專利名稱：智能機加工系統(tǒng)及其智能刀具夾具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般地，本發(fā)明涉及刀具夾具組件，更具體地，涉及機床平臺所使用的智能刀 具夾具。本發(fā)明還涉及機床平臺所使用的智能刀具組件。本發(fā)明進一步涉及采用智能刀 具夾具的智能機加工系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
美國在機加工操作上每年的支出估計超過2千億美元。所以，為了使這樣的支 出最小，對改進的切削刀具和機加工方法存在著巨大的需求。在2007年12月，國家標(biāo) 準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)主辦了由集成制造技術(shù)倡議(IMTI)協(xié)會組織的“智能機床”研 討會，以“評估對于提高用于材料去除的機床的智能的需要、機會和要求”。正如與會 者的表決，兩個當(dāng)務(wù)之急是對智能機床測試臺建立基于物理的工藝模型以及捕獲并了解 確定機床狀態(tài)所需的信息。為了使比如端銑刀狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)的機加工監(jiān)視系統(tǒng)被業(yè)界廣泛接受，車間機器 上的部署必須成本低、非侵害并且不導(dǎo)致破壞機加工外殼。不過典型情況下，監(jiān)視系統(tǒng) 需要位于機床上或機床中的數(shù)據(jù)收集傳感器。遺憾的是，許多傳感器類型成本高、對機 加工外殼有侵害和/或難以部署。從歷史上看，記錄有關(guān)刀具尖端響應(yīng)的進程中數(shù)據(jù)的能力一直限于從位于物理 地遠(yuǎn)離切削工藝的位置處的傳感器收集的數(shù)據(jù)。這些傳感器往往安裝在材料工件或機床 主軸上。不過，端銑削系統(tǒng)的復(fù)雜性導(dǎo)致刀具尖端與傳統(tǒng)安裝的固定傳感器之間振動的 傳輸有噪音。這個事實增加了分析刀具尖端動態(tài)運動的難度，并且降低了所關(guān)注的精細(xì) 現(xiàn)象的分辨率。為了全面理解動態(tài)端銑削問題比如刀具顫動、磨損或報廢，有必要在切 削工藝期間在它們的源頭觀察刀具尖端響應(yīng)特性。非侵害傳感器的公知實例是位于機床平臺的主軸驅(qū)動電機上的功率監(jiān)視器。盡 管非侵害而性價比高，諸如功率監(jiān)視之類的傳感器提供的帶寬不足以捕獲機加工工藝的 許多重要細(xì)節(jié)。此外，許多公知的狀態(tài)監(jiān)視技術(shù)要求諸如臺式測功儀之類的傳感器，這 很不實際。從研究的觀點，這樣的傳感器類型是穩(wěn)健系統(tǒng)模型的開發(fā)和確認(rèn)所需的。不 過，在真實世界的應(yīng)用中，傳感方式應(yīng)當(dāng)考慮成本、設(shè)置便利和性能。所以，在機加工系統(tǒng)的監(jiān)視中存在著改進的空間，尤其是在切削刀具及其所用 設(shè)備的監(jiān)視中。

發(fā)明內(nèi)容
這些需要和其他方面由本發(fā)明的若干實施例滿足，它們針對機床平臺所使用的智能刀具夾具、機床平臺所使用的智能刀具組件以及采用智能刀具夾具的智能機加工系 統(tǒng)。 作為本發(fā)明的一方面，智能刀具夾具是為機床平臺所使用。所述智能刀具夾具 包括具有第一端和相對第二端的主體，所述主體中配置的處理器以及所述主體中配置的 并與所述處理器通信的收發(fā)器。所述收發(fā)器被構(gòu)造為與外部接收設(shè)備通信。所述主體的 所述第一端被構(gòu)造為耦接到所述機床平臺，而所述主體的所述相對第二端被構(gòu)造為選擇 性地耦接到具有許多傳感器的切削組件。所述處理器被構(gòu)造為在所述切削組件耦接到所 述主體時與所述許多傳感器通信。
所述主體可以包括在相對第二端處或附近配置的第一電連接器，所述第一電連 接器與所述處理器電連接。所述切削組件可以包括旋轉(zhuǎn)切削刀具，所述旋轉(zhuǎn)切削刀具 具有選擇性地耦接到所述主體的所述相對第二端的第一端和構(gòu)造為接合工件的相對第二 端。所述第一端可以包括與所述切削組件的所述許多傳感器電連接的第二電連接器。在 所述切削組件耦接到所述主體時，所述第一電連接器可以與所述第二電連接器電連接。所述收發(fā)器可以是無線收發(fā)器。所述處理器可以包括微處理器、微控制器或數(shù)字信號處理器單元。所述處理器 可以包括其中配置的許多數(shù)據(jù)處理算法和模型。所述主體可以進一步包括其中配置的電源。所述電源可以是可充電的，并且可 以包括具有可拆卸蓋子的充電孔，所述充電孔可以被構(gòu)造為連接到外部充電設(shè)備。所述 電源可以通過感應(yīng)充電進行充電。作為本發(fā)明的另一方面，智能刀具組件是為機床平臺所使用。