专利摘要

本发明公开了一种拉削力检测装置及其检测方法。由于拉削加工工艺的特殊性，一般的切削力检测装置不能够有效的检测拉削负载的大小。本发明一种自检测且收集振动能量的拉刀，包括拉刀本体和检测器。拉刀本体的刀身侧部开设有n个安置通槽。n个安置通槽内均设置有检测器。检测器包括应变传感器、压电片和电路基板。应变传感器和压电片分别设置在安置通槽的两侧。电路基板固定在安置通槽内。电路基板上设置有检测‑能量收集电路。检测‑能量收集电路包括能量收集模块、拉削负载检测模块和无线发送模块。本发明把传感器与切削部件相结合实现一体化测量切削力，可以使切削力测量不再受加工空间大小的限制。

权利要求

1.一种拉削力检测装置，包括拉刀本体；其特征在于：还包括检测器；所述拉刀本体的刀身侧部开设有n个安置通槽，2≤n≤10；n个安置通槽内均设置有检测器；所述的检测器包括应变传感器、压电片和电路基板；应变传感器和压电片分别设置在安置通槽的两侧；电路基板固定在安置通槽内；电路基板上设置有检测-能量收集电路；检测-能量收集电路包括能量收集模块、拉削负载检测模块和无线发送模块；能量收集模块包括能量收集芯片和存储电容；存储电容与压电片通过能量收集芯片连接；

所述的拉削负载检测模块包括电阻R1、电阻R2和电阻R3；电阻R1的一端接应变传感器的其中一个接线端，另一端接电阻R2的一端；电阻R2的另一端接电阻R3的一端；电阻R3的另一端接应变传感器3的另一个接线端；电阻R1连接电阻R2的那端接存储电容Cs的负极，电阻R3连接应变传感器的那端接存储电容的正极；电阻R1连接应变传感器的那端接无线发送模块的第一输入引脚；电阻R2连接电阻R3接无线发送模块的第二输入引脚。

2.根据权利要求1所述的一种拉削力检测装置，其特征在于：所述能量收集芯片的型号为LTC3588-2；能量收集芯片的两个输入引脚与压电片的两个接线端分别相连；能量收集芯片的V_IN引脚接电容C1及电容C2的一端，CAP引脚接电容C1的另一端，V_IN2引脚接电容C3的一端；电容C2及电容C3的另一端均接地；能量收集芯片U1的SW引脚接电感L1的一端，V_OUT引脚接电感L1的另一端及存储电容C_s的一端；存储电容C_s的另一端接地；能量收集芯片U1的GND引脚接地。

3.根据权利要求1所述的一种拉削力检测装置，其特征在于：n个安置通槽内的压电片与应变传感器的距离相等。

4.根据权利要求1所述的一种拉削力检测装置，其特征在于：所述安置通槽与应变传感器、压电片的连接处呈平面状。

5.根据权利要求1所述的一种拉削力检测装置，其特征在于：所述安置通槽的两端处均开设有卡槽；电路基板的两端分别卡入两个卡槽内。

6.根据权利要求1所述的一种拉削力检测装置，其特征在于：所述的无线发送模块采用型号为LMX5453的蓝牙芯片。

7.根据权利要求1所述的一种拉削力检测装置，其特征在于：所述的拉刀本体采用键槽式拉刀。

8.根据权利要求1所述的一种拉削力检测装置，其特征在于：n个安置通槽沿刀身的长度方向依次等间距排列。

9.根据权利要求1所述的一种拉削力检测装置，其特征在于：所述拉刀本体的刀身两侧面上均开设有与n个安置通槽分别位置对应的n个端盖安置槽；2n个端盖安置槽上均嵌有密封盖；密封盖呈圆形，且材质为橡胶，与对应的端盖安置槽通过耐高温粘结剂粘合。

