数控机床刀具测量系统的制作方法

本实用新型属于刀具检测的技术领域，尤其涉及一种数控机床刀具测量系统。

背景技术：

刀具直径检测在机械加工、线路板行业有着重要的应用，刀具直径影响着产品质量与自动化的水平，但是刀具检测对系统要求较高。

一种是在现有设备的基础上采用专用控制系统的刀检卡模块，比如S&M系统，其内部一般采用高速IO系统，此方法通用性不高，只能针对特定系统，而且价格比较贵。

另一种是采用运动控制卡的内部PLC模块，编写刀检运动程序，但是运动控制卡存在扫描周期过长，测量精度不高等问题。

因此，有必要设计一种新的通用的数控机床刀具测量系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种铣刀、钻头等刀具的通用直径测量、具有较高的性价比的数控机床刀具测量系统。

本实用新型提供一种数控机床刀具测量系统，其特征在于，该系统包括：用于检测刀具位置状态的刀检传感器、随数控机床平台位移产生脉冲的位置检测装置、以及基于FPGA平台设计的刀检控制卡，所述刀检控制卡包括主控单元，所述主控单元接收刀检传感器及位置检测装置的信号，根据刀检传感器信号对位置检测装置的脉冲计数，并根据该计数量获得数控机床平台位移量及刀具待测参数。

进一步地，所述位置检测装置包括设置于数控机床平台X轴的X轴光栅尺，所述主控单元根据数控机床平台X轴移动时，刀检传感器所检测刀具位置状态变化信号的间隔内，X轴光栅尺的脉冲计数量，获得数控机床平台X轴位移量及刀具直径。

进一步地，所述位置检测装置还包括设置于数控机床平台Z轴的Z轴光栅尺，所述主控单元根据数控机床平台Z轴移动时，刀检传感器所检测刀具位置状态变化信号与数控机床平台Z轴达到设定坐标的间隔内，Z轴光栅尺的脉冲计数量，获得数控机床平台Z轴位移量及刀具长度。

进一步地，所述刀检控制卡还包括位置信号处理电路，所述位置信号处理电路设置于位置检测装置与主控单元之间，其接收位置检测装置的信号，对其进行滤波、漏项检测及去噪处理后将其传输至主控单元。

进一步地，所述位置信号处理电路包括滤波器，所述滤波器为FIR滤波器。

进一步地，所述位置信号处理电路包括用于检测位置检测装置各相是否为差分信号、数控机床各轴是否均为差分信号的漏相检测电路。

进一步地，所述位置信号处理电路包括分别与X轴光栅尺连接的X轴光栅尺信号处理电路、及与Z轴光栅尺连接的Z轴光栅尺信号处理电路。

进一步地，所述刀检控制卡还包括刀径信号处理电路，所述刀径信号处理电路设置于刀检传感器及主控单元之间，其接收刀检传感器信号，捕获对应于刀具实际直径的脉冲信号并将其传输至主控单元。

进一步地，所述刀检传感器包括分别设置于数控机床多个加工头上的多路，所述刀径信号处理电路包括分别与多路刀检传感器连接的多个。

进一步地，该系统还包括用于发送刀检指令及显示刀具测量结果的上位机，所述刀检控制卡还包括分别与上位机及主控单元连接，实现两者通讯的串口通讯模块。

本实用新型经过刀检控制卡的优化处理，能实现数控机床上的铣刀、钻头等刀具直径及长度的测量；刀检控制卡是基于FPGA平台设计的，由于FPGA在信号处理领域有较强的优势，速度快、精度高、通用性强，因此，本数控机床刀具测量系统能够较好地优化刀具直径和长度的测量精度，且具有较高的性价比。

附图说明

图1为本实用新型数控机床刀具测量系统的示意图；

图2为图1所示数控机床刀具测量系统的噪声处理电路的示意图；

图3为图1所示数控机床刀具测量系统的刀径信号处理电路的示意图。

图号说明：

100-刀检控制卡、101-刀径信号处理电路、103-X轴光栅尺信号处理电路、

104-Z轴光栅尺信号处理电路、105-串口通讯模块、106-主控单元、

10-刀检传感器、20-上位机、30-X轴光栅尺、31-Z轴光栅尺。

具体实施方式

下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步的描述。

本实用新型的数控机床刀具测量系统，是基于FPGA(Field－Programmable Gate Array，可编程硬件逻辑电路)硬件电路的通用数控机床刀具测量系统，本刀具指的是数控机床上的铣刀、钻头等刀具。

