一种刀具状态实时监测与磨损补偿一体化智能车刀

本发明涉及机械加工，特别涉及一种刀具状态实时监测与磨损补偿一体化智能车刀。

背景技术：

1、车刀是制造业中使用最广的一类刀具，许多高精度、高表面质量的基础零部件均是通过车削加工的。在车削加工过程中，由于刀具与材料的高速、高频摩擦，其在使用一段时间后会出现磨损，进而使得加工精度降低。同时，在加工过程中存在切削速度、深度和主轴转速等参数设置不合理的情况，从而使得加工效率低下或者加剧刀具磨损而降低其使用寿命，严重时甚至会引起崩刃、扎刀等异常状况，进而降低所加工工件的表面质量、甚至损坏机床主轴。

2、而随着传感器、电子、信号处理和计算机等技术的发展，这些技术越来越多地被应用到制造技术中。制造技术与之结合后，能够对切削过程进行更全面、更细致、更及时的监控，进而反映加工状态；能够对利用机器学习等方法对所采集到的信号进行特征识别，进而判断刀具磨损情况、剩余寿命；能够利用上述的结果来指导实际操作，如换刀、优化切削参数等，或者反馈给控制系统，进而控制压电驱动、阻尼减振器等以实现磨损补偿、减振等目的。

3、所以，将传感器、电子、信号处理和计算机等技术应用到车削加工中，能够对各类异常情况进行监测并实现及时的控制。但是在目前监测加工状态、识别刀具状态的相关研究中，大部分研究只针对单个信号进行采集、分析，而单一信号对状态的反映不够全面，往往会导致不准确甚至错误的判断或识别，且这一类的研究大都停留在分析层面，并未直接对实际加工做出优化；而在控制加工状态的相关研究中，大部分研究只针对“控制”这单一方面展开工作，而缺少对加工状态的监测、分析，并未形成完整的控制闭环，且通常只针对某一项具体的异常状况进行控制。少数更为全面的研究，又难以避免系统复杂、结构改动大、集成困难或应用面较窄等缺点。

4、因此，开发一种刀具状态实时监测与磨损补偿一体化智能车刀具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种刀具状态实时监测与磨损补偿一体化智能车刀，以解决现有技术中存在的问题。

2、为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种刀具状态实时监测与磨损补偿一体化智能车刀，包括刀片、刀头、刀杆、夹持部分和信息采集单元。

3、所述刀杆整体为长方体条状结构。所述刀杆的两端分别标记为首端和尾端。所述刀杆的四侧周壁分别标记为侧壁ⅰ、侧壁ⅱ、侧壁ⅲ和侧壁ⅳ。所述刀头布置在刀杆的首端。所述刀头上可拆卸地固定连接有刀片。所述刀头和刀杆共同组成刀臂。所述刀臂上沿刀杆轴向方向开设有振动传感器安装孔。所述刀杆内还设置有刀杆信号孔。所述刀杆信号孔连通振动传感器安装孔和外界。所述刀杆信号孔的一侧孔口位于侧壁ⅳ。所述刀杆的四侧周壁在靠近首端的位置处设置有浅槽。所述侧壁ⅳ的浅槽外罩设有电路板外壳。所述电路板外壳与侧壁ⅳ合围出容置空间。

4、所述夹持部分具有内腔。所述刀杆的尾端伸入夹持部分的内腔中。所述刀杆的侧壁与内腔的腔壁之间固定设置有柔性铰链。所述刀杆的尾端端面与内腔的腔底之间设置有压电陶瓷驱动器。

5、所述信息采集单元包括4片pvdf力传感器、数据采集及处理电路板和振动传感器。所述pvdf力传感器粘贴在浅槽中。所述振动传感器布置在振动传感器安装孔中。所述振动传感器安装孔的孔口采用堵头封堵。所述数据采集及处理电路板布置在容置空间中。所述pvdf力传感器、振动传感器和压电陶瓷驱动器均与数据采集及处理电路板连接。所述刀杆信号孔用于容置传感器导线。

6、工作时，工件在刀片的作用下产生塑性形变。pvdf力传感器和振动传感器对切削过程中的振动信号和力信号进行采集。所述数据采集及处理电路板将信号传输至上位机。所述上位机对切削工况进行决策分析，控制压电陶瓷驱动器进行磨损补偿。

7、进一步，所述数据采集及处理电路板上集成有信号处理模块、数据处理模块、无线传输模块、供电模块和锂电池。所述供电模块与锂电池电连接。所述pvdf力传感器产生电荷，经信号处理模块处理电荷信号得到电压信号。pvdf力传感器和三维振动传感器对应的两组不同的电压信号通过数据处理模块转换并编码。编码后的数字信号传输至无线传输模块。无线传输模块将编码后的数字信号传输至上位机。

