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在数控机床工作时检测切削刀具磨损的方法及装置
来源：广搜网
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发布日期： 8:33:00
&&&&发明人：陈少林 杨延洲（摘要：本发明涉及一种在数控机床工作时检测切削刀具磨损的方法，包括如下步骤：在所述数控机床换刀并开始工作时，采集指定时间或指定次数的机床主轴震动频率的数据，并取得这些数据的震动频率平均值；设定所述震动频率平均值为震动频率标准值，依据所述震动频率标准值，得到震动频率门限值；按照设定周期取得所述机床主轴震动频率的当前值；比较所述主轴的震动当前值是否在门限值之内，如是，再次采集当前值比较；否则，判断所述刀具磨损，发出车床停机信号。本发明还涉及一种在数控机床工作时检测切削刀具磨损的装置。实施本发明的在数控机床工作时检测切削刀具磨损的方法及装置，具有以下有益效果：具有自动、时间花费较少的特点。）
1. 一种在数控机床工作时检测切削刀具磨损的方法，其特征在于，包括如下步骤：A）在所述数控机床换刀并开始工作时，采集第一指定时间或指定次数的机床主轴震动频率的数据，并取得这些数据的震动频率平均值；B）设定所述震动频率平均值为震动频率标准值，依据所述震动频率标准值，得到震动频率门限值；C）按照第二设定周期取得所述数控机床主轴震动频率的当前值；D）比较所述数控机床主轴的震动频率当前值是否在门限值之内，如是，返回步骤C）；否则，判断所述刀具磨损，发出数控机床停机信号。2. 根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，所述步骤A）进一步包括如下步骤：A1）采集数控机床主轴震动频率值；A2）将所述震动频率值进行模数转换、并单独存储；A3）判断第一指定时间或次数是否达到？如是，执行下一步骤；否则，返回步骤A1）；A4）取得所述存储的数控机床主轴震动频率值的平均值。3. 根据权利要求2 所述的方法，其特征在于，所述步骤B）中，所述门限值由所述标准值加上或/ 和减去所述标准值与设定比例的乘积而得。4. 根据权利要求3 所述的方法，其特征在于，所述步骤C）进一步包括如下步骤：C1）采集机床主轴震动频率；C2）将所述震动频率值进行模数转换、并单独存储；C3）判断所述第二设定周期是否达到？如是，执行下一步骤；否则，返回步骤C1）；C4）取得所述存储数据的平均值为所述震动当前值。5. 根据权利要求4 所述的方法，其特征在于，所述步骤D）进一步包括如下步骤：D1）判断所述震动频率当前值是否大于所述标准值减去所述标准值与设定比例的乘积，如是，执行下一步骤；否则，跳转到步骤D3）；D2）判断所述震动频率当前值是否小于所述标准值加上所述标准值与设定比例的乘积，如是，返回步骤C）；否则，执行下一步骤；D3）判断所述刀具磨损，发出停机信号。6. 一种在数控机床工作时检测切削刀具磨损的装置，其特征在于，包括：主轴震动频率采集单元：安装在所述数控机床主轴上，采集所述数控机床主轴在转动时的震动频率；数据处理单元：用于处理所述数控机床主轴震动频率采集单元采集的数据，判断所述数据是否正常并在所述数据不正常时产生并输出停机信号；存储单元：与所述数据处理单元连接，用于存储所述采集到的数据值；信号发送单元：与所述数据处理单元连接，用于将所述数据处理单元产生的信号发送到所述数控机床控制部分。7. 根据权利要求6 所述的装置，其特征在于，所述数控机床主轴震动频率采集单元包括震动传感器模块，所述震动传感器模块输出与所述数据处理单元的数据输入端连接。8. 根据权利要求7 所述的装置，其特征在于，所述信号发送单元为用于将所述停机信号或定时将所述存储单元中存储的数据发送出去的无线数据传输单元。9. 根据权利要求6-8 任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括两个在所述装置安装时合并固定在所述数控机床主轴上的半圆环形中空外壳，所述各单元分别设置在所述半圆环形外壳中。10. 