CN105619177B - 基于应变式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种机床主轴夹屑报警装置，采用了预埋式方法把无线压力传感器组装到刀体内部，通过刀柄上夹头重量压力的变化转化为刀柄与主轴结合面夹屑大小的关系，并通过无线信号传输与接收的方式对铣床加工进行定时监测。本发明的结构包括标准夹头；夹头上端的沉头孔座中安装有拉钉连接体；拉钉连接体上有沉头孔，各沉头孔中安装有压力传感器；所述拉钉连接体通过传感器压板与夹头固定；拉钉穿过传感器压板与拉钉连接体的孔并用紧定螺钉固定，各传感器通过无线信号与计算机连接。

Description

基于应变式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置及方法

技术领域

本发明属于检测技术领域，具体涉及一种基于非接触式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置及方法。

背景技术

数控机床是制造业的工作母机，铣床是数控机床的第一要员。铣床可以加工平面、沟槽、分齿零件，特别是螺旋形表面及各种曲面都有其独特优势。对加工航空、航天、船舶、汽车和模具等制造业，都需要高档数控机床作为其重要的生产工具。高效、精密、可靠、智能是数控铣床的主要发展趋势，然而，数控铣床由于主轴夹屑造成的刀具不对中现象及控制一直是世界各国机床业面临的不可忽视的难题之一。随着对高精度零件的要求，加工精度已经由毫米级、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零件加工质量。而主轴夹屑的位置主要是两处：一是在刀柄上表面和主轴下表面之间的缝隙中（如图3），二是在主轴和刀柄接触的锥面上（如图4）。实践中可知：以上两处夹屑位置产生夹屑故障都发生在铣床换刀过程中。故在刀柄预装上主轴过程中控制和预警主轴夹屑故障，是避免主轴夹屑造成刀柄不对中对零件加工质量影响的重要途径。

目前，机床设备传统的检测方法是接触式测量法。接触式测量技术虽然在工件定位和坐标设定、测量零件的几何尺寸和三维形貌、刀具参数、刀具磨损检测等方面有着一定的应用，但还存在受力不均，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。

对于数控机床，要实现基于非接触压力传感器的主轴夹屑报警及控制，其技术难点在于：（1）无线压力传感器如何安装到数控铣床上；（2）如何建立压力传感器测得值与主轴夹屑的关系；（3）检测数据如何传输及传输路径；（4）如何远程监测与控制。

经实际操作经验和研究表明：铣床在生产过程中的刀柄不对中的主要原因是换刀时主轴夹屑。本发明采用了预埋式方法把无线压力传感器组装到刀体内部，通过刀柄上夹头重量压力的变化转化为刀柄与主轴结合面夹屑大小的关系，并通过无线信号传输与接收的方式对铣床加工进行定时监测。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的无线压力传感器难以安装到数控铣床上；难以建立压力传感器测得值与主轴夹屑的关系；检测数据不易传输及传输路径易受影响；无法远程监测与控制等问题。

技术方案：

一种基于应变式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：包括夹头；所述夹头上端的沉头孔座中安装有拉钉连接体；所述拉钉连接体上有沉头孔，各沉头孔中安装有压力传感器；所述拉钉连接体通过传感器压板与夹头固定；拉钉穿过传感器压板与拉钉连接体的孔并用紧定螺钉固定。

所述的基于应变式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：所述压力传感器配加了无线蓝牙模块；所述压力传感器外配加了定位外壳。

所述的基于应变式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：所述夹头上表面有根据传感器压板配做的圆周均布台阶孔；夹头的下部开有信号传输孔。

所述的基于应变式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：所述夹头上安装拉钉连接体的沉头孔座的圆柱度在φ0.01mm内。

所述的基于应变式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：所述拉钉连接体上的沉头孔为圆周均布的沉头孔，各孔轴向深度差不超过0.01mm，所述各沉头孔侧面有引线槽。

