CN117506555A - 一种自调整装夹直径的刀具状态监控环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自调整装夹直径的刀具状态监控环，涉及智能制造技术领域。所述自调整装夹直径的刀具状态监控环装配在铣刀刀柄上，包括壳体以及壳体上设置的柔性装夹结构、自调节模块、信号采集模块、无线传输模块以及无线充电模块；自调节模块用于调节所述柔性装夹结构装夹刀具的夹紧力大小，从而装夹不同直径的刀柄；信号采集模块用于采集刀具切削过程中的三轴加速度信号，并传送至上位机；上位机基于三轴加速度信号提取刀具的振动信号，并进一步通过机器学习算法实现对刀具磨损状态的识别。本发明公开的自调整装夹直径的刀具状态监控环能够有效提高刀具的利用率，降低监测成本且适用于不同直径的刀具。

Description

一种自调整装夹直径的刀具状态监控环

技术领域

本发明涉及智能制造技术领域，特别是涉及一种自调整装夹直径的刀具状态监控环。

背景技术

在切削加工过程中，工作人员常常因为无法确定刀具处于什么状态而不能充分利用刀具的性能，出现了由于使用保守的切削参数对刀具进行加工，使得刀具在未达到设计的磨损量时就对其进行报废处理造成资源的浪费，或刀具已达到设计的磨损量但仍在使用造成产品质量不合格等问题。

目前的商业化刀具磨损智能监测***存在价格高昂、使用不便、设备安装复杂和结构普适性差等问题，且有些监测***将传感器集成在刀柄内，严重破坏了刀柄的原有结构，降低了刀柄的强度和刚度。因此，设计一种智能监测***以有效提高切削加工的效率和产品的加工质量，增加刀具的利用率，降低刀具工作状态监测的成本和难度，实现长时间、大行程、高速高效、高可靠性、自动化、智能化的加工，开展低成本、可复用的刀具状态监测设计和研究，对智能制造十分必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种自调整装夹直径的刀具状态监控环，能够有效提高刀具的利用率，降低监测成本且适用于不同直径的刀具。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种自调整装夹直径的刀具状态监控环，包括：壳体、柔性装夹结构、自调节模块、信号采集模块、无线传输模块以及无线充电模块；所述柔性装夹结构、所述自调节模块、所述信号采集模块和所述无线传输模块均设置在所述壳体上；

所述自调整装夹直径的刀具状态监控环装配在铣刀刀柄上；所述柔性装夹结构与所述自调节模块连接；所述自调节模块用于调节所述柔性装夹结构装夹刀具的夹紧力大小，从而装夹不同直径的刀柄；所述无线传输模块分别与所述信号采集模块以及上位机连接；所述信号采集模块用于采集刀具切削过程中的三轴加速度信号，并经由所述无线传输模块传送至所述上位机；所述上位机基于所述三轴加速度信号提取刀具的振动信号，并进一步通过机器学习算法实现对刀具磨损状态的识别；所述无线充电模块分别与所述自调节模块、所述信号采集模块以及所述无线传输模块连接进行供电。

可选地，所述自调节模块包括启停按钮、电机以及扭矩传感器；

所述启停按钮与所述电机连接，所述启停按钮用于控制所述电机的启动和停止；所述电机的输出轴上设置有伞齿轮，所述电机用于带动所述伞齿轮进行旋转；所述扭矩传感器与所述电机的输出轴连接，用于检测所述电机提供的输出扭力；所述扭矩传感器还与所述无线传输模块连接，用于将电机的输出扭力传送至所述上位机。

可选地，所述柔性装夹结构包括第一伸缩卡爪、第一盘丝、第二盘丝以及第二伸缩卡爪；

所述第一盘丝位于所述第一伸缩卡爪和所述电机的输出轴之间；所述第一盘丝靠近所述电机的一面为齿轮面，通过齿轮面与所述电机的输出轴上设置的所述伞齿轮互相啮合；所述第一盘丝靠近所述第一伸缩卡爪的一面设置有平面螺纹；所述第一伸缩卡爪靠近所述第一盘丝的一面也设置有平面螺纹；所述第一伸缩卡爪通过平面螺纹与所述第一盘丝的平面螺纹相啮合；所述第二伸缩卡爪和所述第二盘丝与所述第一伸缩卡爪和所述第一盘丝关于所述电机所在平面对称设置；所述电机通过输出轴上设置的伞齿轮的转动带动所述第一盘丝和所述第二盘丝转动，进而带动所述第一伸缩卡爪和所述第二伸缩卡爪实现直线进给。

