一种智能刀具的测量装置及监测系统的制作方法

本实用新型涉及智能刀具测量的技术领域，具体是一种智能刀具的测量装置及监测系统。

背景技术：

刀具的监测系统用于监控、分析智能刀具中各种不稳定因素或故障因素，并做出预判，而各种不稳定因素或故障因素的确定都是通过测量装置测量智能刀具的温度、切削力、振动等参数的性能来作为支撑预判的依据。可知，智能刀具温度、切削力、振动等的参数性能决定着智能刀具是否处于稳定状态或故障状态的主要指标。而智能刀具的这些参数均在智能刀具处于使用状态下（智能刀具处于运转的工作状态）进行测量。而使用状态下对智能刀具进行测量存在下面几个方面的问题：

其一，在使用状态下进行测量时，测量人员无法在高速旋转的智能刀具外部进行参数测量，测量人员也不能将测量仪器等伸入处于高速旋转的智能刀具内进行参数测量，显然，这种方式不可行；

其二，在使用前将测量装置安装在智能刀具上，智能刀具处于使用状态下再进行参数测量，第一，由于智能刀具处于使用状态下，现有的这些测量装置无法将测量到的参数数据发送出来。第二，现有的这些测量装置无法给测量装置本身供电，并且在智能刀具持续的旋转下，会因为测量装置无法得到电源供电而无法完成参数的测量。

传统的供电方式是给测量装置上安装蓄电池供电，但是受电池使用寿命、更换不便、破坏刀具旋转动平衡的影响等因素制约，无法得到很好地应用。可知，在使用前将测量装置安装在智能刀具上，智能刀具处于使用状态下再进行参数测量，在现有的常规技术下也无法实现。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于：针对上述现有技术的不足，提供一种能够在智能刀具处于使用状态下进行测量、监测的智能刀具的测量装置及监测系统。

本实用新型采用的技术方案是，一方面，一种智能刀具的测量装置，所述测量装置包括：温度传感器，固定安装在所述智能刀具的工作部分，用于测量所述智能刀具的温度；切削力传感器、振动传感器，均固定安装在所述智能刀具的装夹部分，分别用于测量所述智能刀具的切削力、振动；自发电装置，固定套装在所述智能刀具的装夹部分的刀柄上，用于为所述测量装置供电；信号处理电路，固定安装在所述自发电装置内，用于分别接收并处理温度传感器、切削力传感器以及振动传感器对应采集的智能刀具的温度、切削力以及振动的模拟信号，以对应转换为温度、切削力以及振动的数字信号；发送电路，固定安装在所述自发电装置内，用于分别接收由所述信号处理电路转换为温度、切削力以及振动的数字信号，并能够分别以无线数据传输方式向用于分析、监测智能刀具的监测系统发出由所述信号处理电路转换为温度、切削力以及振动的数字信号。

所述切削力传感器主要由弹性变形体和应变片组成，所述弹性变形体为筒状结构，该弹性变形体固定套接在智能刀具装夹部分所在的刀柄上，该弹性变形体的本体内周向均布、粘贴有多组应变片。

进一步，每组应变片为两片，一片应变片与所述智能刀具装夹部分刀柄的轴线相平行，另一片应变片与所述智能刀具装夹部分刀柄的轴线呈30°～60°的夹角布置。

所述自发电装置包括环形体、发电组件和控制电路，所述环形体固定套装在所述智能刀具装夹部分的刀柄上，该环形体内具有中空的环形内腔；所述发电组件主要由磁棒固定支架、磁棒、发电线圈组成，所述磁棒固定支架一端与所述环形内腔的内壁固定连接，另一端与所述磁棒的一端端部活动连接；所述发电线圈为一对，固定安装在所述环形内腔内，并且这对发电线圈位于所述磁棒的两侧；当所述智能刀具旋转时，所述智能刀具装夹部分的刀柄带动所述环形体以及其内的所述磁棒固定支架和所述发电线圈一起同步旋转，所述磁棒受重力的作用下，该磁棒相对于所述磁棒与所述磁棒固定支架的活动连接处始终处于竖直向下的状态，而所述磁棒固定支架相对于所述磁棒与所述磁棒固定支架的活动连接处转动，并且所述发电线圈相对于所述磁棒做圆周运动，使所述发电线圈切割磁棒的磁力线，使所述发电线圈的两端产生电流；所述发电线圈两端产生的电流经整流电路、滤波电路以及稳压电路后转换为给测量装置供电的直流电源。

