用于测量机加工工具的状态的工具装置以及方法制造方法及图纸

一种工具装置(1)，用于通过切削、铣削、钻孔或研磨来机加工工件(4)，该工具装置包括用于检测在机加工期间工具装置(1)的状态的传感器(20)，其中传感器(20)可连接到接收单元(40)，接收单元将数据传输到分析单元(50)，用于分析接收到的数据。传感器(20)被构造为光纤传感器(20)，其包括至少一条光纤(26)，光纤为可连接光源(30)发射的光束提供了入射光路(22)和反射光路(24)，并且光纤的远端位于工具装置(1)的表面(14，74)中，使得可以测量光路长度。

Tool device and method for measuring the state of machining tools

【技术实现步骤摘要】
用于测量机加工工具的状态的工具装置以及方法
本专利技术涉及一种能够在机加工过程期间测量诸如研磨工具和/或切削工具的机加工工具的状态的工具装置和方法。本专利技术专注于测量工具磨损。
技术介绍
在机加工过程中，由于工件和一个或多个工具边缘之间的切削动作，使用机加工工具时总是会以某种磨损而结束。特别地，机加工工具影响生产率、机加工操作的经济性以及机加工的产品的质量。已经进行了许多尝试以实现一种自动系统来测量工具磨损，这移除了对手动检查的需要，并减少了用于测量磨损的时间。已经开发出几种不同的方法来监测工具的状况，诸如监测用于切削、铣削或钻孔或研磨工具的切削刀片(cuttinginsert)、即可替换和/或可转位刀片的状况，并且预测工具磨损以优化刀具的更替间隔或修整间隔，因为在实际废弃工具之前已经知道工具寿命时。特别地，工具磨损可以描述为在切削或研磨期间由于工具材料的逐渐损失或变形而导致的工具形状从其原始形状的改变。例如，对于切削工具而言，磨损已知为刀片的主刀腹(flank)、副刀腹和/或端面的刀腹面磨损。可以根据直接和间接传感器中使用的传感器来划分工具状态监测的方法。为了直接测量具有几何限定的切削边缘的工具的工具磨损，传感器包括视觉和/或近距离传感器，以及直接设置在工具磨损表面上的传感器。视觉传感器系统依赖于相机捕获的来自光纤光的磨损区域的镜面反射的测量值。由此，通常通过机加工的研磨效应对磨损的区域进行抛光，并允许镜面反射仅在磨损的区域发生。近距离传感器通过测量工件与切削工具的工具边缘之间的距离来估算磨损。通常，仅能在机加工运行之间进行测量，因为在实际机加工过程中工具的磨损区域不可见。此外，用于在线测量切削刀片的磨损或温度的已知的传感器包括嵌入到形成切削边缘的切削材料中的导体路径，使得通过连接到外部测量电路形成闭路和/或开路。因此，已知的是，可以借助于连接到切削边缘的多个导体来连续地测量工具的磨损，因为导体中的电阻将逐渐改变以及突然地改变，这取决于导体的磨损程度。EP3106260A1公开了切削刀片，其中用于在线测量切削刀片的磨损的传感器包括接触区域和引线，传感器通过该接触区域可连接到外部测量电路，并且引线连接到各自的接触区域且具有自由端，自由端定位成使得在由于切削刀片的操作引起的预定磨损时，自由端通过金属工件或由于操作产生的切屑彼此连接。因此，切削刀片具有开路形式的传感器。间接传感器仅能估算磨损，因为其没有直接的方式来测量实际磨损，而是依赖于磨损的次生效应。由于这一事实，在现有技术中，监测多个过程参数，这些参数是切削边缘或磨料层的间接参数，以允许从过程角度进行决策。在不中断的机加工过程中实时确定过程变量，以控制机加工工程。已知的技术包括力监测、温度监测、功率监测、声发射、光学观察、扫描电子显微镜、流体流动特性的监测，以及特别是在研磨过程中表面的触觉探测和表面的磁性质。所有这些监测策略都可以在机加工期间至少部分使用，以检测砂轮和/或工具的性能下降。但是有一个缺点，即这种测量的精度会由于热效应以及由于接触区域中的气氛(atmosphere，大气)，特别是由于循环的冷却剂的效应而受到损害。在机加工过程中，研磨是最重要的制造过程之一，尤其是在生产高精度组件时。研磨工具表面之间的相互作用限定了研磨过程，并且当研磨工具的磨料颗粒的未限定的切削边缘同时与工件接触时，就会发生材料移除，由此需要一定的颗粒渗透到工件中。在研磨过程期间，机械、化学和热载荷施加到砂轮上，导致磨损和大量摩擦热，从而引入工件的材料的塑性变形、微观结构的不期望的改变和残余应力状态。为了生产高精度组件，必须在精度和锋利度方面将砂轮保持在最佳状态。在研磨过程期间，砂轮磨损，其中磨损可以分类为宏观磨损和微观磨损，宏观磨损描述了宏观几何形状的恶化，可能导致轮廓改变、尺寸误差和跳动，而微观磨损则与晶粒水平上的磨损有关，从而改变了砂轮的微观形貌。常规地，仅在完成研磨过程之后或在研磨过程期间周期性地定期核查研磨结果和砂轮的状态，从而导致生产率下降。但是，仍然无法确定完成修整过程的确切时刻是一个没有精确解决方案的问题。检查砂轮应确保砂轮的磨料层足够且对于研磨足够锋利。这需要调查全部磨料表面，因为仅一个坏区域就会使砂轮降级至无用。从US6602109中已知一种砂轮系统，该砂轮系统包括具有至少一个压电陶瓷传感器形式的嵌入式传感器的砂轮和附接到该砂轮并包含电子设备的适配器盘，该电子设备处理由每个嵌入式传感器产生的信号以允许实时分析砂轮状态。砂轮可以包括至少一个力传感器，该力传感器可以定位在砂轮外围附近以允许间接测量砂轮烧伤的风险，并且声发射传感器可以定位在砂轮轮缘附近。使用不同位置的力测量值来预测砂轮形状，只能得出不同砂轮位置之间的相对估算值，而且还会受到冷却润滑剂或不平衡砂轮以及所用材料和工具组合的影响。研磨期间的力改变与过程参数的改变以及砂轮的微观形貌之间不存在直接关系。使用声发射传感可传递间接信号，由于噪声的特征变化，可以得知产生磨损行为。但是根据研究，声发射传感器并不是确定修整时间的首选。为了将测量值映射到诸如圆度或砂轮钝度的参数，需要使用一个模型，该模型需要针对每种研磨构造进行校准。从CN105345663已知一种砂轮装置，其能够实时监测研磨状态，像磨损、表面轮廓和圆度。砂轮装置包括砂轮主体，并且其上附接有数据采集模块，该数据采集模块连接到声发射传感器、研磨力传感器和激光位移传感器。仍然需要一个模型来将力和声发射信号映射到砂轮的形貌。这使得其对于工业应用是不可行的，在工业应用中，使用了具有未知性质的各种不同的工件、工具和机器组合。关于用于测量工具磨损的自动系统，基于使用光学传感器的机器视觉系统的非接触式遥感用于直接和间接地测量磨损。通常，已知光学传感器是小型、轻量、机械柔性的并且是低成本的传感器基础材料。使用光纤传感器需要一个光谱读出单元，因为传感信息已编码。通常，即使在研磨过程期间工件被砂轮和冷却润滑剂覆盖，也可以基于光纤接收的总辐射测量工件和/或砂轮的温度。但是一般地，外部安装的激光位移传感器的缺点是冷却润滑剂的影响很大，并且机器的热和机械偏差会导致激光传感器与砂轮或工具之间发生位移。在不同的
中开发了各种传感方法，从而光纤提供了包括光纤干涉仪在内的传感能力。诸如低相干干涉的非接触式光学感测技术是已知的。例如，Fabry-Perot干涉仪由两个光学平行的反射器(reflector，反射部)组成，诸如多个镜或由腔分隔开的两个电介质的界面，由于多次反射，反射和透射的光谱是腔长度和其它参数的函数。可以通过干涉仪以高灵敏度来检测光纤的线性性质，特别是光纤的长度，由此可以将光纤的一个抛光端视为反射器。基于现有技术，本专利技术的目的是提供一种装置和方法，该装置和方法能够在机加工过程期间，以较低成本元件对机加工工具(诸如砂轮)和/或切削工具(诸如刀片)进行可靠的过程集成检查。此外，该装置和该方法用于可靠地确定和测量过程参数，诸如宏观和微观的磨损，以及识别机加工工具的初次接触，比如刀片和/或砂轮与工件的初次触碰，以设置切削速度等过程参数。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工具装置(1)，用于通过切削、铣削、钻孔或研磨来机加工工件(4)，所述工具装置包括：/n传感器(20)，用于在机加工期间检测所述工具装置(1)的状态，/n其中所述传感器(20)能够连接到接收单元(40)，所述接收单元将数据传输到用于分析接收到的数据的分析单元(50)，/n其特征在于，/n所述传感器(20)被构造为光纤传感器(20)，所述光纤传感器包括至少一条光纤(26)，所述光纤为能连接的光源(30)所发射的光束提供入射光路(22)和反射光路(24)，并且所述光纤的远端位于所述工具装置(1)的表面(14，74)中，以允许测量光路长度。/n

