自适应的精密加工自动对刀系统及方法与流程

本发明涉及一种精密加工机床，尤其是一种精密加工自动对刀系统。

背景技术：

精密加工技术是为适应现代高技术需要而发展起来的先进制造技术，是其它高新技术实施的基础。而数控精密加工机床的对刀精度和可操作性是影响加工精度和加工效率的关键因素。在精密加工过程中一直存在对刀不方便、不准确等问题，传统对刀探头、对刀仪等离线的对刀方式可能会因为主轴旋转过程中产生的回转误差从而影响加工的精度，而采用听切削声音、看切屑等人工方法，又存在效率低、对刀精度差、对刀过程常会出现刀具切入工件过深或与工件碰撞的情况。因此，如何在真实的加工环境，针对不同加工条件的精密加工实现自适应的在线对刀，同时保障对刀的精度和效率是业界一直以来关心的问题，

精密加工过程中由于加工形式的多元性，加工零件的多样性，加工参数的不确定性，导致对刀过程考虑的因素要覆盖所有可能的情景。本专利考虑多种精密加工方式，通过传感器适应加工条件和加工环境，在加工工艺过程中实现基于振动传感变化的自适应对刀，保证精密加工过程对刀的精确性。

目前的精密机械加工领域，针对加工前对刀方法和技术，主要包括：

方法1.手动测量对刀法：包括塞尺、标准棒、千分表等进行加工前相对位置的测试和确定，从而在数控系统中设置对刀量。这种对刀方式的缺陷在于：(1)对刀精度对测试要求高，容易产生测试误差；(2)对刀效率低，需要反复确认对刀参数：(3)自动化水平低，依赖操作人员的经验。所以该对刀方法水平落后，很难实现自动化的精密加工。

方法2.传统火花(切屑)的视觉对刀识别方法：对于切削过程可以通过火花(切屑)来判断刀具和工件是否产生切削过程。这种方法虽然简单，可以通过人工进行也可以通过摄像处理，但是存在明显的缺陷：(1)依赖视觉系统，受加工环境(切削液、切削照明)影响大；(2)很难适应无火花无明显切屑的材料的加工；(3)识别效率低；(4)对不同的加工方法不具有适应性。所以该对刀法无法实现自适应性，容易导致加工误差

方法3.对刀仪对刀：通过专用的对刀仪器，实现数控机床高精度、高效、安全地对刀。但是作为现代化的对刀方法，依然存在以下缺陷：(1)设备专用化高，主要用于数控加工中心，多种加工方式适应性差；(2)对刀仪成本较高、安装使用复杂。所以该对刀方法同样存在专用化明显，适应性差、安装复杂等问题。

综上可知现有技术的主要缺点为：

1.对刀技术在对刀的精度、成本和效率方面受到相互的制约和限制；

2.对刀技术的应用领域单一，对刀方法的使用依赖不同的加工形式和加工对象；

3.对刀方法自适应性差，不能保证复合型加工方式的要求。

针对以上缺陷，特别需要一种简单、实用、可靠的，同时适用于多种精密加工形式的自动化对刀装置，来满足日益增长的多品种多工艺的精密机械加工的需要。

技术实现要素：

本发明的目的是为现在的机械行业提供一种适用于任意加工过程的自适应在线对刀系统及方法，该系统不仅结构简单，对于任意外形、不同尺寸的零件、不同加工形式具有自适应性，而且在对刀过程中可以实时进行监测和反馈，有效保障了加工对刀过程的稳定性、可靠性和精确性。

为了实现以上目的，本发明的技术方案是：一种自适应的精密加工自动对刀系统，包括压电陶瓷振动感知装置、多型号磁吸安装装置、电荷放大电路模块、数据采集处理器、传感显示输出装置。其中，压电陶瓷振动感知装置为传感器，通过多型号磁吸安装装置安装在刀具、工件或者夹具上；数据采集处理器采集经电荷放大电路模块放大的压电陶瓷振动感知装置输出的压电信号，并输入到传感器显示输出装置，从而判定和输出对刀结果。