进一步，所述磁棒固定支架固定安装在所述环形体环形内腔内的内侧内壁面或外侧内壁面上。

进一步，所述发电线圈通过线圈安装架固定安装在所述环形体环形内腔内的内侧内壁面或外侧内壁面上。

进一步，所述自发电装置的发电组件为多个，周向均布在所述环形体内，每个所述自发电装置的发电组件对应由一个所述自发电装置的控制电路，并且所述自发电装置的发电组件与所述自发电装置的控制电路交替均布在所述环形体内。

进一步，所述自发电装置还包括超级电容电路，所述超级电容电路固定安装在自发电装置内，所述控制电路控制超级电容电路充电或断电，当所述测量装置失电时，所述超级电容电路放电，为所述测量装置供电。

更进一步，所述自发电装置环形体的环形内腔内还安装有至少两对阻尼线圈，每对阻尼线圈均布置在所述磁棒的两侧；当所述自发电装置控制电路检测到超级电容电路充电完毕，且所述测量装置处于过压状态时，所述自发电装置控制电路控制阻尼线圈接入所述自发电装置的发电组件，消耗该自发电装置发电组件产生的电能。

另一方面，一种智能刀具的监测系统，包括用于刀具监控和分析的监测系统，还包含所述的智能刀具的测量装置，所述监测系统通过与所述发送电路相匹配的接收电路接收所述发送电路以无线数据传输方式分别发出温度、切削力以及振动的数字信号。

本实用新型的有益效果是：本实用新型为能够在智能刀具处于使用状态下，进行测量、监测的智能刀具的测量装置及监测系统。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1是本实用新型的原理框图。

图2是本实用新型中切削力传感器的结构示意图。

图3是本实用新型中自发电装置的结构示意图。

图4是自发电装置中发电线圈、阻尼线圈、超级电容电路、控制电路的框图。

图5是测量装置的安装示意图。

图中代号含义：1—温度传感器；2—切削力传感器；3—振动传感器；4—智能刀具；5—刀片；6—刀柄；7—弹性变形体；8—应变片；9—键槽结构；10—自发电装置；11—磁棒固定支架、12—磁棒；13—发电线圈；14、31—线圈安装架；15—阻尼线圈；16—信号处理电路；17—发送电路；18—超级电容电路；19—发电组件；20—控制电路；21—电压检测电路；22—电容电压检测电路；23—整流电路；24—滤波电路；25—稳压电路；26—接收电路；27—监测系统；28—电路板；29—电路板固定支架；30—螺栓；32—充放电管理电路。

具体实施方式

实施例1

参见图1至图5所示：本实用新型是一种智能刀具的测量装置及监测系统。它能够在智能刀具4处于使用状态下，进行测量、监测智能刀具4。其中，智能刀具4的结构都由装夹部分和工作部分组成。整体结构刀具的装夹部分和工作部分都做在刀体上；镶齿结构刀具的工作部分(刀齿或刀片5)则镶装在刀体上。智能刀具的装夹部分有带孔和带柄两类。带孔刀具依靠内孔套装在机床的主轴或心轴上，借助轴向键或端面键传递扭转力矩，如圆柱形铣刀、套式面铣刀等。带柄的刀具通常有矩形柄、圆柱柄和圆锥柄三种。车刀、刨刀等一般为矩形柄；圆锥柄靠锥度承受轴向推力，并借助摩擦力传递扭矩；圆柱柄一般适用于较小的麻花钻、立铣刀等刀具，切削时借助夹紧时所产生的摩擦力传递扭转力矩。很多带柄的刀具的柄部用低合金钢制成，而工作部分则用高速钢把两部分对焊而成。刀具的工作部分就是产生和处理切屑的部分，包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。有的刀具的工作部分就是切削部分，如车刀、刨刀、镗刀和铣刀等；有的刀具的工作部分则包含切削部分和校准部分，如钻头、扩孔钻、铰刀、内表面拉刀和丝锥等。切削部分的作用是用刀刃切除切屑，校准部分的作用是修光已切削的加工表面和引导刀具。

