一种刀具性能检测装置的制作方法

本实用新型涉及一种数控机床刀具性能检测装置及检测方法，属于机械加工设备检测与应用领域。

背景技术：

切削加工是目前机械加工行业中应用最广泛的加工方法之一。高速切削过程中，刀/工摩擦接触区的高温、高压、高频冲击等对刀具性能提出了更严峻的考验。随着数控机床可靠性与精度的逐渐提升，对刀具性能的要求也越来越高。因此，优异性能的刀具不仅是获得高精度、高质量工件的保障，更能获得高寿命的刀具，减小加工成本。

作为加工过程直接与加工件接触并进行切削的环节，刀具的性能直接影响了工件的加工精度以及表面粗糙度等指标。在刀具的开发与研制的阶段，对试验刀具加工性能的考评是刀具开发的重要环节。

现有设备较多是针对刀具几何参数检测的，比如圆周跳动、刀具前角、后角、直径等几何尺寸参数。但是制约刀具性能的不仅仅是几何参数，表面涂层、刀具内部材料是否存在缺陷等因素都会影响实际性能。

目前在对刀具性能检测尚无系统的检测设备，由于空间分布紧凑的原因，很难布置大量的检测设备，一般仅采用振动、噪声以及显微镜下观察表面形貌等手段，难以比较全面地评估刀具性能。而且，现有的刀具性能检测装置对于传感器的安装没有统一的标准，传感器的分布较为离散，集成化程度低。这样不仅增加了每次安装调试的时间，而且由于检测过程中需要人为手动更换传感器，检测效率和自动化程度较低，并导致检测结果易受人为因素影响产生偏差。为了弥补受试刀具加工过程表征参数不足且易受人为因素影响的问题，开发一套集成有多种所需传感器的刀具性能检测检测装置以及相应的试验方法具有很大的应用价值。因此，需要开发一套具有多种传感器且能够高效快速反映刀具性能的检测装置及配套的检测方法，提高刀具性能检测的准确性。本实用新型所设计的刀具性能检测装置及检测方法，通过结合刀具在切削加工时的动态参数、刀具表面磨损量以及加工板表面质量间接反映出刀具的性能。

技术实现要素：

本实用新型为解决目前对刀具性能参数检测中存在的需要人为安装传感器、测试结果受偶然因素干扰以及检测指标不足的问题，提出了一种刀具性能检测装置及检测方法。该装置采用多模块组合的形式将装夹部分、检测部分以及加工部分整合在一个装置上，实现一次装夹后加工，便可检测受试刀具加工时产生的振动、噪声场、温度场以及切削力等参数，记录在内部SD卡中。在检测仓后导出数据，并进行表面粗糙度以及对给定加工轮廓的加工精度监测分析，实现加工过程中刀具性能检测。

其中，所述的刀具性能主要通过一下三方面内容对其加以评价：刀具表面磨损量；切削时的相关参数(包括振动信号、噪声信号、三个坐标轴方向的切削力和切削温度)；被加工件表面的加工质量。

为解决上述技术问题，本实用新型是采用如下技术方案实现的：

一种刀具性能检测装置，包括试验件模块、检测仓模块和采集分析模块；其特征在于：

所述试验件模块包括试验件底座1、振动传感器2、噪声传感器5、红外温度摄像头6、X向压力传感器3、数据采集电路4、Z向压力传感器8、大容量数据储存器9、Y向压力传感器10和加工板13；

所述加工板13嵌入于试验件底座1；

所述振动传感器2位于试验件底座1内部，当加工板13放置后吸附固定在加工板13下表面，用于检测刀具切削时的振动信号；

所述的噪声传感器5布置于试验件底座1箱体四周面板顶部四个角落，在加工板13表面构成空间噪声场，用于检测刀具切削时的噪声信号；

所述X向压力传感器3位于试验件底座1内部，布置于试验件底座1内后侧面板上，加工板13安装固定后与加工板13接触，用于检测模拟切削过程中的X方向的切削力；

所述Y向压力传感器10位于试验件底座1内部，布置于试验件底座1内左侧面板上，加工板13安装固定后与加工板13接触，用于检测模拟切削过程中的Y方向的切削力；

所述Z向压力传感器8位于试验件底座1内部，布置于试验件底座1内底部面板上，加工板13安装固定后与加工板13接触，用于检测模拟切削过程中的Z方向的切削力；

所述数据采集电路4位于试验件底座1内部面板上，分别与振动传感器2、噪声传感器5、红外温度摄像头6、X向压力传感器3、Z向压力传感器8和Y向压力传感器10通过数据线相连接，实现检测信号数据采集；

