本發(fā)明涉及機(jī)械加工智能銑刀，特別涉及一種刀具振動(dòng)與力信號(hào)融合的一體化智能銑刀系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、銑刀作為制造業(yè)中應(yīng)用極為廣泛的旋轉(zhuǎn)刀具，在銑削加工里至關(guān)重要，大量高精度、高品質(zhì)的關(guān)鍵零部件都依靠銑削工藝完成。在銑削過程中，銑刀與工件高速且高頻地摩擦碰撞，致使刀具磨損問題頻發(fā)，加工精度也會(huì)隨著使用時(shí)長(zhǎng)的增加而不斷降低。若切削速度、切削深度、主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，不僅會(huì)拉低加工效率、縮短刀具使用壽命，還可能引發(fā)刀具破損、振動(dòng)加劇等狀況，極端情況下，甚至?xí)?dǎo)致崩刃、扎刀，進(jìn)而對(duì)工件的表面質(zhì)量造成負(fù)面影響，降低機(jī)床的穩(wěn)定性，損害機(jī)床主軸，最終造成加工成本大幅攀升，生產(chǎn)活動(dòng)被迫中斷。鑒于此，提高銑刀的智能化水平勢(shì)在必行，這能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)加工過程的精準(zhǔn)感知與智能調(diào)控，有效提升加工精度與效率，降低廢品率，削減成本，有力推動(dòng)加工工藝朝著智能化方向發(fā)展，從而大幅提升工業(yè)的整體水平。

2、隨著刀具智能化研究的深入探索，結(jié)合傳感器、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)等技術(shù)所研發(fā)的智能刀具，能夠?qū)η邢鬟^程進(jìn)行更全面、更細(xì)致、更及時(shí)的監(jiān)控，進(jìn)而反映加工狀態(tài)，能夠利用機(jī)器學(xué)習(xí)等方法對(duì)所采集到的信號(hào)進(jìn)行特征識(shí)別，進(jìn)而判斷刀具磨損情況、刀具剩余壽命。

3、同時(shí)，將傳感器、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)等技術(shù)應(yīng)用到銑削加工中，能夠?qū)Ω黝惍惓Ｇ闆r進(jìn)行監(jiān)測(cè)并實(shí)現(xiàn)及時(shí)控制。但是現(xiàn)有的智能銑刀大多只集中在單個(gè)傳感器的應(yīng)用上，即只對(duì)單一參數(shù)進(jìn)行采集、處理及分析。雖然相關(guān)研究較為成熟，但是由于單一信號(hào)反映的加工狀態(tài)具有一定局限性，易導(dǎo)致狀態(tài)監(jiān)測(cè)誤判。而集成多傳感器的一體化智能銑刀，能夠利用多維度信號(hào)對(duì)切削狀態(tài)進(jìn)行更精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)和反映。

4、因此，開發(fā)一種刀具振動(dòng)與力信號(hào)融合的一體化智能銑刀系統(tǒng)具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種刀具振動(dòng)與力信號(hào)融合的一體化智能銑刀系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術(shù)方案是這樣的，一種刀具振動(dòng)與力信號(hào)融合的一體化智能銑刀系統(tǒng)，包括刀頭、刀桿、外殼、裝夾部分、兩個(gè)振動(dòng)傳感器、若干pvdf力傳感器和信號(hào)處理電路板。

3、所述裝夾部分從首端到尾端依次包括刀桿連接部、法蘭和錐柄。所述刀桿連接部依次包括圓柱段ⅰ、圓柱段ⅱ和圓柱段ⅲ。所述圓柱段ⅰ的兩側(cè)側(cè)壁上開設(shè)有振動(dòng)傳感器安裝凹槽。所述振動(dòng)傳感器容置在振動(dòng)傳感器安裝凹槽中。所述法蘭的兩側(cè)開設(shè)有鍵槽。所述裝夾部分沿軸向設(shè)置有刀柄通孔。

4、所述刀桿的首端連接有刀頭，尾端伸入刀柄通孔的首端。所述刀桿的桿身上沿周向環(huán)繞粘貼有若干個(gè)pvdf力傳感器。

5、所述外殼套設(shè)在刀桿和裝夾部分的外圍。所述外殼為上下端敞口的階梯型回轉(zhuǎn)殼體。所述外殼包括小徑段和大徑段。所述小徑段將pvdf力傳感器包覆。所述大徑段將刀桿連接部包覆。所述外殼的下端敞口為法蘭封閉，上端敞口與刀桿之間的間隙中布置外殼橡膠密封圈。所述大徑段與圓柱段ⅰ圍設(shè)出電路板容置空間。所述大徑段與圓柱段ⅱ圍設(shè)出電路板基座容置空間。所述大徑段與圓柱段ⅲ圍設(shè)出電池倉(cāng)容置空間。

