一种数控刀架的性能参数在线检测装置的制作方法

本发明属于刀架性能检测技术领域，具体地说，涉及一种数控刀架性能参数在线检测装置。

背景技术：

数控刀架的性能参数检测是刀架生产厂家在产品出厂前必须进行的步骤，也是刀架可靠性试验中精度检测的重要手段之一。对刀架运行过程中的性能参数进行在线检测，观察性能参数的变动能够帮助及时发现和排除故障，甚至对故障进行预测。刀架本身包含多个刀位，且在工作过程中需要不断重复换刀动作，换刀过程中刀架将处于旋转运动的状态。以上特性使得多数传感器的接触式检测手段难以在刀架上实施：安装在刀架上的传感器会随着刀架的转动而一同运动，传感器信号线会因此发生缠绕、扭转，严重干扰检测过程。

现有的刀架性能检测装置结构较为松散，只是将传感器简单布置在刀架各处，集成化程度低；因受到传感器绕线问题的限制，能够使用的传感器种类较少，检测项目也较少；且检测过程中依旧需要人为手动更换传感器，检测效率和自动化程度较低。因此，开发一套刀架性能参数在线检测装置具有很强的实际意义。

技术实现要素：

本发明为解决目前对刀架性能参数检测中存在的需要人为切换传感器、检测手段单一、检测效率低下的问题，提出了一种刀架性能参数在线检测装置。这套检测装置可以对刀盘的回转定位精度、切削过程中刀杆的变形、刀盘和刀具振动以及噪声进行采集，克服了现有检测手段存在的需要试验人员长时间值守及手动更换某些传感器的问题。

同时，对伺服刀架进行性能参数检测过程中，伺服刀架在工作刀位处的模拟刀杆会受到模拟切削力的载荷作用，载荷会导致刀杆产生变形和振动。同时刀盘在运转过程中由于刀架内置伺服电机的运转同样会产生一定的振动，这些振动信号或多或少都会传递到工作刀位的模拟刀杆上，使得布置在刀杆上的振动传感器测得的振动信号来自不同的振动源，难以区分。为了克服这个问题，采用多点振动检测的方法，并发明振动传感器自动更换机构，将不同的振动源区分开。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种数控刀架的性能参数在线检测装置，包括伺服刀架1、安装平台2和刀架性能参数在线检测装置3；所述伺服刀架1安装固定在安装平台2上；

所述刀架性能参数在线检测装置3由刀架检测装置主体3-1和安装在检测装置底座3-3上的振动传感器自动更换装置3-2组成；

所述刀架检测装置主体3-1包括刀盘定位精度及换刀速度检测装置、刀盘振动检测装置、刀杆振动检测装置、刀架运行噪声检测装置和刀杆变形检测装置、对中性检测调整模块与同步旋转模块；

所述刀盘定位精度及换刀速度检测装置包括编码器19；编码器19的中心穿过同步旋转模块中的同步轴17；

所述刀盘振动检测装置包括三向振动传感器B38，吸附在伺服刀架1刀盘上；

所述刀杆振动检测装置包括三向振动传感器A9，吸附在模拟刀杆8上；

所述刀架运行噪声检测装置包括微型麦克风39，固定在伺服刀架1刀盘中心孔内；

所述刀杆变形检测装置包括应变片10，粘贴在模拟刀杆8上；

所述对中性检测调整模块包括激光测微仪A15和激光测微仪B20；

所述同步旋转模块中的同步轴17穿过激光测微仪A15、激光测微仪B20；

所述振动传感器自动更换装置3-2前端夹持三向振动传感器A9。

技术方案中所述同步旋转模块还包括固定夹11、调节旋钮12、压紧旋钮13、连接杆14、滑环16、同步圆盘25、插销26、压紧螺钉27和锁紧螺母37；

所述固定夹11设置四个，四个固定夹11均匀分布夹在伺服刀架的模拟刀杆8尾部，固定夹11中间有孔穿过压紧螺钉27，插销26插在压紧螺钉27一端的孔内，调节旋钮12和压紧旋钮13安装在固定夹11的另一端；四个连接杆14一端和固定夹11连接并通过压紧旋钮13固定，另一端穿过同步圆盘侧面的孔内并通过锁紧螺母37锁紧；

