专利名称：加工中心换刀误差检测预警装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机械加工技术领域的装置，具体是一种加工中心换刀误差检
测预警装置。
背景技术：
数控加工中心具有高精度、高柔性、高自动化的特点，广泛应用于箱体类零件及模 具制造，以其具有自动换刀功能(ATC)而优于普通数控铣床。然而，加工中心在自动换刀 时，冲杆螺栓的行程在冲击力及扭转力作用下会不断缩短，造成换刀误差，既使气缸压力及 气缸活塞行程正常，也很难涨开刀具卡簧而卸下刀具。由于加工中心自动换刀时不能检测 冲杆行程，更无法检测刀具卡簧是否完全涨开，而是依据PLC指令顺序工作，在刀具卡簧未 完全涨开情况下强力卸下刀具会损毁刀库，甚至会损毁主轴，影响主轴精度。传统方法是用 楔铁靠外力将刀具冲下，这种方法由于外力作用会影响主轴精度，长期操作会损毁刀具卡 簧甚至整个主轴系统，造成不可挽回的经济损失。加工中心主轴碟簧在长期频繁工作及巨大换刀冲击力作用下会产生变形甚至破 裂，导致刀具卡簧不能夹紧刀具而出现掉刀故障，加工中心掉刀现象严重破坏工件精度，甚 至使工件报废，而且还会损毁工作台及刀具。现有方法是拆开主轴箱检查主轴碟簧，此方法 不但费时，而且装配不当会影响主轴精度。加工中心换刀误差检测及预警装置可有效避免 由换刀误差造成的刀具不能正常装卸故障，可实时检测并预报加工中心换刀误差，并提出 有效补偿策略。由于加工中心换刀误差具有随机性和破坏性，且换刀冲力巨大，要求加工中心换 刀误差检测及预警装置具有抗震性及实时性。现有技术是靠锁紧螺母锁紧冲杆螺栓。然 而，加工中心换刀时由于换刀冲击力巨大，换刀瞬时冲击力与锁紧螺母锁紧力相抵消，冲杆 螺栓处于瞬时自由状态。同时，由于冲杆螺栓与主轴存在同轴度误差，在换刀时产生扭转 力。当冲杆螺栓处于瞬时自由状态时，扭转力会旋进冲杆螺栓从而缩短冲杆螺栓行程，造成 换刀误差。因此，单靠锁紧螺母很难消除加工中心频繁换刀造成的换刀误差。对于加工中 心掉刀故障目前尚无有效预防措施及保护装置。经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN2015^915，记载了 “一种立式钻 铣加工中心的换刀机构”，该技术主要包括主轴、主轴箱、滑轨导块、滚珠丝杠、滚珠丝杠驱 动电机和立柱，可实现稳定而快速换刀。中国专利文献号CN观03607，记载了 “一种加工中 心刀库弹性刀托”，该技术包括刀托体、刀柄孔和导向坡口，可以补偿主轴或换刀机构与刀 库定位误差，减少掉刀现象。但是上述技术主要针对加工中心换刀机构的结构及相关部件进行改进，对加工中 心换刀过程中由于冲击力及扭转力产生的换刀误差而导致的不拔刀及掉刀故障无法有效 预报并提出可能的补偿策略。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种加工中心换刀误差检测预警装 置，该装置不仅可以用来检测及预报数控加工中心的换刀误差，而且可以提供换刀误差补 偿策略。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括预警系统、补偿系统、装刀制动 开关、位移传感器、制动块、卸刀制动开关、磁性基座和连接杆，其中磁性基座设置于加工 中心换刀机构平台上，连接杆的一端与加工中心换刀机构冲杆相连接以传输加工中心换刀 误差，另一端与位移传感器相连接以检测加工中心换刀误差并传输至位移传感器，位移传感 器与磁性基座固定连接以传输加工中心换刀误差至预警系统，预警系统设置于磁性基座上并 与装卸刀制动开关和补偿系统相连以传输加工中心换刀误差预警决策信息，装卸刀制动开关 与磁性基座相连接以制动加工中心换刀机构，补偿系统与基座相连接以传输换刀误差补偿策 略，制动块与连接杆固定连接并同时运动以触发装卸刀制动开关实现换刀误差硬制动。