根据权利要求9 所述的装置，其特征在于，所述震动传感器模块包括震动传感器及将所述震动传感器输出转换为不同频率的波形输出的传感器数据处理单元，所述传感器数据处理单元的输出与所述数据处理单元连接；所述外壳上设置有用于在所述装置安装在所述数控机床主轴上时使所述震动传感器紧贴于所述数控机床主轴表面的通孔。在数控机床工作时检测切削刀具磨损的方法及装置技术领域[0001] 本发明涉及加工设备，更具体地说，涉及一种在数控机床工作时检测切削刀具磨损的方法及装置。背景技术[0002] 数控机床（例如，CNC 数控铣床、CNC 数控车床等）在工作时，其加工精度除了受机床本身的精度和切削参数影响外，一个较为重要的因素就是刀具的磨损程度。如果刀具有较大程度的磨损，其加工出来的产品尺寸就会超标，这使得被加工的工件报废或需要更多的时间对其进行修补。但是，在数控机床加工产品时，由于刀具安装在数控机床的主轴上，而且在加工时主轴转动，根本没有办法测量正在工作的刀具的磨损是否超标。在现有技术中，解决刀具磨损带来的影响，常用的办法是依靠操作人员的经验，定时停机检查刀具。这种方法存在有不足之处，首先是由于被加工的工件材质、硬度、形状不同，加上刀具的质量稳定性影响，操作人员较难做准确的判断，带来时间和材料上的损失；其次每次停机均会带来一定的时间上的延误，造成生产周期的加长。因此，现有的判断刀具磨损的方法有人为因素较多、时间花费较长的缺陷。该发明可建立金属材料切削性能分析、切削参数分析、刀具性能分析模块。发明内容[0003] 本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述人为因素较多、时间花费较长缺陷，提供一种自动测试、时间花费较少的在数控机床工作时检测切削刀具磨损的方法及装置。[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种在数控机床工作时检测切削刀具磨损的方法，包括如下步骤：A）在所述数控机床换刀并开始工作时，采集第一指定时间或指定次数的机床主轴震动频率的数据，并取得这些数据的震动频率平均值；B）设定所述震动频率平均值为震动频率标准值，依据所述震动频率标准值，得到震动频率门限值；C）按照第二设定周期取得所述数控机床主轴震动频率的当前值；D）比较所述数控机床主轴的震动频率当前值是否在门限值之内，如是，返回步骤C）；否则，判断所述刀具磨损，发出数控机床停机信号。[0005] 在本发明所述的在数控机床工作时检测切削刀具磨损的方法中，所述步骤A）进一步包括如下步骤：A1）采集数控机床主轴震动频率值；A2）将所述震动频率值进行模数转换、并单独存储；A3）判断第一指定时间或次数是否达到？如是，执行下一步骤；否则，返回步骤A1）；A4）取得所述存储的数控机床主轴震动频率值的平均值。[0006] 在本发明所述的在数控机床工作时检测切削刀具磨损的方法中，所述步骤B）中，所述门限值由所述标准值加上或/ 和减去所述标准值与设定比例的乘积而得。[0007] 在本发明所述的在数控机床工作时检测切削刀具磨损的方法中，所述步骤C）进一步包括如下步骤：C1）采集机床主轴震动频率；C2）将所述震动频率值进行模数转换、并单独存储；C3）判断所述第二设定周期是否达到？如是，执行下一步骤；否则，返回步骤C1）；C4）取得所述存储数据的平均值为所述震动当前值。[0008] 在本发明所述的在数控机床工作时检测切削刀具磨损的方法中，所述步骤D）进一步包括如下步骤：D1）判断所述震动频率当前值是否大于所述标准值减去所述标准值与设定比例的乘积，如是，执行下一步骤；否则，跳转到步骤D3）；D2）判断所述震动频率当前值是否小于所述标准值加上所述标准值与设定比例的乘积，如是，返回步骤C）；否则，执行下一步骤；D3）判断所述刀具磨损，发出停机信号。[0009] 本发明还涉及一种在数控机床工作时检测刀具磨损的装置，包括：主轴震动频率采集单元：安装在所述数控机床主轴上，采集所述数控机床主轴在转动时的震动频率；数据处理单元：用于处理所述数控机床主轴震动频率采集单元采集的数据，判断所述数据是否正常并在所述数据不正常时产生并输出停机信号；存储单元：与所述数据处理单元连接，用于存储所述采集到的数据值；信号发送单元：与所述数据处理单元连接，用于将所述数据处理单元产生的信号发送到所述数控机床控制部分。