所述同步轴17前端穿过同步圆盘25，向后依次穿过激光测微仪A15、滑环16、编码器19和激光测微仪B20。

技术方案中所述对中性检测调整模块还包括编码器微调机构22、测微仪底座A24和测微仪底座B21；

所述编码器微调机构22通过三角架36固定在检测装置底座3-3上；所述编码器19通过编码器支座18固定在下方编码器微调机构22上。

所述激光测微仪A15、激光测微仪B20分别通过测微仪底座A24、测微仪底座B21固定在三角架36上。

技术方案中所述振动传感器自动更换装置3-2包括电磁夹爪28、机械臂A29、机械臂B30、支撑轮31、伺服电机32和蜗轮蜗杆回转台35；

所述电磁夹爪28前端夹持三向振动传感器A9，电磁夹爪28后端与机械臂A29固定，机械臂A29与机械臂B30相连；

所述机械臂B30一端固定在蜗轮蜗杆回转台35上，另一端下部连接支撑轮31，支撑轮31支撑在检测装置底座3-3上，机械臂B30能够绕蜗轮蜗杆回转台35运动；

所述伺服电机32通过联轴器34与蜗轮蜗杆回转台35输入端的蜗杆连接。

技术方案中所述三向振动传感器A9、三向振动传感器B38、应变片10和微型麦克风39的信号线均通过同步旋转模块中的滑环16连接。

技术方案中所述安装平台2包括刀架垫板4、刀架底座5、地平铁6和斜床身7；所述伺服刀架1与下方的刀架垫板4连接，刀架垫板4与刀架底座5的顶部固定在一起，刀架底座5固定在斜床身7的一侧，斜床身(7)固定在地平铁(6)上。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1、本发明将伺服刀架性能参数检测所需要的传感器设计到一套完整的在线检测装置上，且可根据不同刀架进行调节，安装方便灵活，适用性强。

2、本发明设计了刀盘驱动编码器与滑环机构同步旋转的装置。在获取刀架工作过程中的性能参数同时，避免了刀盘表面安装的传感器因为刀盘旋转而导致的绕线问题，从而为实现在刀柄与刀盘上布置传感器提供解决方案。装置中的对中性检测调整模块能够有效解决同步旋转装置与刀盘的不对中问题。

3、采用多点振动监测，对刀盘以及刀杆处的振动信号进行采集，从而区分出刀杆处的振动是来自于刀架自身还是外部切削力。所设计的自动拆装振动传感器的机械机构，只需要一个振动传感器便能实现对所有刀杆振动信号的测量，充分利用了资源，同时实现振动信号自动化检测。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的数控刀架的性能参数在线检测装置整体轴测图；

图2为本发明所述的安装平台轴测图；

图3为本发明所述的刀架检测装置主体结构图；

图3-1为本发明所述的刀架检测装置主体中同步旋转模块结构图；

图3-2为本发明所述的刀架检测装置主体中对中性检测调整模块结构图；

图3-3为本发明所述的对中性检测调整模块检测调整原理图；

图4为本发明所述的振动传感器自动更换装置结构图；

图5为本发明所述的刀架检测装置主体的传感器布置图；

图6为本发明所述的数控刀架的性能参数在线检测装置的装置布置图；

图中：

1.伺服刀架，2.安装平台，3.刀架性能参数在线检测装置，3-1.刀架检测装置主体，3-2.振动传感器自动更换装置，3-3.检测装置底座，4.刀架垫板，5.刀架底座，6.地平铁，7.斜床身，8.模拟刀杆，9.三向振动传感器A，10.应变片，11.固定夹，12.调节旋钮，13.压紧旋钮，14.连接杆，15.激光测微仪A，16.滑环，17.同步轴，18.编码器支座，19.编码器，20.激光测微仪B，21.测微仪底座B，22.编码器微调机构，23.滑环支座，24.测微仪底座A，25.同步圆盘，26.插销，27.压紧螺钉，28.电磁夹爪，29.机械臂A，30.机械臂B，31.支撑轮，32.伺服电机，33.伺服电机支架，34.联轴器，35.蜗轮蜗杆回转台，36.三脚架，37.锁紧螺母，38.三向振动传感器B，39.微型麦克风

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1，所述的刀架性能参数在线检测装置包括伺服刀架1、安装平台2和刀架性能参数在线检测装置3。

参阅图2，所述的安装平台2包括刀架垫板4、刀架底座5、地平铁6与斜床身7，其作用为实现刀架的安装及固定。所述伺服刀架1通过螺栓与下方的刀架垫板4连接，刀架垫板4与刀架底座5的顶部固定在一起，刀架底座5通过螺栓固定在斜床身7的右半侧，斜床身7固定在地平铁6上。