所述智能刀具組 件包括智能刀具夾具和切削組件。所述智能刀具夾具包括具有構(gòu)造為耦接到所述機床平 臺的第一端和相對第二端的主體，所述主體中配置的處理器以及所述主體中配置的并與 所述處理器通信的收發(fā)器。所述收發(fā)器被構(gòu)造為與外部接收設(shè)備通信。所述切削組件具 有第一端和第二端，所述第一端選擇性地耦接到所述智能刀具夾具的所述主體的所述相 對第二端，而所述切削組件的所述第二端被構(gòu)造為接合工件。所述切削組件具有在所述 切削組件耦接到所述智能刀具夾具時與所述處理器通信的許多傳感器。所述刀具夾具的所述主體的所述相對第二端可以包括第一電連接器，而所述切 削組件的所述第一端可以包括第二電連接器，所述第一電連接器和所述第二電連接器被 放置為在所述切削組件耦接到所述刀具夾具時協(xié)作地電地、機械地接合，從而允許所述 許多傳感器與所述處理器之間的通信。所述切削組件可以包括旋轉(zhuǎn)切削刀具，旋轉(zhuǎn)切削刀具具有耦接到所述刀具夾具 的所述主體的所述相對第二端的第一端以及構(gòu)造為接合工件的相對第二端。所述旋轉(zhuǎn) 切削刀具可以包括端銑刀、套式銑刀、面銑刀、鉆孔刀具、鏜刀和其他金屬切削刀具之
ο所述切削組件可以包括插件夾具，插件夾具具有選擇性地耦接到其上的許多切 削插件。所述許多傳感器可以被構(gòu)造為傳感溫度、加速度、力和扭矩至少其一。所述智能刀具夾具可以進一步包括其中配置的電源。作為本發(fā)明的又一方面，智能刀具夾具是為機床平臺所使用。所述智能刀具 夾具包括具有第一端和相對第二端的主體，所述主體中配置的處理器、所述主體中配置的并與所述處理器通信的許多傳感器以及所述主體中配置的并與所述處理器通信的收發(fā) 器。所述處理器被構(gòu)造為與外部接收設(shè)備通信。所述主體的所述第一端被構(gòu)造為選擇性 地耦接到所述機床平臺，而所述主體的所述相對第二端被構(gòu)造為選擇性地耦接到切削組 件。所述收發(fā)器可以是無線收發(fā)器。所述處理器可以包括微處理器、微控制器或數(shù)字信號處理單元。所述處理器可 以包括其中配置的許多數(shù)據(jù)處理算法和模型。所述主體可以進一步包括其中配置的電源。所述電源可以是可充電的，并且可 以包括具有可拆卸蓋子的充電孔，所述充電孔可以被構(gòu)造為連接到外部充電設(shè)備。所述 電源可以通過感應(yīng)充電進行充電。所述許多傳感器可以被構(gòu)造為傳感溫度、加速度、力和扭矩至少其一。作為本發(fā)明的再一方面，智能機加工系統(tǒng)是為了機加工工件。所述智能機加工 系統(tǒng)包括機床平臺、智能刀具夾具、切削組件和外部接收器設(shè)備。所述智能刀具夾具包 括具有選擇性地耦接到所述機床平臺的第一端和相對第二端的主體，所述主體中配置的 處理器以及所述主體中配置的并與所述處理器通信的收發(fā)器。所述收發(fā)器被構(gòu)造為與外 部接收設(shè)備通信。所述切削組件具有第一端和第二端，所述第一端選擇性地耦接到所述 智能刀具夾具的所述主體的所述相對第二端，而所述切削組件的所述第二端被構(gòu)造為接 合工件。所述切削組件具有在所述切削組件耦接到所述智能刀具夾具時與所述處理器通 信的許多傳感器。所述機床平臺可以包括機床控制器，其中，所述外部接收器設(shè)備向所述機床控 制器提供信號。所述收發(fā)器和所述外部接收器設(shè)備可以無線地通信。


當(dāng)結(jié)合附圖閱讀優(yōu)選實施例的以下描述時，能夠從其獲得對本發(fā)明的完全理 解，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的智能刀具夾具組件的等距視圖；圖2是圖1中智能刀具組件的分解等距視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的另一個智能刀具組件的等距視圖；圖4是圖2中智能刀具組件的分解等距視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明又一個實施例的再一個智能刀具組件的等距視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例的智能機加工系統(tǒng)的示意框圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的另一個智能機加工系統(tǒng)的示意框圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明又一個實施例的又一個智能機加工系統(tǒng)的示意框圖。