[0010] 在本发明所述的在数控机床工作时检测刀具磨损的装置中，所述数控机床主轴震动频率采集单元包括震动传感器模块，所述震动传感器模块输出与所述数据处理单元的数据输入端连接。[0011] 在本发明所述的在数控机床工作时检测刀具磨损的装置中，所述信号发送单元为用于将所述停机信号或定时将所述存储单元中存储的数据发送出去的无线数据传输单元。[0012] 在本发明所述的在数控机床工作时检测刀具磨损的装置中，所述装置还包括两个在所述装置安装时合并固定在所述数控机床主轴上的半圆环形中空外壳，所述各单元分别设置在所述半圆环形外壳中。[0013] 在本发明所述的在数控机床工作时检测刀具磨损的装置中，所述震动传感器模块包括震动传感器及将所述震动传感器输出转换为不同频率的波形输出的传感器数据处理单元，所述传感器数据处理单元的输出与所述数据处理单元连接；所述外壳上设置有用于在所述装置安装在所述数控机床主轴上时使所述震动传感器紧贴于所述数控机床主轴表面的通孔。[0014] 实施本发明的在数控机床工作时检测切削刀具磨损的方法及装置，具有以下有益效果：由于刀具在磨损状态下主轴转动所发生的震动频率与刀具未磨损的情况下主轴转动所发生的震动频率是不同的，而本发明正是利用这一原理，采集并判断主轴震动频率，进而判断刀具是否磨损；并在刀具磨损的情况下发出停机信号，使得数控机床在没有人工参与的情况下停机，避免了因刀具磨损带来的加工尺寸超标的问题。所以，其具有自动、时间花费较少的特点。同时，更进一步地，在还可以以此为基础，建立金属材料切削性能分析、切削参数分析、刀具性能分析模块，通过对取得数据的积累及分析，进一步提高加工的针对性及准确性，从而提高生产效率。附图说明[0015] 图1 是本发明数控机床工作时检测切削刀具磨损的方法及装置实施例中的方法流程图；图2 是所述实施例中装置结构示意图；图3 是所述实施例中的装置外壳结构示意图；图4 是所述实施例中震动传感器模块的结构示意图。具体实施方式[0016] 下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。[0017] 如图1 所示，在本发明数控机床工作时检测切削刀具磨损的方法及装置实施例中，该方法包括如下步骤：步骤S101 采集主轴震动频率值：基本上来讲，不同的数控机床或同一台数控机床在加工不同材质的工件或不同的进刀速度时，其主轴发生的震动频率都可能不同。因此，事先设定一个数控机床的主轴震动标准值是不太现实的。即使设置了，也可能是不准确的。在本实施例中，基于上述理由，采用的方法是在每次数控机床更换合符标准的刀具后重新开机开始工作时，对其主轴震动频率进行一定时间或一定采样次数的采样，并依据这些采样值，得到数控车床的主轴震动频率的标准值。在本实施例中，从数控机床开始工作，就按照一定的时间间隔不断地采集上述主轴震动频率值，当取得上述标准值之后，仍然不断地采集主轴震动频率值，直到主轴停止转动或数控机床停机，只不过后面阶段的采集不是为了取得上述标准值，而是为了不断地与依据上述标准值得到的门限值比较，判断数控机床使用的刀具的磨损程度。例如，在本实施例中，可以是每隔1 秒或2 秒或5 秒对上述主轴震动频率采集一次。在本步骤中，就是通过传感器取得主轴震动频率值，该值由传感器直接输出，是一个模拟值。[0018] 步骤S102 转换为数字信号并存储：在本步骤中，将上述传感器输出的表示主轴震动频率的模拟值转换为数字信号，并将得到的数字信号单独存储；在本实施例中，本步骤中的转换是通过一个模数转换来实现的。在上述传感器输出的模拟信号被转换为数字信号后，为了便于存储以及之后要进行的信号处理，还可以对得到的数值信号进行一些变换，例如压缩等，再将其存储。而且在存储时，也是将其作为一个最小单位单独存储在指定的存储区域内，便于之后要进行的处理。[0019] 步骤S103 第一设定次数或时间达到？如果是，执行下一步骤；否则，返回步骤S101，开始取得下一个主轴震动频率值。