本實用新型屬于刀具檢測的技術領域，尤其涉及一種數控機床刀具測量系統。

背景技術：

刀具直徑檢測在機械加工、線路板行業有著重要的應用，刀具直徑影響著產品質量與自動化的水平，但是刀具檢測對系統要求較高。

一種是在現有設備的基礎上采用專用控制系統的刀檢卡模塊，比如S&M系統，其內部一般采用高速IO系統，此方法通用性不高，只能針對特定系統，而且價格比較貴。

另一種是采用運動控制卡的內部PLC模塊，編寫刀檢運動程序，但是運動控制卡存在掃描周期過長，測量精度不高等問題。

因此，有必要設計一種新的通用的數控機床刀具測量系統。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提供一種銑刀、鉆頭等刀具的通用直徑測量、具有較高的性價比的數控機床刀具測量系統。

本實用新型提供一種數控機床刀具測量系統，其特征在于，該系統包括：用于檢測刀具位置狀態的刀檢傳感器、隨數控機床平臺位移產生脈沖的位置檢測裝置、以及基于FPGA平臺設計的刀檢控制卡，所述刀檢控制卡包括主控單元，所述主控單元接收刀檢傳感器及位置檢測裝置的信號，根據刀檢傳感器信號對位置檢測裝置的脈沖計數，并根據該計數量獲得數控機床平臺位移量及刀具待測參數。

進一步地，所述位置檢測裝置包括設置于數控機床平臺X軸的X軸光柵尺，所述主控單元根據數控機床平臺X軸移動時，刀檢傳感器所檢測刀具位置狀態變化信號的間隔內，X軸光柵尺的脈沖計數量，獲得數控機床平臺X軸位移量及刀具直徑。

進一步地，所述位置檢測裝置還包括設置于數控機床平臺Z軸的Z軸光柵尺，所述主控單元根據數控機床平臺Z軸移動時，刀檢傳感器所檢測刀具位置狀態變化信號與數控機床平臺Z軸達到設定坐標的間隔內，Z軸光柵尺的脈沖計數量，獲得數控機床平臺Z軸位移量及刀具長度。

進一步地，所述刀檢控制卡還包括位置信號處理電路，所述位置信號處理電路設置于位置檢測裝置與主控單元之間，其接收位置檢測裝置的信號，對其進行濾波、漏項檢測及去噪處理后將其傳輸至主控單元。

進一步地，所述位置信號處理電路包括濾波器，所述濾波器為FIR濾波器。

進一步地，所述位置信號處理電路包括用于檢測位置檢測裝置各相是否為差分信號、數控機床各軸是否均為差分信號的漏相檢測電路。

進一步地，所述位置信號處理電路包括分別與X軸光柵尺連接的X軸光柵尺信號處理電路、及與Z軸光柵尺連接的Z軸光柵尺信號處理電路。

進一步地，所述刀檢控制卡還包括刀徑信號處理電路，所述刀徑信號處理電路設置于刀檢傳感器及主控單元之間，其接收刀檢傳感器信號，捕獲對應于刀具實際直徑的脈沖信號并將其傳輸至主控單元。

進一步地，所述刀檢傳感器包括分別設置于數控機床多個加工頭上的多路，所述刀徑信號處理電路包括分別與多路刀檢傳感器連接的多個。

進一步地，該系統還包括用于發送刀檢指令及顯示刀具測量結果的上位機，所述刀檢控制卡還包括分別與上位機及主控單元連接，實現兩者通訊的串口通訊模塊。

本實用新型經過刀檢控制卡的優化處理，能實現數控機床上的銑刀、鉆頭等刀具直徑及長度的測量；刀檢控制卡是基于FPGA平臺設計的，由于FPGA在信號處理領域有較強的優勢，速度快、精度高、通用性強，因此，本數控機床刀具測量系統能夠較好地優化刀具直徑和長度的測量精度，且具有較高的性價比。

附圖說明

圖1為本實用新型數控機床刀具測量系統的示意圖；

圖2為圖1所示數控機床刀具測量系統的噪聲處理電路的示意圖；

圖3為圖1所示數控機床刀具測量系統的刀徑信號處理電路的示意圖。

圖號說明：

100-刀檢控制卡、101-刀徑信號處理電路、103-X軸光柵尺信號處理電路、

104-Z軸光柵尺信號處理電路、105-串口通訊模塊、106-主控單元、

10-刀檢傳感器、20-上位機、30-X軸光柵尺、31-Z軸光柵尺。

具體實施方式

下面參照附圖結合實施例對本實用新型作進一步的描述。

本實用新型的數控機床刀具測量系統，是基于FPGA(Field－Programmable Gate Array，可編程硬件邏輯電路)硬件電路的通用數控機床刀具測量系統，本刀具指的是數控機床上的銑刀、鉆頭等刀具。