所述的磁性基座包括强力磁铁、挡磁板和基座箱，其中强力磁铁由两块磁铁组 成，挡磁板设置于磁铁之间并消除两磁铁之间磁性的相互干扰，基座箱内设置导槽以调节 装卸刀制动开关的位置。所述的位移传感器包括磁环、导杆和位移检测变换装置，其中磁环位于导杆外 部并不相接触，位移检测变换装置与导杆固定连接以传递加工中心换刀误差。所述的预警系统包括预警指示灯、预警MCU和信号变送电路，其中预警指示灯 与磁性基座相连接以传输换刀误差预警信息，预警MCU接收位移传感器的换刀误差检测信 息并作出预警决策，通过信号变送电路输出至装卸刀制动开关、补偿系统和预警指示灯。所述的补偿系统包括补偿MCU和显示屏，其中补偿MCU根据预警MCU的决策作 出补偿策略并通过显示屏显示。本发明的数控加工中心换刀误差检测及预警装置采用强力磁性底座作为整个装 置的基座，设置在加工中心换刀机构平台，采用位移传感器及信号变换电路检测加工中心 换刀误差，为实现检测装置的抗震性，位移传感器采用无接触式传感器，检测单元与信号变 送单元分离，并将检测到的换刀误差实时传送到换刀误差预警系统。换刀误差预警系统由 预警MCU及信号变送电路组成，预警MCU负责信息的处理及决策，并将决策信息通过信号变 送电路实时传递给装卸刀制动开关、补偿系统及预警指示灯。预警指示灯根据预警MCU的 决策发出报警信号。误差补偿系统由补偿MCU及显示屏组成，用于决策并显示换刀误差的 补偿策略。装卸刀制动开关接收预警MCU的换刀误差决策并作出响应，制动换刀机构。本发明不仅可以实现加工中心换刀误差的检测及预警，而且可以给出相应的补偿 策略，保证加工中心换刀可靠性。本发明的数控加工中心换刀误差检测及预警装置结构简 单，便于设置，不受空间实际位置限制，不改变换刀机构结构，使用方便，适用于气动、液动 等各种加工中心换刀机构，也可用于气动或液动换刀的普通数控铣床。本发明实现数控加工中心换刀误差实时检测及预警，为数控技术的可持续发展与 不断完善提供理论依据；为数控装备的改进与完善提供技术支持；可类比推广到数控技术 及数控装备其它不完备领域，探索并发现数控技术及数控装备现有不足的原因，并提出有 效改进策略。
图1为本发明结构示意图；图中1预警系统、2补偿系统、3装刀制动开关、4位移传感器、5制动块、6卸刀制 动开关、7磁性基座、8连接杆、9磁铁、10挡磁板、11基座箱、12位移检测变换装置、13导杆、 14磁环、15预警指示灯、16预警MCU、17信号变送电路、18补偿MCU、19显示屏。图2为本发明工作流程图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1所示，本实施例包括预警系统1、补偿系统2、装刀制动开关3、位移传感器 4、制动块5、卸刀制动开关6、磁性基座7和连接杆8，其中磁性基座7设置于加工中心换 刀机构平台上，连接杆8的一端通过与加工中心换刀机构冲杆相连接以传输加工中心换刀 误差，另一端与位移传感器4相连接以检测加工中心换刀误差并传输至位移传感器4，位移 传感器4与磁性基座7固定连接以传输加工中心换刀误差至预警系统1，预警系统1设置于 磁性基座7上并与装刀制动开关3、卸刀制动开关6和补偿系统2相连以传输加工中心换刀 误差预警决策信息，装卸刀制动开关3、6与磁性基座7相连接以制动加工中心换刀机构，补 偿系统2与基座相连接以传输换刀误差补偿策略至显示屏19，制动块5与连接杆8固定连 接并同时运动以触发装卸刀制动开关3、6实现换刀误差硬制动。所述的磁性基座7包括强力磁铁9、挡磁板10和基座箱11，其中强力磁铁9由 两块磁铁组成，挡磁板10设置于磁铁之间并消除两磁铁之间磁性的相互干扰，基座箱11内 设置导槽以调节装卸刀制动开关3、6的位置。所述的位移传感器4包括位移检测变换装置12、导杆13、和磁环14，其中磁环 14位于导杆13外部并不相接触，位移检测变换装置12与导杆13固定连接以传递加工中心