由于在本实施例中，是经过多次采集主轴的震动频率值（在设定的次数或设定的时间内）来取得主轴震动频率标准值的，所以在采集时将会在设定时间内多次采集或以一定的采集周期采集设定的次数，而上述的设定时间或设定次数称为第一设定时间或第一设定次数。实际上，在步骤S101-S102 中，已经采集了一个主轴震动频率值。在本步骤中，判断本次测试由开始采集、存储上述主轴震动频率开始，是否达到了上述第一设定时间或次数，如果达到，执行下一步骤，否则，返回步骤S101，开始采集下一个主轴震动频率值。[0020] 步骤S104 取得震动频率标准值：在本步骤中，将上述设定次数或设定时间内取得的全部主轴振动值相加，再除与采集次数，得到本次数控车床刀具磨损测量的主轴震动频率的标准值。也就是说，上述主轴震动频率的标准值是在上述采集期间内采集到的主轴震动频率的平均值。[0021] 步骤S105 取得震动频率上、下门限值：在本步骤中，由上述步骤中得到的主轴震动频率的标准值得到主轴震动频率的上、下门限值。由于上述步骤中得到的主轴震动标准值只是一个单一的数值，显然不利于用于在后续的步骤中作为判断主轴震动是否在正常范围内的比较值。但是，正常的主轴震动频率值，肯定在围绕该标准值而分布的。所以，在本实施例中，将以该标准值作为中心值，取一定的范围，作为主轴震动频率的正常范围，如果在此范围内，则认为主轴的震动频率正常，也就是刀具仍然正常；如果超出这个范围，则认为主轴的震动频率不正常，也就是刀具磨损，需要停机更换刀具或处理刀具。具体而言，是设定一个比例，例如，可以设定上述震动频率的标准值的10%，则上述的上门限值为：标准值+ 标准值X10% ；而下门限值为：标准值- 标准值X10% ；例如，标准为100，则，上门限为100+100X10%=110，而下门限为100-100X10%=90。当然，上述上、下门限所采用的比例也可以不同，例如：上门限值为：标准值+ 标准值X10% ；而下门限值为：标准值- 标准值X20% ；需要按照具体的工件、刀具的情况事先设定。[0022] 步骤S106 采集主轴震动频率值：在本步骤中，已经完成了上述测量参数的取得，也已将上述得到的震动频率标准值、上、下门限值存储，所以，由本步骤开始，开始采集主轴震动频率，并判断主轴震动是否在允许的范围之内，如果在，认为刀具仍然合符要求，可以继续加工；如果超出上述范围，则认为刀具已经磨损，需要停机处理刀具。[0023] 步骤S107 转换为数字信号并存储：在本步骤中，采取的动作与步骤S102 相似。[0024] 步骤S108 第二设定次数或时间达到？基本上，本步骤与步骤S103 相似，本步骤中的第二设定次数或时间也是事先设定的，不同的是，本步骤中的第二设定次数或时间与步骤S103 中的第一设定次数或时间比较要短得多。例如，可能在步骤S1103 中第一设定次数或时间时5 分钟或5000 次，而本步骤中的第二设定次数或时间可能是10 秒或100 次。总之，在步骤S103 中，更看重的是数据的准确性，而本步骤中，更看重的是数据的即时性。[0025] 步骤S109 取得震动频率当前值：与步骤S104 相似，取其平均值，得到当前震动频率的当前值。当然，一些情况下，也可以每次采集到一个主轴震动数据后就执行步骤S110-S112，但是，这种比较的方法虽然单次比较的时间较快，但由于干扰的存在，可能会出现误判的情况。改进的方法是可以进行多次的单个数据比较，每次均得到同一结果后再做出判断，但是，这样虽然单次比较的时间较少，但整个判断过程所用时间也与上述多次平均后比较相差不多。这两种比较方法均可用于本实施例中。[0026] 步骤S110 当前值小于下门限值？比较上述步骤中得到的当前值和下门限值，判断上述当前值是否小于上述的下门限值？如是，跳转到步骤S112 ；否则，执行下一步骤；步骤S111 当前值大于上门限值？比较上述步骤中得到的当前值和上门限值，判断上述当前值是否大于上述的下门限值？如是，跳转到步骤S112 ；否则，跳转到步骤S106，开始下一次判断。