一种随动集成式切削力智能监测系统的制作方法

本发明涉及一种用于金属切削过程中对刀柄的切削力信号实时监测的系统，属于切削力测试技术领域。

背景技术：

切削力是切削加工中的一种极为重要的物理现象，直接影响切削效率、切削过程安全、加工变形、加工表面质量和刀具磨损等，切削力大小的变化能实时反映出刀具的磨损情况，并能为提高加工精度、金属切削机理研究和加工工艺研究提供理论依据，因此切削力的精确、实时监测对提高加工技术水平有着极为重要的意义。

目前应为最为广泛的动态切削力测量系统为台式压电式切削测力仪，其安装在机床工作台和被测工件之间，切削力信号通过数据线传输到信号放大器，经滤波和放大后被数据采集卡接收，然后经数据线传输到PC终端进行显示和储存。这种切削测力仪通常都对工件尺寸和安装约束有限制，另外，由于机床工作台的振动和工件材料去除量变化引起的惯性力也会造成测量的不确定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种随动集成式切削力智能监测系统，改变现有的切削力测量方案，将力传感器集成到数控机床刀柄上，测试时与刀具一同旋转，此时刀具受到的切削力会直接作用在力传感器上，从而突破对工件尺寸、安装约束等限制，实现对切削力的实时监测，该系统具有灵敏度高、结构简单以及安装拆卸方便、易于维护等优点。

为实现上述目的，本发明的随动集成式切削力智能监测系统，采用以下技术方案：

该系统，包括刀柄随动模块、无线供电发射模块和数据接收模块；所述刀柄随动模块包括刀柄、刀具连接体和刀柄随动体，刀柄随动体和刀具连接体均连接在刀柄的下端，刀柄随动体套装在刀具连接体的外部，刀柄底端设置有力传感器，刀柄随动体内设置有前置调理模块、数据采集模块、无线通信模块和无线供电接收模块，力传感器、前置调理模块、数据采集模块和无线通信模块依次连接并均与无线供电接收模块连接，刀柄随动体上还设置有光电编码器模块；无线供电发射模块与无线供电接收模块连接无线，数据接收模块与无线通信模块无线连接。

所述力传感器通过预紧螺栓固定在刀柄的底端，且处于刀柄的轴线上。

所述前置调理模块、数据采集模块和无线通信模块均安装在模块支架上。

所述光电编码器模块包括安装在所述刀柄随动体上的光栅读头和固定在机床主轴下端的环形光栅尺。

所述刀柄随动体的上端面安装有平衡环。

所述无线供电接收模块包括第一铁氧体片、接收线圈、第一保持架、第一中继线圈和封板，接收线圈和第一中继线圈分别卡装在第一保持架的上下两面，第一保持架与第一铁氧体片和封板固定在一起。通过封板将无线供电接收模块连接于刀柄随动体内

所述无线供电发射模块包括第二铁氧体片、第二中继线圈、发射电路、第二保持架、发射线圈和外壳，第二铁氧体片、第二中继线圈、发射电路、第二保持架和发射线圈由上至下依次设置在外壳内。

所述发射线圈、第二中继线圈、接收线圈和第一中继线圈均由3～5层线圈并联绕制且每层线圈均为平面盘型渐开结构，这种结构能够增大空间磁场强度的幅值并降低等效电感的量值。

在切削过程中，力传感器实时地监测出刀具的切削力信号，原始切削力信号经前置调理模块滤波和放大后，由数据采集模块接收并进行A/D转换和储存。数据采集模块同时接收光电编码器模块采集的刀具旋转角度信号，然后将切削力信号和角度信号通过无线通信模块发送出去，被数据接收模块接收、处理并实时显示。

本发明切削力测量精度高，能够随动实时监控，保证了切削力信号强度。解决了现有切削力测量系统测量精度低，无法随动实时监控、切削力信号衰减严重等问题。相比于现有技术实现的有益效果：