所述大容量数据储存器9安装在试验件底座1内部面板上，与数据采集电路4通过数据线相连接，实现检测信号数据存储；

所述检测仓模块包括检测仓14、表面粗糙度检测仪15、表面检测摄像头16；

所述的表面粗糙度检测仪15安装于检测仓14内部面板上，在试验件模块放入检测仓14后，加工板13表面与表面粗糙度检测仪15的测头接触，测头能够在加工板13表面所在平面内移动，实现表面粗糙度检测；

所述的表面检测摄像头16安装于检测仓14内部面板上，试验件模块放入检测仓14后，所述的表面检测摄像头16能够对加工板13表面给定加工轮廓的加工精度进行检测；

所述采集分析模块包括信号采集仪19；

所述的信号采集仪19通过数据线与检测仓模块相连。

技术方案中所述红外温度摄像头6固定于试验件底座1侧面板上端，采用广角镜头，视野覆盖加工板13以及刀具22，能够全方位检测加工过程中刀具22表面以及加工板13表面温度场分布，同时能够检测受试刀具22表面磨损情况。

技术方案中所述试验件底座1内部设计有阶梯状的承载面用于承载加工板13，并通过试验件底座1前侧面板和右侧面板上的紧固螺栓7固定加工板13。

技术方案中所述噪声传感器5设有四个。

技术方案中所述试验件模块还包括电源11和吊耳12；

所述电源11安装在试验件底座1内部面板上，通过螺栓连接固定；

所述吊耳12设有四个，布置于加工板13上表面四个角上，通过螺栓连接固定，方便加工板13安装和拆卸，实现加工板13的随待测机床以及对应刀具类型更换。

技术方案中所述采集分析模块还包括便携电脑18；

所述便携电脑18与信号采集仪19通过数据线相连。

一种刀具性能检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：初步进行刀具设计，并制备相应刀具；

第二步：定位安装及调试传感器；

第三步：设计模拟切削加工方案，确定切削参数以及切削路径；

第四步：利用第一步所制备的刀具按照第三步所确定切削参数以及切削路径对试验件进行切削加工；

第五步：采集并存储振动信号检测数据、噪声信号检测数据、三个坐标轴方向的切削力和切削温度检测数据；

第六步：取回试验件模块，放置于检测仓14内，利用表面粗糙度检测仪15、表面检测摄像头16对加工板13表面进行表面粗糙度和形位公差检测，输出表面粗糙度检测数据和形位公差检测数据；

第七步：采集数据传回信号采集仪19，用于评测刀具性能。

第二步中所述传感器包括X向压力传感器、Y向压力传感器、Z向压力传感器、振动传感器和噪声传感器。

第七步中所述数据包括振动信号检测数据、噪声信号检测数据、三个坐标轴方向的切削力和切削温度检测数据、表面粗糙度检测数据和形位公差检测数据。

与现有技术相比本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型专利所述的刀具性能检测装置能够模拟真实切削加工中，刀具对加工件的切削作用。通过试验件的性能参数间接反映刀具的加工性能。

2、本实用新型专利所述的刀具性能检测装置采用模块化的组合方式，以恒定的装夹底座、可选配的传感器检测层以及可更换的被加工板的形式，使得应用上具有针对性，降低成本。

3、本实用新型专利所述的刀具性能检测装置设计大量嵌入式的传感器，在加工过程中能够全面地反应刀具的动态信息。在检测仓内可以对被加工表面的几何精度以及表面粗糙度等进行快速检测。从而比较全面地评判受试刀具的加工性能。