10.如权利要求1所述的一种拉削力检测装置的检测方法，其特征在于：

步骤一、用拉刀本体对工件进行拉削；拉削过程中，压电片通过正压电效应输出电压；能量收集模块接收由压电片所产生的电能，并为内部的存储电容充电；应变传感器发生变形，自身电阻值发生变化；应变传感器的电阻变化改变拉削负载检测模块向无线发送模块输出的应变模拟信号；

步骤二、n个无线发送模块均将自身接收到的应变模拟信号通过无线通信发送给上位机；

步骤三、上位机根据n个无线发送模块传输来的应变模拟信号转化为应变量，并根据n个应变量获取拉刀本体受到的拉削力；

步骤四、若上位机转化得到的四个应变量大于拉刀本体在对应位置的应变允许范围时，则说明拉刀本体在拉削过程中发生问题。

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种拉削力检测装置及其检测方法。

背景技术

切削力是金属切削过程中的主要物理现象之一，其大小直接影响切削热、加工表面质量、刀具磨损及刀具耐用度等，加工过程中轴向分力的不断变化影响着工件表面质量，径向分力对工件形状精度的影响也很大，可见切削状态的每一个细微的变化都可以通过切削力的数值反映出来，加工过程中出现的刀具磨损、机床发生的故障以及产生的颤振等现象也都可以通过切削力的监测及时发现。可以看出切削力的变化始终贯穿整个切削过程，因此实时、准确地监测切削过程中的切削力，对于研究加工过程的切削机理、优化切削工艺参数以及确定刀具的几何角度有着重要作用，同时对于提高机械制造水平也有着重大意义。

拉床可以在金属零件加工中提供较大的切削力及较高的加工精度，这也是拉削加工相比于其他金属加工无法替代的优点。但拉削过程中，拉刀刀齿磨损或断裂等情况的出现，会导致拉削负载跃变。致使拉床无法正常工作，甚至对刀具及加工工件造成难以修复的损伤。这些情况不仅大幅增加了零部件制造商的生产成本，还会导致加工工件报废，加工生产线停产等。而在高端装备制造行业中，拉削加工某些重要的航空零件时，通常会遇到一些难处理的材料如一些硬度极高的合金钢。而这些航空零部件对加工精度的要求更高，因此由拉刀磨损或断裂造成的经济损失难以估量。因此，为避免出现严重的磨损甚至刃齿断裂的状况，研究在拉削加工过程中如何及时反馈拉刀状态的方法是非常重要的。在拉床加工过程中，通过对拉削力的检测可实时反馈刀具状态，当刀具出现磨损或者失效时就可调整拉削参数或者更换刀具，保证了工件的加工精度，也避免了不必要的经济损失。目前大部分检测切削负载都是通过测力仪，主要是用于监控切削过程中切削力的变化，通过观察切削力的变化可以监测刀具的工作状态。但由于拉削加工工艺的特殊性，拉削负载往往远大于其它机械加工中的切削力，所以一般的切削力检测装置不能够有效的检测拉削负载的大小，并且无法达到响应速度和精度方面的要求。因此，实现对拉削状态的实时检测是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于拉刀振动能量收集装置及切削力检测方法。

本发明一种拉削力检测装置，包括拉刀本体和检测器。所述拉刀本体的刀身侧部开设有n个安置通槽，2≤n≤10。n个安置通槽内均设置有检测器。所述的检测器包括应变传感器、压电片和电路基板。应变传感器和压电片分别设置在安置通槽的两侧。电路基板固定在安置通槽内。电路基板上设置有检测-能量收集电路。检测-能量收集电路包括能量收集模块、拉削负载检测模块和无线发送模块。能量收集模块包括能量收集芯片和存储电容。存储电容与压电片通过能量收集芯片连接。

所述的拉削负载检测模块包括电阻R1、电阻R2和电阻R3。电阻R1的一端接应变传感器的其中一个接线端，另一端接电阻R2的一端。电阻R2的另一端接电阻R3的一端。电阻R3的另一端接应变传感器3的另一个接线端。电阻R1连接电阻R2的那端接存储电容Cs的负极，电阻R3连接应变传感器的那端接存储电容的正极。电阻R1连接应变传感器的那端接无线发送模块的第一输入引脚；电阻R2连接电阻R3接无线发送模块的第二输入引脚。