换刀误差。所述的预警系统1包括预警指示灯15、预警MCU16和信号变送电路17，其中预 警指示灯15与磁性基座7相连接以传输换刀误差预警信息，预警MCU16接收位移传感器4 的换刀误差检测信息并作出预警决策，通过信号变送电路17输出至装卸刀制动开关3和6、 补偿系统2和预警指示灯15。所述的补偿系统2包括补偿mculS和显示屏19，其中补偿mculS根据预警 MCU16的决策作出补偿策略并通过显示屏19显示。所述的预警指示灯15由三部分组成，红灯为卸刀误差指示灯，黄灯为装刀误差指 示灯，绿灯为安全换刀指示灯，接收预警系统1的指令并作出报警响应。预警系统1由预警 MCU16及信号变送电路17组成，接收位移传感器4的换刀误差检测信息并作出预警决策，预 警指令通过信号变送电路17实时传递给预警指示灯15、补偿系统2和制动开关3、6。补偿 系统2由补偿mculS及显示屏19组成，与预警系统1实时通讯，接收预警系统1指令并输 出补偿决策至显示屏19。装刀制动开关3设置在磁性基座7上，与换刀机构交互信息，接收 预警系统1的决策并制动换刀机构。位移传感器4设置在磁性基座7上，通过连杆实时检测加工中心换刀误差，并将检测信息实时传送给预警系统1。制动块5通过螺钉与连杆8相 连接，当换刀误差超出极限范围时，制动换刀机构。卸刀制动开关6设置在磁性基座7上， 与换刀机构交互信息，接收预警系统1的决策并制动换刀机构。磁性基座7由两块磁铁组 成，设置在加工中心换刀机构平台上。挡磁板10设置在磁性基座7中间，防止两磁铁磁性 相互干扰。连接杆8 —端与换刀冲杆连接，以实时传输冲杆的行程误差，另一端连接位移传 感器4和制动块5，通过位移传感器4检测换刀误差，通过制动块5制动换刀机构。加工中心换刀时，位移传感器4实时检测冲杆行程，并将检测数据传送给预警系 统1。预警系统1的MCU16根据位移传感器4的检测信息判断换刀误差是否在允许范围内， 并作出相应决策，决策指令通过信号变送电路17传递给预警指示灯15、补偿系统2及制动 开关3、6，制动开关3、6同时接受制动块5指令，制动块5属硬限位装置，当换刀误差超出极 限范围时制动换刀机构。补偿系统2的MCU18根据预警MCU16的决策作出补偿指示，补偿 mculS集成专家系统，可分析加工中心换刀误差的原因及相应的补偿策略。如图2所示，本装置通过以下方式实现检测系统上电初始化，位移传感器4检测换刀误差，预警MCU16根据检测数据判断换刀 是否超差。当换刀误差超出允许范围，预警MCU16判断是装刀误差还是卸刀误差并指令相 应预警指示灯15报警、相应制动开关制动换刀机构、同时指令补偿系统2作出响应；补偿 mculS根据预警MCU16指令分析误差产生的原因并作出决策，指导换刀误差补偿路径及方 法。当换刀误差在允许范围，保持初始状态，换刀顺利进行。用本装置所述的数控加工中心换刀误差检测及预警装置可实现加工中心换刀误 差的实时检测及预警，并给出相应补偿策略，保证加工中心换刀可靠性，实现掉刀保护及卡 刀预警，有效改进加工中心换刀机构的可靠性。