1.本发明将力传感器直集成到刀柄上，突破了对工件尺寸、安装约束等限制，实现对切削力的实时监测，该系统具有灵敏度高、结构简单以及安装拆卸方便、易于维护等优点。

2.本发明采用电磁耦合谐共振原理实现电能的无线传输，为用电模块提供了非接触、连续的能量供给，克服了接触式电能传输碳刷磨损快、发热量大、刀具转速过低等缺点，且相比于感应式无线电能传输，电磁耦合谐共振无线电能传输的能量仅能传输给具有相同共振频率的接收线圈，能量损失小，可实现更高传输效率和更长的传输距离，同时对线圈位置的限制相对更少，有利于实现设备简化和更加自由的设备布局，便于工程应用。

3.采用WiFi无线信号传输技术实现了信号的传输，从而使信号接收端不用再使用数据线接收信号，突破了传感器安装方式的局限。

附图说明

图1是本发明随动集成式切削力智能监测系统的整体结构原理示意图。

图2是本发明中刀柄随动模块的结构示意图。

图3是本发明中力传感器的安装结构示意图。

图4是本发明中模块组合体的结构示意图。

图5和图6是本发明中光电编码器模块的安装示意图。

图7是本发明中无线供电接收模块的结构示意图。

图8是本发明中无线供电发射模块的结构示意图。

图中：1.刀柄随动模块，2.无线供电发射模块，3.电缆，4.电源，5.机床主轴，6.数据接收模块，7.刀柄，8.刀具连接体，9.刀柄随动体,10.模块组合体，11.无线供电接收模块，12.力传感器，13.预紧螺栓,14.无线供电接收电路，15.前置调理模块，16.模块支架，17.数据采集模块，18.无线通信模块，19.平衡环，20.光栅读头，21.环形光栅尺，22.第一铁氧体片，23.接收线圈，24.第一保持架，25.第一中继线圈，26.封板，27.第二铁氧体片，28.第二中继线圈，29.无线供电发射电路，30.第二保持架，31.发射线圈，32.外壳。

具体实施方式

本申请的随动集成式切削力智能监测系统，如图1和图2所示，包括刀柄随动模块1、无线供电发射模块2和数据接收模块6。无线供电发射模块2通过电缆3与电源4连接，无线供电发射模块2和数据接收模块6分别以无线方式与刀柄随动模块1连接。使用时，刀柄随动模块1安装在机床主轴5上。

如图2所示，刀柄随动模块1包括刀柄7、刀具连接体8、刀柄随动体9、模块组合体10和无线供电接收模块11，无线供电接收模块11安装在模块组合体10的底部，模块组合体10安装在刀柄随动体9内，刀柄随动体9和刀具连接体8均连接在刀柄7的下端，刀柄随动体9套装在刀具连接体8的外部。

如图3所示，力传感器12是采集切削力信号的主体，采用三轴压电力传感器，以采集切削过程中三个方向的切削力信号，其体积小，可以集成到刀柄内孔中。力传感器12通过预紧螺栓13固定在刀柄7的底端。为了确保力传感器12的测试范围满足切削力的测量要求，预紧力为70kN，预紧螺栓13端面加工有内六角孔，方便安装，将力传感器12安装在刀柄7的轴线上，以避免刀柄7高速旋转产生的离心力对水平方向切削力信号的影响。刀柄7的底部设置有刀具连接体8，力传感器12被包裹在刀具连接体8内。

如图4所示，前置调理模块15、数据采集模块17、无线通信模块18和无线供电接收电路14分别通过螺钉安装在模块支架16上，构成模块组合体10(参见图2)。前置调理模块15、数据采集模块17和无线通信模块18依次连接在一起，且均与无线供电接收电路14连接。模块支架16通过螺钉与刀柄随动体9一同安装在刀柄7的下端面上。前置调理模块15用于对力传感器12输出的切削力模拟信号进行滤波和放大，采用现有常规电路。数据采集模块17用于接收来自前置调理电路板15处理后的切削力模态信号，然后进行A/D转换并储存，并接收来自光电编码器模块的角度信号。无线通信模块18采用wi fi传输技术，将切削力和角度的数字信号通过WiFi传输出去，然后被数据接收模块6接收。无线供电接收电路14是无线供电接收模块11的整流调压模块，均采用现有常用电路，作用是将高频交流电转化为稳定的5V直流电，其主要包括整流、滤波及稳压电路，采用全桥整流电路将接收线圈23接收到的高频交流电转化为脉冲直流电，采用RC-π型滤波电路以保证比较稳定的直流电压输出，然后经ZM4751型稳压二极管使得输出电压稳定在5V左右。无线供电接收电路14分别通过导线与前置调理模块15、数据采集模块17、无线通信模块18相连，为各模块提供直流电。