所述的基于应变式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：所述夹头上端面及锪孔面粗糙度达到Ra1.6以上，平面度不超过0.02mm。

所述的基于应变式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：传感器压板在拉钉轴肩下表面与传感器上表面间无轴向游隙，传感器压板内孔与拉钉有0.03-0.05mm的侧隙。

上文所述的基于应变式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：连接好信号接收及处理的计算机，启动传感器，通过调整轴向位置，确定传感器灵活受力，并使得各个传感器读数一致；

步骤2：将刀柄预装到立式数控铣床上，设定超差阈值△g，在主轴处于静止和运行两种状态时，任何同一时刻压力传感器数值都满足Gmax－Gmin≤△g，完成对刀过程；

步骤3：后续加工过程中，每次换刀后的同一时刻压力传感器读数，如果Gmax—Gmin＞△g，***自动报警；如果Gmax—Gmin≤△g，则可以继续进行加工。

优点及效果：本发明与普通铣床加工相比，能快速预知主轴和刀柄装配时主轴夹屑及其他刀柄不对中问题，避免了在加工过程中铣床主轴***的不良磨损，甚至损坏，延长了铣床寿命，提高了加工精度。

附图说明：

图1是本发明组装示意图；

图2是图1的a局部视图；

图3是刀柄上表面与主轴夹屑示意图；

图4是刀柄与主轴接触锥面夹屑示意图；

图5是标准BT40-ER-100刀柄夹头改造示意图；

图6是本发明改造后的拉钉示意图；

图7是本发明传感器压板结构示意图；

图8是图7的M向视图；

图9是本发明拉钉连接体示意图；

图10是本发明无线压力传感器示意图；

图11是本发明无线压力传感器工作原理示意图；

图中：1-主轴，2-压力传感器引线孔，3-夹头，4-信号输送孔，5-拉钉，6-传感器压板，7-盖板紧定螺钉，8-传感器，9-拉钉连接体，10-紧定螺钉。

具体实施方式：

本发明是一种机床主轴夹屑报警装置，其技术思想是采用了预埋式方法把无线压力传感器组装到刀体内部，通过刀柄上夹头重量压力的变化转化为刀柄与主轴结合面夹屑大小的关系，并通过无线信号传输与接收的方式对铣床加工进行定时监测。

本发明的结构包括：包括夹头3；所述夹头3上端的沉头孔座中安装有拉钉连接体9；所述拉钉连接体9上有沉头孔，各沉头孔中安装有压力传感器8；所述拉钉连接体9通过传感器压板6与夹头3固定；拉钉5穿过传感器压板6与拉钉连接体9的孔并用紧定螺钉10固定。

其中的压力传感器8配加了无线蓝牙模块；所述压力传感器8外配加了定位外壳。

夹头3上表面有根据传感器压板6配做的圆周均布台阶孔；夹头3的下部开有信号传输孔4。

所述夹头3上安装拉钉连接体9的沉头孔座的圆柱度在φ0.01mm内。

所述拉钉连接体9上的沉头孔为圆周均布的沉头孔，各孔轴向深度差不超过0.01mm，所述各沉头孔侧面有引线槽。

所述夹头3上端面及锪孔面粗糙度达到Ra1.6以上，平面度不超过0.02mm。

传感器压板6在拉钉5轴肩下表面与传感器8上表面间无轴向游隙，传感器压板6内孔与拉钉5有0.03-0.05mm的侧隙。

本发明还可以通过现有铣床和刀柄改造而来，改造步骤和使用方法具体为：

主要零部件有：无线压力传感器，标准BT40-ER-2-100L弹性夹头，便携式计算机（内含蓝牙信号接收器）。具体参照附图1~11，对本发明作进一步详述，步骤如下：

步骤1：将已有的一种压力传感器进行改造，改造部分为：（1）配加定位外壳（如图10）；（2）配加无线蓝牙模块，以实现无线数据传输。改造后无线压力传感器工作原理如图11；