具體實施例方式正如本文所用，術(shù)語“數(shù)字”將意味著1或大于1的整數(shù)(即復(fù)數(shù))正如本文所用，術(shù)語“處理器”意味著能夠存儲、檢索和處理數(shù)據(jù)的可編程的 模擬和/或數(shù)字設(shè)備；計算機；工作站；個人計算機；微處理器；微控制器；微型計算 機、中央處理單元；主機計算機；小型計算機；服務(wù)器；聯(lián)網(wǎng)處理器；或者任何適宜的處理設(shè)備或裝置。實例實施例包括具有內(nèi)部DSP(數(shù)字信號處理)命令的8位和32位微 處理器。這些處理單元由高帶寬數(shù)模轉(zhuǎn)換器補充。所述處理單元也由專用協(xié)處理器補 充，用于控制數(shù)字無線電傳輸、通信錯誤檢測、與接收設(shè)備同步以及通信通道操作。正如本文所用，術(shù)語“傳感器”意味著響應(yīng)物理刺激(如不限于溫度、振動、 加速度、力、扭矩、聲音、圓周應(yīng)力、紅外線發(fā)射、動態(tài)光刺激(干涉儀))并輸出最終 脈沖或信號(如不限于為了監(jiān)視、測量和/或控制)的設(shè)備或裝置。尤為令人關(guān)注的是用 于測量扭轉(zhuǎn)應(yīng)變、彎曲應(yīng)變、軸向應(yīng)變和溫度的基于半導(dǎo)體的傳感器。例如，包含P(正 摻雜的)或N(負(fù)摻雜的)型硅材料的傳感器。在某實施例中，已經(jīng)使用切克勞斯基工藝 制作包含P型硅的傳感器。在另一個實施例中，部署N型硅傳感器以使傳感器電阻-溫 度系數(shù)匹配刀具夾具的線性膨脹系數(shù)，使扭轉(zhuǎn)應(yīng)變信號中溫度相關(guān)的漂移最小。半導(dǎo)體 傳感器實例包括但不限于Micron Instruments的“SSGH”禾Π Kyowa的“KSN”產(chǎn)品。正如本文所用，術(shù)語“智能”意味著自動操作；或者包括或采用許多處理器、 數(shù)據(jù)處理算法、基于模型的決策和/或傳感器。術(shù)語“智能”也指刀具夾具與機床控制 器或接收設(shè)備建立并保持雙向通信的能力。
正如本文所用，術(shù)語“具有”意味著在相關(guān)聯(lián)的目標(biāo)上、部分地在其上、部分 地在其內(nèi)或在其內(nèi)。本文所用的方向短語，比如左、右、前、后、頂、底及其派生詞，涉及附圖中 所示要素的朝向，不限制權(quán)利要求書，除非其中明確記載。在全部附圖中同一部件配備 有相同的引用號。本文描述的智能刀具夾具克服了已知解決方案的缺點，方式為提供穩(wěn)健的實時 傳感器接口系統(tǒng)，傳感器接口系統(tǒng)能夠提供刀具尖端傳感器數(shù)據(jù)，用于金屬切削期間的 工藝狀態(tài)監(jiān)視，方式為從端銑刀的刀具尖端或從各切削插件直接發(fā)送加速度和/或力數(shù) 據(jù)。這樣的能力有優(yōu)勢，以便推進端銑刀系統(tǒng)的物理建模和狀態(tài)監(jiān)視技術(shù)。此外，所 述智能刀具夾具提升了已知的傳感器技術(shù)，方式為執(zhí)行機床上數(shù)據(jù)分析和基于模型的決 策，通過與CNC(計算機數(shù)值控制)機床的雙向通信建議機加工狀態(tài)中的變化。狀態(tài)監(jiān)視包括刀具磨損、報廢和穩(wěn)定性評估。本文介紹的實例智能刀具夾具能 夠準(zhǔn)確地確定CNC金屬切削系統(tǒng)的動態(tài)，以便能夠在進程中估計切削力并最終估計部件 質(zhì)量。動態(tài)效應(yīng)能夠?qū)е碌毒吡捅褥o態(tài)撓度高一個數(shù)量級的撓度。所以，所述智能刀 具夾具能夠提供機床動態(tài)的在線特征化所用的數(shù)據(jù)，以量化它們對部件準(zhǔn)確度、用戶安 全性和工藝評估的影響。圖1至圖5中描繪的和以下介紹的實例刀具夾具10和10”的結(jié)構(gòu)來自賓夕法尼 亞州拉托貝的Keraiametal公司制造的高性能切削夾盤。不過應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，本發(fā)明不試圖 以任何方式限于這樣的刀具夾具。其他適宜的刀具夾具(如不限于收縮配合刀具夾具、 韋爾登(Weldan)柄定位螺絲刀具夾具、套爪刀具夾具、ISO卡普托(Capto)刀具夾具、 減振刀具夾具、面銑削適配器、螺紋銑削刀具夾具、固態(tài)碳化物/HSS銑削刀具、精密孔 刀具夾具、刀具長度伸展單元、車削和車床刀具)也可以修改和采用而不脫離本發(fā)明的 范圍。參考圖1，顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個非限制性實施例的為機床平臺8(以假想線 顯示)所使用的實例智能刀具夾具組件6，機床平臺8正進行工件(未顯示)的機加工操作。智能刀具夾具組件6包括智能刀具夾具10和可拆卸的切削組件18。如圖2所示，智能刀具夾具10包括主體12，主體具有第一端14和相對第二端 16。主體12的第一端14被構(gòu)造為選擇性地耦接到機床平臺8。