所述的刀架性能参数在线检测装置3，由刀架检测装置主体3-1、振动传感器自动更换装置3-2和检测装置底座3-3三部分组成。

参阅图3、图3-1和图3-2，所述的刀架检测装置主体由以下组成：三向振动传感器A9、应变片10、固定夹11、调节旋钮12、压紧旋钮13、连接杆14、激光测微仪A15、滑环16、同步轴17、编码器支座18、编码器19、激光测微仪B20、测微仪底座B21、编码器微调机构22、滑环支座23、测微仪底座A24、同步圆盘25、插销26、压紧螺钉27、三角架36、锁紧螺母37、三向振动传感器B38和微型麦克风39。

所述的刀架检测装置主体3-1，其组成包括刀盘定位精度及换刀速度检测装置、刀盘振动检测装置、刀杆振动检测装置、刀架运行噪声检测装置和刀杆变形检测装置、对中性检测调整模块与同步旋转模块。

所述的刀架检测装置主体3-1，其功能包括对刀盘定位精度及换刀速度的检测、刀盘振动的检测、刀杆振动的检测、刀架运行噪声的检测和刀杆变形的检测、对编码器与刀盘轴线的对中性的检测和调整功能。综合以上功能可以对伺服刀架进行综合性能的在线检测和运行状态的持续监测。

所述的刀盘定位精度及换刀速度检测装置包括一个编码器19，同步轴17穿过编码器19的中心，编码器19的底部固定在其下方的编码器支座18上；

参阅图5，所述的刀盘振动检测装置为一个三向振动传感器B38，吸附在伺服刀架1刀盘中心孔附近；

所述的刀杆振动检测装置为一个三向振动传感器A9，吸附在模拟刀杆8上，参阅图5；

所述刀架运行噪声检测装置包括一个微型麦克风39，吸附固定在刀盘中心孔内，参阅图5；

所述的刀杆变形检测装置为一组应变片10，粘贴在模拟刀杆8外端面及侧面上，参阅图5。

所述的同步旋转模块包括：固定夹11、调节旋钮12、压紧旋钮13、连接杆14、滑环16、同步轴17、滑环支座23、同步圆盘25、插销26、压紧螺钉27和锁紧螺母37。

所述的对中性检测调整模块包括：编码器支座18、激光测微仪A15、激光测微仪B20、测微仪底座A24、测微仪底座B21、编码器微调机构22。

四个固定夹11呈90度均匀分布夹在伺服刀架的模拟刀杆8尾部，固定夹11中间有孔穿过压紧螺钉27，插销26插在压紧螺钉27一端的孔内，调节旋钮12和压紧旋钮13安装在固定夹11的另一端。四个连接杆14一端和固定夹11连接并通过压紧旋钮13固定，另一端穿过同步圆盘25侧面的孔内并通过锁紧螺母37锁紧。同步轴17前端穿过同步圆盘25中央的孔内，向后依次穿过激光测微仪A15、滑环16、编码器19和激光测微仪B20。激光测微仪A15安装在下方的测微仪底座A24上，同理，激光测微仪B20安装在下方的测微仪底座B21上，测微仪底座A24和测微仪底座B21通过螺钉固定在底部的三角架36上，滑环16下方通过滑环支座23固定，滑环支座23通过螺钉固定在三角架36上。编码器支座18通过螺栓固定在下方编码器微调机构22上，编码器微调机构22通过螺钉固定在三角架36上。三角架36通过螺钉固定在检测装置底座的前端，参阅图3-1、图3-2。

参阅图4，所述的振动传感器自动更换装置包括电磁夹爪28、机械臂A29、机械臂B30、支撑轮31、伺服电机32、伺服电机支架33、联轴器34以及蜗轮蜗杆回转台35。

电磁夹爪28前端夹持测量刀杆振动信号的三向振动传感器A9，电磁夹爪28通过螺栓与机械臂A29固定，机械臂A29与机械臂B30通过螺栓螺母相连。机械臂B30左端固定在蜗轮蜗杆回转台35上，跟随蜗轮蜗杆回转台35一起旋转，机械臂B30右端下部连接有一个支撑轮31支撑在检测装置底座3-3的顶面，为机械臂B30绕蜗轮蜗杆回转台35运动时提供机械支撑。蜗轮蜗杆回转台35下方通过螺钉固定在刀架性能参数在线检测装置3上表面。伺服电机32通过伺服电机支架33固定在检测装置底座3-3上表面，伺服电机32的输出轴通过联轴器34与蜗轮蜗杆回转台35输入端的蜗杆连接。蜗轮蜗杆回转台35采用现有的基于蜗轮蜗杆传动原理的回转台，将伺服电机32的转动转换为机械臂B30以及电磁夹爪28、机械臂A29与支撑轮31绕蜗轮蜗杆回转台35的转动，从而完成三向振动传感器A9脱离刀盘表面的动作。