一方面，是一种智能刀具4的测量装置，所述测量装置包括：

温度传感器1，固定安装在所述智能刀具4的工作部分，用于测量所述智能刀具4的温度。为了保证温度测量的有效性，在距离刀口最近的地方钻孔，通过固定件（例如，固定螺钉）将温度传感器1安装在该钻孔内，并且该温度传感器1的测量部分最好能够穿过钻孔与刀片5的非切削的一面（刀片5与刀具贴合的一面）贴合。在智能刀具的外表面上开设从安装温度传感器1的位置到自发电装置10位置的引线槽（根据实际需求以及电气线槽敷线常识开设），用于敷设温度传感器1与自发电装置10内信号处理电路16连接的导线，再由高温硅胶密封。

切削力传感器2、振动传感器3，均固定安装在所述智能刀具4的装夹部分，分别用于测量所述智能刀具4的切削力、振动。所述切削力传感器2主要由弹性变形体7和应变片8组成，所述弹性变形体7为筒状结构，该弹性变形体7固定套接在智能刀具4装夹部分所在的刀柄6上，该弹性变形体7的本体内周向均布、粘贴有多组应变片8。其中，所述弹性变形体7与所述智能刀具4装夹部分所在的刀柄6的配合面上开设有键槽结构9（所述弹性变形体7轴上内孔的内表面上开设的轴向键槽和所述智能刀具4装夹部分所在的刀柄6的外表面上开设的轴向凸起），用于将所述弹性变形体7紧密地固定套接在所述智能刀具4装夹部分所在的刀柄6上，以能够提高测量的准确性，进一步通过螺钉锁死；优选的，每组应变片8为两片，一片应变片8与所述智能刀具4装夹部分刀柄6的轴线相平行（即实现面与线的平行关系），另一片应变片8与所述智能刀具4装夹部分刀柄6的轴线呈30°～60°（例如，30°、45°、60°，优选为45°）的夹角布置（即实现一个面与一条线的夹角布置关系）。通过这种应变片8的布置方式实现切削时切屑力和力矩的测量。本实施方式中，设置有四组应变片8，其中有四片应变片8分别与所述智能刀具4装夹部分刀柄6的轴线相平行，并且通过全桥方式连接在一起，另外还有四片应变片8分别与所述智能刀具4装夹部分刀柄6的轴线呈45°布置，并且通过全桥方式连接在一起。使切削力传感器2具有很高的灵敏性、线性度、良好的温度补偿特性。当弹性变形体7受力时，弹性变形体7物理尺寸发生变化，粘贴在弹性变形体7上的应变片8同步变化，应变片8的电阻值发生变化，通过电阻的变化，电桥中的电压输出同步变化，从而测量出切屑力的大小；所述振动传感器3通过固定件（例如，固定螺钉）安装在所述智能刀具4装夹部分的刀柄6上开设的径向钻孔内，本实施方式中，振动传感器3测量的振动参数采用压电式加速度传感器测量。

自发电装置10，固定套装在所述智能刀具4的装夹部分的刀柄6上，用于为所述测量装置供电。所述自发电装置10包括环形体、发电组件19和控制电路20（例如，PLC可编程逻辑控制电路、嵌入式微处理器、PC机等）。

上述环形体固定套装在所述智能刀具4装夹部分的刀柄6上（环形体可以通过螺钉固定、螺栓30固定，或者过盈配合固定等方式固定套装所述智能刀具4装夹部分的刀柄6上），该环形体内具有中空的环形内腔，该环形体由磁屏蔽材料制成，优选为铝质材料，具有良好的磁屏蔽效果；