8、进一步，所述电路板外壳的外壁上设置有电源开关。所述电源开关与供电模块相连，电源开关控制锂电池供电的通断。

9、进一步，所述锂电池为可充电锂电池。所述电路板外壳的外壁上设置有充电插口。所述充电插口与供电模块相连。

10、进一步，所述无线传输模块与上位机通过蓝牙、wifi或5g连接方式实现通信。

11、进一步，所述电路板外壳通过螺钉与刀杆固定连接。

12、进一步，所述压电陶瓷驱动器采用若干个压电驱动器叠加形成。压电陶瓷固定杆的杆身从夹持部分的尾端伸入，穿过压电陶瓷驱动器后与刀杆的尾端固定连接。

13、进一步，单个柔性铰链采用圆弧形柔性铰链结构。

14、本发明还公开一种根据上述的一体化智能车刀的刀具状态实时监测与磨损补偿方法，包括以下步骤：

15、1)在刀具切削过程中采集刀具的振动信号和切削力信号。

16、2)对步骤1)采集的信号数据进行预处理，得到模型构建数据集。

17、3)构建初始刀具状态实时监测神经网络模型与磨损补偿。

18、4)基于模型构建数据集对初始刀具状态实时监测神经网络模型与磨损补偿进行训练，得到训练后的刀具状态实时监测神经网络模型与磨损补偿。

19、5)监测刀具切削过程中刀具的振动信号和切削力信号，将经过处理后的实时信号特征集输入到刀具状态实时监测神经网络模型与磨损补偿中，对待检测刀具的切削工况进行决策分析，以实现对刀具磨损、剩余寿命做出准确的判断和预测。

20、6)压电驱动器产生轴向形变，实现轴向微位移以达到磨损补偿。

21、进一步，步骤2)中，对原始信号进行特征提取，降低信号的维度以加快后续的处理速度。对特征进行选择，降低数据的总量。

22、本发明的技术效果是毋庸置疑的：利用传感器和处理电路与车刀本身相结合，在原有普通车刀基础上进行加工和组装，即可实现智能车刀信号采集部分的构建。利用4组在周向方向均布的柔性铰链组，能够在增强整体刚度的同时保证在压电驱动器的驱动下刀杆能沿其轴向向前补偿。另外，利用模块化思维对信号采集及处理电路进行设计，以实现对两类切削信号的采集、处理及无线传输。对切削过程中的三维振动信号与三维力信号进行了实时监测，相较于单一力信号的测量，多信号融合能够更及时、更全面地表征刀具的切削状态如扎刀、崩刃等，反映刀具磨损量并预测刀具剩余寿命以指导换刀等操作。通过集成电路板实现数据的无线传输，减小了数据采集部分的整体体积。驱动部分采用半封闭式结构，避免了切屑、切削液等对柔性铰链、压电驱动器的损伤。采用4组柔性铰链组均布于刀杆四周，能够最大限度保障整体刚度。

技术特征：

1.一种刀具状态实时监测与磨损补偿一体化智能车刀，其特征在于：包括刀片(1)、刀头(3)、刀杆(5)、夹持部分(10)和信息采集单元；

2.根据权利要求1所述的一种刀具状态实时监测与磨损补偿一体化智能车刀，其特征在于：所述数据采集及处理电路板(19)上集成有信号处理模块(31)、数据处理模块(32)、无线传输模块(33)、供电模块(34)和锂电池(35)；所述供电模块(34)与锂电池(35)电连接；所述pvdf力传感器(4)产生电荷，经信号处理模块(31)处理电荷信号得到电压信号；pvdf力传感器(4)和三维振动传感器(23)对应的两组不同的电压信号通过数据处理模块(32)转换并编码；编码后的数字信号传输至无线传输模块(33)；无线传输模块(33)将编码后的数字信号传输至上位机。

3.根据权利要求2所述的一种刀具状态实时监测与磨损补偿一体化智能车刀，其特征在于：所述电路板外壳(13)的外壁上设置有电源开关(11)；所述电源开关(11)与供电模块(34)相连，电源开关(11)控制锂电池(35)供电的通断。

4.根据权利要求2所述的一种刀具状态实时监测与磨损补偿一体化智能车刀，其特征在于：所述锂电池(35)为可充电锂电池；所述电路板外壳(13)的外壁上设置有充电插口(12)；所述充电插口(12)与供电模块(34)相连。

5.根据权利要求2所述的一种刀具状态实时监测与磨损补偿一体化智能车刀，其特征在于：所述无线传输模块(33)与上位机通过蓝牙、wifi或5g连接方式实现通信。

6.根据权利要求1所述的一种刀具状态实时监测与磨损补偿一体化智能车刀，其特征在于：所述电路板外壳(13)通过螺钉与刀杆(5)固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种刀具状态实时监测与磨损补偿一体化智能车刀，其特征在于：所述压电陶瓷驱动器(29)采用若干个压电驱动器叠加形成；压电陶瓷固定杆(30)的杆身从夹持部分(10)的尾端伸入，穿过压电陶瓷驱动器(29)后与刀杆(5)的尾端固定连接。

8.根据权利要求1所述的一种刀具状态实时监测与磨损补偿一体化智能车刀，其特征在于：单个柔性铰链采用圆弧形柔性铰链结构。

9.一种根据权利要求1所述的一体化智能车刀的刀具状态实时监测与磨损补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求1所述的一种刀具状态实时监测与磨损补偿一体化智能车刀，其特征在于：步骤2)中，对原始信号进行特征提取，降低信号的维度以加快后续的处理速度；对特征进行选择，降低数据的总量。

技术总结
发明提供一种刀具状态实时监测与磨损补偿一体化智能车刀。该一体化智能车刀利用振动传感器、力传感器对车削加工中的振动和力进行实时测量后基于柔性铰链组，通过一定的人工智能模型对车刀的磨损状态和剩余寿命做出预测，并反馈一个补偿值给控制系统控制压电驱动器实现磨损补偿。该一体化智能车刀可以实现车削加工的振动和力的实时测量并无线传输至上位机，能够实现刀具状态监测、预测刀具磨损及剩余寿命等功能。

技术研发人员：曹华军,邓辰杰,张金,罗代新,雒泰民,陶桂宝
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17