智能刀具夾具10的第 一端14這樣耦接到機床平臺8可以通過以下方式容易地實現(xiàn)，例如但不限于標(biāo)準(zhǔn)主軸錐 度，比如所示CV50幾何結(jié)構(gòu)、CV40、HSK、BT40、BT30、ISO卡普托，以及現(xiàn)代機 床上可得的其他工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主軸幾何結(jié)構(gòu)。主體12的相對第二端16被構(gòu)造為選擇性地耦接多種潛在的切削組件18之一。 智能刀具夾具10的相對第二端16這樣耦接到切削組件18可以通過以下方式容易地實 現(xiàn)，例如但不限于收縮配合、精密夾盤、套爪、韋爾登柄，以及多種可得的專用刀具夾 持接口幾何結(jié)構(gòu)。智能刀具夾具10的主體12可以包括許多電部件，正如例如圖6至圖8中所示。 更具體地說，主體12包括處理器20、收發(fā)器22以及電源23，配置在主體12上、部分 地在其上、在其內(nèi)或部分地在其內(nèi)。在某些實施例中，主體12還可以包括如以下將進 一步討論的許多傳感器(未顯示在圖1中)。處理器20包括一個或多個內(nèi)部和外部存儲 器(未顯示)。處理器20可以是例如而不限于與存儲器接口的微處理器(μ P)或獨立的 DSP(數(shù)字信號處理)單元。存儲器可以是多種類型的內(nèi)部和/或外部存儲器介質(zhì)中的任 何一種或多種，比如不限于RAM、ROM、EPROM> EEPROM> FLASH等，它們提供 了存儲寄存器，也就是機器可讀介質(zhì)，用于數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)存儲的方式類似于計算機內(nèi) 部存儲器的存儲方式，并且可以是易失性存儲器或非易失性存儲器。存儲器中已經(jīng)存儲 了處理器20可執(zhí)行的許多例程24。一個或多個例程24執(zhí)行基于軟件的分析系統(tǒng)，分析 系統(tǒng)可操作用于從一個或多個傳感器26接收輸入(以下討論的)，并且向收發(fā)器22提供 輸出，以便進一步傳輸?shù)街悄艿毒邐A具10的主體12之外。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，圖6至圖8所 示的例程24僅僅是為了舉例的目的而提供，并非意味著限制本發(fā)明的范圍。例如，例程 24可以不限于執(zhí)行若干數(shù)據(jù)處理/分析技術(shù)，比如估計和預(yù)測顫動頻率、建議穩(wěn)定的 主軸速度、磨損監(jiān)視以及建議進給速率超越。這樣的技術(shù)例如可以通常采用以下方法 卡爾曼濾波器、共振峰頻率跟蹤/LPC(線性預(yù)測編碼)、自回歸模型、機械切削力模型、 FIR(有限脈沖響應(yīng))和IIR(無限脈沖響應(yīng))數(shù)字濾波器、傅里葉頻譜分析以及統(tǒng)計數(shù)據(jù) 分析。優(yōu)選情況下，收發(fā)器22包括數(shù)字無線收發(fā)器，例如但不限于FHSS (跳頻擴頻) 收發(fā)器、頻率捷變收發(fā)器或數(shù)字紅外收發(fā)器，采用例如但不限于自動再傳輸、糾錯以及 ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻帶的若干方法。收發(fā)器22被構(gòu)造為從位于智能刀具夾具10外 部的接收器/收發(fā)器設(shè)備28 (圖6至圖8)發(fā)送和接收信號。接收器/收發(fā)器設(shè)備28可以 包括收發(fā)器模塊，收發(fā)器模塊與模擬或數(shù)字輸出接口并與包括PC、微處理器或DSP (數(shù) 字信號處理)硬件的數(shù)據(jù)分析處理單元集成。一般來說，系統(tǒng)收發(fā)器22將或者以流的方式(高帶寬)發(fā)送全部數(shù)據(jù)，或者以 壓縮的形式(低帶寬)發(fā)送分析結(jié)果。系統(tǒng)用戶可以選擇請求其中任何一種。高帶寬數(shù) 據(jù)以16位的分辨率以大約10至20kHz量級的速率發(fā)送。低帶寬分析結(jié)果以大約IkHz 量級的速率發(fā)送。第三種選項允許將收發(fā)器關(guān)閉以便以數(shù)據(jù)記錄模式設(shè)置刀具，其中所 述刀具采集并存儲信息以便以后檢索。在這樣的情況下，這樣的存儲和以后檢索數(shù)據(jù)也可以通過使用為附加或替代收發(fā)器設(shè)備22而包括的可拆卸存儲器設(shè)備(未顯示)實現(xiàn)。 優(yōu)選情況下，與智能刀具夾具10的通信是雙向的，因為工藝參數(shù)(如不限于切削進給速 率、主軸速度、位置、刀具接合)可以發(fā)送到智能刀具夾具10。電源23向處理器20提供電力，并按需向智能刀具夾具10的其他電部件提供電 力。電源23可以包括可更換電池或者使用外部充電站(未顯示)可以充電的可更換可 充電電池。另外，電源23還可以包括內(nèi)部可充電電池或內(nèi)部特大電容器。