该装置还具有以下特点(1)同时高精度、高可靠地检测及预报卡刀故障和掉刀故障；(2)采用软硬限位双重保险，保证系统的可靠性；(3)可同时用于加工中心和普通数控铣床换刀机构。本装置的加工中心换刀误差检测及预警装置的有益效果是实时检测加工中心换 刀冲杆行程并通过预警系统1实时报警、通过制动开关制动换刀机构，有效避免因换刀误 差造成的不拔刀和掉刀故障，减少了不必要的经济损失；此外，补偿系统2根据换刀误差预 警决策提出有效补偿策略，避免了因盲目拆卸机床造成的加工中心主轴精度下降；而且，本 装置具有软硬双重限位，有效保证系统的可靠性和稳定性。用本装置所述的加工中心换刀误差检测及预警装置在VMC850加工中心实验，本 装置可有效检测加工中心换刀冲杆行程，通过50次换刀实验，检测到加工中心换刀冲杆行 程缩短0. 3mm。调整冲杆行程至超限，本装置可有效检测换刀误差并可靠制动换刀机构同时 提出补偿策略。有效提高加工中心换刀机构的稳定性及可靠性。
权利要求
1.一种加工中心换刀误差检测预警装置，其特征在于，包括预警系统、补偿系统、装 刀制动开关、位移传感器、制动块、卸刀制动开关、磁性基座和连接杆，其中磁性基座设置 于加工中心换刀机构平台上，连接杆的一端与加工中心换刀机构冲杆相连接以传输加工中 心换刀误差，另一端与位移传感器相连接以检测加工中心换刀误差并传输至位移传感器， 位移传感器与磁性基座固定连接以传输加工中心换刀误差至预警系统，预警系统设置于磁 性基座上并与装刀制动开关和补偿系统相连以传输加工中心换刀误差预警决策信息，装刀 制动开关与磁性基座相连接以制动加工中心换刀机构，补偿系统与基座相连接以传输换刀 误差补偿策略，制动块与连接杆固定连接并同时运动以触发装刀制动开关实现换刀误差硬 制动。
2.根据权利要求1所述的加工中心换刀误差检测预警装置，其特征是，所述的磁性基 座包括强力磁铁、挡磁板和基座箱，其中强力磁铁由两块磁铁组成，挡磁板设置于磁铁 之间并消除两磁铁之间磁性的相互干扰，基座箱内设置导槽以调节装卸刀制动开关的位置。
3.根据权利要求1所述的加工中心换刀误差检测预警装置，其特征是，所述的位移传 感器包括磁环、导杆和位移检测变换装置，其中磁环位于导杆外部并不相接触，位移检 测变换装置与导杆固定连接以传递加工中心换刀误差。
4.根据权利要求1所述的加工中心换刀误差检测预警装置，其特征是，所述的预警系 统包括预警指示灯、预警MCU和信号变送电路，其中预警指示灯与磁性基座相连接以传 输换刀误差预警信息，预警MCU接收位移传感器的换刀误差检测信息并作出预警决策，通 过信号变送电路输出至装卸刀制动开关、补偿系统和预警指示灯。
5.根据权利要求1所述的加工中心换刀误差检测预警装置，其特征是，所述的补偿系 统包括补偿MCU和显示屏，其中补偿MCU根据预警MCU的决策作出补偿策略并通过显示 屏显示。
全文摘要
一种机械加工技术领域的加工中心换刀误差检测预警装置，包括预警系统、补偿系统、装刀制动开关、位移传感器、制动块、卸刀制动开关、磁性基座和连接杆，位移传感器与磁性基座固定连接以传输加工中心换刀误差至预警系统，预警系统设置于磁性基座上并与装刀制动开关和补偿系统相连以传输加工中心换刀误差预警决策信息，装刀制动开关与磁性基座相连接以制动加工中心换刀机构，补偿系统与基座相连接以传输换刀误差补偿策略，制动块与连接杆固定连接并同时运动以触发装刀制动开关实现换刀误差硬制动。
文档编号B23Q15/22GK102126164SQ20111007422
公开日2011年7月20日 申请日期2011年3月25日 优先权日2011年3月25日
发明者侯广锋, 姚晓栋, 姜辉, 杨建国, 范开国 申请人:上海交通大学