請參閱圖1，本數控機床刀具測量系統用于對刀具直徑或長度、或同時對刀具直徑及長度進行測量，其包括：刀檢傳感器10、位置檢測裝置及刀檢控制卡100。刀檢傳感器10包括多路，分別用于對數控機床多個頭上多個刀具的位置狀態進行檢測；位置檢測裝置隨數控機床平臺位移產生脈沖；刀檢控制卡100接收刀檢傳感器10及位置檢測裝置的信號，根據刀檢傳感器10所檢測到的信號，對位置檢測裝置的脈沖進行計數，并根據該計數量獲得數控機床平臺位移量，進而獲得刀具直徑、長度等待測參數的量。本系統還包括用于向刀檢控制卡100發出刀檢指令及顯示刀具測量結果的上位機20，上位機20為計算機。

其中，刀檢控制卡100是基于FPGA平臺設計的，由于FPGA作為可編程硬件邏輯電路，在信號處理領域有較強的優勢，速度快、精度高、通用性強，因此，本數控機床刀具測量系統的刀檢控制卡100能夠較好地優化刀具直徑和長度的測量精度。

刀檢控制卡100具體包括：刀徑信號處理電路101、位置信號處理電路、主控單元106、以及串口通訊模塊105。刀徑信號處理電路101包括多個，分別與多路刀檢傳感器10連接，接收刀檢傳感器10的信號，對其進行檢測后將對應于刀具實際直徑的脈沖信號傳輸至主控單元106；位置信號處理電路與位置檢測裝置連接，接收位置檢測裝置的信號，對其進行濾波、漏項檢測及去噪處理后將其傳輸至主控單元106；主控單元106根據其所接收的刀檢傳感器信號，對位置檢測裝置的信號進行脈沖計數，從而獲得數控機床平臺位移量及刀具直徑、刀具長度，該主控單元106為具有運算處理能力的處理器；串口通訊模塊105設置于主控單元106與上位機20之間，用于實現兩者的通訊。

下面通過上述各部件的具體描述，對本實用新型數控機床刀具測量系統的工作原理予以說明。

數控機床平臺Z軸上安裝有高速旋轉的電主軸，主軸夾持刀具，隨Z軸移動；刀檢傳感器10設置于X軸工作臺上，隨數控機床平臺X軸移動，其由一對對射的激光管組成，可以將刀具對激光有無遮擋的狀態轉化為邏輯電平信號。

刀具初始狀態下未遮擋刀檢傳感器10的激光，對刀具直徑進行測量時，數控機床平臺Z軸不動，X軸帶動刀檢傳感器10移動，當移動至刀具對激光形成遮擋時，刀檢傳感器10輸出電平發生跳變，直至繼續移動到不再遮擋激光，刀檢傳感器10輸出電平再次發生跳變，兩次電平跳變之間數控機床平臺X軸移動的距離即刀具直徑。刀具不同，則兩次電平跳變的間隔時間不同，期間數控機床平臺X軸移動的距離也不同。

對刀具長度進行測量時，數控機床平臺X軸不動，Z軸帶動刀具移動，當移動至刀具對激光形成遮擋時，刀檢傳感器10輸出電平發生跳變。由該跳變至刀具移動達到設定的Z軸坐標時，刀具移動的距離即刀長，也就是說，該段間隔內數控機床平臺Z軸移動的距離即刀長。刀具不同，則發生電平跳變的起點位置不同，電平跳變至平臺Z軸達到設定的坐標的間隔不同，期間數控機床平臺Z軸移動的距離也不同。

由于刀具上設有排屑槽，對刀具直徑進行測量時，排屑槽可能會影響刀檢傳感器10的檢測信號，結果造成刀具直徑測量的誤差。為了排除刀具排屑槽的影響，刀具測量是由數控機床的主軸帶動刀具旋轉過程中進行的，其目的是將刀具形成一個近似圓柱體，更能反映實際刀具直徑。

受到刀具排屑槽的影響，刀具每旋轉一周，光線被遮斷釋放、遮斷釋放兩個循環，形成兩個周期的方波。刀徑信號處理電路101接收刀檢傳感器10的邏輯電平信號，并對該信號進行檢測，以識別其中由排屑槽造成的方波與對應于刀具實際直徑的脈沖信號。