可选地，所述伸缩卡爪的伸缩头面对大直径刀具时不伸出，面对小直径刀具时分级伸出；所述伸缩头通过螺丝定位卡死。

可选地，所述信号采集模块为三轴加速度传感器。

可选地，所述无线传输模块为Wi-Fi模块；所述Wi-Fi模块通过TCP/IP协议将刀具切削过程中的三轴加速度信号传输至所述上位机。

可选地，所述无线充电模块包括发射端和接收端；

所述发射端通过usb接口与电源适配器连接，所述电源适配器与220V电源连接；所述发射端通过一对感应线圈与所述接收端相连，从而为所述无线充电模块充电。

可选地，所述上位机包括处理硬件和处理软件；所述处理硬件包括CPU、显卡、主板、电源、显示器以及内存条；所述处理软件包括机器学习算法和可视化窗口；所述可视化窗口包括用户登录界面、振动信号波形显示界面和刀具磨损状态显示界面。

可选地，所述自调整装夹直径的刀具状态监控环还包括设置在所述壳体上的工作模块安装盒；所述工作模块安装盒为突出的方形壳体，用于放置所述信号采集模块、所述无线传输模块以及所述无线充电模块的接收端。

可选地，所述自调整装夹直径的刀具状态监控环还包括设置在所述壳体上的动平衡配重安装盒；所述动平衡配重安装盒为环形槽，设置在所述工作模块安装盒的对侧，用于放置配重块以实现动平衡。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种自调整装夹直径的刀具状态监控环，包括：壳体以及壳体上设置的柔性装夹结构、自调节模块、信号采集模块、无线传输模块以及无线充电模块。将所述自调整装夹直径的刀具状态监控环装配在铣刀刀柄上进行使用。自调节模块用于调节柔性装夹结构装夹刀具的夹紧力大小，从而装夹不同直径的刀柄。信号采集模块用于监测并采集刀具切削过程中的三轴加速度信号，并经由无线传输模块将三轴加速度信号传送至上位机。上位机基于三轴加速度信号提取加工过程中刀具的振动信号，即铣床主轴上的振动信号，并进一步通过机器学习算法来实现对刀具磨损状态的识别，实现刀具状态监控任务的智能化，能够有效提高刀具的利用率，降低监测成本且适用于不同直径的刀具。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的自调整装夹直径的刀具状态监控环的整体结构示意图；

图2为本发明提供的自调整装夹直径的刀具状态监控环的传动结构示意图；

图3为本发明提供的自调整装夹直径的刀具状态监控环的加工工况图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种自调整装夹直径的刀具状态监控环，能够有效提高刀具的利用率，降低监测成本且适用于不同直径的刀具。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图3所示，本发明公开的一种自调整装夹直径的刀具状态监控环，包括：壳体以及壳体上设置的柔性装夹结构、自调节模块、信号采集模块、无线传输模块以及无线充电模块。其中，信号采集模块为三轴加速度传感器，用于对刀具切削过程中的三轴加速度信号进行采集。壳体包括上壳体201和下壳体202，所述上壳体201和下壳体202将柔性装夹结构、自调节模块、信号采集模块、无线传输模块以及无线充电模块组合在一起。

柔性装夹结构与自调节模块连接。自调节模块用于调节柔性装夹结构装夹刀具的夹紧力大小，从而装夹不同直径的刀柄。无线传输模块分别与信号采集模块以及上位机7连接。信号采集模块用于采集刀具切削过程中的三轴加速度信号，并经由无线传输模块传送至上位机7。上位机7基于三轴加速度信号提取刀具的振动信号，并进一步通过机器学习算法实现对刀具磨损状态的识别。无线充电模块分别与自调节模块、信号采集模块以及无线传输模块连接进行供电。

具体地，自调节模块包括启停按钮207、电机以及扭矩传感器。所述启停按钮207与电机连接，用于控制电机的启动和停止。电机的输出轴上设置有伞齿轮208，所述电机用于带动伞齿轮208进行旋转。扭矩传感器与电机的输出轴连接，用于检测电机提供的输出扭力。同时，扭矩传感器通过监测刀具装夹过程中电机的扭矩变化，控制夹紧力的大小，使得柔性装夹结构能够夹紧不同直径的刀柄。扭矩传感器还与无线传输模块连接，用于将电机的输出扭力传送至上位机7。