所述的振动传感器自动更换装置安装在检测装置底座的顶部。

参阅图6，本发明所述的刀架性能参数在线检测装置包括伺服刀架1、安装平台2以及刀架性能参数在线检测装置3。其中刀架性能参数在线检测装置3包括检测装置主体3-1以及振动传感器自动更换装置3-2、检测装置底座3-3三部分。刀架检测装置主体3-1又包含对中性检测调整模块与同步旋转模块：通过同步旋转模块，保证了滑环16和伺服刀架1同步转动，并利用其自身的防绕线特性，可采用三向振动传感器A9对刀杆的振动进行检测、三向振动传感器B38对刀盘的振动进行检测、应变片10对刀杆的变形进行检测、微型麦克风39对刀架工作时的噪声进行检测，以上传感器的信号线均通过滑环16连接；编码器19利用同步旋转模块可对同步轴17的转位精度和转速，即相当于伺服刀架1的转位精度、换刀速度进行检测。在对中性检测调整模块中，根据两台激光测微仪的示数，分别调整编码器微调机构22、固定夹11上的调整旋钮12，从而对编码器支座18与同步圆盘25进行位置校正，从而调整穿过以上两装置的同步轴17安装的对中性；确定对中性良好后，可以对伺服刀架1的性能参数进行检测。振动传感器自动更换装置3-2可以在换刀的时候自动拆卸三向振动传感器A9，并在新的刀杆更换到位后重新快速安装在新刀杆上继续检测。

检测装置主体3-1由三向振动传感器A9、应变片10、固定夹11、调节旋钮12、压紧旋钮13、连接杆14、激光测微仪A15、滑环16、同步轴17、编码器支座18、编码器19、激光测微仪B20、测微仪底座21、编码器微调机构22、滑环支座23、测微仪底座A24、同步圆盘25、插销26、压紧螺钉27三角架36、锁紧螺母37三向振动传感器B38和微型麦克风39组成。

当伺服刀架1旋转时，会同时驱动固定在刀杆尾部的固定夹11旋转，从而带动连接杆14连同同步圆盘25旋转，继而带动同步轴17旋转。同步轴17与同步圆盘25之间是过渡配合，能够传递运动，且该运动无外负载，过渡配合即可保证运动的同步。

在安装检测装置主体3-1时，不可避免地产生安装误差，造成同步圆盘25及同步轴17的轴线与刀盘轴线不重合或不平行。同时，在同步轴17的另一端，编码器19在安装过程中，编码器19的轴线也会与伺服刀架1的轴线产生一定的偏差。这就导致伺服刀架1的刀盘旋转时同步轴17实际上在做偏心旋转运动，必须进行对中性检测以及相应的调整该装置才能正常使用，需配合本发明所述的对中性检测调整模块来实现。

对中性检测调整模块的基本原理参考图3-3，安装误差由两部分组成：同步圆盘25的偏心误差OB和编码器19安装轴线偏差O’O”，在检测位A和检测位B分别用两个激光测微仪对同步轴17的旋转状态进行检测，不对中现象造成的误差在检测位A、B处分别表现为CC’和DD’，并通过激光测微仪的示数体现出来。然后根据示数利用固定夹11上的调节旋钮12调整位A和编码器微调机构22调整位B进行调整，改变同步轴17的轴线位置使之逐渐向刀盘轴线重合，当测微仪示数不再变化时，说明同步轴与伺服刀架1的刀盘轴线完全重合，即调整完毕。

调整完成后，利用检测装置主体3-1中的同步旋转模块，配合滑环16和各类传感器，能够对伺服刀架1的性能参数进行在线检测。

本发明所述的检测装置主体3-1中的安装在刀盘及刀杆表面的传感器，都存在随着刀盘旋转传感器信号线将发生缠绕的问题，利用检测装置主体3-1中的同步旋转模块可以解决：同步旋转模块中的同步轴17为空心轴，且圆柱面上有一小孔，将传感器的信号线通过同步轴17端面的孔导入，从圆柱面上的小孔导出；滑环分为转子和定子，转子作为输入端接入各类传感器的信号线，定子作为输出端连接到下一环节。在刀盘旋转过程中，信号线及滑环16的转子随着整套机构同步旋转，输出端即定子的信号线固定不动。通过滑环16在刀杆表面安装三向振动传感器A9、应变片10、微型麦克风39等可以分别检测刀盘的振动、刀杆的变形以及刀架运行的噪声。