上述发电组件19主要由磁棒固定支架11、磁棒12、发电线圈13组成，所述磁棒固定支架11一端与所述环形内腔的内壁固定连接，另一端与所述磁棒12的一端端部活动连接（例如，通过销轴实现活动连接）；本实施方式中，所述发电线圈13为一对，固定安装在所述环形内腔内，并且这对发电线圈13位于所述磁棒12的两侧；当所述智能刀具4旋转时，所述智能刀具4装夹部分的刀柄6带动所述环形体以及其内的所述磁棒固定支架11和所述发电线圈13一起同步旋转，所述磁棒12受重力的作用下，该磁棒12相对于所述磁棒12与所述磁棒固定支架11的活动连接处始终处于竖直向下的状态（始终处于竖直向下的状态的原因在于所述磁棒12与所述磁棒固定支架11的活动连接位置位于磁棒12的一端端部上），而所述磁棒固定支架11相对于所述磁棒12与所述磁棒固定支架11的活动连接处转动，并且所述发电线圈13相对于所述磁棒12做圆周运动，使所述发电线圈13切割磁棒12的磁力线，使所述发电线圈13的两端产生电流；

上述发电线圈13两端产生的电流经整流电路23、滤波电路24以及稳压电路25后转换为给测量装置供电的直流电源。

本实施方式中，安装时，所述自发电装置10固定套设在所述智能刀具4的装夹部分的刀柄6上，上述切削力传感器2位于（紧贴于）自发电装置10右侧所在的所述智能刀具4的装夹部分的刀柄6上，方便切削力传感器2与自发电装置10之间的导线连接，上述振动传感器3位于所述切削力传感器2与所述智能刀具4装夹部分的刀柄6之间配合面所在的所述智能刀具4的装夹部分的刀柄6上，以方便振动传感器3通过所述切削力传感器2与所述自发电装置10的导线连接。

信号处理电路16，固定安装在所述自发电装置10内，用于分别接收并处理温度传感器1、切削力传感器2以及振动传感器3对应采集的智能刀具4的温度、切削力以及振动的模拟信号，以对应转换为温度、切削力以及振动的数字信号，即，温度传感器1、切削力传感器2以及振动传感器3对应采集的智能刀具4的温度、切削力以及振动的模拟信号依次通过信号处理电路16内的放大电路、滤波电路、以及模数转换电路等常规的电路处理后，得到对应的温度、切削力以及振动的数字信号；

发送电路17（本领域的技术人员通过常规的电路或者集成的发送模块即可实现），固定安装在所述自发电装置10内，用于分别接收由所述信号处理电路16转换为温度、切削力以及振动的数字信号，并能够分别以无线数据传输方式向用于分析、监测智能刀具4的监测系统27发出由所述信号处理电路16转换为温度、切削力以及振动的数字信号。

优选的，所述磁棒固定支架11固定安装在所述环形体环形内腔内的外侧内壁面上。优选的，所述发电线圈13通过线圈安装架14固定安装在所述环形体环形内腔内的外侧内壁面上。在高速转动中，能够更好的保证磁棒固定支架11的根部（磁棒固定支架11的根部指磁棒固定支架11与所述环形体环形内腔内的外侧内壁面连接处）和线圈安装架14的根部（线圈安装架14的根部指线圈安装架14与所述环形体环形内腔内的外侧内壁面连接处）的稳固性，延长测量装置的使用寿命。

优选的，所述自发电装置10的发电组件19为多个，周向均布在所述环形体内，每个所述自发电装置10的发电组件19对应由一个所述自发电装置10的控制电路20，并且所述自发电装置10的发电组件19与所述自发电装置10的控制电路20交替均布在所述环形体内。其中，本实施方式中，所述自发电装置10的发电组件19为三个，相互之间呈120°夹角布置，所述自发电装置10的控制电路20为三个，与所述自发电装置10的发电组件19交替均布在所述环形体环形内腔内的外侧内壁面上。避免测量装置安装在刀具上影响刀具转动过程中的动平衡。

优选的，所述自发电装置10还包括超级电容电路18，所述超级电容电路18固定安装在自发电装置10内，所述控制电路20通过充放电管理电路32控制超级电容电路充电或断电，当所述测量装置失电时，所述控制电路20通过充放电管理电路32控制所述超级电容电路放电，为所述测量装置供电。其中，本实施方式中，虽然超级电容电路18为常规的电容电路（超级电容可以选用：CHP-5R5L256R-PC），但是，当智能刀具4从高速转动到停止转动后，配合到该本测量装置中，通过这种超级电容电路18的设计，能够延长测量装置的测量时间，一方面，提高了测量装置的稳定性，另一方面实现了智能刀具4间歇转动过程（智能刀具4间歇转动过程指智能刀具4使用中，智能刀具4高速转动一段时间，然后停止转动一段时间，最后又高速转动一段时间，这种交替的过程）中的不间断参数测量与参数的发送，有利于分析、还原智能刀具4实际的使用过程。