如图2所示，本发明通过自调整装夹直径的刀具状态监控环的传动结构来实现夹紧不同直径的刀柄的目的。

具体地，柔性装夹结构包括第一伸缩卡爪203、第二伸缩卡爪204、第一盘丝205以及第二盘丝206。第一盘丝205位于第一伸缩卡爪203和电机的输出轴之间。第一盘丝205靠近电机的一面为齿轮面，通过齿轮面与电机的输出轴上设置的伞齿轮208互相啮合，伞齿轮208接收自调节模块中电机产生的扭矩力进行转动并传输给第一盘丝205。第一盘丝205靠近第一伸缩卡爪203的一面设置有平面螺纹，第一伸缩卡爪203靠近盘丝的一面也设置有平面螺纹。第一伸缩卡爪203通过平面螺纹与第一盘丝205的平面螺纹相啮合。第二伸缩卡爪204和第二盘丝206与第一伸缩卡爪203和第一盘丝205关于电机所在平面对称设置。所述柔性装夹结构通过自调节模块的电机带动输出轴上设置的伞齿轮208转动，由于伞齿轮208与盘丝的齿轮面啮合从而带动盘丝转动。由于盘丝与伸缩卡爪通过平面螺纹啮合，因此盘丝的转动带动伸缩卡爪实现直线进给。

作为一种具体的实施例，本发明提供的自调整装夹直径的刀具状态监控环包括三个第一伸缩卡爪203、三个第二伸缩卡爪204以及三个伞齿轮208。所述每个伸缩卡爪包括伸缩头和卡爪壳体。所述伸缩卡爪的伸缩头面对大直径刀具时不伸出，面对小直径刀具时分级伸出，且伸缩头通过螺丝定位卡死。

具体地，所述无线传输模块为Wi-Fi模块。Wi-Fi模块通过TCP/IP协议将刀具切削过程中的三轴加速度信号传输至上位机7。此外，无线传输模块还包括微处理器，用于实现各部分功能协调。

具体地，无线充电模块包括发射端和接收端。发射端通过usb接口与电源适配器连接，所述电源适配器与220V电源连接。所述发射端通过一对感应线圈与接收端相连，从而为无线充电模块充电。

具体地，上位机7包括处理硬件和处理软件。处理硬件包括CPU、显卡、主板、电源、显示器以及内存条。处理软件包括机器学习算法和可视化窗口。可视化窗口包括用户登录界面、振动信号波形显示界面和刀具磨损状态显示界面。

作为一种具体的实施例，本发明自调整装夹直径的刀具状态监控环2还包括设置在所述壳体上的工作模块安装盒209。工作模块安装盒209为突出的方形壳体，用于放置信号采集模块、无线传输模块以及无线充电模块的接收端。

作为一种具体的实施例，本发明自调整装夹直径的刀具状态监控环2还包括设置在所述壳体上的动平衡配重安装盒210。动平衡配重安装盒210为环形槽，设置在工作模块安装盒209的对侧。由于工作模块安装盒209仅设置在自调整装夹直径的刀具状态监控环2的一侧，使得自调整装夹直径的刀具状态监控环2装夹在铣刀刀柄上随铣刀转动时，无法满足动平衡，因此通过动平衡试验在动平衡配重安装盒210中安装动平衡块，以保证自调整装夹直径的刀具状态监控环2的动平衡。

如图3所示，将自调整装夹直径的刀具状态监控环2装配在铣刀刀柄上进行工作。具体地，将自调整装夹直径的刀具状态监控环2装配在铣刀4的刀柄上，并将铣刀4固定在数控铣床1的铣床主轴3上。将虎钳6固定在数控铣床1的底座上，工件5装夹在虎钳6上进行固定。自调整装夹直径的刀具状态监控环2在加工过程中随铣刀4一起转动。在此过程中，自调整装夹直径的刀具状态监控环2中的信号采集模块采集加工过程中的三轴加速度信号并传输给上位机7。上位机7通过机器学习算法，如深度学习算法对刀具磨损状态进行识别和预测，对刀具寿命进行预测，对刀具异常状态进行识别，对切削参数进行优化。上位机7将这些刀具状态信息传输给数控铣床1，数控铣床1根据刀具状态信息进行换刀、暂停加工或更换切削参数。

本发明提供的自调整装夹直径的刀具状态监控环具有可复用的特点，能够装夹在不同直径的刀柄，具有较高的实际应用前景。基于自调整装夹直径的刀具状态监控环的刀具状态监控***，可以实现在线监测刀具磨损状态，提高加工效率。同时，可以避免过早换刀造成的浪费和过晚换刀导致的超差，有效提高刀具的利用率，降低监测成本。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种自调整装夹直径的刀具状态监控环，其特征在于，包括：壳体、柔性装夹结构、自调节模块、信号采集模块、无线传输模块以及无线充电模块；所述柔性装夹结构、所述自调节模块、所述信号采集模块和所述无线传输模块均设置在所述壳体上；