进一步地，所述能量收集芯片的型号为LTC3588-2。能量收集芯片的两个输入引脚与压电片的两个接线端分别相连；能量收集芯片的V_IN引脚接电容C1及电容C2的一端，CAP引脚接电容C1的另一端，V_IN2引脚接电容C3的一端。电容C2及电容C3的另一端均接地。能量收集芯片U1的SW引脚接电感L1的一端，V_OUT引脚接电感L1的另一端及存储电容C_s的一端。存储电容C_s的另一端接地。能量收集芯片U1的GND引脚接地。

进一步地，n个安置通槽内的压电片与应变传感器的距离相等。

进一步地，所述安置通槽与应变传感器、压电片的连接处呈平面状。

进一步地，所述安置通槽的两端处均开设有卡槽。电路基板的两端分别卡入两个卡槽内。

进一步地，所述的无线发送模块采用型号为LMX5453的蓝牙芯片。

进一步地，所述的拉刀本体采用键槽式拉刀。

进一步地，n个安置通槽沿刀身的长度方向依次等间距排列。

进一步地，所述拉刀本体的刀身两侧面上均开设有与n个安置通槽分别位置对应的n个端盖安置槽。2n个端盖安置槽上均嵌有密封盖。密封盖呈圆形，且材质为橡胶，与对应的端盖安置槽通过耐高温粘结剂粘合。

该自检测且收集振动能量的拉刀的检测方法具体如下：

步骤一、用拉刀本体对工件进行拉削。拉削过程中，压电片通过正压电效应输出电压。能量收集模块接收由压电片所产生的电能，并为内部的存储电容充电。应变传感器3发生变形，自身电阻值发生变化。应变传感器的电阻变化改变拉削负载检测模块向无线发送模块输出的应变模拟信号。

步骤二、n个无线发送模块均将自身接收到的应变模拟信号通过无线通信发送给上位机。

步骤三、上位机根据n个无线发送模块传输来的应变模拟信号转化为应变量，并根据n个应变量获取拉刀本体受到的拉削力。

步骤四、若上位机转化得到的四个应变量大于拉刀本体在对应位置的应变允许范围时，则说明拉刀本体在拉削过程中发生问题。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过能量收集模块对拉削过程中所产生的振动能量进行收集，转化为可用的电能，并为拉削负载检测模块和无线发送模块供电，实现自供电式检测。

2、本发明把传感器与切削部件相结合实现一体化测量切削力，可以使切削力测量不再受加工空间大小的限制，并通过自供电的方式解决了安装在拉刀体上的元件难以外部供电和安装电池的问题。

3、本发明能够随着切削部件的运动实时、准确地采集、处理与记录比较完整的切削力信号，并能够判断切削是否发生问题。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的拆去密封盖后的局部示意图；

图3为本发明的拆去密封盖及电路基板后的局部正视图；

图4为图3中A-A方向的剖视图；

图5为本发明中能量收集模块的电路原理图；

图6为本发明中拉削负载检测模块的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2、3和4所示，一种拉削力检测装置，包括拉刀本体1、密封盖2和检测器。拉刀本体1采用键槽式拉刀。拉刀本体1的刀身侧部开设有四个安置通槽。四个安置通槽沿刀身的长度方向依次等间距排列。四个安置通槽内均设置有检测器。

检测器包括应变传感器3、压电片4和电路基板5。应变传感器3和压电片4分别设置在安置通槽的两侧，且四个安置通槽内的压电片与应变传感器的距离相等。安置通槽与应变传感器3、压电片4的连接处呈平面状。安置通槽的两端处均开设有卡槽。电路基板4的两端分别卡入两个卡槽内；进而能够避免电路基板4在安置通槽因拉削震动而发生窜动。

