[发明专利]一种用于四维切削力检测的电容式智能刀柄系统

说明书

技术领域

本发明属于切削过程监控中的多维切削力检测装置领域，特别涉及一种用于四维切削力检测的电容式智能刀柄系统。

背景技术

机械制造的现代化对切削加工的速度与精度提出了越来越高的要求，为保证这一点，对切削加工过程进行实时监控显得尤为重要。而目前绝大多数机床等各种加工设备本身并不具有状态监控的功能，为了使这些高度自动化的加工设备实现高精度、高速度加工，有必要对能监控加工状态的相关传感技术与设备进行研究与研制。

切削力是描述切削过程的最基本的状态参数，最能准确反应切削刀具状态信息。切削力的实时测量能够为刀具状态的辨别、工件加工质量的控制提供必要依据，另外，切削力的获取还能为建立切削力数学模型、优化切削过程参数提供重要帮助。因此在所有加工状态监控参数里，对加工过程切削力的检测需求一直占有极其重要的位置，能真实可靠、准确及时地获取到切削力参数信息，无疑是切削过程监控的必然需求。

而绝大多数机床等各种加工设备本身并不具有切削力检测的功能，为了实现切削力检测需求，对具有切削力检测功能的相关传感技术与设备进行研究与研制就显得相当重要。目前国内外在切削力检测领域应用最广的是利用压电效应实现的切削力检测技术，一些国外的公司已有了相当成熟的产品，但由于大部分压电式切削测力仪为台式结构，使用时需要安装在机床工作台上，而将加工工件安装在测力仪上，这就不可避免地对加工工件的尺寸有所要求，限制了其在工业生产中的广泛应用。鉴于这些问题，目前出现了一些将力传感器件集成在刀柄上的切削力检测方案，但基本都是应用薄壁圆筒式弹性元件上贴附应变片来实现切削力检测，而由于应变式测力仪动态性能较差，渐渐难以满足切削监控要求。

鉴于切削加工过程中切削力实时检测的需求及目前多维切削测力仪的不足，有必要设计研制一种新型的将力传感器件集成在刀柄上的智能刀柄系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于四维切削力检测的电容式智能刀柄系统，主要解决铣削等加工环境中刀具所受三向正交切削力及切削扭矩的实时检测需求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于四维切削力检测的电容式智能刀柄系统，主要由标准刀柄、电容式位移传感器、锂电池、电容传感器检测电路、信号预处理及采集单元、信号无线发射模块、外封装环、密封盖、固定块组成，其中：电容式位移传感器由轴向电容式位移传感器和扭转电容式位移传感器构成，标准刀柄下端的圆柱体部分沿圆周方向均布四个切槽，每个切槽内设置一个轴向电容式位移传感器，轴向电容式位移传感器的可动极板固连在切槽的下表面上，固定极板固连在固定块上，固定块胶粘在切槽的上侧面；相对的两个切槽内分别设置一个扭转电容式位移传感器，扭转电容式位移传感器的可动极板固连在切槽的侧表面上，固定极板固连在固定块上；外封装环固定在标准刀柄上并将切槽挡住，外封装环与标准刀柄之间的空腔用于安放锂电池、电容传感器检测电路、信号预处理及采集单元和信号无线发射模块，沿信号传递方向轴向电容式位移传感器的两极板和扭转电容式位移传感器的两极板、电容传感器检测电路、信号预处理及采集单元以及信号无线发射模块通过导线依次连接，锂电池与轴向电容传感器、扭转电容传感器、电容传感器检测电路、信号预处理及采集单元、信号无线发射模块均通过导线连接，外封装环下端用密封盖固定。

本发明中，采用蓝牙无线传输技术将轴向电容式位移传感器和扭转电容式位移传感器检测到的变形量传输到电脑上进行显示、处理。

本发明的用于四维切削力检测的智能刀柄系统对原刀柄结构更改较小，不影响刀具安装、使用和机械手的抓取，具有结构简单、适用性强等优点，利用高精度电容式微位移传感器检测变形筋变形要比应变式测力仪精度更高、动态性能更好。本系统应用后，对提高切削自动化水平有着积极意义，具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是电容式智能刀柄系统整体外观示意图；

图2是智能刀柄系统变形筋结构示意图；

图3是智能刀柄系统变形筋结构立体图；

图4是图2中A-A向的剖面图；

图5是图1中B-B向的剖面图；

图6是图5中C-C向的剖面图；

图7是本发明中所涉及的智能刀柄系统无线数据采集系统框图；