機(jī)床加工主軸運(yùn)轉(zhuǎn)熱膨脹誤差檢測(cè)器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型一種機(jī)床加工主軸運(yùn)轉(zhuǎn)熱膨脹誤差檢測(cè)器，包括傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)和熱膨脹檢測(cè)子系統(tǒng)以及控制子系統(tǒng)，其中控制子系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行雙向通訊連接，控制子系統(tǒng)輸出控制信號(hào)至傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)；傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)接收控制子系統(tǒng)的控制信號(hào)對(duì)傳感器位置進(jìn)行定位調(diào)整處理；熱膨脹檢測(cè)子系統(tǒng)對(duì)機(jī)床刀具和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行膨脹量的檢測(cè)和記錄；電源子系統(tǒng)為其它子系統(tǒng)提供純凈電源。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了檢測(cè)精度高、具有自動(dòng)記錄功能的刀具熱膨脹檢測(cè)系統(tǒng)，是高速數(shù)控磨床刀柄熱膨脹誤差動(dòng)態(tài)精密檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，為高精密機(jī)械零件加工提供誤差修正技術(shù)保證。
【專利說(shuō)明】
機(jī)床加工主軸運(yùn)轉(zhuǎn)熱膨脹誤差檢測(cè)器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種機(jī)床檢測(cè)技術(shù)，具體地說(shuō)是一種機(jī)床加工主軸運(yùn)轉(zhuǎn)熱膨脹誤差檢測(cè)器。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的必須設(shè)備之一，其加工精度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提高具有深遠(yuǎn)意義?，F(xiàn)在我國(guó)的很多機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次不高，就是由于加工精度不夠，對(duì)國(guó)防和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了顯著影響。同時(shí)，產(chǎn)品的成品率較低，大大降低了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
[0003]刀具和轉(zhuǎn)動(dòng)軸在高速旋轉(zhuǎn)中，產(chǎn)生發(fā)熱效應(yīng)，使得刀具和轉(zhuǎn)動(dòng)軸膨脹，從而降低了產(chǎn)品加工精度，因此熱膨脹補(bǔ)償成為一個(gè)重要研究課題，補(bǔ)償?shù)那捌诠ぷ魇菍?duì)熱膨脹檢測(cè)的研究，從而形成熱膨脹的規(guī)律，進(jìn)而對(duì)熱膨脹進(jìn)行補(bǔ)償，提高加工精度。
[0004]國(guó)內(nèi)的對(duì)熱膨脹的檢測(cè)，通常基于機(jī)械和普通檢測(cè)裝置的結(jié)合，比如線紋尺-顯微鏡法、接觸式光纖檢測(cè)方法。特點(diǎn)是檢測(cè)精度較低，價(jià)格低，沒(méi)有自動(dòng)記錄功能，需要人工記錄。
[0005]國(guó)外的熱膨脹的檢測(cè)通常建立在復(fù)雜的機(jī)械、電子裝置上，比如激光雙頻干涉儀。一般檢測(cè)精度較高，但是價(jià)格不菲，但是很多檢測(cè)裝置上，沒(méi)有自動(dòng)記錄功能，同樣需要繁瑣的人工記錄。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中機(jī)床加工主軸運(yùn)轉(zhuǎn)熱膨脹誤差的檢測(cè)存在檢測(cè)精度較低、沒(méi)有自動(dòng)記錄功能等不足，本實(shí)用新型要解決的問(wèn)題是提供一種檢測(cè)精度高、具有自動(dòng)記錄功能的機(jī)床加工主軸運(yùn)轉(zhuǎn)熱膨脹誤差檢測(cè)器。
[0007]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:
[0008]本實(shí)用新型一種機(jī)床加工主軸運(yùn)轉(zhuǎn)熱膨脹誤差檢測(cè)器，包括傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)和熱膨脹檢測(cè)子系統(tǒng)以及控制子系統(tǒng)，其中控制子系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行雙向通訊連接，控制子系統(tǒng)輸出控制信號(hào)至傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng);傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)接收控制子系統(tǒng)的控制信號(hào)對(duì)傳感器位置進(jìn)行定位調(diào)整處理;熱膨脹檢測(cè)子系統(tǒng)對(duì)機(jī)床刀具和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行膨脹量的檢測(cè)和記錄;電源子系統(tǒng)為其它子系統(tǒng)提供純凈電源。