這樣的內(nèi)部 電源的可預(yù)測再充電源的實例包括但不限于感應(yīng)充電、近場磁諧振耦合(比如無線電力 (WiTricity))、物理充電插座、光生伏打電池(太陽能電池板)、振動能量收集(比如壓電 寄生發(fā)電機)、慣性能量收集(通過直流發(fā)電機或其他發(fā)電機)、設(shè)計為從貫穿冷卻劑流 動收集電能的發(fā)電機以及從圍繞旋轉(zhuǎn)的刀具夾具的動態(tài)空氣運動而運行的發(fā)電機。還可 以采用通過有方向的射頻發(fā)射或激光的能量傳輸。在圖1至圖4所示的實施例中，可以 通過使用可以耦接到智能刀具夾具10的主體12上提供的充電孔27的外部充電插座(未 顯示)對電源23進行再充電。在機加工期間，充電孔27可以由保護蓋或帽29覆蓋，當(dāng) 要執(zhí)行充電操作時可以容易地將其移去，比如當(dāng)智能刀具夾具組件6不參于機加工操作 時。主體12進一步包括電連接到處理器20并通常配置在或靠近相對第二端16的電 連接器30。智能刀具夾具10” (圖5中所示)的另一個實施例包含主體12上配置的若 干傳感器而不包含到該刀具的電接口。這樣的實施例正如圖5所示不會干擾貫穿冷卻劑 的使用，并且能夠傳感來自任何標(biāo)準(zhǔn)(非傳感器集成的)切削刀具的數(shù)據(jù)。在圖1至圖4 所描繪的實施例中，處理器20和收發(fā)器22被容納在主體12上的密封外殼32之內(nèi)。處 理器20和收發(fā)器22電連接，使得處理器20可以發(fā)送和接收來自收發(fā)器22的信息。主體12可以進一步包括許多燈或其他標(biāo)記(未計入)，用于提供智能刀具夾具 10的狀態(tài)的一種或多種可見指示。這樣的指示可以用于通知操作員下列狀態(tài)，如例如但 不限于存在傳感器輸出、刀具狀態(tài)、電源狀態(tài)、顯示刀具接合的弧長以及通過以刀具夾 具旋轉(zhuǎn)的頻率照明在刀具夾具上顯示“固定”圖像或文本。在圖1和圖2中所示的智能刀具夾具組件6描繪了一個實施例，其中切削組件18 包括通常呈縱向形狀的插件夾具34，具有第一端36和通常相對的第二端38，第一端36 被構(gòu)造為選擇性地耦接到智能刀具夾具10的主體12的相對第二端16 (如圖1所示)。插 件夾具34包括通常選擇性地耦接在或靠近相對第二端38的許多切削插件40，插件夾具 34上、部分地在其內(nèi)或在其內(nèi)選定位置配置的許多傳感器26，以及優(yōu)選地安置在或靠近 第一端36的電連接器42。電連接器42電連接到所述許多傳感器26的每一個，并且結(jié)構(gòu) 為當(dāng)切削組件18耦接到智能刀具夾具10時，協(xié)作地機械地和電地接合智能刀具夾具10 的電連接器30(如圖1所示)。切削插件40的每一個都被構(gòu)造為在機加工操作期間接合 工件50(圖6至圖8)。正如圖2所示，所述許多傳感器26可以包括插件夾具34內(nèi)嵌入的刀具尖端加速 度計44，以及在或靠近插件夾具34表面配置的力或扭矩傳感器46。應(yīng)當(dāng)容易地認(rèn)識到， 給出這樣的傳感器26和位置僅僅是為了舉例目的而不力圖限制本發(fā)明的范圍。在加速度 計的情況下，重要的是盡可能地將傳感器定位于靠近刀具尖端，以便觀察刀具尖端的運 動動態(tài)而不要求RCSA(敏感性(receptance)耦接子結(jié)構(gòu)分析)方法。
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在圖3和圖4中所示的智能刀具夾具組件6’描繪了一個實施例，其中切削組件 18’包括通常呈縱向形狀的旋轉(zhuǎn)式端銑刀切削刀具52(圖4所示)，具有第一端54和通 常相對的第二端56，第一端54被構(gòu)造為選擇性地耦接到智能刀具夾具10的主體12的相 對第二端16 (如圖3所示)，而第二端被構(gòu)造為在機加工操作期間接合工件50 (圖6至圖 8)。切削刀具52進一步包括切削刀具52上或其內(nèi)選定位置配置的許多傳感器26，以及 優(yōu)選地在或靠近第一端54配置的電連接器42。電連接器42電連接到所述許多傳感器26 的每一個，并且構(gòu)造為當(dāng)切削組件18’耦接到智能刀具夾具10時，協(xié)作地機械地和電地 接合智能刀具夾具10的電連接器30 (如圖3所示)。 正如圖4所示，所述許多傳感器26可以包括切削刀具52內(nèi)嵌入的刀具尖端加速 度計58，以及在或靠近切削刀具52表面配置的力或扭矩傳感器60。應(yīng)當(dāng)容易地認(rèn)識到， 給出這樣的傳感器26和位置僅僅是為了舉例目的而不力圖限制本發(fā)明的范圍。圖5中所示的智能刀具夾具組件6”描繪了進一步實施例，其中智能刀具夾具 10”自身包括其中配置的許多傳感器26。傳感器26可以包括例如但不限于檢測扭矩、彎 曲力、軸向力、圓周應(yīng)力和加速度的傳感器。