进一步优选的，所述自发电装置10环形体的环形内腔内还安装有至少两对阻尼线圈15（至少包括一对用于智能刀具正转时使用，一对用于智能刀具反转时使用），通过线圈安装架31安装在所述环形体环形内腔内，具体安装位置根据实际需要确定，每对阻尼线圈15均布置在所述磁棒12的两侧；当所述自发电装置10控制电路20检测到超级电容电路18充电完毕，且所述测量装置处于过压状态时（本领域的技术人员通过常规的电路即可实现），所述自发电装置10控制电路20控制阻尼线圈15接入所述自发电装置10的发电组件19，消耗该自发电装置10发电组件19产生的电能（本领域的技术人员通过常规的电路即可实现），保证发电组件19中电压的平稳。参见图4所示：本实施方式中，发电线圈13切割磁棒12的磁力线，产生电能，通过整流电路23、滤波电路24、稳压电路25，得到直流电，一方面为控制电路提供工作电源，另一方面控制电路接通充放电管理电路32（充放电管理电路32是起接通或断开的作用）为超级电容电路18充电。通过电压检测电路21检测发电线圈13两端的电压是否超过了控制电路中的提前预设的电压预设值，超过该预设值，出现过压，同时，通过电容电压检测电路22检测超级电容电路18的电能是否超过了控制电路中提前预设的电能预设值，超过该电能预设值，表示充电电路电能充满，控制电路控制充放电管理电路32断开，同时满足上述两个条件（出现过压、充电电路电能充满）后，控制电路控制阻尼线圈15连通（根据实际智能刀具正、反转选择阻尼线圈15的连通），消耗发电线圈13产生的多余电能（阻尼线圈15接入发电线圈13中，用于消耗发电线圈13中的电能的连接方式为现有成熟的技术手段），未满足上述两个条件，控制电路不接通阻尼线圈15。其中，控制电路作出这种简单的控制、判断是现有成熟的技术。

另一方面，是一种智能刀具4的监测系统，包括用于刀具监控和分析的监测系统27（例如，微处理器、PC机等），还包含所述的智能刀具4的测量装置，所述监测系统27通过与所述发送电路17相匹配的接收电路26（接收电路26，本领域的技术人员通过常规的电路或者集成的接收模块即可实现）接收所述发送电路17以无线数据传输方式分别发出温度、切削力以及振动的数字信号，作为监测系统27监控、分析和是否发出报警的基础数据。

另外，上述的信号处理电路16、控制电路20、放大电路、滤波电路、以及模数转换电路、超级电容电路18、控制电路20、电压检测电路21、电容电压检测电路22、整流电路23、滤波电路24、稳压电路25、发送电路17、接收电路26以及充放电管理电路32均集成在电路板28上，电路板28通过电路板固定支架29固定到所述环形体环形内腔内的外侧内壁面上。

实施例2

本实施例2的其它结构与实施例1相同，不同之处在于：所述磁棒固定支架固定安装在所述环形体环形内腔内的内侧内壁面上。

实施例3

本实施例3的其它结构与实施例1相同，不同之处在于：所述发电线圈通过线圈安装架固定安装在所述环形体环形内腔内的内侧内壁面上。

实施例4

本实施例4的其它结构与实施例1相同，不同之处在于：所述磁棒固定支架固定安装在所述环形体内的外侧内壁面上，所述线圈安装架固定安装在所述环形体内的内侧内壁面上，或者，所述磁棒固定支架固定安装在所述环形体内的内侧内壁面上，所述线圈安装架固定安装在所述环形体内的外侧内壁面上。

以上各实施例的技术方案仅用以说明本实用新型，而非对其限制。尽管参照前述各实施例的技术方案对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型的精神和范围。