一种智能瞬态切削测温刀具、制作方法及其测温方法_2

文档序号:9226715阅读:来源:国知局
br>[0051] 图6本发明所述工件与机床绝缘安装图;
[0052] 图中:1、刀具本体、2、热接点,3、NiCr热电偶薄膜,4、NiSi热电偶薄膜,5、Al2O 3绝缘膜,6、刀片,7、线槽,8(8')-导电银胶,9、NiCr热电偶丝,10、NiSi热电偶丝,11、Si3N 4保护膜,12、纵向槽,13、挡板,14、螺钉,15、横向水平孔,16、螺钉,17、温度采集终端嵌入槽, 18、水平通孔,19、垂直孔,20、刀杆结构,21、智能数据采集终端,22、无线传输模块,23、无线 传输端口,24、程序下载端口,25、显示模块,26、功能按键模块,27、供电模块,28、数据存储 模块,29、机床,30、三爪卡盘,31、绝缘垫片,32、工件,33、绝缘电木,34、机床顶尖。
【具体实施方式】
[0053] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图,对本发明进 行进一步详细说明。
[0054] 如图1-图6所示,所述新型智能瞬态切削测温刀具,其包括:
[0055] 刀具本体1 ;所述刀具本体1包括:镀附有所述薄膜热电偶的刀片6以及集成安装 有所述温度采集终端的刀杆结构20 ;所述刀杆结构20包括:与所述线槽7连通,用于穿插 来自所述热电偶丝一 9、热电偶丝二10的垂直孔19 ;与所述垂直孔19连通,并将所述热电 偶丝一 9、热电偶丝二10引入到横向水平孔15中的纵向槽11 ;同时所述横向水平孔15与 所述温度采集终端嵌入槽17连通,用于将所述热电偶丝一 9、热电偶丝二10引入到所述温 度采集终端嵌入槽17中。
[0056] 镀附在所述刀具本体上的薄膜热电偶,所述薄膜热电偶包括镀附在所述刀具本体 上的Al2O3绝缘膜5 ;镀附在该绝缘膜上的热电极一、热电极二以及Si 3N4保护膜11 ;以及分 别与所述热电极一、热电极二连接,用于搭接所述热电极一、热电极二的热接点2 ;同时所 述薄膜热电偶通过设置在所述刀具本体上的线槽7将与所述热电极一、热电极二对应的热 电偶丝一 9、热电偶丝二10引出作为接线端;所述热电极一为NiCr热电偶薄膜3,所述热电 极二为NiSi热电偶薄膜4。所述纵向槽12通过挡板13盖封,并用螺钉14固定。
[0057] 集成在所述刀具本体上的温度采集终端21,用于实现对瞬态切削温度数据的采集 处理。其中,所述温度采集终端包括:
[0058] 与所述热电偶丝一、热电偶丝二连接,采集热电偶信号并进行信号放大、冷端补 偿、模数转换和故障检测的A/D转换模块;
[0059] 主控制器,接收所述A/D转换模块发送的数字温度信号并对其进行处理;
[0060] 与所述主控制器连接的温度显示模块24,用于实现温度的实时显示;
[0061] 与所述主控制器连接的温度数据存储模块28,其采用SD卡作为存储媒介,实现将 测温数据的实时存储;
[0062] 与所述主控制器连接的无线传输模块22,该模块通过无线数传网络ZigBee技术 将采集到的温度数据无线发送到协调器,通过串口实现上位机与协调器的通信,协调器与 计算机连接,通过计算机对切削温度数据进行无线数据采集;
[0063] 功能按键模块26,其用于实现对系统时间校对、温度显示控制以及测温数据控 制;
[0064] 以及供电模块27。
[0065] 本发明还要提供一种智能瞬态切削刀具制作方法,其包括如下步骤:
[0066] 1、制作所述测温刀具:
[0067] ⑴、根据刀具设计要求将测温刀具刀片加工成所需刀片形状;
[0068] 利用高精密线切割机床将高速钢材料根据刀具设计要求加工成普通刀片形式,在 刀片底部开深度为1mm的线槽7。同时将上述刀片的后刀面分别用水砂纸从粗到细精磨,最 后用粒度小于2. 5 μ m的水溶性抛光膏抛光成镜面备用。样品清洗时,将刀片首先放入丙酮 中清洗,然后用酒精清洗,再用13ΜΩ以上去离子水清洗,三步清洗都是在超声波清洗机上 完成,烘干后放入真空室内并关严。
[0069] ⑵、在所述测温刀具刀片上制备薄膜热电偶测温传感器即在所述测温刀具刀片上 先后沉积Al2O3绝缘膜5、NiCr热电偶薄膜3、NiSi热电偶薄膜4以及Si 3N4保护膜11 ;