压电陶瓷振动感知装置包括质量块、保护罩、预紧螺母、双螺纹管支柱、压电陶瓷元件、安装底座，位于对角线中心的双螺纹管支柱上从下至上依次安装压电陶瓷元件、质量块、预紧螺母，双螺纹管支柱与安装底座连接，在对刀过程产生振动变化时，由质量块感知安装部位的振动信号变化，从而通过压电陶瓷元件的作用输出电荷的变化，实现对刀。

所述多型号磁吸安装装置包括i型磁性座、l型磁性座、o型磁性座、v型磁性座。

所述o型磁性座用于容易放置对刀装置的平板类的安装，v型磁性座用来实现轴类外表面可靠的安装，i型磁性座用于不影响加工表面，可以辅助使用的安装，l型磁性座用于一些异性结构加工安装。

一种自适应的精密加工自动对刀系统的使用方法，其步骤为：

使用前，首先，在安装底座上进行正方体体对角线角度的双螺纹管支柱安装，用以放置压电陶瓷元件和质量块，并且通过预紧螺母进行预载荷加载，从而形成多方向传导的振动压电输出感知系统；并且压电陶瓷振动感知装置通过保护罩进行安装，保证能够适应多样化的加工环境和条件；

然后利用多型号磁吸安装装置将压电陶瓷振动感知装置安装在刀具-工件加工系统的非旋转运动部件上，保障安装之后无论是哪个方向的加工，都可以通过振动传导使质量块作用于压电陶瓷元件产生电荷的变化；

在加工前，压电电荷通过电荷放大电路模块产生电压，形成非加工状态下的振动信号特征，对刀时利用数控系统进行加工方向的进给，当刀具和工件产生微量切削作用时，即会尝试对刀状态下的振动信号，数据采集处理器实时识别并输出对刀结果，从而执行加工程序。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明专利利用多方向的传导结构设计，并结合多种安装磁性底座，能够通过不同结构形式的安装来保证不同加工形式、不同加工环境和不同加工零件的加工要求，从而保证了对刀的自适应性。

(2)通过使用压电电压输出、信号采集和处理对刀信号进行实施判定和输出，并采用指示灯和io信号方式来实现对刀结果指示，结合数控系统可以实现对刀的自动化，保证对刀的效率。

(3)通过调整压电陶瓷和电荷放大电路可以调节对刀装置硬件的精度，再结合对刀判定算法可以将对刀精度提升到与机床的进给分辨率匹配，从而大大提高对刀精度满足各种精密加工的要求。

(4)对刀的在线性和精度，对刀装置可实现在线对刀，同时通过振动压电信号可以保证对刀的高分辨率和准确性。

(5)通过体对角线感应方向以及不同安装方式，可以保证对刀检测的任意方向性，提高安装的适应性。

(6)采用多种磁吸式的安装方式，任意加工形式的加工过程，只需其中零件、夹具或者主轴架能够进行磁性吸附，就可以自适应进行不同加工方式的切削对刀。

(7)对刀结果的可读性和可控性，通过数据采集处理器输出和现实对刀结果，使得对刀结果可以人工读取，也可以通过io通讯方式和数控系统进行交互，实现自动化的对刀和加工。

(8)可以实现对刀过程和加工过程的实时监测和数据采集，以便进行后续的分析处理，保证加工的精度和质量。

附图说明

图1为本发明自适用于任意加工过程的自适应在线对刀系统示意图；

图2为压电陶瓷振动感知装置的剖视图；

图3为图2的h向轴视图；

图4为多型号磁吸安装装置的结构示意图；

其中：(a)o型磁性座，(b)i型磁性座，(c)l型磁性座，(d)v型磁性座；

图5为本发明的自适应的精密加工自动对刀系统的实例应用三维轴测图；

其中：(a)用于平板类零件，(b)用于槽类零件，(c)用于异性类类零件，(d)用于轴类零件。

其中，1-压电陶瓷振动感知装置、2-多型号磁吸安装装置、3-传感显示输出装置、4-质量块、5-保护罩、6-预紧螺母、7-双螺纹管支柱、8-压电陶瓷元件、9-安装底座、10-导线、11-o型磁性座、12-i型磁性座、13-l型磁性座、14-v型磁座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，详细的说明本发明及工作原理。