[0009]傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器以及步進(jìn)電機(jī)，其中驅(qū)動(dòng)器接收單片機(jī)輸出的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器輸出控制信號(hào)至步進(jìn)電機(jī)。
[0010]熱膨脹檢測(cè)子系統(tǒng)具有傳感器和信號(hào)精密調(diào)理電路，其中，傳感器采集刀具和傳動(dòng)系統(tǒng)的磨床刀柄因熱膨脹而產(chǎn)生的位置誤差信號(hào)送至信號(hào)精密調(diào)理電路;信號(hào)精密調(diào)理電路將處理后的數(shù)據(jù)送至控制子系統(tǒng)。
[0011]供電子系統(tǒng)具有高精度穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)電源的分別供電方式，其中高精度穩(wěn)壓電源分三路分別連接至熱膨脹檢測(cè)子系統(tǒng)的傳感器和信號(hào)精密調(diào)整電路的工作電源端以及傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器工作電源端;開(kāi)關(guān)電源接至控制子系統(tǒng)的工作電源端。
[0012]信號(hào)精密調(diào)理電路將傳感器傳遞的信號(hào)截取一段有效信號(hào)，輸出模擬信號(hào)至控制子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
[0013]控制子系統(tǒng)與上位機(jī)通過(guò)基于USB的虛擬串口進(jìn)行雙向通訊連接。
[0014]控制子系統(tǒng)具有單片機(jī)，集成AD轉(zhuǎn)換器、電壓基準(zhǔn)以及串行口外圍設(shè)備，嵌入基于Keil C的軟件系統(tǒng)。
[0015]所述上位機(jī)具有EXCEL接口形式。
[0016]本實(shí)用新型具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn):
[0017]1.本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了檢測(cè)精度高、具有自動(dòng)記錄功能的刀具熱膨脹檢測(cè)系統(tǒng)，是高速數(shù)控磨床刀柄熱膨脹誤差動(dòng)態(tài)精密檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，目前屬于領(lǐng)先水平。
[0018]2.本實(shí)用新型在機(jī)床高精度加工機(jī)械零件過(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)由工作溫度變化引起的主軸縱向膨脹位移數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)，測(cè)量熱膨脹范圍O?0.55毫米，精度為1%。微米(納米級(jí)別)，為高精密機(jī)械零件加工提供誤差修正技術(shù)保證。
[0019]3.本實(shí)用新型系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，精度高，通用性好，實(shí)用性強(qiáng)；電腦USB連接，窗口介面，操作簡(jiǎn)單、靈活，配有顯示操作、通信、控制、保護(hù)等多種功能;更可方便移植到其他位移檢測(cè)系統(tǒng)中。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本實(shí)用新型機(jī)床加工主軸運(yùn)轉(zhuǎn)熱膨脹誤差檢測(cè)器電氣結(jié)構(gòu)框圖；
[0021 ]圖2為本實(shí)用新型中傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)電路原理圖；
[0022]圖3為本實(shí)用新型中電渦流和信號(hào)精密調(diào)理電路原理圖；
[0023]圖4為本實(shí)用新型中單片機(jī)子系統(tǒng)接線圖；
[0024]圖5為本實(shí)用新型應(yīng)用的操作界面圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步闡述。
[0026]如圖1所示，本實(shí)用新型一種機(jī)床加工主軸運(yùn)轉(zhuǎn)熱膨脹誤差檢測(cè)器，包括傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)、熱膨脹檢測(cè)子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)以及供電子系統(tǒng)，其中控制子系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行雙向通訊連接，控制子系統(tǒng)輸出控制信號(hào)至傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)；傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)根據(jù)控制子系統(tǒng)的控制信號(hào)對(duì)傳感器位置進(jìn)行定位調(diào)整處理;熱膨脹檢測(cè)子系統(tǒng)對(duì)機(jī)床刀具和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行膨脹量的檢測(cè)和記錄;電源子系統(tǒng)為其它子系統(tǒng)提供純凈電源。
[0027]如圖2所示，傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器以及步進(jìn)電機(jī)，其中驅(qū)動(dòng)器接收單片機(jī)輸出的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器輸出控制信號(hào)至步進(jìn)電機(jī)。
[0028]操作者通過(guò)上位機(jī)發(fā)出位置調(diào)整命令，該命令分為粗調(diào)節(jié)和微調(diào)節(jié)組成。粗調(diào)節(jié)每次如進(jìn)/后退Imm，微調(diào)節(jié)每次如進(jìn)/后退15um。