步骤2：选择一款标准弹性夹头（本发明以BT40-ER-2-100L为例），为了精准检测到主轴夹屑位置和夹屑大小，在夹头上表面根据传感器压板尺寸配做6个圆周均布台阶孔（如图5），在下部留有2个信号传输孔；同时按照拉钉连接体（如图9）配做沉头孔座,并保证孔的圆柱度在φ0.01mm内；相应的拉钉结构进行改造，采用分体组合式结构，如图6；增加拉钉连接体，连接体上有8个针对压力传感器尺寸而设计的沉头孔，各孔的轴向深度差不得超过0.01mm，每个沉孔侧面都留有引线槽，如图9；

步骤3：确认无线距离传感器组件，检查电池、蓝牙组件及内部电路，组装好无线距离传感器，确定好检测方向；传感器装入拉钉连接体，将改造拉钉透过传感器压板孔与拉钉连接体用紧定螺钉固定，保证传感器压板在拉钉台阶下表面和拉钉连接体上表面间承受一定的预紧力；

步骤4：用螺钉将步骤3中的拉钉、拉钉连接体与传感器压板组合件固定在夹头上端；连接好信号接收及处理的计算机，启动传感器，通过调整轴向位置，确定传感器灵活受力，并使得各个传感器读数一致；

步骤5：将组装好传感器的刀柄预装到立式数控铣床（VWC8508为例）上，设定超差阈值△g，在主轴处于静止和运行两种状态时，任何同一时刻压力传感器数值都满足Gmax－Gmin≤△g，完成对刀过程；

步骤6：后续加工过程中，每次换刀后的同一时刻每个压力传感器的读数（主轴静止时），如果Gmax—Gmin＞△g，***则自动报警；如果Gmax—Gmin≤△g，则可以继续进行加工，1分钟后无线压力传感器自动关闭。

Claims (6)

1.一种基于应变式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：包括夹头（3）；所述夹头（3）上端的沉头孔座中安装有拉钉连接体（9）；所述拉钉连接体（9）上有沉头孔，各沉头孔中安装有压力传感器（8）；所述拉钉连接体（9）通过传感器压板（6）与夹头（3）固定；拉钉（5）穿过传感器压板（6）上的孔，并与拉钉连接体（9）通过紧定螺钉（10）固定；

所述压力传感器（8）配加了无线蓝牙模块；所述压力传感器（8）外配加了定位外壳；

所述夹头（3）上表面有根据传感器压板（6）配做的圆周均布台阶孔；夹头（3）的下部开有信号传输孔（4）。

2.根据权利要求1所述的基于应变式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：所述夹头（3）上安装拉钉连接体（9）的沉头孔座的圆柱度在φ0.01mm内。

3.根据权利要求1所述的基于应变式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：所述拉钉连接体（9）上的沉头孔为圆周均布的沉头孔，各孔轴向深度差不超过0.01mm，所述各沉头孔侧面有引线槽。

4.根据权利要求1所述的基于应变式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：所述夹头（3）上端面及锪孔面粗糙度达到Ra1.6以上，平面度不超过0.02mm。

5.根据权利要求1所述的基于应变式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置，其特征在于：传感器压板（6）在拉钉（5）轴肩下表面与传感器（8）上表面间无轴向游隙，传感器压板（6）内孔与拉钉（5）有0.03-0.05mm的侧隙。

6.一种如权利要求1所述的基于应变式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：连接好信号接收及处理的计算机，启动传感器（8），通过调整轴向位置，确定传感器灵活受力，并使得各个传感器读数一致；

步骤2：将刀柄（3）预装到立式数控铣床上，设定超差阈值△g，在主轴处于静止和运行两种状态时，任何同一时刻压力传感器数值都满足Gmax－Gmin≤△g，完成对刀过程；

步骤3：后续加工过程中，每次换刀后的同一时刻压力传感器读数，如果Gmax—Gmin＞△g，***自动报警；如果Gmax—Gmin≤△g，则可以继续进行加工。