数据采集模块6采用Cortex-M4为内核的STM32单片机进行数据采集，将采集到的模拟切削力信号通过STM32芯片内嵌的A/D转换器转换为数字信号，然后将切削力信号和角度信号经SPI总线传入无线通信模块18。

无线通信模块18采用EL-M150芯片为核心，基于IEEE802.11标准的无线局域网协议进行数据通信，在接收到切削力信号和角度信号后，建立WiFi通信链路，将数据传输给数据接收模块(上位机)，然后由数据接收模块6对数据进行整合处理。

如图5和图6所示，本发明的光电编码器模块采用Reni shaw光栅读数系统，将光栅读头20通过螺钉安装在刀柄随动体9上，同时将环形光栅尺21固定在机床主轴5的下端面上。在刀具旋转时，光栅读头20跟随刀具一块旋转，通过读取环形光栅尺21上的刻度，输出数字角度信号。为了确保刀柄随动体9的动平衡特性，在刀柄随动体9的上端面通过螺钉安装平衡环19，以便在做刀柄动平衡测试时在其上进行钻孔等操作去除刀柄的偏重，实现对刀柄不平衡量的调整。

本发明中采用电磁耦合谐振电能传输方式，为刀柄随动模块1内的所有模块和力传感器12供电。包括无线供电发射模块2、无线供电接收模块11和电源4。无线供电接收模块11通过电缆3与电源4连接(参见图1)。

如图7所示，无线供电接收模块11包括第一铁氧体片22、接收线圈23、第一保持架24、第一中继线圈25和封板26。接收线圈23和第一中继线圈25分别卡装在第一保持架24的上下两面，第一保持架24正反两面上设计有弧形卡槽分别用于固定接收线圈23和第一中继线圈25。通过胶水将第一保持架24正反卡槽的端面与第一铁氧体片22和封板26固定在一起，然后将封板26通过螺纹连接于刀柄随动体9内。第一铁氧体片22可以屏蔽刀柄7和机床主轴5部分金属障碍物对无线供电接收模块11的干扰，增强无线感应信号从而减少磁场能量的损失。

如图8所示，无线供电发射模块2包括第二铁氧体片27、第二中继线圈28、无线供电发射电路29、第二保持架30、发射线圈31和外壳32。第二铁氧体片27、第二中继线圈28、无线供电发射电路29、第二保持架30和发射线圈31由上至下依次设置在外壳32内。第二中继线圈28和发射电路29设置在第二保持架30的上面，发射电路29处于第二中继线圈28和第二保持架30之间，发射线圈31设置于第二保持架30的底面。第二保持架30的正反两面上设计有弧形卡槽分别用于固定发射线圈31和第二中继线圈28。第二铁氧体片27粘结在外壳32上。

无线供电发射电路29是高频逆变电路，其通过电缆3与电源4相连，并与发射线圈23通过导线相连，本发明采用E类逆变电路，其作用是将输入的直流电转化成高频率的交流电。

发射线圈31、第二中继线圈28、接收线圈23、第一中继线圈25均由3～5层线圈并联绕制且每层线圈均为平面盘型渐开结构，这种结构能够增大空间磁场强度的幅值并降低等效电感的量值。

调整好电源4所需参数后，由电缆3将直流电传输到发射电路29上，发射电路与发射线圈31相连，高频逆变后的高频率交流电通过发射线圈31转变为高频磁能，由发射线圈31、第二中继线圈28、接收线圈23和第一中继线圈25四个共振体之间相互电磁耦合谐共振进行电能的传输，接收线圈23将高频磁场转化为高频交流电，无线供电接收电路14将接收到的高频交流电转化为稳定的电能提供给所有用电模块。

在切削过程中，力传感器12实时地监测出刀具的切削力信号，原始切削力信号经前置调理模块15滤波和放大后，由数据采集模块17接收并进行A/D转换和储存。数据采集模块17同时接收光电编码器模块采集的刀具旋转角度信号，然后将切削力信号和角度信号通过无线通信模块18发送出去，被数据接收模块6接收、处理并实时显示。