在這個實施例中，切削組件18”顯示為公 知的旋轉(zhuǎn)式端銑刀切削刀具。不過應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，其他切削刀具也可以容易地用作切削組 件18”(如不限于端銑刀、套式銑刀、面銑刀、鉆孔刀具、鏜刀和其他金屬切削刀具)。此外，應(yīng)當(dāng)容易地認(rèn)識到，給出這樣的傳感器26和位置僅僅是為了舉例目的而 不力圖限制本發(fā)明的范圍。因此，在已經(jīng)介紹了某些實例刀具夾具組件6、6’和6”后，現(xiàn)在將描述采用 刀具夾具組件6的實例智能機加工系統(tǒng)。圖6顯示的智能機加工系統(tǒng)采用利用了插件夾 具34的智能刀具組件6，比如圖1和圖2中所示的，插件夾具具有機加工工件50的許多 切削插件40。在機加工期間，傳感器26向處理器20提供數(shù)據(jù)，后者然后使用一個或多 個例程24分析數(shù)據(jù)。由處理器20從這樣的分析得出的數(shù)據(jù)然后由收發(fā)器22發(fā)送到智能 刀具夾具10外部的接收器/發(fā)送器設(shè)備28，用于觀察或潛在的進一步分析。除了從智能 刀具夾具10發(fā)送數(shù)據(jù)，收發(fā)器22還可以進一步用于接收由外部接收器/發(fā)送器設(shè)備28 或者由另一臺通信設(shè)備或裝置(未顯示)向智能刀具夾具10發(fā)送的數(shù)據(jù)。向智能刀具夾 具10發(fā)送的這樣的數(shù)據(jù)可以包括機加工操作之前、期間或之后發(fā)送的數(shù)據(jù)(如不限于切 削進給速率、主軸速度、位置、刀具接合)。應(yīng)當(dāng)容易地認(rèn)識到，圖7顯示的智能機加工系統(tǒng)采用智能刀具組件6’，比如圖 3和圖4所示的，并且它的操作與關(guān)于圖6先前描述的系統(tǒng)基本相同。同樣，圖8顯示的 智能機加工系統(tǒng)采用智能刀具組件6”，比如圖5所示的，并且它的操作也與關(guān)于圖6先 前描述的系統(tǒng)基本相同。所以，本文不提供圖7和圖8的詳細(xì)討論。雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的若干特定實施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn) 識到，受益于本公開的整體教導(dǎo)，可以開發(fā)出對這些細(xì)節(jié)的多種修改和替代。所以，所 公開的具體布置意味著僅僅是說明性的而不限制本發(fā)明的范圍，該范圍給定為附帶的權(quán) 利要求書及其任何和全部等效內(nèi)容的完全范圍。
權(quán)利要求
1.一種智能刀具夾具(10)，為機床平臺(8)所使用，所述智能刀具夾具(10)包括具有第一端(14)和相對第二端(16)的主體(12)；所述主體(12)中配置的處理器(20)；以及所述主體(12)中配置的并與所述處理器(20)通信的收發(fā)器(22)，所述收發(fā)器(22) 被構(gòu)造為與外部接收設(shè)備(28)通信，其中，所述主體(12)的所述第一端(14)被構(gòu)造為選擇性地耦接到所述機床平臺 (8)，而所述主體(12)的所述相對第二端(16)被構(gòu)造為選擇性地耦接到具有許多傳感器 (26)的切削組件(18)，并且其中所述處理器(20)被構(gòu)造為在所述切削組件(18)耦接到 所述主體(12)時與所述許多傳感器(26)通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的智能刀具夾具(10)，其中，所述主體(12)包括所述相對第二端 (16)處或附近配置的第一電連接器(30)，所述第一電連接器(30)與所述處理器(20)電 連接；其中，所述切削組件(18)包括具有選擇性地耦接到所述主體(12)的所述相對第二端 (16)的第一端(54)和構(gòu)造為接合工件(50)的相對第二端(56)的旋轉(zhuǎn)切削刀具(52)，所 述第一端(54)包括與所述切削組件(18)的所述許多傳感器(26)電連接的第二電連接器 (42)；以及其中，所述第一電連接器(30)被構(gòu)造為在所述切削組件(18)耦接到所述主體(12) 時，與所述第二電連接器(42)電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的智能刀具夾具(10)，其中，所述收發(fā)器(22)是無線收發(fā)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的智能刀具夾具(10)，其中，所述處理器(20)包括微處理器、微 控制器或數(shù)字信號處理器單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的智能刀具夾具(10)，其中，所述處理器(20)包括其中配置的許 多數(shù)據(jù)處理算法(24)和模型。