在本实施例中，如果一个上述的当前值既比上述下门限值大，又比上述上门限值小，则认为该当前值符合要求，也就是该数控机床上的刀具还没有磨损到会使得其加工尺寸超差的地步，也就不需要停机开处理这些刀具，所以，跳转到步骤S106，开始下一次的测量。[0027] 步骤S112 输出并发送停机信号：在本步骤中，不管是当前值小于上述下门限值还是大于上述上门限值，都表示该数控机床的刀具出现磨损，而且这个磨损会带来不能容忍的尺寸超标，所以在本步骤中，发出停机信号，使得该数控机床停机，便于操作者处理刀具。在本实施例中，在上述停机信号发出时，还可以产生一些较为醒目的提示，例如，可以发出一个信号，使得外接的声光报警装置开始工作，便于提醒操作人员或管理者注意。[0028] 在本实施例，还揭示了一种在数控机床工作时检测切削刀具磨损的装置，该装置的结构如图2 所示，包括主轴震动频率采集单元1、数据处理单元2、存储单元3、信号发送单元4 以及电源5 ；在本实施例中。主轴震动频率采集单元1 安装在数控车床主轴上，采集数控机床主轴在转动时的震动频率值；数据处理单元2 用于处理主轴震动频率采集单元1采集的数据，判断这些数据是否正常并在采集到的数据不正常时产生并输出停机信号；存储单元3 与数据处理单元2 连接，用于存储采集到的数据值；信号发送单元4 与数据处理单元2 连接，用于将数据处理单元2 产生的信号发送到数控机床控制部分。在本实施例中，主轴震动频率采集单元1 包括震动传感器模块11，该震动传感器模块11 包括震动传感器111 及传感器数据处理单元112，如图4 所示；在本实施例中，上述震动传感器111 随数控机床主轴的旋转不断地断开与闭合，在其输出端输出一系列的方波，而传感器数据处理单元112 不断地对上述震动传感器111 的输出进行计数，并输出频率与单位时间内上述计数值相应的正弦波信号；数控机床主轴不同的震动必然导致上述传感器111 的断开与闭合次数不同，进而使得传感器数据处理单元112 得到的单位时间内的计数值不同，于是上述传感器数据处理单元112 输出正弦波的频率就不同，而该正弦波被送到数据处理单元2 的数据输入端，这样，传感器模块输出的信号就输送到上述数据处理单元2 中进行模数转换、压缩或其他处理。当然，在其他实施例中，也可以不采用上述震动传感器111 及传感器信号处理模块112，只要能够将上述数控机床主轴震动的不同以不同的频率的波形表现出来的震动传感器模块11 均可以使用。在本实施例中，信号发送单元4 为用于将所述停机信号或定时将存储单元3 中存储的数据发送出去的无线数据传输单元。这些无线数据传输单元可以是RFID、ZIGBEE 或其他无线短距离数据传输中的相应模块。也可以是例如WiFi 等网络连接模块，设置无线数据传输单元的好处是可以在满足信号或数据传输的同时，减少对现有数控车床的改动。电源5 为上述装置中的各单元提供电源，在本实施例中，上述电源5 是一个大容量的可充电电池，可以满足上述装置连续工作的要求。[0029] 正如前面所述，在本实施例中，上述装置是安装在上述数控机床主轴上的，为了便于安装，该装置述装置还包括两个在安装时合并固定在数控车床主轴上的半圆环形中空外壳（31、32），如图3 所示。上述装置的各单元分别设置在半圆环形外壳（31、32）中；而且分布在上述两个半圆环形外壳中的各单元通过线缆或连接器连接；同样，分别在上述两个外壳之间的单元也是如此连接的。此外，在外壳（31、32）上设置有用于在装置安装在数控机床主轴上时使上述传感器紧贴于该主轴表面的通孔33。通孔33 的设置，便于上述传感器更加方便、准确地采集数控机床主轴的震动频率。[0030] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，包括建立金属材料切削性能分析、切削参数分析、刀具性能分析模块，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
发明人：陈少林 杨延洲
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怎样检测数控铣床中刀具的磨损问题
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