编码器19用于检测刀盘的定位精度及重复定位精度，对安装要求很高。经过对中性检测及调整后，能够满足编码器19的安装要求。将编码器19套在同步轴17上，下方有编码器支座18支撑，编码器支座18固定在编码器微调机构22上，编码器微调机构22固定在三角架36上，即可进行相关测量工作。

经过安装及调试后，在线检测装置3可依靠上述各类传感器通过接触式测量的方式直接对刀架的各类性能参数进行检测，滑环16的使用使得检测过程中不再产生传感器绕线问题，同时传感器采用接触式测量保证了检测的精度。更重要的，检测装置主体3-1在首次安装及调整完成之后，检测过程中不再需要任何人为调整或更换工作，所有传感器检测的数据将通过信号线传输至计算机中储存，真正做到了检测过程中无人值守，从而实现了性能参数的在线自动检测。

振动传感器自动更换装置3-2包括电磁夹爪28、机械臂A29、机械臂B30、支撑轮31、伺服电机32、伺服电机支架33、联轴器34以及蜗轮蜗杆回转台35。

本发明所述的振动传感器自动更换装置3-2的工作过程如下：

电磁夹爪28在电磁力的作用下，夹持着三向振动传感器A9吸附于伺服刀架1的刀盘表面，当三向振动传感器A9处于正常检测状态时，电磁夹爪28松开不与三向振动传感器A9接触，当刀架更换刀位时，需要将三向振动传感器A9从当前模拟刀杆8转移到更换到工作刀位的新的模拟刀杆8上。

将三向振动传感器A9安装在工作刀位的模拟刀杆8端部进行测量，当位于该刀位的刀具检测工作完成需要进行换刀时，该机构首先工作：伺服电机32驱动蜗轮蜗杆回转台35进行分度运动，驱动安装在蜗轮蜗杆回转台35的机械臂B30以及机械臂A29旋转，带动机械臂A29前端的电磁夹爪28向前运动。至三向振动传感器A9面前时，伺服电机32停转，分度停止，电磁夹爪28得到电磁力并开始工作，夹取三向振动传感器A9。这时刀盘转动，使基于磁力吸附在刀杆表面的三向振动传感器A9脱离刀杆。这时伺服电机32开始反转，驱动机械臂B30反向运动，电磁夹爪28退回，即将三向振动传感器A9卸下，完成了传感器拆卸工作。随后，换刀结束后，刀盘旋转一定角度后完成换刀，工作刀位被新的刀具替代。此时该机构再次工作，反向重复上述动作，将三向振动传感器A9吸附在新的刀杆表面并退回。这样，即完成了一次换刀动作前后所需的三向振动传感器A9的装卸工作，同时也实现了利用一个三向振动传感器A9持续测量所有更换到工作刀位的刀具振动信号的功能。

以上动作可通过编程手段控制实现，配合刀架的换刀时机适时介入。可以看到，除了首次安装和调试之外，检测过程中该机构自动工作，不需要人为干预，从而实现了振动信号的自动检测。

对伺服刀架1进行性能参数检测过程中，伺服刀架1在工作刀位处的模拟刀杆8会受到模拟切削力的载荷作用，载荷会导致刀杆产生变形和振动。同时伺服电机1自身在运行过程中，刀盘在运转过程中同样会产生一定的振动，这些振动信号或多或少都会传递到工作刀位的模拟刀杆8上，使得布置在刀杆上的三向振动传感器A9测得的振动信号来自不同的振动源，难以区分。为了克服这个问题，采用多点振动检测的方法，将不同的振动源区分开。参阅图5，将三向振动传感器B38安装在刀盘中心的圆孔附近，用来检测刀盘运行过程中产生的振动信号；同时，将安装在模拟刀杆8上的三向振动传感器A9测得的振动信号与三向振动传感器B38测得的振动信号进行综合分析和处理，获取每次加工过程，由外载荷传递到刀架系统的振动情况，并得出振动源与振动传递过程对刀架的影响。

本发明中所述的实例是为了便于该领域技术人员能够理解和应用本发明，本发明只是一种优化的实例，或者说是一种较佳的具体技术方案。如果相关的技术人员在坚持本发明基本技术方案的情况下，做出不需要经过创造性劳动的等效结构变化或各种修改都在本发明的保护范围内。