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的智能刀具夾具(10)，其中，所述主體(12)進一步包括其中配置 的電源(23)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的智能刀具夾具(10)，其中，所述電源(23)是可充電的并包括具 有可拆卸蓋子(29)的充電孔(27)，所述充電孔(27)被構(gòu)造為連接到外部充電設(shè)備。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的智能刀具夾具(10)，其中，所述電源(23)可通過感應(yīng)充電進行 充電。
9.一種智能刀具組件(6)，為機床平臺(8)所使用，所述智能刀具組件(6)包括智能刀具夾具(10)，包括具有第一端(14)和相對第二端(16)的主體(12)，所述第一端(14)被構(gòu)造為耦接到 所述機床平臺⑶；所述主體(12)中配置的處理器(20)；以及所述主體(12)中配置的并與所述處理器(20)通信的收發(fā)器(22)，所述收發(fā)器(22) 被構(gòu)造為與外部接收設(shè)備(28)通信；以及具有第一端(36)和第二端(38)的切削組件(18)，所述第一端(36)被選擇性地耦接 到所述智能刀具夾具(10)的所述主體(12)的所述相對第二端(16)，并且所述切削組件的 所述第二端(38)被構(gòu)造為接合工件(50)，所述切削組件(18)具有在所述切削組件(18)耦接到所述智能刀具夾具(10)時與所述處理器(20)通信的許多傳感器(26)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的智能刀具組件(6)，其中，所述刀具夾具(10)的所述主體(12) 的所述相對第二端(16)包括第一電連接器(30)，其中所述切削組件(18)的所述第一端 (36)包括第二電連接器(42)，并且其中所述第一電連接器(30)和所述第二電連接器(42) 被放置為當(dāng)所述切削組件(18)耦接到所述刀具夾具(10)時協(xié)作地電地接合，從而允許所 述許多傳感器(26)與所述處理器(20)之間進行通信。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的智能刀具組件(6)，其中，所述切削組件(18)包括旋轉(zhuǎn)切削刀 具(52)，所述旋轉(zhuǎn)切削刀具(52)具有耦接到所述刀具夾具(10)的所述主體(12)的所述 相對第二端(16)的第一端(54)以及構(gòu)造為接合工件(50)的相對第二端(56)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的智能刀具組件(6)，其中，所述旋轉(zhuǎn)切削刀具(52)包括端銑 刀、套式銑刀、面銑刀、鉆孔刀具、鏜刀和其他金屬切削刀具之一。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的智能刀具組件(6)，其中，所述切削組件(18)包括具有選擇性 地耦接到其上的許多切削插件(40)的插件夾具(34)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的智能刀具組件(6)，其中，所述許多傳感器(26)被構(gòu)造為傳感 溫度、加速度、力和扭矩至少其一。
15.根據(jù)權(quán)利要求9的智能刀具組件(6)，其中，所述收發(fā)器(22)包括無線收發(fā)器。
16.根據(jù)權(quán)利要求9的智能刀具組件(6)，其中，所述處理器(20)是微處理器、微控 制器或數(shù)字信號處理器單元。
17.根據(jù)權(quán)利要求9的智能刀具組件(6)，其中，所述智能刀具夾具(10)進一步包括 其中配置的電源(23)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的智能刀具組件(6)，其中，所述電源(23)是可充電的并包括具 有可拆卸蓋子(29)的充電孔(27)，所述充電孔(27)被構(gòu)造為連接到外部充電設(shè)備。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的智能刀具組件(6)，其中，所述電源(23)可通過感應(yīng)充電進行 充電。