[0070] 即采用直流脉冲磁控溅射技术在其上先后沉积Si02绝缘膜、NiCr热电偶薄膜、 NiSi热电偶薄膜以及Si3N4保护膜;
[0071] 其中过程包括利用掩膜把不需要镀NiCr薄膜的地方掩盖起来;镀NiSi薄膜时,需 要换上另一种靶材及对应的掩膜。其所需掩膜的设计如图4a_4c所示。将电极一、热电极 二与热电偶丝一、热电偶丝二连接处掩盖起来镀附Si3N4保护膜。
[0072] ⑶、用耐高温导电银胶(DB5015乙组份和甲组分)将NiCr热电偶丝的一端与NiCr 热电偶薄膜粘结,并用耐高温导电银胶(DB5015乙组份和甲组分)将NiSi热电偶丝一端与 NiSi热电偶薄膜粘结;为了保证补偿导线间以及补偿导线与刀片间的绝缘,先在线槽底部 固定绝缘片并涂绝缘胶,绝缘胶固化后,将作为补偿导线的各所述热电偶丝用密封胶在线 槽内引出接线端,并将所述线槽灌封;同时采用温度计量炉、冰点器、放大电路、数据采集卡 和计算机组成的热电偶标定系统,对测温传感器薄膜热电偶进行标定。如图6所示,将测温 薄膜热电偶放入温度计量炉,NiCr热电偶丝和NiSi热电偶丝通过冰点器与放大电路和数 据采集卡相连,数据采集卡也计算机连接通过软件对切削温度数据进行采集和标定。
[0073] ⑷、为了安装补偿导线即为了安装NiCr/NiSi薄膜热电偶的引出NiCr热电偶丝9 和NiSi热电偶丝10,设置与所述测温刀具刀片配合使用的刀杆结构(型号选用S45W25 - 4K16);并在刀杆结构的下底面先后依次加工纵向槽、与所述线槽连通的垂直孔、与所述线 槽连通的横向水平孔,打磨去毛刺;所述测温刀具刀杆结构如图3所示,NiCr热电偶丝9和 NiSi热电偶丝10安装绝缘护套后从所述测温刀具刀片底端引出,使其依次穿过刀杆结构 的垂直孔、纵向槽,最后从横向水平孔引入到数据采集终端嵌入槽16,便于其与该数据采集 终端的MAX31855连接;最后纵向槽12使用挡板13盖封,并用螺钉16固定。
[0074] 2、安装数据采集终端:
[0075] 在数据采集终端嵌入槽四周的刀杆结构上设置若干水平通孔18并通过螺钉使其 嵌入到数据采集终端嵌入槽内,从而实现数据采集终端与刀具本体的连接。
[0076] 所述温度采集终端包括:
[0077]与所述热电偶丝一、热电偶丝二连接,采集热电偶信号并进行信号放大、冷端补 偿、模数转换和故障检测的A/D转换模块;
[0078] 主控制器,接收所述A/D转换模块发送的数字温度信号并对所述信号进行显示和 存储控制以及无线传输;
[0079] 与所述主控制器连接的温度显示模块,用于实现温度的实时显示;
[0080] 与所述主控制器连接的温度数据存储模块,其采用SD卡作为存储媒介,用于实现 测温数据的实时存储;
[0081] 与所述主控制器连接的无线传输模块,该模块通过无线数传网络ZigBee技术将 采集到的温度数据无线发送到与该模块对应的协调器,并通过所述协调器与计算机连接, 以实现通过计算机对切削温度数据进行无线数据采集;
[0082] 以及系统供电模块。
[0083] 其中智能温度数据采集终端的软硬件电路设计包括:
[0084] 第一步:选择智能温度数据采集终端的主要元器件的型号。其采用ATMEL公司生 产的ATmegal28作为主控制器,来实现对瞬态切削温度数据的采集,A/D转换模块选用美信 公司生产的MAX31855,来实现热电偶信号放大、冷端补偿、模数转换和故障检测等功能;温 度显示模块选用LCD1602字符型液晶;温度数据存储模块采用SD卡作为存储媒介;无线传 输模块(图1中23为无线传输端口)采用无线数传网络ZigBee技术;
[0085] 第二步:对终端中各个模块进行电路搭建。包括:1)晶振电路,ATmegal28的时钟 源可以通过恪丝位来设置,芯片默认工作晶振是内部MHz RC振荡器,实际电路中,使 用外接12M晶振;2)显示电路;3)串口通讯电路;4)按键电路;5) SD卡数据存储电路;6) ZigBee无线传输电路;
[0086] 第三步:软件部分程序的编写。利用ATMEL公司提供的AVR Studio开发平台,并 在AVR Studio开发平台上安装WinAVR作为开发平台,通过C语
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