6、所述電路板基座容置空間中布置有電路板基座。所述電路板基座的下表面布置有熱裝法蘭，上表面布置有六角銅柱。所述電路板基座使用電路板基座固定螺釘固定安裝在熱裝法蘭上。所述電池倉(cāng)容置空間中布置有電池倉(cāng)。所述電池倉(cāng)中布置有若干個(gè)鋰電池。所述電池倉(cāng)的頂部與熱裝法蘭固定。所述電路板容置空間中布置有信號(hào)處理電路板。所述信號(hào)處理電路板使用電路板固定螺釘安裝固定在六角銅柱上。所述鋰電池、振動(dòng)傳感器和pvdf力傳感器均與信號(hào)處理電路板連接。

7、在切削過程中，刀頭承受切削力的作用發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。應(yīng)變通過刀桿傳遞至pvdf力傳感器上。pvdf力傳感器產(chǎn)生的電荷信號(hào)傳遞至信號(hào)處理電路板。振動(dòng)傳感器感知銑刀振動(dòng)引起的加速度變化并將電壓信號(hào)傳遞至信號(hào)處理電路板。所述信號(hào)處理電路板將傳感器信號(hào)編碼后傳輸至上位機(jī)。

8、進(jìn)一步，所述振動(dòng)傳感器安裝凹槽的槽底鉆設(shè)有三個(gè)振動(dòng)傳感器固定螺紋孔。所述振動(dòng)傳感器與裝夾部分通過振動(dòng)傳感器固定螺釘固定連接。

9、進(jìn)一步，所述信號(hào)處理電路板包括無線傳輸模塊、控制模塊、供電模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。利用鋰電池對(duì)整個(gè)硬件電路進(jìn)行供電。利用供電模塊的充電電路對(duì)鋰電池充電，dc-dc穩(wěn)壓電路為電路元器件提供相應(yīng)的穩(wěn)定電壓。信號(hào)預(yù)處理模塊將傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，并利用主微控芯片內(nèi)部的ad轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。利用無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)無線傳輸至pc端上位機(jī)軟件。

10、進(jìn)一步，所述外殼的側(cè)壁上預(yù)留孔位以適配磁吸充電頭和開關(guān)按鈕的安裝。所述電路板容置空間設(shè)置有充電接口卡槽。所述配磁吸充電頭和開關(guān)按鈕均與信號(hào)處理電路板連接。

11、進(jìn)一步，所述圓柱段ⅲ的側(cè)壁上鉆有六個(gè)周向螺紋孔。所述外殼通過螺釘與裝夾部分固定。

12、進(jìn)一步，所述裝夾部分選用非標(biāo)bt50刀柄。所述錐柄的錐度為7:24。

13、進(jìn)一步，所述電池倉(cāng)整體為中空?qǐng)A管狀結(jié)構(gòu)。所述電池倉(cāng)的內(nèi)腔標(biāo)記為電池倉(cāng)中間通孔。所述電池倉(cāng)上下端敞口向外延伸形成電池倉(cāng)頂部和電池倉(cāng)底部。所述電池倉(cāng)的側(cè)壁上等間距分布有電池倉(cāng)肋板。所述電池倉(cāng)頂部、電池倉(cāng)底部、電池倉(cāng)肋板和電池倉(cāng)共同圍合出多個(gè)獨(dú)立電池容納腔。所述電池倉(cāng)頂部在電池容納腔對(duì)應(yīng)位置設(shè)置有開口。所述鋰電池通過開口滑入電池容納腔。

14、本發(fā)明的技術(shù)效果是毋庸置疑的：在較小程度改變?cè)窘Y(jié)構(gòu)的前提下，結(jié)合振動(dòng)傳感器、力傳感器、集成wifi無線傳輸模塊的信號(hào)采集及處理電路，能夠?qū)︺娤骷庸ぶ械牡毒哒駝?dòng)和切削力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量并上傳至上位機(jī)。該智能銑刀能夠指導(dǎo)實(shí)際加工且實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單便捷，對(duì)于改善切削工況、及時(shí)更換刀具有重要作用。