请参阅图1，本数控机床刀具测量系统用于对刀具直径或长度、或同时对刀具直径及长度进行测量，其包括：刀检传感器10、位置检测装置及刀检控制卡100。刀检传感器10包括多路，分别用于对数控机床多个头上多个刀具的位置状态进行检测；位置检测装置随数控机床平台位移产生脉冲；刀检控制卡100接收刀检传感器10及位置检测装置的信号，根据刀检传感器10所检测到的信号，对位置检测装置的脉冲进行计数，并根据该计数量获得数控机床平台位移量，进而获得刀具直径、长度等待测参数的量。本系统还包括用于向刀检控制卡100发出刀检指令及显示刀具测量结果的上位机20，上位机20为计算机。

其中，刀检控制卡100是基于FPGA平台设计的，由于FPGA作为可编程硬件逻辑电路，在信号处理领域有较强的优势，速度快、精度高、通用性强，因此，本数控机床刀具测量系统的刀检控制卡100能够较好地优化刀具直径和长度的测量精度。

刀检控制卡100具体包括：刀径信号处理电路101、位置信号处理电路、主控单元106、以及串口通讯模块105。刀径信号处理电路101包括多个，分别与多路刀检传感器10连接，接收刀检传感器10的信号，对其进行检测后将对应于刀具实际直径的脉冲信号传输至主控单元106；位置信号处理电路与位置检测装置连接，接收位置检测装置的信号，对其进行滤波、漏项检测及去噪处理后将其传输至主控单元106；主控单元106根据其所接收的刀检传感器信号，对位置检测装置的信号进行脉冲计数，从而获得数控机床平台位移量及刀具直径、刀具长度，该主控单元106为具有运算处理能力的处理器；串口通讯模块105设置于主控单元106与上位机20之间，用于实现两者的通讯。

下面通过上述各部件的具体描述，对本实用新型数控机床刀具测量系统的工作原理予以说明。

数控机床平台Z轴上安装有高速旋转的电主轴，主轴夹持刀具，随Z轴移动；刀检传感器10设置于X轴工作台上，随数控机床平台X轴移动，其由一对对射的激光管组成，可以将刀具对激光有无遮挡的状态转化为逻辑电平信号。

刀具初始状态下未遮挡刀检传感器10的激光，对刀具直径进行测量时，数控机床平台Z轴不动，X轴带动刀检传感器10移动，当移动至刀具对激光形成遮挡时，刀检传感器10输出电平发生跳变，直至继续移动到不再遮挡激光，刀检传感器10输出电平再次发生跳变，两次电平跳变之间数控机床平台X轴移动的距离即刀具直径。刀具不同，则两次电平跳变的间隔时间不同，期间数控机床平台X轴移动的距离也不同。

对刀具长度进行测量时，数控机床平台X轴不动，Z轴带动刀具移动，当移动至刀具对激光形成遮挡时，刀检传感器10输出电平发生跳变。由该跳变至刀具移动达到设定的Z轴坐标时，刀具移动的距离即刀长，也就是说，该段间隔内数控机床平台Z轴移动的距离即刀长。刀具不同，则发生电平跳变的起点位置不同，电平跳变至平台Z轴达到设定的坐标的间隔不同，期间数控机床平台Z轴移动的距离也不同。

由于刀具上设有排屑槽，对刀具直径进行测量时，排屑槽可能会影响刀检传感器10的检测信号，结果造成刀具直径测量的误差。为了排除刀具排屑槽的影响，刀具测量是由数控机床的主轴带动刀具旋转过程中进行的，其目的是将刀具形成一个近似圆柱体，更能反映实际刀具直径。

受到刀具排屑槽的影响，刀具每旋转一周，光线被遮断释放、遮断释放两个循环，形成两个周期的方波。刀径信号处理电路101接收刀检传感器10的逻辑电平信号，并对该信号进行检测，以识别其中由排屑槽造成的方波与对应于刀具实际直径的脉冲信号。

