一种用于四维切削力检测的电容式智能刀柄系统

摘要

本发明公开了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。通过在标准刀柄下端圆柱体部分切槽形成变形筋结构，利用变形筋的变形来解算四维切削力，变形量由电容式位移传感器测得。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。

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；

图中：1-标准刀柄，2-竖直梁变形筋，3-水平梁变形筋，4-轴向 变形检测位置，5-扭转变形检测位置，6-紧定螺钉，7-外封装环，8- 密封盖，9-螺钉，10-密封圈，11-轴向电容式位移传感器，12-固定块， 13-电容传感器检测电路，14-信号预处理及采集单元，15-信号无线发 射模块，16-锂电池，17-扭转电容式位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限 于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发 明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1-6所示，本发明的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1、轴向电容式位移传感器11、扭转电容式位移 传感器17、锂电池16、电容传感器检测电路13、信号预处理及采集 单元14、信号无线发射模块15、外封装环7、密封盖8、固定块12 组成。

如图2-3所示，本发明直接使用标准刀柄1为原型进行结构更改， 通过在标准刀柄1下端的圆柱体部分，于两相邻位置沿圆周均布切四 个槽：第一切槽、第二切槽、第三切槽和第四切槽，从而形成水平梁 变形筋3和竖直梁变形筋2两种变形筋结构，当多维切削力从刀具传 递过来时，由于变形筋的存在，标准刀柄1的变形会在变形筋处得到 集中放大，提高了结构感知切削力变化的灵敏度；切槽的尺寸参数， 如槽高、槽宽，因标准刀柄在切槽位置的内外直径的不同而不同，可 以综合考虑刀柄结构刚度要求与感知灵敏度指标，利用材料力学理论 结合有限元仿真手段进行优化选择，而槽的位置一般紧靠着刀柄机械 手抓取端；以BT50SLN40-150为例，靠近锥柄的槽的尺寸为：槽高 12mm、槽宽28mm、离刀柄机械手抓取端4mm，另一组槽的槽高1mm、 槽宽26mm、两槽相距4.5m，将达到较好的效果。考虑到刀柄在X、 Y、Z三向正交力及绕Z轴扭矩T作用下变形筋的变形情况，利用水 平梁变形筋3在切槽下表面4中心处的变形量来表征轴向力和径向 力，利用竖直梁变形筋2在切槽侧表面5中心处的变形量来表征扭矩， 总共设计6处检测位置。

6处检测位置的变形量均由高精度电容式位移传感器来测得，所 述电容式位移传感器由轴向电容式位移传感器11和扭转电容式位移 传感器17组成，其中：轴向电容式位移传感器11由轴向电容传感器 C1、轴向电容传感器C2、轴向电容传感器C3、轴向电容传感器C4 组成，扭转电容式位移传感器由扭转电容传感器C5、扭转电容传感 器C6组成。6组电容传感器排布方式如图4所示：轴向电容传感器 C1、轴向电容传感器C2、轴向电容传感器C3、轴向电容传感器C4 周向均匀布置，用来检测切槽下表面4中心处的变形量，其中，轴向 电容传感器C1和轴向电容传感器C3对称布置，轴向电容传感器C2 和轴向电容传感器C4对称布置；扭转电容传感器C5和扭转电容传 感器C6对称布置，用来检测切槽侧表面5中心处的变形量。

轴向电容传感器11用来检测切槽下表面4中心处的变形量，扭 转电容传感器17用来检测切槽侧表面5中心处的变形量。以轴向电 容传感器C1、轴向电容传感器C2、轴向电容传感器C3、轴向电容 传感器C4测得的变形量来计算Z向轴向力，以轴向电容传感器C1、 轴向电容传感器C3测得的变形量来计算X向径向力，以轴向电容传 感器C2、轴向电容传感器C4测得的变形量来计算Y向径向力，以 扭转电容传感器C5、扭转电容传感器C6测得的变形量来计算绕Z 轴扭矩，其中Z轴是回转轴。利用6处变形量求解切削力公式如下：

$\left(\begin{array}{c}{F}_z=k_1\frac{\Delta d_1+\Delta d_2+\Delta d_3+\Delta d_4}{4}\\ F_x=k_2\frac{\Delta d_1-\Delta d_3}{2}\\ F_y=k_3\frac{\Delta d_4-\Delta d_2}{2}\\ T=k_4\frac{\Delta d_5-\Delta d_6}{2}\end{array}\right)$

式中，Δd₁～Δd₆分别是编号为C1、C2、C3、C4、C5、C6的电容传 感器测得的变形筋变形量，k₁～k₄是与标准刀柄1刚度有关的系数， 需要由后续实验标定获得。

如图4所示，电容传感器装配方式为：轴向电容传感器C1的可 动极板固连在第一切槽的下表面4上，随着变形筋变形而移动，固定 极板固连在固定块12上，固定块12胶粘在第一切槽的上表面；轴向 电容传感器C2的可动极板固连在第二切槽的下表面4上，固定极板 固连在固定块12上，固定块12胶粘在第二切槽的上表面；轴向电容 传感器C3的可动极板固连在第三切槽的下表面4上，固定极板固连 在固定块12上，固定块12胶粘在第三切槽的上表面；轴向电容传感 器C4的可动极板固连在第四切槽的下表面4上，固定极板固连在固 定块12上，固定块12胶粘在第四切槽的上表面；扭转电容传感器 C5的可动极板固连在第一切槽的侧表面5上，固定极板固连在固定 块12上；扭转电容传感器C6的可动极板固连在第三切槽的侧表面5 上，固定极板固连在固定块12上。通过仿真及实验，发现这种装配 方式下切削力作用时电容器可动极板随变形筋变形明显，固定极板变 形微弱，满足变形量检测需求。

本发明中，外封装环7的作用是将切槽位置挡住，再形成空腔用 于放置电路板和电池。如图5-6所示，电容传感器检测电路13、信号 预处理及采集单元14、信号无线发射模块15以及为整个系统供电的 锂电池16均封装在外封装环7和标准刀柄1之间形成的空腔中，沿 着信号传递方向，将轴向电容式位移传感器11和扭转电容式位移传 感器17的两极板、电容传感器检测电路13、信号预处理及采集单元 14以及信号无线发射模块15通过导线依次连接起来，同时考虑到系 统的能量供给，将锂电池16与轴向电容传感器11、扭转电容传感器 17、电容传感器检测电路13、信号预处理及采集单元14、信号无线 发射模块15均通过导线连接，外封装环7通过4颗紧定螺钉6固定 在标准刀柄1上，外封装环7上端抵于机械手抓取端，下端用密封盖 8通过螺钉9固定，密封盖8与标准刀柄1之间的间隙用密封圈10 密封。

如图7所示，变形筋在切削力作用下产生变形，变形量由轴向电 容式位移传感器11和扭转电容式位移传感器17测量到之后，经滤波 放大等预处理，再由单片机控制AD芯片进行数据采集，通过信号无 线传输系统传输到个人电脑上进行数据显示、处理和分析。整个无线 数据采集系统由锂电池16供电，利用STM32F103系列单片机控制其 ADC进行采样，无线传输系统基于蓝牙技术实现，既满足了切削力 采集要求，并实现了较低的成本。