刀徑信號處理電路101的原理是尋找數控機床平臺X軸移動時，由刀檢傳感器10檢測到的第一次電平跳變和最后一次電平跳變，可以是第一個下降沿脈沖信號和最后一個上升沿脈沖信號，或者第一個上升沿脈沖信號和最后一個下降沿脈沖信號。其采用滑動監測的方法，由于噪聲方波的頻率是刀具直徑測量轉速的一倍或兩倍，因此，直到檢測到連續三個方波周期均為噪聲頻率的情況下，刀徑信號處理電路101選取第一次電平跳變和最后一次電平跳變，作為對應于刀具實際直徑的信號，即對位置檢測裝置信號進行脈沖計數的觸發信號輸入至主控單元106。

圖3為刀徑信號處理電路101的示意圖，圖中所示的C為第一個下降沿脈沖信號，D為最后一個上升沿脈沖信號，C和D均為捕獲點。即該刀徑信號處理電路101捕獲刀檢傳感器10輸出信號的第一個下降沿脈沖信號和最后一個上升沿脈沖信號，并將其傳輸至主控單元106。

位置檢測裝置可以是光柵尺或編碼器，位置信號處理電路可以是光柵尺信號處理電路或編碼器信號處理電路。由于光柵尺測量精度更高，本實施例選用光柵尺用于對數控機床的平臺位移進行脈沖計數。本實施例的位置檢測裝置包括分別設置于數控機床X軸及Z軸的X軸光柵尺30及Z軸光柵尺31；位置信號處理電路包括分別與X軸光柵尺30及Z軸光柵尺31連接的X軸光柵尺信號處理電路103及Z軸光柵尺信號處理電路104。

位置信號處理電路包括：濾波器、漏相檢測電路、以及噪聲處理電路。

本實施例所采用的是FIR濾波器，其將當前計算數據與后面N位數據與有限沖擊響應系數相乘累加，作為當前計算數據的值，具有頻率特性誤差小、運算速度快、容易設計等優點。

漏相檢測電路用于檢測位置檢測裝置通道A和通道B兩相是否有漏相，檢測通道A和通道B的信號是否為差分信號，以及數控機床的各軸是否均為差分信號，若不符合條件則由位置信號處理電路103給出錯誤標識。

噪聲處理電路示意圖如圖2所示，其根據位置檢測裝置的相序，及計數脈沖順序判斷是否存在雜波，一旦有雜波產生，即在硬件電路上將該雜波去除。

本實用新型刀具測量的具體過程如下：

上位機20發送刀檢指令給主控單元106，同時通過與其連接的運動控制模塊控制數控機床各刀具動作響應該刀檢指令。

各刀具動作，多路刀檢傳感器10分別檢測到多個刀具的位置狀態、經刀徑信號處理電路101將其檢測到與刀具實際直徑所對應的脈沖信號發送至主控單元106。

主控單元106對其所接收到各路刀檢傳感器的脈沖信號分別進行處理，其將每一路刀檢傳感器10的脈沖信號作為測量相應刀具直徑及刀長的門檻。

針對刀具直徑的測量，當主控單元106接收到第一個脈沖信號時，開始對X軸光柵尺30的脈沖進行計數，當其接收到第二個脈沖信號時，停止對其脈沖進行計數，根據兩脈沖信號間隔之間X軸光柵尺30的脈沖計數，即可計算出該間隔期間數控機床平臺X軸移動的距離。

針對刀長的測量，當主控單元106接收到第一個脈沖信號時，開始對Z軸光柵尺31的脈沖進行計數，當數控機床平臺Z軸移動達到設定的坐標時，停止對其進行計數，根據上述脈沖信號與數控機床平臺Z軸達到其設定坐標的間隔之間，Z軸光柵尺31的脈沖計數，即可計算出該間隔期間數控機床平臺Z軸移動的距離。

根據上述距離以及從上位機讀取的刀具參數、補償信息，即可計算出刀具直徑和長度。

測試完畢，上位機20通過內部函數調用主控單元106的檢測結果并予以顯示。等待下一次測試。

本實用新型經過刀檢控制卡的優化處理，能實現數控機床上的銑刀、鉆頭等刀具的通用直徑測量；本數控機床刀具測量系統的刀徑信號處理電路能夠較好的優化刀具的直徑系統測量精度，且具有較高的性價比。

在上述實施例中，僅對本實用新型進行了示范性描述，但是本領域技術人員在不脫離本實用新型所保護的范圍和精神的情況下，可根據不同的實際需要設計出各種實施方式。

以上詳細描述了本實用新型的優選實施方式，但是本實用新型并不限于上述實施方式中的具體細節，在本實用新型的技術構思范圍內，可以對本實用新型的技術方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬于本實用新型的保護范圍。