如图1所示，一种自适应的精密加工自动对刀系统，包括压电陶瓷振动感知装置1、多型号磁吸安装装置2、电荷放大电路模块、数据采集处理器、传感显示输出装置3。其中压电陶瓷振动感知装置1为传感器，通过多型号磁吸安装装置2安装在刀具、工件或者夹具上；数据采集处理器采集经电荷放大电路模块放大的压电陶瓷振动感知装置1输出的压电信号，并输入到传感器显示输出装置3，从而判定和输出对刀结果。

如图2，3所示，压电陶瓷振动感知装置1包括质量块4、保护罩5、预紧螺母6、双螺纹管支柱7、压电陶瓷元件8、安装底座9。位于对角线中心的双螺纹管支柱7上从下至上依次安装压电陶瓷元件8、质量块4、预紧螺母6，双螺纹管支柱7与安装底座9连接，这样可以用单方向压电陶瓷来拾取加工各方向的振动，在系统对刀过程产生振动变化时，质量块4加在压电陶瓷元件8上的力随之变化，导致输出的压电电荷产生变化，通过质量块4感知安装部位的振动信号变化，从而通过压电陶瓷元件8的作用输出电荷的变化，实现对刀。

压电陶瓷振动感知装置1通过多型号磁吸安装装置2的磁性吸附在测试表面来检测对刀信号，保证了被测试对象的完整性，只要系统存在铁磁性物质就能实现安装；同时系统不同大小不同型号的几种磁性安装磁座，保障任意加工方法任意零件的安装都能实现自适应对刀。

如图4(a)，(b)，(c)，(d)和图5(a)，(b)，(c)，(d)所示，为几种典型加工零件(或刀具)的安装示意图，在平板类等容易放置对刀装置的工艺过程，可以使用o型磁性座11；在轴类外表面等安装条件时，可以用v型磁性14座来实现可靠的安装；当零件外形存在安装条件不允许(外表面用于装夹)，为了不影响加工表面，可以辅助使用i型磁性座12；而当一些异性结构加工时，可以辅以l型磁性座13等型号，既能检测对刀信号又能不影响原有的加工条件。

本发明的系统和方法可以在计算机上实现传感器的设置、数据记录、输出通讯，从而实现对刀结果的显示和通讯，并可以进一步实现与数控机床数控端口的交互。

使用前，首先，在安装底座上进行正方体体对角线角度的双螺纹管支柱安装，用以放置压电陶瓷元件和质量块，并且通过预紧螺母进行预载荷加载，从而形成多方向传导的振动压电输出感知系统；并且压电陶瓷振动感知装置通过保护罩进行安装，保证能够适应多样化的加工环境和条件。

然后利用多型号磁吸安装装置将压电陶瓷振动感知装置安装在刀具-工件加工系统的非旋转运动部件上，保障安装之后无论是哪个方向的加工，都可以通过振动传导使质量块作用于压电陶瓷元件产生电荷的变化。

在加工前，压电电荷通过电荷放大电路模块产生电压，形成非加工状态下的振动信号特征。对刀时利用数控系统进行加工方向的进给，当刀具和工件产生微量切削作用时，即会尝试对刀状态下的振动信号，数据采集处理器实时识别并输出对刀结果，从而执行加工程序。

该精密对刀方法和装置的对刀原理依赖于振动，无论是多少的切削量都会产生振动变化，其对刀精度理论上可以与机床进给的最低分辨率相匹配。另外，对刀系统在执行完对刀过程后，可以实时监测加工过程中的稳定性，从刀具磨损、工件动刚度需求等各方面保证了加工的质量和精度。