技術(shù)特征：

1.一種刀具振動(dòng)與力信號(hào)融合的一體化智能銑刀系統(tǒng)，其特征在于：包括刀頭(1)、刀桿(2)、外殼(3)、裝夾部分(4)、兩個(gè)振動(dòng)傳感器(13)、若干pvdf力傳感器(9)和信號(hào)處理電路板(15)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種刀具振動(dòng)與力信號(hào)融合的一體化智能銑刀系統(tǒng)，其特征在于：所述振動(dòng)傳感器安裝凹槽(406)的槽底鉆設(shè)有三個(gè)振動(dòng)傳感器固定螺紋孔(407)；所述振動(dòng)傳感器(13)與裝夾部分(4)通過振動(dòng)傳感器固定螺釘(29)固定連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種刀具振動(dòng)與力信號(hào)融合的一體化智能銑刀系統(tǒng)，其特征在于：所述信號(hào)處理電路板(15)包括無線傳輸模塊(14)、控制模塊(37)、供電模塊(40)、信號(hào)預(yù)處理模塊(41)和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(42)；利用鋰電池(19)對(duì)整個(gè)硬件電路進(jìn)行供電；利用供電模塊(40)的充電電路對(duì)鋰電池(19)充電，dc-dc穩(wěn)壓電路為電路元器件提供相應(yīng)的穩(wěn)定電壓；信號(hào)預(yù)處理模塊(41)將傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，并利用主微控芯片內(nèi)部的ad轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；利用無線傳輸模塊(14)將數(shù)據(jù)無線傳輸至pc端上位機(jī)軟件。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種刀具振動(dòng)與力信號(hào)融合的一體化智能銑刀系統(tǒng)，其特征在于：所述外殼(3)的側(cè)壁上預(yù)留孔位以適配磁吸充電頭(6)和開關(guān)按鈕(7)的安裝；所述電路板容置空間設(shè)置有充電接口卡槽(10)；所述配磁吸充電頭(6)和開關(guān)按鈕(7)均與信號(hào)處理電路板(15)連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種刀具振動(dòng)與力信號(hào)融合的一體化智能銑刀系統(tǒng)，其特征在于：所述圓柱段ⅲ的側(cè)壁上鉆有六個(gè)周向螺紋孔(405)；所述外殼(3)通過螺釘(5)與裝夾部分(4)固定。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種刀具振動(dòng)與力信號(hào)融合的一體化智能銑刀系統(tǒng)，其特征在于：所述裝夾部分(4)選用非標(biāo)bt50刀柄；所述錐柄(403)的錐度為7:24。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種刀具振動(dòng)與力信號(hào)融合的一體化智能銑刀系統(tǒng)，其特征在于：所述電池倉(cāng)(20)整體為中空?qǐng)A管狀結(jié)構(gòu)；所述電池倉(cāng)(20)的內(nèi)腔標(biāo)記為電池倉(cāng)中間通孔(36)；所述電池倉(cāng)(20)上下端敞口向外延伸形成電池倉(cāng)頂部(35)和電池倉(cāng)底部(34)；所述電池倉(cāng)(20)的側(cè)壁上等間距分布有電池倉(cāng)肋板(33)；所述電池倉(cāng)頂部(35)、電池倉(cāng)底部(34)、電池倉(cāng)肋板(33)和電池倉(cāng)(20)共同圍合出多個(gè)獨(dú)立電池容納腔；所述電池倉(cāng)頂部(35)在電池容納腔對(duì)應(yīng)位置設(shè)置有開口；所述鋰電池(19)通過開口滑入電池容納腔。

技術(shù)總結(jié)
發(fā)明提供一種刀具振動(dòng)與力信號(hào)融合的一體化智能銑刀系統(tǒng)。該方法通過在刀柄首端兩側(cè)對(duì)稱安裝振動(dòng)傳感器，在刀桿表面周向環(huán)繞粘貼PVDF力傳感器，該智能銑刀能夠?qū)︺娤骷庸ぶ械牡毒哒駝?dòng)和切削力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)讀取，獲得的刀具振動(dòng)與切削力信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)微控制器處理后無線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)并分析。同時(shí)，設(shè)計(jì)了可儲(chǔ)存大容量電池組的獨(dú)立電源部分以保證一體化智能銑刀系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作續(xù)航能力，最小限度減少工作停機(jī)時(shí)間。

技術(shù)研發(fā)人員：曹華軍,孫紹凱,張金,鄧瑞華,陶桂寶,鄧辰杰,羅代新,朱永勝,李隴濤,雒泰民,施勇川
受保護(hù)的技術(shù)使用者：重慶大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15