4、本实用新型专利所述的刀具性能检测装置集成化程度高，人为因素等误差影响小，通过一次加工就能实现把想要的参数都检测出来。

5、本实用新型专利所述的刀具性能检测方法，采用流程化的检测手段，可操作性强，能够快速反映受试刀具的多项检测指标，对指导刀具的升级改进提供指导依据。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：

图1为本实用新型所述的刀具性能检测装置试验件模块内部不带加工板的结构俯视图；

图2为本实用新型所述的刀具性能检测装置试验件模块带加工板的轴测图；

图3为本实用新型所述的刀具性能检测装置检测仓模块轴测示意图；

图4为本实用新型所述的刀具性能检测装置试验件模块与采集分析模块结合的轴测图；

图5为本实用新型所述的刀具性能检测装置实际工作状况轴测示意图；

图6为本实用新型所述的刀具性能检测装置试验件模块布局示意图；

图7为本实用新型所述的刀具性能检测装置检测方法流程图；

图中：

1.试验件底座，2.振动传感器，3.X向压力传感器，4.数据采集电路，5.噪声传感器，6.红外温度摄像头，7.紧固螺栓，8.Z向压力传感器，9.大容量数据储存器，10.Y向压力传感器，11.电源，12.吊耳，13.加工板，14.检测仓，15.表面粗糙度检测仪，16.表面检测摄像头，17.收纳箱，18.便携电脑，19.信号采集仪，20.收纳箱拉手，21.机床，22.刀具，23.机床夹具。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细的描述：

本实用新型所述的刀具性能检测装置分为三大部分：试验件模块、检测仓模块以及采集分析模块。

其中，所述的试验件模块包括试验件底座1、振动传感器2、X向压力传感器3、数据采集电路4、噪声传感器5、红外温度摄像头6、紧固螺栓7、Z向压力传感器8、大容量数据储存器9、Y向压力传感器10、电源11、吊耳12以及加工板13。

所述的加工板13，是一块待加工的板状材料，嵌入于试验件底座1，试验件底座1内部设计有阶梯状的承载面用于承载加工板13，并通过试验件底座1前侧面板和右侧面板上的紧固螺栓7固定加工板13；

试验件底座1靠近加工板13的一面为试验件底座1顶部，相对另一面为试验件底座1底部；

试验件底座1的长边且安装有紧固螺栓的一面为试验件底座1的前侧面板，前侧面板对应的一侧为后侧面板。

试验件底座1的短边且安装有紧固螺栓的一面为试验件底座1的右侧面板，右侧面板对应的一侧为左侧面板。

所述的振动传感器2位于试验件底座1内部，当加工板13放置后便可吸附固定在加工板13下表面，用于检测刀具切削时的振动信号；

所述的X向压力传感器3位于试验件底座1内部，布置于试验件底座1内后侧面板上，加工板13安装固定后与其接触，用于检测模拟切削过程中的X方向的切削力；

所述的Y向压力传感器10位于试验件底座1内部，布置于试验件底座1内左侧面板上，加工板13安装固定后与其接触，用于检测模拟切削过程中的Y方向的切削力；

所述的Z向压力传感器8位于试验件底座1内部，布置于试验件底座1内底部面板上，加工板13安装固定后与其接触，用于检测模拟切削过程中的Z方向的切削力；

所述的噪声传感器5设有四个，布置于试验件底座1箱体四周面板顶部四个角落，通过螺栓连接固定，在加工板13表面构成空间噪声场，用于检测刀具切削时的噪声信号；

技术方案中所述的红外温度摄像头6安装固定于试验件底座1侧面板上端，通过螺栓连接，采用广角镜头，视野覆盖加工板13以及刀具22，能够全方位检测加工过程中刀具22表面以及加工板13表面温度场分布，同时能够对受试刀具22表面形貌进行检测，用于后续分析刀具表面磨损情况；

所述的数据采集电路4位于试验件底座1内部面板上，通过螺栓连接固定，并且与振动传感器2、X向压力传感器3、Z向压力传感器8、Y向压力传感器10、噪声传感器5、红外温度摄像头6通过数据线相连接，实现检测信号数据采集。