20.—種智能刀具夾具(10”)，為機床平臺(8)所使用，所述智能刀具夾具(10”) 包括具有第一端(14)和相對第二端(16)的主體(12)；所述主體(12)中配置的處理器(20)；所述主體(12)中配置的并與所述處理器(20)通信的許多傳感器(26)；以及所述主體(12)中配置的并與所述處理器(20)通信的收發(fā)器(22)，所述收發(fā)器(22) 被構(gòu)造為與外部接收設(shè)備(28)通信，其中，所述主體(12)的所述第一端(14)被構(gòu)造為選擇性地耦接到所述機床平臺 (8)，其中所述主體(12)的所述相對第二端(16)被構(gòu)造為選擇性地耦接到所述切削組件 (18)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的智能刀具夾具(10”)，其中，所述收發(fā)器(22)是無線收發(fā)器。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的智能刀具夾具(10”)，其中，所述處理器(20)包括微處理 器、微控制器或數(shù)字信號處理單元。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的智能刀具夾具(10”)，其中，所述處理器(20)包括其中配置的許多數(shù)據(jù)處理算法(24)和模型。
24.根據(jù)權(quán)利要求20的智能刀具夾具(10”)，其中，所述主體(12)進一步包括其中 配置的電源(23)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的智能刀具夾具(10”)，其中，所述電源(23)是可充電的并包 括具有可拆卸蓋子(29)的充電孔(27)，所述充電孔(27)被構(gòu)造為連接到外部充電設(shè)備。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的智能刀具夾具(10”)，其中，所述電源(23)可通過感應(yīng)充電 進行充電。
27.根據(jù)權(quán)利要求20的智能刀具夾具(10”)，其中，所述許多傳感器(26)被構(gòu)造為 傳感溫度、加速度、力和扭矩至少其一。
28.—種用于機加工工件(50)的智能機加工系統(tǒng)，所述智能機加工系統(tǒng)包括機床平臺⑶；智能刀具夾具(10)，包括具有第一端(14)和相對第二端(16)的主體(12)，所述第一端(14)選擇性地耦接到 所述機床平臺⑶；所述主體(12)中配置的處理器(20)；以及所述主體(12)中配置的并與所述處理器(20)通信的收發(fā)器(22)；具有第一端(36)和第二端(38)的切削組件(18)，所述第一端(36)被選擇性地耦接 到所述智能刀具夾具(10)的所述主體(12)的所述相對第二端(16)，并且所述切削組件 (18)的所述第二端(38)被構(gòu)造為接合工件(50)，所述切削組件(18)具有在所述切削組 件(18)耦接到所述智能刀具夾具(10)時與所述處理器(20)通信的許多傳感器；以及與所述收發(fā)器(22)通信的外部接收器設(shè)備(28)。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的智能機加工系統(tǒng)，其中，所述機床平臺(8)包括機床控制器， 并且其中所述外部接收器設(shè)備(28)向所述機床控制器提供信號。
30.根據(jù)權(quán)利要求28的智能機加工系統(tǒng)，其中，所述收發(fā)器(22)與所述外部接收器 設(shè)備(28)進行無線通信。
31.根據(jù)權(quán)利要求28的智能機加工系統(tǒng)，其中，所述智能刀具夾具(10)能夠終止通 過所述收發(fā)器(22)的通信，并轉(zhuǎn)而記錄信息以用于后面的檢索和分析。
全文摘要
一種智能刀具夾具(10)，為機床平臺(8)所使用。所述智能刀具夾具(10)包括具有第一端(14)和相對第二端(16)的主體(12)、所述主體(12)中配置的處理器(20)以及所述主體(12)中配置的并與所述處理器(20)通信的收發(fā)器(22)。所述收發(fā)器(22)被構(gòu)造為與外部接收設(shè)備(28)通信。所述主體(12)的第一端(14)被構(gòu)造為耦接到所述機床平臺(8)，而所述相對第二端(16)被構(gòu)造為選擇性地耦接到具有許多傳感器(26)的切削組件(18)。所述處理器(20)被構(gòu)造為在所述切削組件(18)耦接到所述主體(12)時與所述許多傳感器(26)通信。所述處理器(20)可以使用基于模型的數(shù)據(jù)分析、數(shù)字濾波和其他技術(shù)執(zhí)行數(shù)據(jù)分析任務(wù)。所述智能刀具夾具(10)可以基于與機床控制器經(jīng)由接收器或接口設(shè)備的雙向通信對機加工工藝建議改變。
文檔編號B23Q17/00GK102015203SQ200980116075
公開日2011年4月13日 申請日期2009年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月17日
發(fā)明者克里斯托弗·A·蘇普羅克, 巴里·富塞爾, 杰弗·尼科爾斯, 羅伯特·杰拉德 申請人:克里斯托弗·A·蘇普羅克, 巴里·富塞爾, 杰弗·尼科爾斯, 羅伯特·杰拉德