本實用新型涉及到切削刀具領域，尤其涉及到一種用于精密切削的智能刀具系統(tǒng)。

背景技術：

機械加工過程中，切削力、切削溫度等信息的獲取，對于優(yōu)化加工過程工藝參數(shù)，提高加工質(zhì)量具有重要意義。為了提高超精密切削加工的零件表面質(zhì)量，高效穩(wěn)定的獲得完整一致面形精度的大尺寸表面的零部件，切削刀具在加工過程中的實時狀態(tài)信息起著至關重要的作用。

目前，在切削加工過程監(jiān)測研究中，多采用集成力傳感器模塊的方案，但是設備復雜，體積較大，安裝難度較大，且影響機床的自身特性，對機床剛度和加工精度造成負面影響。也有采用集成傳感器于刀片中的方案，雖然結構緊湊，集成化高，但面臨著切削過程中切削熱的嚴重影響，導致信息失真和失效的情況。

另一方面，現(xiàn)有機械切削加工過程監(jiān)測系統(tǒng)多采用有線數(shù)據(jù)、能量傳輸或者采用RFID、紅外、WIFI等無線檢測方案或基于聲表面波的無線無源檢測方案。存在以下不足：采用有線數(shù)據(jù)、能量傳輸，只能適用于刀具固定的加工過程，對于需要刀具同步運動的加工過程不適用，限制了使用范圍；采用RFID的無線數(shù)據(jù)傳輸方案，雖然功耗較低，可采用鋰電池供能，但是傳輸距離較短，通常小于5米，峰值速率只有200kbps左右，單位時間傳輸數(shù)據(jù)量少，影響監(jiān)測的實時性；采用紅外的無線傳輸方案，通信距離、方向性等要求多，比如當前紅外技術的極限距離是3m，且接受角度嚴重受限，僅為30°，且不能用于單點對多點的情況，因此應用受限；采用WIFI能實現(xiàn)高速遠距離傳輸，能符合超精密加工檢測對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，能保證實時性，但是WIFI傳輸消耗功率大，采用電池功能時使用時間短，不適用于連續(xù)長時間的加工過程，且數(shù)據(jù)安全性能不高；基于聲表面波的無線無源檢測方案，裝置較復雜，傳輸距離短，僅為0.5米。以上方案均無法滿足超精密加工過程中，對長時間、連續(xù)性、實時高穩(wěn)定性遠距離無線監(jiān)測的要求，也無法滿足超精密加工應用對測量精度和靈敏度的要求。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或應用需求，本實用新型提供了一種基于高速藍牙傳輸?shù)木芗庸ぶ悄艿毒呦到y(tǒng)，其目的在于實現(xiàn)超精密切削過程微弱物理信息的高速高精度實時檢測與傳輸，解決了傳統(tǒng)的智能刀具系統(tǒng)存在的各種問題，并具備集成度高、功耗極低、可持續(xù)工作、感知物理量多、傳輸速率快、實時性強、檢測精度高、成本低廉且易用等諸多優(yōu)點。

本實用新型是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種用于精密切削的智能刀具系統(tǒng)，包括切削刀片、上刀桿、下刀桿、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、信號處理模塊、藍牙傳輸模塊以及供電裝置，所述信號處理模塊、藍牙傳輸模塊、供電裝置通過導線順序連接并固定于下刀桿后端，供電裝置為各裝置提供電能；

其中，所述切削刀片通過螺紋緊固件固定在所述上刀桿前端，所述切削刀片的刀尖位于所述上刀桿主體橫截面的中心線上；

所述切削刀片后端處開有微槽，所述第一壓力傳感器豎直嵌入在所述微槽內(nèi)，通過螺栓在所述微槽外部進行預緊，使得第一壓力傳感器與所述上刀桿充分接觸，所述微槽設置于所述上刀桿的左側，當所述切削刀片受到水平方向的徑向力時，所述第一壓力傳感器處于受壓應力狀態(tài)，測量水平方向的徑向力；

所述第二壓力傳感器水平嵌入于所述上刀桿與所述下刀桿連接縫隙處，通過所述上刀桿與所述下刀桿緊固連接的壓應力固定，用于測量豎直方向的主切削力；

所述第一壓力傳感器、所述第二壓力傳感器分別與所述信號處理模塊電連接；所述第一壓力傳感器與所述第二壓力傳感器進行信號采集處理，并通過所述藍牙傳輸模塊將刀具雙向切削力的實時狀態(tài)感知信號傳輸給機床數(shù)控系統(tǒng)。

進一步地，所述上刀桿與所述下刀桿之間采用四個螺紋緊固件緊固連接。

進一步地，所述下刀桿中線處設置有用于導線走線的導線槽，所述導線槽通向刀桿后方，所述上刀桿與所述下刀桿緊固連接，所述上刀桿的下表面密封所述導線槽。

進一步地，所述的切削刀片為聚晶金剛石刀片。

進一步地，所述上刀桿和所述下刀桿為40Cr材料。

進一步地，所述第一力傳感器和所述第二壓力傳感器選用型號為PZT-5H的壓電傳感器。

本實用新型與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果：

(1)、本實用新型通過創(chuàng)新布置豎直方向和水平方向的壓力傳感器位置，實現(xiàn)了兩向切削力的直接測量，可以解決各向切削力相互耦合的問題，并且測量的最小閾值和動態(tài)剛度可以通過改變刀具的相關參數(shù)來實現(xiàn)，信號處理算法簡單，靈敏度更高；