所述自调整装夹直径的刀具状态监控环装配在铣刀刀柄上；所述柔性装夹结构与所述自调节模块连接；所述自调节模块用于调节所述柔性装夹结构装夹刀具的夹紧力大小，从而装夹不同直径的刀柄；所述无线传输模块分别与所述信号采集模块以及上位机连接；所述信号采集模块用于采集刀具切削过程中的三轴加速度信号，并经由所述无线传输模块传送至所述上位机；所述上位机基于所述三轴加速度信号提取刀具的振动信号，并进一步通过机器学习算法实现对刀具磨损状态的识别；所述无线充电模块分别与所述自调节模块、所述信号采集模块以及所述无线传输模块连接进行供电。

2.根据权利要求1所述的自调整装夹直径的刀具状态监控环，其特征在于，所述自调节模块包括启停按钮、电机以及扭矩传感器；

所述启停按钮与所述电机连接，所述启停按钮用于控制所述电机的启动和停止；所述电机的输出轴上设置有伞齿轮，所述电机用于带动所述伞齿轮进行旋转；所述扭矩传感器与所述电机的输出轴连接，用于检测所述电机提供的输出扭力；所述扭矩传感器还与所述无线传输模块连接，用于将电机的输出扭力传送至所述上位机。

3.根据权利要求2所述的自调整装夹直径的刀具状态监控环，其特征在于，所述柔性装夹结构包括第一伸缩卡爪、第一盘丝、第二盘丝以及第二伸缩卡爪；

所述第一盘丝位于所述第一伸缩卡爪和所述电机的输出轴之间；所述第一盘丝靠近所述电机的一面为齿轮面，通过齿轮面与所述电机的输出轴上设置的所述伞齿轮互相啮合；所述第一盘丝靠近所述第一伸缩卡爪的一面设置有平面螺纹；所述第一伸缩卡爪靠近所述第一盘丝的一面也设置有平面螺纹；所述第一伸缩卡爪通过平面螺纹与所述第一盘丝的平面螺纹相啮合；所述第二伸缩卡爪和所述第二盘丝与所述第一伸缩卡爪和所述第一盘丝关于所述电机所在平面对称设置；所述电机通过输出轴上设置的伞齿轮的转动带动所述第一盘丝和所述第二盘丝转动，进而带动所述第一伸缩卡爪和所述第二伸缩卡爪实现直线进给。

4.根据权利要求3所述的自调整装夹直径的刀具状态监控环，其特征在于，所述伸缩卡爪的伸缩头面对大直径刀具时不伸出，面对小直径刀具时分级伸出；所述伸缩头通过螺丝定位卡死。

5.根据权利要求1所述的自调整装夹直径的刀具状态监控环，其特征在于，所述信号采集模块为三轴加速度传感器。

6.根据权利要求1所述的自调整装夹直径的刀具状态监控环，其特征在于，所述无线传输模块为Wi-Fi模块；所述Wi-Fi模块通过TCP/IP协议将刀具切削过程中的三轴加速度信号传输至所述上位机。

7.根据权利要求1所述的自调整装夹直径的刀具状态监控环，其特征在于，所述无线充电模块包括发射端和接收端；

所述发射端通过usb接口与电源适配器连接，所述电源适配器与220V电源连接；所述发射端通过一对感应线圈与所述接收端相连，从而为所述无线充电模块充电。

8.根据权利要求1所述的调整装夹直径的刀具状态监控环，其特征在于，所述上位机包括处理硬件和处理软件；所述处理硬件包括CPU、显卡、主板、电源、显示器以及内存条；所述处理软件包括机器学习算法和可视化窗口；所述可视化窗口包括用户登录界面、振动信号波形显示界面和刀具磨损状态显示界面。

9.根据权利要求7所述的自调整装夹直径的刀具状态监控环，其特征在于，还包括设置在所述壳体上的工作模块安装盒；所述工作模块安装盒为突出的方形壳体，用于放置所述信号采集模块、所述无线传输模块以及所述无线充电模块的接收端。

10.根据权利要求9所述的自调整装夹直径的刀具状态监控环，其特征在于，还包括设置在所述壳体上的动平衡配重安装盒；所述动平衡配重安装盒为环形槽，设置在所述工作模块安装盒的对侧，用于放置配重块以实现动平衡。