所述的大容量数据储存器9安装在试验件底座1内部面板上，通过螺栓连接固定，并且与数据采集电路4通过数据线相连接，实现检测信号数据存储；

所述的电源11安装在试验件底座1内部面板上，通过螺栓连接固定；

技术方案中所述的紧固螺栓7设有八个，布置于试验件底座1四个侧面，每个侧面平行布置两个；

所述的吊耳12设有四个，布置于加工板13上表面四个角上，通过螺栓连接固定，方便加工板13安装和拆卸，实现加工板13的随待测机床以及对应刀具类型更换；

本实用新型专利所述的检测仓模块包括检测仓14、表面粗糙度检测仪15、表面检测摄像头16；

所述的表面粗糙度检测仪15安装于检测仓14内部面板上，通过螺栓连接固定，试验件模块放入检测仓14后加工板13表面可与测头接触，测头可在加工板13表面平面内移动，实现表面粗糙度检测；

所述的表面检测摄像头16安装于检测仓14内部面板上，通过螺栓连接固定，试验件模块放入检测仓14后，可对加工板13表面给定加工轮廓的加工精度进行检测；

本实用新型专利所述的采集分析模块包括收纳箱17、便携电脑18、信号采集仪19、收纳箱拉手20；

所述的信号采集仪19放置于收纳箱17内，通过数据线与便携电脑18以及检测仓模块相连。

参阅图1和图2，试验件模块包括：试验件底座1，在试验件底座1内部安装有用于检测模拟切削过程中振动信号的振动传感器2、检测模拟切削过程中X轴、Y轴、Z轴方向切削力的X向压力传感器3、Y向压力传感器10和Z向压力传感器8、用于采集传输模拟切削过程中数据的数据采集电路4、用于存储模拟切削过程中各参量信号数据的大容量数据储存器9、用于模拟切削过程中为信号检测、采集传输以及数据存储供电的电源11，噪声传感器5、红外温度摄像头6安装在试验件底座1上表面，在对刀具的模拟切削过程中，噪声传感器5可对切削过程中的噪声进行检测，红外温度摄像头6采用广角镜头，视野覆盖加工板13以及刀具22，以检测加工过程中的切削温度变化，同时能够对受试刀具22表面形貌进行检测，用于后续分析刀具表面磨损情况。试验件底座1内有阶梯支撑面用于放置加工板13并通过紧固螺栓7固定，吊耳12通过螺栓连接固定于加工板13表面方便安装和拆卸，实现加工板13的随待测机床以及对应刀具类型更换。试验件模块为一个活动装置，检测时通过安装于机床加工平台进行切削，切削完成之后转移到检测仓14内部进行加工板13表面质量检测。

参阅图3，表面粗糙度检测仪15、表面检测摄像头16安装固定于检测仓14内部。待试验件模块加工完成后放置于检测仓14内，通过表面粗糙度检测仪15、表面检测摄像头16对加工板13进行表面粗糙度以及加工零件的形位公差进行考评。

参阅图4，便携电脑18、信号采集仪19放置于收纳箱17内，待试验件模块加工完成后放置于检测仓14内，将检测仓模块放置在收纳箱17内通过数据线与信号采集仪19相连接，

检测仓内的表面粗糙度检测仪15、表面检测摄像头16采集加工板表面加工质量相关的数据，并通过信号线将检测的数据通过数据线与信号采集仪19相连接。

通过表面粗糙度检测仪15、表面检测摄像头16对加工板13进行表面粗糙度以及给定加工轮廓的加工精度进行检测并将数据传输给信号采集仪19，通过便携电脑18以及本实用新型所述检测方法对刀具性能就行评测。检测完成后将试验件模块、检测仓模块以及采集分析模块整理放置于收纳箱17内后便可以手拉收纳箱拉手20离开，完成本次检测工作。

参阅图5，待检测的刀具22安装夹紧在机床21上，收纳箱17中取出刀具性能检测试验件模块放置于机床加工平台上，通过机床夹具23夹紧固定试验件底座1。按照既定加工轨迹对加工板13进行铣削加工。