(2)、本實用新型通過在刀桿設置小面積微槽內(nèi)嵌壓力傳感器，相比整體分離再連接的方案，減小了對刀具自身特性的影響，提高了刀具的整體剛度；

(3)、本實用新型耗能極低，可利用儲能裝置實現(xiàn)長時間切削過程無線監(jiān)測，正常情況下無需有線電源；

(4)、本實用新型集成度高，基于模塊化設計，制造維護成本低，對于機床的自身特性影響小，對機床本身剛度和加工精度不會造成負面影響；

(5)、本實用新型的檢測信號受障礙物和機床自身影響小，提高了超精密切削過程無線監(jiān)控的可靠性，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議通用適配性強，能在工業(yè)控制計算機、移動電話等多種類終端實現(xiàn)實時監(jiān)控；

(6)、本實用新型提供傳輸速率更高，監(jiān)測實時性更好，最快信號響應時間可達到0.2ms；

(7)、本實用新型切削力檢測分辨率高，最高可達0.1N，顯著優(yōu)傳統(tǒng)RF、紅外智能刀具系統(tǒng)能并能達到傳統(tǒng)測量使用的有線Kistler測力計的精度；

(8)、本實用新型無線傳輸距離長，可實現(xiàn)大于10m的加工狀態(tài)測量的無線信號傳輸。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。顯而易見，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。

圖1為本實用新型的一種用于精密切削的智能刀具系統(tǒng)的主視圖；

圖2為本實用新型的一種用于精密切削的智能刀具系統(tǒng)的側視圖；

其中，1-切削刀片，2-上刀桿，3-下刀桿，4-第一壓力傳感器，5-第二壓力傳感器，6-信號處理模塊，7-藍牙傳輸模塊，8-供電裝置，9-導線，10-導線槽，11-螺紋緊固件。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。

在本申請的描述中，需要理解的是，術語“上”、“下”、等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語“第一”、“第二”和“第三”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數(shù)量。

圖1為本實用新型的一種用于精密切削的智能刀具系統(tǒng)的主視圖；圖2為本實用新型的一種用于精密切削的智能刀具系統(tǒng)的側視圖。結合圖1-2，本實用新型的一種用于精密切削的智能刀具系統(tǒng)，包括切削刀片1、上刀桿2、下刀桿3、第一壓力傳感器4、第二壓力傳感器5、信號處理模塊6、藍牙傳輸模塊7以及供電裝置8，所述信號處理模塊5、藍牙傳輸模塊6、供電裝置7通過導線順序連接并固定于下刀桿3后端，供電裝置8為各裝置提供電能。

其中，所述切削刀片1通過螺紋緊固件固定在所述上刀桿2前端，所述切削刀片1的刀尖位于所述上刀桿2主體橫截面的中心線上。

所述切削刀片1后端處開有微槽，所述第一壓力傳感器4豎直嵌入在所述微槽內(nèi)，通過螺栓在所述微槽外部進行預緊，使得第一壓力傳感器4與所述上刀桿2充分接觸，所述微槽設置于所述上刀桿2的左側，當所述切削刀片1受到水平方向的徑向力時，所述第一壓力傳感器處于受壓應力狀態(tài)，測量水平方向的徑向力。

所述第二壓力傳感器5水平嵌入于所述上刀桿2與所述下刀桿3連接縫隙處，通過所述上刀桿2與所述下刀桿3緊固連接的壓應力固定，用于測量豎直方向的主切削力。

所述第一壓力傳感器4、所述第二壓力傳感器5分別與所述信號處理模塊6電連接；所述第一壓力傳感器4與所述第二壓力傳感器5進行信號采集處理，并通過所述藍牙傳輸模塊7將刀具雙向切削力的實時狀態(tài)感知信號傳輸給機床數(shù)控系統(tǒng)。

所述上刀桿2與所述下刀桿3之間采用四個螺紋緊固件11緊固連接。

所述下刀桿3中線處設置有用于導線走線的導線槽10，所述導線槽10通向刀桿后方，所述上刀桿2與所述下刀桿3緊固連接，所述上刀桿2的下表面密封所述導線槽10。

所述的切削刀片1為聚晶金剛石刀片。

所述上刀桿和所述下刀桿為40Cr材料。

所述第一力傳感器和所述第二壓力傳感器選用型號為PZT-5H的壓電傳感器。本實用新型中的力傳感器還可以選用電容傳感器和電阻傳感器。

本實用新型的另一實施方式是使用壓電薄膜替代壓力傳感器。切削刀片尖頭位置為受力點，通過的壓電薄膜探測出的測量電壓與算法測量并計算出水平方向的徑向力，通過另一個方向的壓電薄膜探測出的測量電壓測量出豎直方向的主切削力，壓電薄膜通過螺絲給予預緊力，采集到的信號通過埋在刀具內(nèi)的導線傳入信號處理模塊再通過藍牙傳輸模塊發(fā)射至采集端。信號處理模塊設置在刀柄上，信號傳輸功能集成在刀具上從而實現(xiàn)智能刀具。

本實用新型的信號處理模塊和藍牙傳輸模塊是本領域常見的器件，本領域的技術人員可以根據(jù)需要選用合適的信號處理模塊和藍牙傳輸模塊。

本實用新型所采用的物理結構的剛度以及自然頻率通過FEA模擬優(yōu)化經(jīng)測試，保證在車床轉速6000-8000rpm或以上依舊能夠保證車床加工的精度需求。

基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。盡管本實用新型就優(yōu)選實施方式進行了示意和描述，但本領域的技術人員應當理解，只要不超出本實用新型的權利要求所限定的范圍，可以對本實用新型進行各種變化和修改。