刀径信号处理电路101的原理是寻找数控机床平台X轴移动时，由刀检传感器10检测到的第一次电平跳变和最后一次电平跳变，可以是第一个下降沿脉冲信号和最后一个上升沿脉冲信号，或者第一个上升沿脉冲信号和最后一个下降沿脉冲信号。其采用滑动监测的方法，由于噪声方波的频率是刀具直径测量转速的一倍或两倍，因此，直到检测到连续三个方波周期均为噪声频率的情况下，刀径信号处理电路101选取第一次电平跳变和最后一次电平跳变，作为对应于刀具实际直径的信号，即对位置检测装置信号进行脉冲计数的触发信号输入至主控单元106。

图3为刀径信号处理电路101的示意图，图中所示的C为第一个下降沿脉冲信号，D为最后一个上升沿脉冲信号，C和D均为捕获点。即该刀径信号处理电路101捕获刀检传感器10输出信号的第一个下降沿脉冲信号和最后一个上升沿脉冲信号，并将其传输至主控单元106。

位置检测装置可以是光栅尺或编码器，位置信号处理电路可以是光栅尺信号处理电路或编码器信号处理电路。由于光栅尺测量精度更高，本实施例选用光栅尺用于对数控机床的平台位移进行脉冲计数。本实施例的位置检测装置包括分别设置于数控机床X轴及Z轴的X轴光栅尺30及Z轴光栅尺31；位置信号处理电路包括分别与X轴光栅尺30及Z轴光栅尺31连接的X轴光栅尺信号处理电路103及Z轴光栅尺信号处理电路104。

位置信号处理电路包括：滤波器、漏相检测电路、以及噪声处理电路。

本实施例所采用的是FIR滤波器，其将当前计算数据与后面N位数据与有限冲击响应系数相乘累加，作为当前计算数据的值，具有频率特性误差小、运算速度快、容易设计等优点。

漏相检测电路用于检测位置检测装置通道A和通道B两相是否有漏相，检测通道A和通道B的信号是否为差分信号，以及数控机床的各轴是否均为差分信号，若不符合条件则由位置信号处理电路103给出错误标识。

噪声处理电路示意图如图2所示，其根据位置检测装置的相序，及计数脉冲顺序判断是否存在杂波，一旦有杂波产生，即在硬件电路上将该杂波去除。

本实用新型刀具测量的具体过程如下：

上位机20发送刀检指令给主控单元106，同时通过与其连接的运动控制模块控制数控机床各刀具动作响应该刀检指令。

各刀具动作，多路刀检传感器10分别检测到多个刀具的位置状态、经刀径信号处理电路101将其检测到与刀具实际直径所对应的脉冲信号发送至主控单元106。

主控单元106对其所接收到各路刀检传感器的脉冲信号分别进行处理，其将每一路刀检传感器10的脉冲信号作为测量相应刀具直径及刀长的门槛。

针对刀具直径的测量，当主控单元106接收到第一个脉冲信号时，开始对X轴光栅尺30的脉冲进行计数，当其接收到第二个脉冲信号时，停止对其脉冲进行计数，根据两脉冲信号间隔之间X轴光栅尺30的脉冲计数，即可计算出该间隔期间数控机床平台X轴移动的距离。

针对刀长的测量，当主控单元106接收到第一个脉冲信号时，开始对Z轴光栅尺31的脉冲进行计数，当数控机床平台Z轴移动达到设定的坐标时，停止对其进行计数，根据上述脉冲信号与数控机床平台Z轴达到其设定坐标的间隔之间，Z轴光栅尺31的脉冲计数，即可计算出该间隔期间数控机床平台Z轴移动的距离。

根据上述距离以及从上位机读取的刀具参数、补偿信息，即可计算出刀具直径和长度。

测试完毕，上位机20通过内部函数调用主控单元106的检测结果并予以显示。等待下一次测试。

本实用新型经过刀检控制卡的优化处理，能实现数控机床上的铣刀、钻头等刀具的通用直径测量；本数控机床刀具测量系统的刀径信号处理电路能够较好的优化刀具的直径系统测量精度，且具有较高的性价比。

在上述实施例中，仅对本实用新型进行了示范性描述，但是本领域技术人员在不脱离本实用新型所保护的范围和精神的情况下，可根据不同的实际需要设计出各种实施方式。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。