参阅图6，模拟切削完成后的刀具性能检测装置试验件模块放置于检测仓14内，表面粗糙度检测仪15、表面检测摄像头16通过螺栓安装固定于检测仓14内部，表面粗糙度检测仪15测头可与加工板13表面接触并可以在加工板13表面所在平面内移动，实现给定加工轮廓表面粗糙度检测；表面检测摄像头16位于加工板13上方，对加工板13表面给定加工轮廓的加工精度进行检测。检测数据通过数据接口/SD卡与信号采集仪19相连，通过便携电脑18以及本实用新型所述检测方法对刀具性能就行评测。同时可用充电接口对试验件模块内部电源11进行充电。

参阅图5与图6，所述的刀具性能检测装置在用于检测刀具性能时，先将被检测机床刀具22安装在机床21上，再将安装有对应机床刀具所加工工件材料类型的加工板13以及如前所述的安装各检测传感器的试验件底座1放置于机床22工作平面上，并通过机床夹具23夹紧。

待准备工作完成后，进行刀具模拟切削。在切削过程中打开试验件模块中的电源11并使各传感器工作，通过X向压力传感器3、Y向压力传感器10和Z向压力传感器8分别检测模拟切削过程中X轴、Y轴、Z轴方向的切削力；通过振动传感器2检测模拟切削过程中刀具22与加工板13作用时的振动信号；通过噪声传感器5对切削过程中的噪声进行检测，红外温度摄像头6检测加工过程中的刀具22表面以及加工板13表面温度场分布，同时对受试刀具22表面检测磨损情况；在模拟切削加工过程中，各传感器信号通过数据采集电路4对试验数据进行采集并存储在大容量数据存储器9内。

加工完成后，取下试验件模块，将其放置于专用检测仓14内，然后将检测仓模块通过数据接口与收纳箱17内部信号采集仪19、便携电脑18相连接。通过检测仓14内部表面粗糙度检测仪15、表面检测摄像头16对加工板13进行表面粗糙度以及给定加工轮廓的加工精度进行检测并将采集的信号传输给信号采集仪19，利用本实用新型所述检测方法进行刀具性能评测。

检测完成后只需将各模块装箱整理收拾，便可以提着收纳箱17便可以随拉随走。

参阅图7，本专利所述的刀具性能检测方法为：

第一步：初步进行刀具设计，并制备相应刀具；

第二步：传感器定位安装及调试。在安装所述检测装置前需要位置定位检测，所使用的机床也需要经过激光干涉仪以及球杆仪等高级检测设备检测过，使之确保除了刀具因素之外其他精度均满足要求。

第三步：设计模拟切削加工方案，确定切削参数以及切削路径。对加工板13表面划分区域，进行粗加工、半精加工、精加工平面区域加工；切削参数按照《机械加工工艺手册》选取合理范围；切削路径可以选择如“S”形加工；

第四步：利用所设计的刀具按照设计参数对试验件进行切削加工；

第五步：采集并存储检测信号，包括振动信号、噪声信号、三个坐标轴方向的切削力和切削温度；

第六步：取回试验件模块，放置于检测仓14内，利用表面粗糙度检测仪15、表面检测摄像头16对加工板13表面进行表面粗糙度和形位公差检测，以实现对加工板13表面的加工质量检测，并输出监测数据(包括表面粗糙度检测数据和形位公差检测数据)；

第七步：所有采集数据传回信号采集仪19(包括如前所述存储在大容量数据储存器9中的采集信号数据，以及第六步中表面粗糙度检测数据和形位公差检测数据)；

第八步：信号采集仪19中的采集数据备用于评测相应刀具性能。

本实用新型中所述的实例是为了便于该领域技术人员能够理解和应用本实用新型，本实用新型只是一种优化的实例，或者说是一种较佳的具体技术方案。如果相关的技术人员在坚持本实用新型基本技术方案的情况下，做出不需要经过创造性劳动的等效结构变化或各种修改都在本实用新型的保护范围内。