工结束后将监控得到的电流、电压、扭矩信号、采集时间等信号传输 到扭矩信号数据库14 ;扭矩信号数据库14存储并更新实时监测的电流、电压、扭矩信号。
[0034] 本实施例中，所述扭矩信号监控系统包括：ARM单片机10、扭矩监控系统RS485串 行接口和PC机（或工控机/便携机）12,其中：无线信号接收装置8接收无线信号发射装 置3发出的信号，该信号通过RS485串行接口 9传输到ARM单片机10进行数据滤波和A/ D转换处理，处理后的信号通过扭矩监控系统RS485串行接口 11传输给PC机12进行扭矩 信号的转换、分析处理，并将其显示在显示屏上实时观察加工过程中扭矩信号的变化，另外 设定扭矩安全阈值，当加工过程中的扭矩信号值超过阈值时进行报警以提醒工作人员加工 过程的安全性。PC机12中相关功能的实现可以基于LabVIEW(虚拟仪器）软件开发平台， LabVIEW具备强大、可靠的信号处理能力，便于研宄、提取扭矩信号、电压信号和电流信号的 特征，同时，LabVIEW也具备较强的数据库操作功能。
[0035] 本实施例中，所述通过电阻应变片式测量电桥来测量主轴扭矩的计算方法是：当 主轴受到扭矩时，粘贴在轴上的应变片发生形变从而导致其电阻值发生变化，测量电桥的 AD 输出电压变为：L=L了
[0036] 由电阻丝的电阻
【权利要求】
1. 一种机床主轴实时扭矩无线测量系统，其特征在于，包括信号采集和发射部分及远 程监控部分； 所述信号采集和发射部分包括：安装于机床主轴的刀柄组件、扭矩传感器和卡罩，其 中：所述扭矩传感器采用电阻应变片式，由电阻应变片组成全臂测量电桥安装在刀柄组件 上；所述卡罩套在刀柄组件上，用于密闭电阻应变片保护测量电路； 所述远程监控部分包括：无线信号接收装置和计算机处理系统，其中： 所述无线信号接收装置接收信号采集和发射部分发出的信号，并传输到计算机处理系 统进行数据管理和存储显示； 所述计算机处理系统包括扭矩信号监控系统和扭矩信号数据库，扭矩信号监控系统 对接收到的信号进行滤波、A/D转换，并根据电阻应变片测量电桥的输出电压与电阻应变、 电阻应变与主轴扭矩之间的计算关系将其转化为扭矩值，并显示在显示屏上实时观察加工 过程中扭矩信号的变化，另外设定扭矩安全阈值，当加工过程中的扭矩信号超过阈值时进 行报警以提醒工作人员加工过程的安全性，在加工结束后将监控得到的电流、电压、扭矩信 号、采集时间信号传输到扭矩信号数据库；所述扭矩信号数据库存储并实时更新监测的电 流、电压、扭矩信号。
2. 根据权利要求1所述的一种机床主轴实时扭矩无线测量系统，其特征在于，所述扭 矩传感器采用电阻应变片式，应变片采用应变簇并对称的粘贴于刀柄组件中的旋转轴上。
3. 根据权利要求2所述的一种机床主轴实时扭矩无线测量系统，其特征在于，所述应 变簇包含相互垂直的两片应变片。
4. 根据权利要求1所述的一种机床主轴实时扭矩无线测量系统，其特征在于，所述卡 罩采用环形结构，套在刀柄组件上，并随刀柄组件一起转动。
5. 根据权利要求4所述的一种机床主轴实时扭矩无线测量系统，其特征在于，所述卡 罩内部安装电源和无线信号发射装置，无线信号发射装置与电阻应变片测量电桥相连接， 电源为电阻应变片测量电桥和无线信号发射装置供电。
6. 根据权利要求5所述的一种机床主轴实时扭矩无线测量系统，其特征在于，所述无 线信号发射装置和无线信号接收装置采用基于GPRS的传输方式。
7. 根据权利要求1所述的一种机床主轴实时扭矩无线测量系统，其特征在于，所述扭 矩信号监控系统包括:ARM单片机、扭矩监控系统RS485串行接口和计算机，其中：无线信号 接收装置接收无线信号发射装置发出的信号，该信号通过RS485串行接口传输到ARM单片 机进行数据滤波和A/D转换处理，处理后的信号通过扭矩监控系统RS485串行接口传输给 计算机进行扭矩信号的转换、分析处理，并将其显示在显示屏上实时观察加工过程中扭矩 信号的变化，另外设定扭矩安全阈值，当加工过程中的扭矩信号值超过阈值时进行报警以 提醒工作人员加工过程的安全性。
8. 根据权利要求1-7任一项所述的一种机床主轴实时扭矩无线测量系统，其特征在 于，所述扭矩信号数据库包括：数据库服务器和数据库系统Socket接口，其中：数据库服 务器存储机床编号、刀具序列号、加工任务、加工过程中的电流、电压、扭矩信号以及采集时 间，并通过数据库系统Socket接口与扭矩信号监控系统相连，用以传输机床编号、刀具序 列号、加工任务、加工过程中的电流、电压、扭矩信号以及采集时间。
【文档编号】G08C17/02GK104504877SQ201410742581
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】胡小锋, 刘颖超, 闫杉, 王财先, 杨红光, 张亚辉, 崔马驰宇 申请人:上海交通大学