【技术特征摘要】
20181212 CH 01531/181.一种工具装置(1)，用于通过切削、铣削、钻孔或研磨来机加工工件(4)，所述工具装置包括：
传感器(20)，用于在机加工期间检测所述工具装置(1)的状态，
其中所述传感器(20)能够连接到接收单元(40)，所述接收单元将数据传输到用于分析接收到的数据的分析单元(50)，
其特征在于，
所述传感器(20)被构造为光纤传感器(20)，所述光纤传感器包括至少一条光纤(26)，所述光纤为能连接的光源(30)所发射的光束提供入射光路(22)和反射光路(24)，并且所述光纤的远端位于所述工具装置(1)的表面(14，74)中，以允许测量光路长度。


2.根据权利要求1所述的工具装置(1)，其中，所述光纤传感器(20)是干涉式光纤传感器。


3.根据权利要求2所述的工具装置(1)，其中，所述干涉式光纤传感器使用两个光束之间的干涉，所述两个光束通过不同的光路(22，24)传播，所述光路由单条光纤(26)或两条不同的光纤(26)提供。


4.根据权利要求2或3所述的工具装置(1)，其中，所述干涉式光纤传感器是低相干干涉传感器。


5.根据前述权利要求中任一项所述的工具装置(1)，其中，所述工具装置(1)被构造为用于研磨工件(4)的研磨工具(2)，并且其中，所述至少一条光纤(26)的远端位于所述研磨工具(2)的磨料表面(14)中。


6.根据权利要求5所述的工具装置(1)，其中，所述光纤传感器(20)确定在多个反射器处反射的两个光束之间的光学相位差，由此，由所述至少一条光纤(26)的远端提供一个反射器。


7...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·舒尔茨，M·梅尔，L·维斯，
申请(专利权)人：阿加森机械制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH