锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统及方法
锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属带锯床锯切工艺参数的在线检测技术范畴，特别是指带锯床加工过程 中，实时检测工件锯切面垂直度和锯条拉齿工艺参数的系统及方法。
【背景技术】
[0002] 机械零部件的金加工工艺流程始于锯切工序，锯切是零件加工过程中重要的组成 环节；因此，锯床广泛地应用于钢铁、机械、汽车、造船、石油、矿山和航空航天等国民经济各 个领域。1933年，美国杜尔（DOALL)公司率先提出带锯锯切工艺，颠覆了传统的弓型、圆盘 锯切工艺；1964年，历时32年持续攻关、带锯锯切工艺取得实质性突破一双金属锯条诞 生，时至今日带锯床始终牢牢占据锯床业的主导地位。带锯床锯切速度快、直径大，锯口消 耗少、精度高，给金属锯切带来了革命性的变革。1967年至1977年，美国带锯床产量年增 31 %，占同期锯床总产量的80%以上，并迅速风靡发达国家。现代化数控带锯床不仅自身的 生产效率极高，而且因锯切产品的质量上乘一大大减少了后续工序的二次加工量，提高了 零部件金加工全流程的效率。数控带锯床的另一优势是低耗：不但减少了锯切耗材一锯条 的消耗，同时降低了劳动强度和用工数、以及待加工件的材料耗损。数控带锯床代表了现代 制造工业朝着高效率，高精度和低消耗的发展方向。
[0003] 我国的带锯床与其它行业相拟，走的是引进、消化、吸收，再创造之路。
[0004] · 1968年，湖南机床厂引进国外带锯床，消化吸收后着手仿制；1985年，代表性成 果 双金属锅条试制成功。
[0005] · 1986年，上海沪南带锯厂根据美国公司的图纸资料，推出带锯床样机。
[0006] ?九十年代初，名不见经传的浙江省纟晋云县壶镇带锅床异军崛起；1998年，首台壶 镇产带锯床问世。适逢我国经济高速持续发展机遇期，区域块状经济为特征的壶镇锯床以 低水平、低投入和低成本的扩张方式，迎合了当时中国制造业的需要；短短几年就挤占了全 国带锯床市场份额的70%。2009年，中国跃居世界带锯床第一大生产国；2011年，壶镇专业 带锯床的产值突破15亿元。支撑壶镇带锯床崛起的是遍布全国的销售网、区域块状经济的 成本优势、加上机制灵活等非技术因素。
[0007] 2014年12月，中央经济工作会议指出：经济发展进入新常态，高速增长转向中高 速增长，规模速度型粗放增长转向质量效率型集约增长，传统增长点转向新的增长点。2012 年中国带锯床"粗放增长"模式已呈现难以为继的冏态：产品同质化、价格战和低价无序竞 争成业界的主旋律。锯床企业的自主研发能力薄弱，产品的技术含量和附加值低；如日本阿 玛达公司的S400FA带锯床报价约22万、是国产同类带锯床的4倍；台湾带锯床的90%出 口，国内同行的外销之旅至今仍举步维艰。目前，国产带锯床在整机的机械结构设计、零部 件加工精度、组装调试手段方面，与发达国家差距不大、甚至难分仲伯。工信部"机床工具行 业"十二五"发展规划"指出："从整体来说行业大而不强，数控系统和关键功能部件发展滞 后等问题明显制约着行业的可持续发展";并在"重点发展产品一切削刀具及量具量仪"项 中，明确研发的内容是"数字化精密量具和量仪，在线检测自动化量仪"。
[0008] 对比发达国家与国产带锯床的工艺技术指标，不难发现，在锯切垂直度和锯条拉 齿两项关键指标上存在明显的差距。国产带锯床锯切偏斜的瑕疵时有发生，锯切SUS304 类不锈钢、高硬度模具钢、钛镍合金钢时，锯偏概率急剧上升。发达国家高端带锯床标配锯 切面垂直度检测装置，属厂商的核心机密；遗憾的是锯切面垂直度检测尚未得到国内同行 的重视。业界无奈的应对之策是：加大锯切余量。加大锯切余量的代价不菲，首先，增大了 后序金加工的加工量，将导致零部件金加工全流程的效率下降；其次，增加了锯切料的损耗 率，将产生大量的材料浪费；第三，锯切过程中抖动大，带锯床和带锯床自身耗材(锯条）的 工作寿命大打折扣，将使锯床的运维费用上升。必须指出，带锯床锯条耗材已成为锯切加工 成本的决定性因素；世界范围内锯条的年生产总值10倍于锯床，因此锯条的锯切寿命指标 关系到厂商的核心竞争力。以同型锯条、锯切不锈钢SUS304为例，德国贝林格公司锯床可 锯切4m2左右，而国产锯床仅2m2上下。锯条使用寿命差距的主因源于前者配置锯条拉齿检 测装置，即齿尖崩裂检测装置；齿尖崩裂俗称"拉齿"、"拉齿"亦被形象地称为"多米诺"拉 齿，因为只要1个锯齿出现崩裂、该崩齿驻留在锯切缝中将损伤锯条的其它齿，连锁反应、 瞬间整条锯条报废。随着带锯床锯切材料多样性的内涵不断丰富，特别是镍铬系韧性材料 份额的持续增大，"拉齿"现象急剧增加。遗撼的是锯条拉齿检测尚未得到国内同行的重点 关注。业界无奈的应对举措是：降低锯切速度，加强操作员对锯条的观察；降低锯切速度意 味着生产效率的下降，加强操作员观察则受限于生理条件且无法从根本上解决问题。
[0009] 实时检测锯切面垂直度和锯条拉齿所面临的技术挑战是：锯切时锯条的锯切部分 完全嵌入在待锯切的工件中，狭窄的锯切缝充满切削液和铁屑，直接检测锯切面垂直度和 锯条拉齿的技术方案可行性差；间接检测锯切面垂直度和锯条拉齿，有赖于建立锯条锯切 时的力一形变模型，以及简单有效的形变检测装置和方法。就锯切面垂直度和锯条拉齿检 测装置的设计而言，深入剖析全面评估影响锯切面垂直度和锯条拉齿的综合因素是非常必 要的。
[0010] 影响锯切面垂直度的四大因素是： ?国产带锯床大多采用斜向分齿锯条，左/右斜齿各1、外加1齿居中、3齿一组周而复 始；锯切时一旦发生单侧齿非均匀钝化，锯条倾斜偏向锋利一侧，导致切斜即锯切面偏离垂 直方向。
[0011] ?锯床长期使用后，锯框和导向机构的间隙变大，导致锯条偏离垂直方向切入。
[0012] ?锯条张紧力不够，导致锯切过程锯条偏斜。
[0013] ?锯条夹持片过度磨损，导致锯切过程锯条偏斜。
[0014] 影响锯条拉齿的四大因素是： ?待锯切料中分布的材料硬点。
[0015] ?锯切过快、排屑不畅，齿尖受力过大。
[0016] ?待锯切材料夹持不到位，锯切过程中待锯切材料移动。
[0017] ?锯条选型不对，齿形过小或过大。
[0018] 因此，有必要在上述论述的基础上作深入的研究与创新：提出实时检测工件锯切 面垂直度和锯条拉齿工艺参数的系统及方法，根椐锯条偏离垂直方向的数据，进行相应的 处理；一旦检测出拉齿端倪，则停止锯切、锯框(锯条）快速上升，避免锯条报废等重大事故 的发生。
【发明内容】
[0019] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种锯切面垂直度和锯条拉齿的检测 系统及方法。
[0020] 锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统由锯切面垂直度检测装置、锯条拉齿检测装 置、检测信号处理装置组成；检测系统的检测对象带锯床包括锯框、第1位置检测传感器、 活动导向臂、第2位置检测传感器、燕尾梁、导臂位置检测栅尺、导向立柱、活动端导向滚 轮、活动导向座、活动夹钳、固定导向座、导向立柱套、锯条、锯轮、待锯切工件、固定导向臂、 固定端导向滚轮； 锯切面垂直度检测装置和锯条拉齿检测装置分别安装在活动导向座、固定导向座上； 锯条绕过锯轮，经活动端导向滚轮、活动导向座和固定导向座后被导向扭正，使锯条与待锯 切工件垂直；活动端导向滚轮安装在固定导向座上，活动导向座与活动导向臂采用螺丝连 接、通过燕尾面配合安装在燕尾梁上，活动导向臂可沿燕尾梁左右移动来调节距离；第1位 置检测传感器和第2位置检测传感器通过螺丝固定至活动导向臂，并随活动导向臂左右移 动，导臂位置检测栅尺 用螺丝固定在燕尾梁上，燕尾梁和锯轮安装在锯框上，锯框通过螺丝 紧固在导向立柱套上，导向立柱套与导向立柱过渡配合，导向立柱套可以沿着导向立柱上 下自由滑动，活动夹钳固定待锯切工件；锯切面垂直度检测装置的第1耐磨环紧贴锯条的 侧面，锯条拉齿检测装置的第2耐磨环紧贴锯条的背部； 锯条在锯轮的带动下，经活动导向臂、导向滚轮、活动导向座、固定导向座导向，在锯框 升降运动的配合下，实施待锯切工件的垂直锯切；锯切面垂直度检测装置和锯条拉齿检测 装置与检测信号处理装置相连，上传锯切面垂直度和锯条拉齿的检测信号。
[0021] 所述的锯切面垂直度检测装置包括防水接头、非接触式位移传感器，位移传感器 信号源、弹簧压缩杆、弹簧、杠杆、旋转中心轴、第1耐磨环、轴承、壳体； 锯切面垂直度检测装置经第1耐磨环紧贴锯条侧面，第1耐磨环过盈配合套在轴承 上，轴承与杠杆过盈配合，再通过螺丝将轴承紧固在杠杆的一端，杠杆经旋转中心轴与壳体 连接，杠杆与旋转中心轴过渡配合，旋转中心轴与壳体通过螺纹紧固，位移传感器信号源借 助螺纹固定在杠杆的另一端，非接触式位移传感器用螺丝固定在壳体上，弹簧压缩杆采用 螺纹固定在杠杆上，弹簧放置在壳体与弹簧压缩杆之间，防水接头通过管螺纹紧固在壳体 上； 在弹簧的作用下，第1耐磨环紧贴锯条的侧面、随锯条偏摆，第1耐磨环检测锯条锯切 时产生的偏移量；因第1耐磨环与轴承过盈配合、轴承与杠杆过盈配合，并通过螺丝将轴承 紧固在杠杆的一端，故锯条的偏移量传递到杠杆，杠杆以旋转中心轴为中心偏摆，固定在杠 杆上的位移传感器信号源根椐锯条的偏摆生成1 :3比例的偏移量；非接触式位移传感器检 测偏移量，偏移量以电压信号输出到检测信号处理装置；检测信号处理装置根椐偏移量信 号，监控锯切面垂直度的实时变化，一旦锯切偏斜程度超出工艺规定指标，则启动锯切面垂 直度纠偏流程。
[0022] 所述的锯条拉齿检测装置包括第2耐磨环、耐磨环连接杆、滑动杆、自复位弹簧、 位移传感器；第2耐磨环与耐磨环连接杆采用精密圆柱销紧固，精密圆柱销与前者过盈配 合、与后者过渡配合，耐磨环连接杆通过螺纹与滑动杆连接，滑动杆经无油轴承与位移传感 器连接，自复位弹簧置于滑动杆与位移传感器之间； 在自复位弹簧的作用下，第2耐磨环紧贴锯条的背部，随锯条上下波动，第2耐磨环带 动耐磨环连接杆、滑动杆产生位移变化，位移传感器检测位移量、位移量以电压信号输出到 检测信号处理装置；检测信号处理装置根椐位移量、检测锯条的上下波动值，参照生产商提 供的锯条波动参数值，一旦检测的锯条波动超出工艺规定指标、即在拉齿发生的瞬间启动 锯条拉齿处理流程。
[0023] 所述的检测信号处理装置包括主控芯片FPGA、E2PR0M、A/D转换电路、基准电源电 路、信号调理电路、双绞屏蔽线；主控芯片FPGA通过I2C连接E2PR0M、通过SPI连接A/D转 换电路，基准电源电路与A/D转换电路相连；锯切面垂直度检测装置通过双绞屏蔽线接入 信号调理电路、A/D转换电路，锯条拉齿检测装置的连结方式类同；锯切面垂直度检测装置 和锯条拉齿检测装置上传锯切面垂直度和锯条拉齿的检测信号，检测信号经调理、A/D后至 主控芯片FPGA处理；主控芯片FPGA通过RS485与上位机相连，上位机完成人机交互、数椐 的处理和存储。
[0024] 所述的锯切面垂直度检测方法的锯切面垂直度纠偏流程是：用户输入锯切面垂直 度的最大偏移允许误差Dmax，检测信号处理装置将最大允许误差Dmax的75%作为允许值D pot, 即检测到锯切面垂直度实际偏移误差D小于Dpot时，操作界面显示锯切正常；当检测到的 实际偏移误差D大于Dpmi时，操作界面出现警告提示，提醒操作员注意锯床工作机况；当检 测的实际偏移误差D大于最大允许误差Dmax，检测信号处理装置控制带锯床的锯框和锯条 停止工进，操作界面显示报警。
[0025] 所述的锯条拉齿检测方法的锯条拉齿处理流程是：用户输入锯条的齿形，锯条 型号，并输入锯切工件的属性参数：尺寸、材料等；检测信号处理装置根据工艺参数，从 E2PR0M中自动匹配出相应的锯条的最大允许变形量测信号处理装置将最大允许 变形量Λ Hmax的75%作为允许值Λ Hpmi，即检测到锯条实际变形量Λ H小于允许值AHpmi时，操作界面显示锯条工作正常；当检测到的锯条实际变形量ΛΗ大于允许值八民_时，操 作界面出现警告提示，提醒操作员锯条工作异常，查看锯床机况，决定是否需要停下机器并 更换锯条；当检测到锯条实际变形量△ H大于最大允许变形量AHmax，检测信号处理装置控 制带锯床的锯框和锯条停止工进，操作界面显示报警。
[0026] 本发明与【背景技术】相比，具有的有益效果是： 本发明在线检测锯切过程中锯切面垂直度和锯条拉齿的前兆，从而有效阻止了待加工 件的过度偏移和锯条多米诺"拉齿现象的发生。因此，本发明有助于减少后序金加工的加工 量，提升金加工全流程的效率；另一方面，降低了锯床耗材(锯条）和待锯切材料的用量，提 高了待加工件的加工品质。检测信号处理装置采用FPGA主控芯片、程序的硬件实现堵绝了 "程序跑飞"；锯切面垂直度检测装置和锯条拉齿检测装置通过双绞屏蔽线上传检测信号， 双绞屏蔽线可抑制电磁干扰。
【附图说明】
[0027] 图1是锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统结构图； 图2-1、图2-2是锯切面垂直度检测装置的结构图； 图3是锯条拉齿检测装置的结构图； 图4是检测信号处理装置的原理框图； 图5是锯切面垂直度的检测原理图； 图6是锯条拉齿的检测原理图； 图7是锯切面垂直度的检测流程图； 图8是锯条拉齿的检测流程图。
【具体实施方式】
[0028] 如图1所示，锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统由锯切面垂直度检测装置20、 锯条拉齿检测装置30、检测信号处理装置40组成；检测系统的检测对象带锯床包括锯框1、 第1位置检测传感器2、活动导向臂3、第2位置检测传感器4、燕尾梁5、导臂位置检测栅尺 6、导向立柱7、活动端导向滚轮8、活动导向座9、活动夹钳10、固定导向座11、导向立柱套 12、锯条13、锯轮14、待锯切工件15、固定导向臂16、固定端导向滚轮17 ; 锯切面垂直度检测装置20和锯条拉齿检测装置30分别安装在活动导向座9、固定导 向座11上；锯条13绕过锯轮14,经活动端导向滚轮8、活动导向座9和固定导向座11后被 导向扭正，使锯条13与待锯切工件15垂直；固定端导向滚轮17安装在固定导向座11上， 活动端导向滚轮8安装在活动导向座9上，固定导向座11与固定导向臂16采用螺丝连接， 活动导向座9与活动导向臂3采用螺丝连接，固定导向臂16和活动导向臂3通过燕尾面配 合安装在燕尾梁5上，活动导向臂3可沿燕尾梁5左右移动来调节距离；第1位置检测传感 器2和第2位置检测传感器4通过螺丝固定至活动导向臂3,并随活动导向臂3左右移动， 导臂位置检测栅尺6用螺丝固定在燕尾梁5上，燕尾梁5和锯轮14安装在锯框1上，锯框 1通过螺丝紧固在导向立柱套12上，导向立柱套12与导向立柱7过渡配合，导向立柱套12 可以沿着导向立柱7上下自由滑动，活动夹钳10固定待锯切工件15 ;锯切面垂直度检测装 置20的第1耐磨环紧贴锯条13的侧面，锯条拉齿检测装置30的第2耐磨环紧贴锯条13 的背部； 锯条13在锯轮14的带动下，经活动导向臂3、导向滚轮8、活动导向座9、固定导向座 11导向，在锯框1升降运动的配合下，实施待锯切工件15的垂直锯切；锯切面垂直度检测 装置20和锯条拉齿检测装置30与检测信号处理装置40相连，上传锯切面垂直度和锯条拉 齿的检测信号。
[0029] 如图2-1、图2-2所示，锯切面垂直度检测装置20包括防水接头21、非接触式位移 传感器2 2,位移传感器信号源23、弹簧压缩杆24、弹簧25、杠杆26、旋转中心轴27、第1耐 磨环28、轴承29、壳体200 ; 锯切面垂直度检测装置20经第1耐磨环28紧贴锯条13侧面，第1耐磨环28过盈配 合套在轴承29上，轴承29与杠杆26过盈配合，再通过螺丝将轴承29紧固在杠杆26的一 端，杠杆26经旋转中心轴27与壳体200连接，杠杆26与旋转中心轴27过渡配合，旋转中心 轴27与壳体200通过螺纹紧固，位移传感器信号源23借助螺纹固定在杠杆26的另一端， 非接触式位移传感器22用螺丝固定在壳体200上，弹簧压缩杆24采用螺纹固定在杠杆26 上，弹簧25放置在壳体200与弹簧压缩杆24之间，防水接头21通过管螺纹紧固在壳体200 上； 在弹簧25的作用下，第1耐磨环28紧贴锯条13的侧面、随锯条13偏摆，第1耐磨环 28检测锯条13锯切时产生的偏移量；因第1耐磨环28与轴承29过盈配合、轴承29与杠杆 26过盈配合，并通过螺丝将轴承29紧固在杠杆26的一端，故锯条13的偏移量传递到杠杆 26,杠杆26以旋转中心轴27为中心偏摆，固定在杠杆26上的位移传感器信号源23根椐锅 条13的偏摆生成1 :3比例的偏移量；非接触式位移传感器22检测偏移量，偏移量以电压信 号输出到检测信号处理装置40 ;检测信号处理装置40根椐偏移量信号，监控锯切面垂直度 的实时变化，一旦锯切偏斜程度超出工艺规定指标，则启动锯切面垂直度纠偏流程。
[0030] 如图3所示，锯条拉齿检测装置30包括第2耐磨环31、耐磨环连接杆32、滑动杆 33、自复位弹簧34、位移传感器35 ;第2耐磨环31与耐磨环连接杆32采用精密圆柱销紧 固，精密圆柱销与前者过盈配合、与后者过渡配合，耐磨环连接杆32通过螺纹与滑动杆33 连接，滑动杆33经无油轴承与位移传感器35连接，自复位弹簧34置于滑动杆33与位移传 感器35之间； 在自复位弹簧34的作用下，第2耐磨环31紧贴锯条13的背部，随锯条13上下波动， 第2耐磨环31带动耐磨环连接杆32、滑动杆33产生位移变化，位移传感器35检测位移量、 位移量以电压信号输出到检测信号处理装置40 ;检测信号处理装置40根椐位移量、检测锯 条13的上下波动值，参照生产商提供的锯条波动参数值，一旦检测的锯条波动超出工艺规 定指标、即在拉齿发生的瞬间启动锯条拉齿处理流程。
[0031] 如图4所示，检测信号处理装置40包括主控芯片FPGA 41、E2PR0M 42、A/D转换电 路43、基准电源电路44、信号调理电路45、双绞屏蔽线46 ;主控芯片FPGA 41通过12C连接 E2PR0M 42、通过SPI连接A/D转换电路43,基准电源电路44与A/D转换电路43相连；锯 切面垂直度检测装置20通过双绞屏蔽线46接入信号调理电路45、A/D转换电路43,锯条 拉齿检测装置30的连结方式类同；锯切面垂直度检测装置20和锯条拉齿检测装置30上传 锯切面垂直度和锯条拉齿的检测信号，检测信号经调理、A/D后至主控芯片FPGA 41处理； 主控芯片FPGA 41通过RS485与上位机相连，上位机完成人机交互、数椐的处理和存储。
[0032] 说明：主控芯片采用FPGA、程序的硬件实现堵绝了"程序跑飞"故障，带锯床的电 气环境恶劣，检测信号处理装置40的强抗干扰能力是必需的；基准电源电路44采用高精度 低温漂基准电源芯片REF198给A/D转换电路43供电，提高了 A/D精度；锯切面垂直度检测 装置20、锯条拉齿检测装置30通过双绞屏蔽线与信号调理电路45相连，双绞屏蔽线可有效 抑制电磁干扰；主控芯片FPGA 41通过SPI获得A/D转换电路43采样所得的数据，经中值 滤波算法获取锯切面垂直度检测数据和锯条拉齿检测数据，中值滤波对消除随机干扰十分 有效。
[0033] 如图5所示，锯切面垂直度检测装置20的检测原理是：一旦锯切面垂直度出现偏 移、则锯条13随之产生偏摆，与基准线生成夹角α，导向滚轮8为夹角的起点；待锯切工件 15处的偏移量D与第1检测点处的检测偏移量d之间，存在相似三角形对应边的比例关系
(1) 式中 Ll是第1检测点相对于导向滚轮8的距离，在锯切面垂直度检测装置20安装完毕后， Ll是一个常量，可以在操作界面中设置；第1检测点为第1耐磨环28紧贴锯条13侧面的 触点； L是锯条13锯切中心相对导向滚轮8的距离，与待锯切工件15的尺寸相关； d是锯切面垂直度检测装置20在第1检测点处检测输出的偏移量； 根据公式（1)，就可以实时获得锯条13位于锯切中心的偏移量D。
[0034] 如图6所示，锯条拉齿检测装置30的检测原理是：锯切加工过程中，锯条受到被锯 切材料的反作用力，会形成一条弧线形态；锯条与材料接触时、被锯切材料对锯条产生反作 用力Fz，根据三角公式可得 (2) 式中
I1为第2检测点与固定导向座11之间的距离； 1为锯条13最大弯曲点与固定导向座11之间的距离； h'是锯条拉齿检测装置30在第2检测点检测输出的锯条弯曲变形量，第2检测点为第 2耐磨环31紧贴锯条13背部的触点； h为锯条最大弯曲点的弯曲变形量。
[0035] 注：潘柏松等人编著的《金属切削带锯床设计理论与方法》书中指出，锯条进给过 程的弯曲变形量h与进给切削抗力Fz成正比，拉齿瞬间切削抗力F 2会产生剧烈变化，导致 弯曲变形量h剧烈波动；因此，锯条拉齿检测装置（30)检测到h的波动信号，可得出锯条是 否发生拉齿故障。
[0036] 如图7所示，锯切面垂直度纠偏流程是：用户输入锯切面垂直度的最大偏移允许 误差Dmax，检测信号处理装置40将最大允许误差Dmax的75%作为允许值D pe"，即检测到锯切 面垂直度实际偏移误差D小于Dpmi时，操作界面显示锯切正常；当检测到的实际偏移误差 D大于Dpmi时，操作界面出现警告提示，提醒操作员注意锯床工作状况；当检测的实际偏移 误差D大于最大允许误差Dmax，检测信号处理装置40控制带锯床的锯框1和锯条13停止工 进，操作界面显示报警。
[0037] 如图8所示，锯条拉齿处理流程是：用户输入锯条的齿形，锯条型号，并输入锯切 工件的属性参数：尺寸、材料等；检测信号处理装置40根据工艺参数，从E2PR0M中自动匹 配出相应的锯条的最大允许变形量AHmax。检测信号处理装置40将最大允许变形量AHmax的75%作为允许值Λ Hpmi，即检测到锯条实际变形量Λ H小于允许值Λ Hpot时，操作界面显 示锯条工作正常；当检测到的锯条实际变形量ΛΗ大于允许值AHpot时，操作界面出现警 告提示，提醒操作员锯条工作异常，查看锯床机况，决定是否需要停下机器并更换锯条；当 检测到锯条实际变形量△ H大于最大允许变形量AHmax，检测信号处理装置40控制带锯床 的锯框1和锯条13停止工进，操作界面显示报警。
【主权项】
1. 锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统由锯切面垂直度检测装置（20)、锯条拉齿检 测装置（30)、检测信号处理装置（40)组成；检测系统的检测对象带锯床包括锯框（1)、第1 位置检测传感器（2)、活动导向臂（3)、第2位置检测传感器（4)、燕尾梁（5)、导臂位置检测 栅尺（6)、导向立柱（7)、活动端导向滚轮（8)、活动导向座（9)、活动夹钳（10)、固定导向座 (11)、导向立柱套（12)、锯条（13)、锯轮（14)、待锯切工件（15)、固定导向臂（16)、固定端导 向滚轮（17); 锯切面垂直度检测装置（20 )和锯条拉齿检测装置（30 )分别安装在活动导向座（9 )、固 定导向座（11)上；锯条（13)绕过锯轮（14)，经活动端导向滚轮（8)、活动导向座（9)和固定 导向座（11)后被导向扭正，使锯条 （13)与待锯切工件（15)垂直；活动端导向滚轮（8)安装 在固定导向座（11)上，活动导向座（9)与活动导向臂（3)采用螺丝连接、通过燕尾面配合安 装在燕尾梁（5)上，活动导向臂（3)可沿燕尾梁（5)左右移动来调节距离；第1位置检测传 感器（2)和第2位置检测传感器（4)通过螺丝固定至活动导向臂（3)，并随活动导向臂（3) 左右移动，导臂位置检测栅尺（6)用螺丝固定在燕尾梁（5)上，燕尾梁（5)和锯轮（14)安装 在锯框（1)上，锯框（1)通过螺丝紧固在导向立柱套（12)上，导向立柱套（12)与导向立柱 (7)过渡配合，导向立柱套（12)可以沿着导向立柱（7)上下自由滑动，活动夹钳（10)固定 待锯切工件（15);锯切面垂直度检测装置（20)的第1耐磨环紧贴锯条（13)的侧面，锯条拉 齿检测装置（30)的第2耐磨环紧贴锯条（13)的背部；锯条（13)在锯轮（14)的带动下，经 活动导向臂（3)、导向滚轮（8)、活动导向座（9)、固定导向座（11)导向，在锯框（1)升降运动 的配合下，实施待锯切工件（15)的垂直锯切；锯切面垂直度检测装置（20)和锯条拉齿检测 装置（30)与检测信号处理装置（40)相连，上传锯切面垂直度和锯条拉齿的检测信号。2. 根据权利要求1所述的锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统，其特征在于所述的 锯切面垂直度检测装置（20)包括防水接头（21)、非接触式位移传感器（22)，位移传感器信 号源（23)、弹簧压缩杆（24)、弹簧（25)、杠杆（26)、旋转中心轴（27)、第1耐磨环（28)、轴承 (29)、壳体（200); 锯切面垂直度检测装置（20)经第1耐磨环（28)紧贴锯条（13)侧面，第1耐磨环（28) 过盈配合套在轴承（29)上，轴承（29)与杠杆（26)过盈配合，再通过螺丝将轴承（29)紧固 在杠杆（26 )的一端，杠杆（26 )经旋转中心轴（27 )与壳体（200 )连接，杠杆（26 )与旋转中心 轴（27)过渡配合，旋转中心轴（27)与壳体（200)通过螺纹紧固，位移传感器信号源（23)借 助螺纹固定在杠杆（26)的另一端，非接触式位移传感器（22)用螺丝固定在壳体（200)上， 弹簧压缩杆（24)采用螺纹固定在杠杆（26)上，弹簧（25)放置在壳体（200)与弹簧压缩杆 (24)之间，防水接头（21)通过管螺纹紧固在壳体（200)上； 在弹簧（25)的作用下，第1耐磨环（28)紧贴锯条（13)的侧面、随锯条（13)偏摆，第1 耐磨环（28)检测锯条（13)锯切时产生的偏移量；因第1耐磨环（28)与轴承（29)过盈配 合、轴承（29)与杠杆（26)过盈配合，并通过螺丝将轴承（29)紧固在杠杆（26)的一端，故锯 条（13)的偏移量传递到杠杆（26)，杠杆（26)以旋转中心轴（27)为中心偏摆，固定在杠杆 (26)上的位移传感器信号源（23)根椐锯条（13)的偏摆生成1 :3比例的偏移量；非接触式 位移传感器（22)检测偏移量，偏移量以电压信号输出到检测信号处理装置（40);检测信号 处理装置（40)根椐偏移量信号，监控锯切面垂直度的实时变化，一旦锯切偏斜程度超出工 艺规定指标，则启动锯切面垂直度纠偏流程。3. 根据权利要求1所述的锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统，其特征在于所述的锯 条拉齿检测装置（30)包括第2耐磨环（31)、耐磨环连接杆（32)、滑动杆（33)、自复位弹簧 (34)、位移传感器（35);第2耐磨环（31)与耐磨环连接杆（32)采用精密圆柱销紧固，精密圆 柱销与前者过盈配合、与后者过渡配合，耐磨环连接杆（32)通过螺纹与滑动杆（33)连接， 滑动杆（33)经无油轴承与位移传感器（35)连接，自复位弹簧（34)置于滑动杆（33)与位移 传感器（35)之间； 在自复位弹簧（34)的作用下，第2耐磨环（31)紧贴锯条（13)的背部，随锯条（13)上 下波动，第2耐磨环（31)带动耐磨环连接杆（32)、滑动杆（33)产生位移变化，位移传感器 (35) 检测位移量、位移量以电压信号输出到检测信号处理装置（40);检测信号处理装置 (40)根椐位移量、检测锯条（13)的上下波动值，参照生产商提供的锯条波动参数值，一旦检 测的锯条波动超出工艺规定指标、即在拉齿发生的瞬间启动锯条拉齿处理流程。4. 根据权利要求1所述的锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统，其特征在于所述的 检测信号处理装置（40)包括主控芯片FPGA(41)、E2PROM(42)、A/D转换电路（43)、基准 电源电路（44)、信号调理电路（45)、双绞屏蔽线（46);主控芯片FPGA(41)通过I2C连接 E2PROM(42)、通过SPI连接A/D转换电路（43)，基准电源电路（44)与A/D转换电路（43) 相连；锯切面垂直度检测装置（20 )通过双绞屏蔽线（46 )接入信号调理电路（45 )、A/D转换 电路（43 )，锯条拉齿检测装置（30 )的连结方式类同；锯切面垂直度检测装置（20 )和锯条拉 齿检测装置（30)上传锯切面垂直度和锯条拉齿的检测信号，检测信号经调理、A/D后至主 控芯片FPGA(41)处理；主控芯片FPGA(41)通过RS485与上位机相连，上位机完成人机交 互、数椐的处理和存储。5. -种使用如权利要求1所述系统的锯切面垂直度检测方法，其特征在于锯切面垂直 度纠偏流程是：用户输入锯切面垂直度的最大偏移允许误差Dmax，检测信号处理装置（40) 将最大允许误差〇_的75%作为允许值DPOT，即检测到锯切面垂直度实际偏移误差D小于 Dpmi时，操作界面显示锯切正常；当检测到的实际偏移误差D大于DPOT时，操作界面出现警 告提示，提醒操作员注意锯床工作机况；当检测的实际偏移误差D大于最大允许误差D_， 检测信号处理装置（40)控制带锯床的锯框（1)和锯条（13)停止工进，操作界面显示报警。6. -种使用如权利要求1所述系统的锯条拉齿检测方法，其特征在于锯条拉齿处理 流程是：用户输入锯条的齿形，锯条型号，并输入锯切工件的属性参数：尺寸、材料等；检测 信号处理装置（40)根据工艺参数，从E2PROM中自动匹配出相应的锯条的最大允许变形量 AHmax，检测信号处理装置（40)将最大允许变形量A11_的75%作为允许值AHpmi，即检测 到锯条实际变形量AH小于允许值八1^"时，操作界面显示锯条工作正常；当检测到的锯 条实际变形量AH大于允许值AHpot时，操作界面出现警告提示，提醒操作员锯条工作异 常，查看锯床机况，决定是否需要停下机器并更换锯条；当检测到锯条实际变形量AH大于 最大允许变形量AHmax，检测信号处理装置（40)控制带锯床的锯框（1)和锯条（13)停止工 进，操作界面显示报警。
【专利摘要】本发明公开一种锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统及方法。检测系统由锯切面垂直度检测装置、锯条拉齿检测装置、检测信号处理装置组成，检测信号处理装置处理检测装置上传的锯切面垂直度和锯条拉齿检测信号。锯切面垂直度检测装置的耐磨环紧贴锯条侧面，锯条拉齿检测装置的耐磨环紧贴锯条的背部，借助检测装置内置的位移传感器检测锯切面垂直度和锯条拉齿的前兆，阻止待加工件的过度偏移和锯条多米诺”拉齿现象的发生。检测系统有助于减少后序金加工的加工量，提升金加工全流程的效率；降低锯床耗材（锯条）和待锯切材料的用量，提高待加工件的加工品质。
【IPC分类】B23Q17/09, B23Q17/00, B23Q17/20
【公开号】CN104889819
【申请号】CN201510120340
【发明人】吴学远, 陈则煌, 凌振飞, 李斌胜, 吴明光
【申请人】杭州飘哲电子科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月19日
【技术领域】
[0001] 本发明属带锯床锯切工艺参数的在线检测技术范畴，特别是指带锯床加工过程 中，实时检测工件锯切面垂直度和锯条拉齿工艺参数的系统及方法。
【背景技术】
[0002] 机械零部件的金加工工艺流程始于锯切工序，锯切是零件加工过程中重要的组成 环节；因此，锯床广泛地应用于钢铁、机械、汽车、造船、石油、矿山和航空航天等国民经济各 个领域。1933年，美国杜尔（DOALL)公司率先提出带锯锯切工艺，颠覆了传统的弓型、圆盘 锯切工艺；1964年，历时32年持续攻关、带锯锯切工艺取得实质性突破一双金属锯条诞 生，时至今日带锯床始终牢牢占据锯床业的主导地位。带锯床锯切速度快、直径大，锯口消 耗少、精度高，给金属锯切带来了革命性的变革。1967年至1977年，美国带锯床产量年增 31 %，占同期锯床总产量的80%以上，并迅速风靡发达国家。现代化数控带锯床不仅自身的 生产效率极高，而且因锯切产品的质量上乘一大大减少了后续工序的二次加工量，提高了 零部件金加工全流程的效率。数控带锯床的另一优势是低耗：不但减少了锯切耗材一锯条 的消耗，同时降低了劳动强度和用工数、以及待加工件的材料耗损。数控带锯床代表了现代 制造工业朝着高效率，高精度和低消耗的发展方向。
[0003] 我国的带锯床与其它行业相拟，走的是引进、消化、吸收，再创造之路。
[0004] · 1968年，湖南机床厂引进国外带锯床，消化吸收后着手仿制；1985年，代表性成 果 双金属锅条试制成功。
[0005] · 1986年，上海沪南带锯厂根据美国公司的图纸资料，推出带锯床样机。
[0006] ?九十年代初，名不见经传的浙江省纟晋云县壶镇带锅床异军崛起；1998年，首台壶 镇产带锯床问世。适逢我国经济高速持续发展机遇期，区域块状经济为特征的壶镇锯床以 低水平、低投入和低成本的扩张方式，迎合了当时中国制造业的需要；短短几年就挤占了全 国带锯床市场份额的70%。2009年，中国跃居世界带锯床第一大生产国；2011年，壶镇专业 带锯床的产值突破15亿元。支撑壶镇带锯床崛起的是遍布全国的销售网、区域块状经济的 成本优势、加上机制灵活等非技术因素。
[0007] 2014年12月，中央经济工作会议指出：经济发展进入新常态，高速增长转向中高 速增长，规模速度型粗放增长转向质量效率型集约增长，传统增长点转向新的增长点。2012 年中国带锯床"粗放增长"模式已呈现难以为继的冏态：产品同质化、价格战和低价无序竞 争成业界的主旋律。锯床企业的自主研发能力薄弱，产品的技术含量和附加值低；如日本阿 玛达公司的S400FA带锯床报价约22万、是国产同类带锯床的4倍；台湾带锯床的90%出 口，国内同行的外销之旅至今仍举步维艰。目前，国产带锯床在整机的机械结构设计、零部 件加工精度、组装调试手段方面，与发达国家差距不大、甚至难分仲伯。工信部"机床工具行 业"十二五"发展规划"指出："从整体来说行业大而不强，数控系统和关键功能部件发展滞 后等问题明显制约着行业的可持续发展";并在"重点发展产品一切削刀具及量具量仪"项 中，明确研发的内容是"数字化精密量具和量仪，在线检测自动化量仪"。
[0008] 对比发达国家与国产带锯床的工艺技术指标，不难发现，在锯切垂直度和锯条拉 齿两项关键指标上存在明显的差距。国产带锯床锯切偏斜的瑕疵时有发生，锯切SUS304 类不锈钢、高硬度模具钢、钛镍合金钢时，锯偏概率急剧上升。发达国家高端带锯床标配锯 切面垂直度检测装置，属厂商的核心机密；遗憾的是锯切面垂直度检测尚未得到国内同行 的重视。业界无奈的应对之策是：加大锯切余量。加大锯切余量的代价不菲，首先，增大了 后序金加工的加工量，将导致零部件金加工全流程的效率下降；其次，增加了锯切料的损耗 率，将产生大量的材料浪费；第三，锯切过程中抖动大，带锯床和带锯床自身耗材(锯条）的 工作寿命大打折扣，将使锯床的运维费用上升。必须指出，带锯床锯条耗材已成为锯切加工 成本的决定性因素；世界范围内锯条的年生产总值10倍于锯床，因此锯条的锯切寿命指标 关系到厂商的核心竞争力。以同型锯条、锯切不锈钢SUS304为例，德国贝林格公司锯床可 锯切4m2左右，而国产锯床仅2m2上下。锯条使用寿命差距的主因源于前者配置锯条拉齿检 测装置，即齿尖崩裂检测装置；齿尖崩裂俗称"拉齿"、"拉齿"亦被形象地称为"多米诺"拉 齿，因为只要1个锯齿出现崩裂、该崩齿驻留在锯切缝中将损伤锯条的其它齿，连锁反应、 瞬间整条锯条报废。随着带锯床锯切材料多样性的内涵不断丰富，特别是镍铬系韧性材料 份额的持续增大，"拉齿"现象急剧增加。遗撼的是锯条拉齿检测尚未得到国内同行的重点 关注。业界无奈的应对举措是：降低锯切速度，加强操作员对锯条的观察；降低锯切速度意 味着生产效率的下降，加强操作员观察则受限于生理条件且无法从根本上解决问题。
[0009] 实时检测锯切面垂直度和锯条拉齿所面临的技术挑战是：锯切时锯条的锯切部分 完全嵌入在待锯切的工件中，狭窄的锯切缝充满切削液和铁屑，直接检测锯切面垂直度和 锯条拉齿的技术方案可行性差；间接检测锯切面垂直度和锯条拉齿，有赖于建立锯条锯切 时的力一形变模型，以及简单有效的形变检测装置和方法。就锯切面垂直度和锯条拉齿检 测装置的设计而言，深入剖析全面评估影响锯切面垂直度和锯条拉齿的综合因素是非常必 要的。
[0010] 影响锯切面垂直度的四大因素是： ?国产带锯床大多采用斜向分齿锯条，左/右斜齿各1、外加1齿居中、3齿一组周而复 始；锯切时一旦发生单侧齿非均匀钝化，锯条倾斜偏向锋利一侧，导致切斜即锯切面偏离垂 直方向。
[0011] ?锯床长期使用后，锯框和导向机构的间隙变大，导致锯条偏离垂直方向切入。
[0012] ?锯条张紧力不够，导致锯切过程锯条偏斜。
[0013] ?锯条夹持片过度磨损，导致锯切过程锯条偏斜。
[0014] 影响锯条拉齿的四大因素是： ?待锯切料中分布的材料硬点。
[0015] ?锯切过快、排屑不畅，齿尖受力过大。
[0016] ?待锯切材料夹持不到位，锯切过程中待锯切材料移动。
[0017] ?锯条选型不对，齿形过小或过大。
[0018] 因此，有必要在上述论述的基础上作深入的研究与创新：提出实时检测工件锯切 面垂直度和锯条拉齿工艺参数的系统及方法，根椐锯条偏离垂直方向的数据，进行相应的 处理；一旦检测出拉齿端倪，则停止锯切、锯框(锯条）快速上升，避免锯条报废等重大事故 的发生。
【发明内容】
[0019] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种锯切面垂直度和锯条拉齿的检测 系统及方法。
[0020] 锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统由锯切面垂直度检测装置、锯条拉齿检测装 置、检测信号处理装置组成；检测系统的检测对象带锯床包括锯框、第1位置检测传感器、 活动导向臂、第2位置检测传感器、燕尾梁、导臂位置检测栅尺、导向立柱、活动端导向滚 轮、活动导向座、活动夹钳、固定导向座、导向立柱套、锯条、锯轮、待锯切工件、固定导向臂、 固定端导向滚轮； 锯切面垂直度检测装置和锯条拉齿检测装置分别安装在活动导向座、固定导向座上； 锯条绕过锯轮，经活动端导向滚轮、活动导向座和固定导向座后被导向扭正，使锯条与待锯 切工件垂直；活动端导向滚轮安装在固定导向座上，活动导向座与活动导向臂采用螺丝连 接、通过燕尾面配合安装在燕尾梁上，活动导向臂可沿燕尾梁左右移动来调节距离；第1位 置检测传感器和第2位置检测传感器通过螺丝固定至活动导向臂，并随活动导向臂左右移 动，导臂位置检测栅尺 用螺丝固定在燕尾梁上，燕尾梁和锯轮安装在锯框上，锯框通过螺丝 紧固在导向立柱套上，导向立柱套与导向立柱过渡配合，导向立柱套可以沿着导向立柱上 下自由滑动，活动夹钳固定待锯切工件；锯切面垂直度检测装置的第1耐磨环紧贴锯条的 侧面，锯条拉齿检测装置的第2耐磨环紧贴锯条的背部； 锯条在锯轮的带动下，经活动导向臂、导向滚轮、活动导向座、固定导向座导向，在锯框 升降运动的配合下，实施待锯切工件的垂直锯切；锯切面垂直度检测装置和锯条拉齿检测 装置与检测信号处理装置相连，上传锯切面垂直度和锯条拉齿的检测信号。
[0021] 所述的锯切面垂直度检测装置包括防水接头、非接触式位移传感器，位移传感器 信号源、弹簧压缩杆、弹簧、杠杆、旋转中心轴、第1耐磨环、轴承、壳体； 锯切面垂直度检测装置经第1耐磨环紧贴锯条侧面，第1耐磨环过盈配合套在轴承 上，轴承与杠杆过盈配合，再通过螺丝将轴承紧固在杠杆的一端，杠杆经旋转中心轴与壳体 连接，杠杆与旋转中心轴过渡配合，旋转中心轴与壳体通过螺纹紧固，位移传感器信号源借 助螺纹固定在杠杆的另一端，非接触式位移传感器用螺丝固定在壳体上，弹簧压缩杆采用 螺纹固定在杠杆上，弹簧放置在壳体与弹簧压缩杆之间，防水接头通过管螺纹紧固在壳体 上； 在弹簧的作用下，第1耐磨环紧贴锯条的侧面、随锯条偏摆，第1耐磨环检测锯条锯切 时产生的偏移量；因第1耐磨环与轴承过盈配合、轴承与杠杆过盈配合，并通过螺丝将轴承 紧固在杠杆的一端，故锯条的偏移量传递到杠杆，杠杆以旋转中心轴为中心偏摆，固定在杠 杆上的位移传感器信号源根椐锯条的偏摆生成1 :3比例的偏移量；非接触式位移传感器检 测偏移量，偏移量以电压信号输出到检测信号处理装置；检测信号处理装置根椐偏移量信 号，监控锯切面垂直度的实时变化，一旦锯切偏斜程度超出工艺规定指标，则启动锯切面垂 直度纠偏流程。
[0022] 所述的锯条拉齿检测装置包括第2耐磨环、耐磨环连接杆、滑动杆、自复位弹簧、 位移传感器；第2耐磨环与耐磨环连接杆采用精密圆柱销紧固，精密圆柱销与前者过盈配 合、与后者过渡配合，耐磨环连接杆通过螺纹与滑动杆连接，滑动杆经无油轴承与位移传感 器连接，自复位弹簧置于滑动杆与位移传感器之间； 在自复位弹簧的作用下，第2耐磨环紧贴锯条的背部，随锯条上下波动，第2耐磨环带 动耐磨环连接杆、滑动杆产生位移变化，位移传感器检测位移量、位移量以电压信号输出到 检测信号处理装置；检测信号处理装置根椐位移量、检测锯条的上下波动值，参照生产商提 供的锯条波动参数值，一旦检测的锯条波动超出工艺规定指标、即在拉齿发生的瞬间启动 锯条拉齿处理流程。
[0023] 所述的检测信号处理装置包括主控芯片FPGA、E2PR0M、A/D转换电路、基准电源电 路、信号调理电路、双绞屏蔽线；主控芯片FPGA通过I2C连接E2PR0M、通过SPI连接A/D转 换电路，基准电源电路与A/D转换电路相连；锯切面垂直度检测装置通过双绞屏蔽线接入 信号调理电路、A/D转换电路，锯条拉齿检测装置的连结方式类同；锯切面垂直度检测装置 和锯条拉齿检测装置上传锯切面垂直度和锯条拉齿的检测信号，检测信号经调理、A/D后至 主控芯片FPGA处理；主控芯片FPGA通过RS485与上位机相连，上位机完成人机交互、数椐 的处理和存储。
[0024] 所述的锯切面垂直度检测方法的锯切面垂直度纠偏流程是：用户输入锯切面垂直 度的最大偏移允许误差Dmax，检测信号处理装置将最大允许误差Dmax的75%作为允许值D pot, 即检测到锯切面垂直度实际偏移误差D小于Dpot时，操作界面显示锯切正常；当检测到的 实际偏移误差D大于Dpmi时，操作界面出现警告提示，提醒操作员注意锯床工作机况；当检 测的实际偏移误差D大于最大允许误差Dmax，检测信号处理装置控制带锯床的锯框和锯条 停止工进，操作界面显示报警。
[0025] 所述的锯条拉齿检测方法的锯条拉齿处理流程是：用户输入锯条的齿形，锯条 型号，并输入锯切工件的属性参数：尺寸、材料等；检测信号处理装置根据工艺参数，从 E2PR0M中自动匹配出相应的锯条的最大允许变形量测信号处理装置将最大允许 变形量Λ Hmax的75%作为允许值Λ Hpmi，即检测到锯条实际变形量Λ H小于允许值AHpmi时，操作界面显示锯条工作正常；当检测到的锯条实际变形量ΛΗ大于允许值八民_时，操 作界面出现警告提示，提醒操作员锯条工作异常，查看锯床机况，决定是否需要停下机器并 更换锯条；当检测到锯条实际变形量△ H大于最大允许变形量AHmax，检测信号处理装置控 制带锯床的锯框和锯条停止工进，操作界面显示报警。
[0026] 本发明与【背景技术】相比，具有的有益效果是： 本发明在线检测锯切过程中锯切面垂直度和锯条拉齿的前兆，从而有效阻止了待加工 件的过度偏移和锯条多米诺"拉齿现象的发生。因此，本发明有助于减少后序金加工的加工 量，提升金加工全流程的效率；另一方面，降低了锯床耗材(锯条）和待锯切材料的用量，提 高了待加工件的加工品质。检测信号处理装置采用FPGA主控芯片、程序的硬件实现堵绝了 "程序跑飞"；锯切面垂直度检测装置和锯条拉齿检测装置通过双绞屏蔽线上传检测信号， 双绞屏蔽线可抑制电磁干扰。
【附图说明】
[0027] 图1是锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统结构图； 图2-1、图2-2是锯切面垂直度检测装置的结构图； 图3是锯条拉齿检测装置的结构图； 图4是检测信号处理装置的原理框图； 图5是锯切面垂直度的检测原理图； 图6是锯条拉齿的检测原理图； 图7是锯切面垂直度的检测流程图； 图8是锯条拉齿的检测流程图。
【具体实施方式】
[0028] 如图1所示，锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统由锯切面垂直度检测装置20、 锯条拉齿检测装置30、检测信号处理装置40组成；检测系统的检测对象带锯床包括锯框1、 第1位置检测传感器2、活动导向臂3、第2位置检测传感器4、燕尾梁5、导臂位置检测栅尺 6、导向立柱7、活动端导向滚轮8、活动导向座9、活动夹钳10、固定导向座11、导向立柱套 12、锯条13、锯轮14、待锯切工件15、固定导向臂16、固定端导向滚轮17 ; 锯切面垂直度检测装置20和锯条拉齿检测装置30分别安装在活动导向座9、固定导 向座11上；锯条13绕过锯轮14,经活动端导向滚轮8、活动导向座9和固定导向座11后被 导向扭正，使锯条13与待锯切工件15垂直；固定端导向滚轮17安装在固定导向座11上， 活动端导向滚轮8安装在活动导向座9上，固定导向座11与固定导向臂16采用螺丝连接， 活动导向座9与活动导向臂3采用螺丝连接，固定导向臂16和活动导向臂3通过燕尾面配 合安装在燕尾梁5上，活动导向臂3可沿燕尾梁5左右移动来调节距离；第1位置检测传感 器2和第2位置检测传感器4通过螺丝固定至活动导向臂3,并随活动导向臂3左右移动， 导臂位置检测栅尺6用螺丝固定在燕尾梁5上，燕尾梁5和锯轮14安装在锯框1上，锯框 1通过螺丝紧固在导向立柱套12上，导向立柱套12与导向立柱7过渡配合，导向立柱套12 可以沿着导向立柱7上下自由滑动，活动夹钳10固定待锯切工件15 ;锯切面垂直度检测装 置20的第1耐磨环紧贴锯条13的侧面，锯条拉齿检测装置30的第2耐磨环紧贴锯条13 的背部； 锯条13在锯轮14的带动下，经活动导向臂3、导向滚轮8、活动导向座9、固定导向座 11导向，在锯框1升降运动的配合下，实施待锯切工件15的垂直锯切；锯切面垂直度检测 装置20和锯条拉齿检测装置30与检测信号处理装置40相连，上传锯切面垂直度和锯条拉 齿的检测信号。
[0029] 如图2-1、图2-2所示，锯切面垂直度检测装置20包括防水接头21、非接触式位移 传感器2 2,位移传感器信号源23、弹簧压缩杆24、弹簧25、杠杆26、旋转中心轴27、第1耐 磨环28、轴承29、壳体200 ; 锯切面垂直度检测装置20经第1耐磨环28紧贴锯条13侧面，第1耐磨环28过盈配 合套在轴承29上，轴承29与杠杆26过盈配合，再通过螺丝将轴承29紧固在杠杆26的一 端，杠杆26经旋转中心轴27与壳体200连接，杠杆26与旋转中心轴27过渡配合，旋转中心 轴27与壳体200通过螺纹紧固，位移传感器信号源23借助螺纹固定在杠杆26的另一端， 非接触式位移传感器22用螺丝固定在壳体200上，弹簧压缩杆24采用螺纹固定在杠杆26 上，弹簧25放置在壳体200与弹簧压缩杆24之间，防水接头21通过管螺纹紧固在壳体200 上； 在弹簧25的作用下，第1耐磨环28紧贴锯条13的侧面、随锯条13偏摆，第1耐磨环 28检测锯条13锯切时产生的偏移量；因第1耐磨环28与轴承29过盈配合、轴承29与杠杆 26过盈配合，并通过螺丝将轴承29紧固在杠杆26的一端，故锯条13的偏移量传递到杠杆 26,杠杆26以旋转中心轴27为中心偏摆，固定在杠杆26上的位移传感器信号源23根椐锅 条13的偏摆生成1 :3比例的偏移量；非接触式位移传感器22检测偏移量，偏移量以电压信 号输出到检测信号处理装置40 ;检测信号处理装置40根椐偏移量信号，监控锯切面垂直度 的实时变化，一旦锯切偏斜程度超出工艺规定指标，则启动锯切面垂直度纠偏流程。
[0030] 如图3所示，锯条拉齿检测装置30包括第2耐磨环31、耐磨环连接杆32、滑动杆 33、自复位弹簧34、位移传感器35 ;第2耐磨环31与耐磨环连接杆32采用精密圆柱销紧 固，精密圆柱销与前者过盈配合、与后者过渡配合，耐磨环连接杆32通过螺纹与滑动杆33 连接，滑动杆33经无油轴承与位移传感器35连接，自复位弹簧34置于滑动杆33与位移传 感器35之间； 在自复位弹簧34的作用下，第2耐磨环31紧贴锯条13的背部，随锯条13上下波动， 第2耐磨环31带动耐磨环连接杆32、滑动杆33产生位移变化，位移传感器35检测位移量、 位移量以电压信号输出到检测信号处理装置40 ;检测信号处理装置40根椐位移量、检测锯 条13的上下波动值，参照生产商提供的锯条波动参数值，一旦检测的锯条波动超出工艺规 定指标、即在拉齿发生的瞬间启动锯条拉齿处理流程。
[0031] 如图4所示，检测信号处理装置40包括主控芯片FPGA 41、E2PR0M 42、A/D转换电 路43、基准电源电路44、信号调理电路45、双绞屏蔽线46 ;主控芯片FPGA 41通过12C连接 E2PR0M 42、通过SPI连接A/D转换电路43,基准电源电路44与A/D转换电路43相连；锯 切面垂直度检测装置20通过双绞屏蔽线46接入信号调理电路45、A/D转换电路43,锯条 拉齿检测装置30的连结方式类同；锯切面垂直度检测装置20和锯条拉齿检测装置30上传 锯切面垂直度和锯条拉齿的检测信号，检测信号经调理、A/D后至主控芯片FPGA 41处理； 主控芯片FPGA 41通过RS485与上位机相连，上位机完成人机交互、数椐的处理和存储。
[0032] 说明：主控芯片采用FPGA、程序的硬件实现堵绝了"程序跑飞"故障，带锯床的电 气环境恶劣，检测信号处理装置40的强抗干扰能力是必需的；基准电源电路44采用高精度 低温漂基准电源芯片REF198给A/D转换电路43供电，提高了 A/D精度；锯切面垂直度检测 装置20、锯条拉齿检测装置30通过双绞屏蔽线与信号调理电路45相连，双绞屏蔽线可有效 抑制电磁干扰；主控芯片FPGA 41通过SPI获得A/D转换电路43采样所得的数据，经中值 滤波算法获取锯切面垂直度检测数据和锯条拉齿检测数据，中值滤波对消除随机干扰十分 有效。
[0033] 如图5所示，锯切面垂直度检测装置20的检测原理是：一旦锯切面垂直度出现偏 移、则锯条13随之产生偏摆，与基准线生成夹角α，导向滚轮8为夹角的起点；待锯切工件 15处的偏移量D与第1检测点处的检测偏移量d之间，存在相似三角形对应边的比例关系
(1) 式中 Ll是第1检测点相对于导向滚轮8的距离，在锯切面垂直度检测装置20安装完毕后， Ll是一个常量，可以在操作界面中设置；第1检测点为第1耐磨环28紧贴锯条13侧面的 触点； L是锯条13锯切中心相对导向滚轮8的距离，与待锯切工件15的尺寸相关； d是锯切面垂直度检测装置20在第1检测点处检测输出的偏移量； 根据公式（1)，就可以实时获得锯条13位于锯切中心的偏移量D。
[0034] 如图6所示，锯条拉齿检测装置30的检测原理是：锯切加工过程中，锯条受到被锯 切材料的反作用力，会形成一条弧线形态；锯条与材料接触时、被锯切材料对锯条产生反作 用力Fz，根据三角公式可得 (2) 式中
I1为第2检测点与固定导向座11之间的距离； 1为锯条13最大弯曲点与固定导向座11之间的距离； h'是锯条拉齿检测装置30在第2检测点检测输出的锯条弯曲变形量，第2检测点为第 2耐磨环31紧贴锯条13背部的触点； h为锯条最大弯曲点的弯曲变形量。
[0035] 注：潘柏松等人编著的《金属切削带锯床设计理论与方法》书中指出，锯条进给过 程的弯曲变形量h与进给切削抗力Fz成正比，拉齿瞬间切削抗力F 2会产生剧烈变化，导致 弯曲变形量h剧烈波动；因此，锯条拉齿检测装置（30)检测到h的波动信号，可得出锯条是 否发生拉齿故障。
[0036] 如图7所示，锯切面垂直度纠偏流程是：用户输入锯切面垂直度的最大偏移允许 误差Dmax，检测信号处理装置40将最大允许误差Dmax的75%作为允许值D pe"，即检测到锯切 面垂直度实际偏移误差D小于Dpmi时，操作界面显示锯切正常；当检测到的实际偏移误差 D大于Dpmi时，操作界面出现警告提示，提醒操作员注意锯床工作状况；当检测的实际偏移 误差D大于最大允许误差Dmax，检测信号处理装置40控制带锯床的锯框1和锯条13停止工 进，操作界面显示报警。
[0037] 如图8所示，锯条拉齿处理流程是：用户输入锯条的齿形，锯条型号，并输入锯切 工件的属性参数：尺寸、材料等；检测信号处理装置40根据工艺参数，从E2PR0M中自动匹 配出相应的锯条的最大允许变形量AHmax。检测信号处理装置40将最大允许变形量AHmax的75%作为允许值Λ Hpmi，即检测到锯条实际变形量Λ H小于允许值Λ Hpot时，操作界面显 示锯条工作正常；当检测到的锯条实际变形量ΛΗ大于允许值AHpot时，操作界面出现警 告提示，提醒操作员锯条工作异常，查看锯床机况，决定是否需要停下机器并更换锯条；当 检测到锯条实际变形量△ H大于最大允许变形量AHmax，检测信号处理装置40控制带锯床 的锯框1和锯条13停止工进，操作界面显示报警。
【主权项】
1. 锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统由锯切面垂直度检测装置（20)、锯条拉齿检 测装置（30)、检测信号处理装置（40)组成；检测系统的检测对象带锯床包括锯框（1)、第1 位置检测传感器（2)、活动导向臂（3)、第2位置检测传感器（4)、燕尾梁（5)、导臂位置检测 栅尺（6)、导向立柱（7)、活动端导向滚轮（8)、活动导向座（9)、活动夹钳（10)、固定导向座 (11)、导向立柱套（12)、锯条（13)、锯轮（14)、待锯切工件（15)、固定导向臂（16)、固定端导 向滚轮（17); 锯切面垂直度检测装置（20 )和锯条拉齿检测装置（30 )分别安装在活动导向座（9 )、固 定导向座（11)上；锯条（13)绕过锯轮（14)，经活动端导向滚轮（8)、活动导向座（9)和固定 导向座（11)后被导向扭正，使锯条 （13)与待锯切工件（15)垂直；活动端导向滚轮（8)安装 在固定导向座（11)上，活动导向座（9)与活动导向臂（3)采用螺丝连接、通过燕尾面配合安 装在燕尾梁（5)上，活动导向臂（3)可沿燕尾梁（5)左右移动来调节距离；第1位置检测传 感器（2)和第2位置检测传感器（4)通过螺丝固定至活动导向臂（3)，并随活动导向臂（3) 左右移动，导臂位置检测栅尺（6)用螺丝固定在燕尾梁（5)上，燕尾梁（5)和锯轮（14)安装 在锯框（1)上，锯框（1)通过螺丝紧固在导向立柱套（12)上，导向立柱套（12)与导向立柱 (7)过渡配合，导向立柱套（12)可以沿着导向立柱（7)上下自由滑动，活动夹钳（10)固定 待锯切工件（15);锯切面垂直度检测装置（20)的第1耐磨环紧贴锯条（13)的侧面，锯条拉 齿检测装置（30)的第2耐磨环紧贴锯条（13)的背部；锯条（13)在锯轮（14)的带动下，经 活动导向臂（3)、导向滚轮（8)、活动导向座（9)、固定导向座（11)导向，在锯框（1)升降运动 的配合下，实施待锯切工件（15)的垂直锯切；锯切面垂直度检测装置（20)和锯条拉齿检测 装置（30)与检测信号处理装置（40)相连，上传锯切面垂直度和锯条拉齿的检测信号。2. 根据权利要求1所述的锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统，其特征在于所述的 锯切面垂直度检测装置（20)包括防水接头（21)、非接触式位移传感器（22)，位移传感器信 号源（23)、弹簧压缩杆（24)、弹簧（25)、杠杆（26)、旋转中心轴（27)、第1耐磨环（28)、轴承 (29)、壳体（200); 锯切面垂直度检测装置（20)经第1耐磨环（28)紧贴锯条（13)侧面，第1耐磨环（28) 过盈配合套在轴承（29)上，轴承（29)与杠杆（26)过盈配合，再通过螺丝将轴承（29)紧固 在杠杆（26 )的一端，杠杆（26 )经旋转中心轴（27 )与壳体（200 )连接，杠杆（26 )与旋转中心 轴（27)过渡配合，旋转中心轴（27)与壳体（200)通过螺纹紧固，位移传感器信号源（23)借 助螺纹固定在杠杆（26)的另一端，非接触式位移传感器（22)用螺丝固定在壳体（200)上， 弹簧压缩杆（24)采用螺纹固定在杠杆（26)上，弹簧（25)放置在壳体（200)与弹簧压缩杆 (24)之间，防水接头（21)通过管螺纹紧固在壳体（200)上； 在弹簧（25)的作用下，第1耐磨环（28)紧贴锯条（13)的侧面、随锯条（13)偏摆，第1 耐磨环（28)检测锯条（13)锯切时产生的偏移量；因第1耐磨环（28)与轴承（29)过盈配 合、轴承（29)与杠杆（26)过盈配合，并通过螺丝将轴承（29)紧固在杠杆（26)的一端，故锯 条（13)的偏移量传递到杠杆（26)，杠杆（26)以旋转中心轴（27)为中心偏摆，固定在杠杆 (26)上的位移传感器信号源（23)根椐锯条（13)的偏摆生成1 :3比例的偏移量；非接触式 位移传感器（22)检测偏移量，偏移量以电压信号输出到检测信号处理装置（40);检测信号 处理装置（40)根椐偏移量信号，监控锯切面垂直度的实时变化，一旦锯切偏斜程度超出工 艺规定指标，则启动锯切面垂直度纠偏流程。3. 根据权利要求1所述的锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统，其特征在于所述的锯 条拉齿检测装置（30)包括第2耐磨环（31)、耐磨环连接杆（32)、滑动杆（33)、自复位弹簧 (34)、位移传感器（35);第2耐磨环（31)与耐磨环连接杆（32)采用精密圆柱销紧固，精密圆 柱销与前者过盈配合、与后者过渡配合，耐磨环连接杆（32)通过螺纹与滑动杆（33)连接， 滑动杆（33)经无油轴承与位移传感器（35)连接，自复位弹簧（34)置于滑动杆（33)与位移 传感器（35)之间； 在自复位弹簧（34)的作用下，第2耐磨环（31)紧贴锯条（13)的背部，随锯条（13)上 下波动，第2耐磨环（31)带动耐磨环连接杆（32)、滑动杆（33)产生位移变化，位移传感器 (35) 检测位移量、位移量以电压信号输出到检测信号处理装置（40);检测信号处理装置 (40)根椐位移量、检测锯条（13)的上下波动值，参照生产商提供的锯条波动参数值，一旦检 测的锯条波动超出工艺规定指标、即在拉齿发生的瞬间启动锯条拉齿处理流程。4. 根据权利要求1所述的锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统，其特征在于所述的 检测信号处理装置（40)包括主控芯片FPGA(41)、E2PROM(42)、A/D转换电路（43)、基准 电源电路（44)、信号调理电路（45)、双绞屏蔽线（46);主控芯片FPGA(41)通过I2C连接 E2PROM(42)、通过SPI连接A/D转换电路（43)，基准电源电路（44)与A/D转换电路（43) 相连；锯切面垂直度检测装置（20 )通过双绞屏蔽线（46 )接入信号调理电路（45 )、A/D转换 电路（43 )，锯条拉齿检测装置（30 )的连结方式类同；锯切面垂直度检测装置（20 )和锯条拉 齿检测装置（30)上传锯切面垂直度和锯条拉齿的检测信号，检测信号经调理、A/D后至主 控芯片FPGA(41)处理；主控芯片FPGA(41)通过RS485与上位机相连，上位机完成人机交 互、数椐的处理和存储。5. -种使用如权利要求1所述系统的锯切面垂直度检测方法，其特征在于锯切面垂直 度纠偏流程是：用户输入锯切面垂直度的最大偏移允许误差Dmax，检测信号处理装置（40) 将最大允许误差〇_的75%作为允许值DPOT，即检测到锯切面垂直度实际偏移误差D小于 Dpmi时，操作界面显示锯切正常；当检测到的实际偏移误差D大于DPOT时，操作界面出现警 告提示，提醒操作员注意锯床工作机况；当检测的实际偏移误差D大于最大允许误差D_， 检测信号处理装置（40)控制带锯床的锯框（1)和锯条（13)停止工进，操作界面显示报警。6. -种使用如权利要求1所述系统的锯条拉齿检测方法，其特征在于锯条拉齿处理 流程是：用户输入锯条的齿形，锯条型号，并输入锯切工件的属性参数：尺寸、材料等；检测 信号处理装置（40)根据工艺参数，从E2PROM中自动匹配出相应的锯条的最大允许变形量 AHmax，检测信号处理装置（40)将最大允许变形量A11_的75%作为允许值AHpmi，即检测 到锯条实际变形量AH小于允许值八1^"时，操作界面显示锯条工作正常；当检测到的锯 条实际变形量AH大于允许值AHpot时，操作界面出现警告提示，提醒操作员锯条工作异 常，查看锯床机况，决定是否需要停下机器并更换锯条；当检测到锯条实际变形量AH大于 最大允许变形量AHmax，检测信号处理装置（40)控制带锯床的锯框（1)和锯条（13)停止工 进，操作界面显示报警。
【专利摘要】本发明公开一种锯切面垂直度和锯条拉齿的检测系统及方法。检测系统由锯切面垂直度检测装置、锯条拉齿检测装置、检测信号处理装置组成，检测信号处理装置处理检测装置上传的锯切面垂直度和锯条拉齿检测信号。锯切面垂直度检测装置的耐磨环紧贴锯条侧面，锯条拉齿检测装置的耐磨环紧贴锯条的背部，借助检测装置内置的位移传感器检测锯切面垂直度和锯条拉齿的前兆，阻止待加工件的过度偏移和锯条多米诺”拉齿现象的发生。检测系统有助于减少后序金加工的加工量，提升金加工全流程的效率；降低锯床耗材（锯条）和待锯切材料的用量，提高待加工件的加工品质。
【IPC分类】B23Q17/09, B23Q17/00, B23Q17/20
【公开号】CN104889819
【申请号】CN201510120340
【发明人】吴学远, 陈则煌, 凌振飞, 李斌胜, 吴明光
【申请人】杭州飘哲电子科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月19日
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