如图5和6所示，电路基板5上设置有检测-能量收集电路。检测-能量收集电路包括能量收集模块、拉削负载检测模块和无线发送模块。无线发送模块采用型号为LMX5453的蓝牙芯片，其自带控制器，能够直接接收并无线发送模拟信号。无线发送模块与上位机无线通信。

如图5所示，能量收集模块包括能量收集芯片U1和存储电容C_s。能量收集芯片的型号为LTC3588-2，其内部包含有全桥整流电路，可以实现整流作用。能量收集芯片能够对压电所产生的能量提供高效率转换至稳压电压，或对电池和超级电容器等电能存储元件进行充电。能量收集芯片U1的两个输入引脚(PZ1、PZ2引脚)与压电片4的两个接线端分别相连；能量收集芯片U1的V_IN引脚接电容C1及电容C2的一端，CAP引脚接电容C1的另一端，V_IN2引脚接电容C3的一端。电容C2及电容C3的另一端均接地。能量收集芯片U1的SW引脚接电感L1的一端，V_OUT引脚接电感L1的另一端及存储电容C_s的一端。存储电容C_s的另一端接地。能量收集芯片U1的GND引脚接地。

如图6所示，拉削负载检测模块包括电阻R1、电阻R2和电阻R3。电阻R1的一端接应变传感器3的其中一个接线端，另一端接电阻R2的一端。电阻R2的另一端接电阻R3的一端。电阻R3的另一端接应变传感器3的另一个接线端。电阻R1连接电阻R2的那端接存储电容Cs的负极，电阻R3连接应变传感器的那端接存储电容的正极。电阻R1连接应变传感器的那端接无线发送模块的第一输入引脚；电阻R2连接电阻R3接无线发送模块的第二输入引脚，从而向无线模块输出应变模拟信号U₀。

电阻R1、电阻R2、电阻R3及应变传感器共同形成惠斯通电桥，通过惠斯通电桥输出到无线发送模块的电压信号能够说明应变传感器产生形变量。其原理就是在切削过程中，会使刀具内部发生一定形变，在应变传感器感受到应变后，其内部电阻会发生变化，从而会使输出电压也发生变化，通过输出电压来反应应变大小，进而反应切削负载的大小。无线发送模块能够直接将惠斯通电桥输出的信号通过无线通信的方式发送到上位机。

拉刀本体1刀身两侧侧面均开设有与四个安置通槽分别位置对应的四个端盖安置槽。八个端盖安置槽上均嵌有密封盖2。密封盖2呈圆形，且材质为橡胶，与对应的端盖安置槽通过耐高温粘结剂粘合。密封盖2起到保护检测器和防水的作用，能够防止切削过程中切削液流入安置通槽内。

该自检测且收集振动能量的拉刀的检测方法具体如下：

步骤一、用拉刀本体对工件进行拉削。拉削过程中，拉刀本体带动压电片4发生震动，使得压电片4通过正压电效应输出电压。能量收集模块接收由压电片所产生的电能，并为内部的存储电容充电。

拉刀本体内的各安置通槽在拉削过程中产生的负载力的作用下发生变形。应变传感器3跟随安置通槽内侧壁的变形而发生变形，且自身电阻值发生变化。应变传感器的电阻变化改变拉削负载检测模块向无线发送模块输出的应变模拟信号。

步骤二、四个无线发送模块均将自身接收到的应变模拟信号(每个无线发送模块各发送一个应变模拟信号)通过无线通信发送给上位机。

步骤三、上位机根据四个无线发送模块传输来的应变模拟信号转化为应变量。并根据四个应变量判断拉刀本体受到的拉削力(四个应变模拟信号与拉削力的映射关系通过提前进行的标定得到；即根据多个试验的拉削力在不同加工位置时，应变模拟信号的大小，拟合出拉削力与四个应变模拟信号的关系曲线)。

步骤四、若上位机转化得到的四个应变量大于预设的拉刀本体在对应位置的应变允许范围时，则说明拉刀本体在拉削过程中发生问题，上位机通过反馈系统向工作人员预警。

一种拉削力检测装置及其检测方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。