[0029]本實(shí)用新型需要對(duì)電渦流傳感器和刀具之間的距離進(jìn)行檢測(cè)，屬于微小位移的檢測(cè)，在熱膨脹量的測(cè)量中選用電渦流位移傳感器探頭，在開(kāi)始時(shí)需要將電渦流傳感器與刀具之間的距離調(diào)整到最佳狀態(tài)。
[0030]上位機(jī)通過(guò)虛擬串口將命令傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)的脈沖，送到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，傳遞的信號(hào)包括脈沖信號(hào)和方向信號(hào);步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將低電平脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)?4V的脈沖，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)或者后退，調(diào)整步進(jìn)電機(jī)和電渦流傳感器的距離，從而達(dá)到最佳間距。
[0031]如圖3所示，熱膨脹檢測(cè)子系統(tǒng)具有傳感器和信號(hào)精密調(diào)理電路，其中，傳感器采集刀具和傳動(dòng)系統(tǒng)的磨床刀柄因熱膨脹而產(chǎn)生的位置誤差信號(hào)送至信號(hào)精密調(diào)理電路;信號(hào)精密調(diào)理電路將處理后的數(shù)據(jù)送至控制子系統(tǒng)。
[0032]調(diào)整子系統(tǒng)將傳感器調(diào)整于距離刀具最佳位置后，向外傳遞傳感器與刀具的距離信息，這個(gè)信號(hào)在滿量程的范圍內(nèi)，為DC0-10V。信號(hào)精密調(diào)理電路將傳遞的信號(hào)截取一段有效信號(hào)，一方面與后續(xù)AD信號(hào)的滿量程相匹配，一方面又提高了測(cè)量精度。
[0033]如圖1所示，供電子系統(tǒng)具有高精度穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)電源的分別供電方式，其中高精度穩(wěn)壓電源分三路分別連接至熱膨脹檢測(cè)子系統(tǒng)的傳感器和信號(hào)精密調(diào)整電路的工作電源端以及傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器工作電源端;開(kāi)關(guān)電源接至控制子系統(tǒng)的工作電源端。
[0034]本實(shí)用新型為提高穩(wěn)定性和高精度檢測(cè)，采用了高精度穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)電源的分別供電方式。將電渦流傳感器和信號(hào)精密調(diào)整電路采用高精度穩(wěn)壓電源供電，保證電源的清潔性，保證了系統(tǒng)的檢測(cè)精度。整個(gè)電源供電系統(tǒng)由兩個(gè)DC24V，一個(gè)DCl 2V組成。
[0035]如圖4所示，對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)，因?yàn)閷?duì)該系統(tǒng)對(duì)輸入電源進(jìn)行線性變換，因此對(duì)輸入要求不高，采用了開(kāi)關(guān)電源模塊供電模式。
[0036]信號(hào)精密調(diào)理電路將傳感器傳遞的信號(hào)截取一段有效信號(hào)，輸出模擬信號(hào)至控制子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
[0037]本實(shí)用新型中傳感器采用電渦流傳感器，實(shí)現(xiàn)非接觸、高線性度、高分辨力地測(cè)量被測(cè)磨床刀柄因熱膨脹而產(chǎn)生的位置誤差，分辨率可達(dá)0.25μ。
[0038]由于電渦流傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)0_10V，A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為是0-2.5V，為了不降低傳感器的分辨率，設(shè)計(jì)了電平截取電路(即信號(hào)精密調(diào)理電路)，在確定零點(diǎn)后截取0-2.5V送至24位Δ-ΣΑ/D。信號(hào)精密調(diào)理電路是采用電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)了電平截取，使控制精度提高了 4倍。
[0039]本實(shí)用新型采用24位Δ-Σ型A/D，有效位(ENOB)達(dá)到20位，免噪音位達(dá)到17位，分辨率達(dá)到12萬(wàn)以上，可以分辨的微小位移為0.008um，大大提高了系統(tǒng)的檢測(cè)精度和檢測(cè)的可靠性。
[0040]24位AD具有十萬(wàn)以上分辨率的檢測(cè)精度，與單片機(jī)結(jié)合，能夠檢測(cè)l/100um的微小距離。如圖5所示，單片機(jī)C8051F350讀取AD的轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過(guò)虛擬串口將AD的轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)虛擬串口傳遞到上位機(jī)。上位機(jī)定期采樣，同時(shí)，將獲得的位移信息(熱膨脹信息)存儲(chǔ)到EXCEL中，可以作為以后熱膨脹修正依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)。操作界面如圖5所示。
[0041]采用直線電機(jī)在細(xì)分型高性能步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下，配合電平截取電路，高精度調(diào)整零位，步長(zhǎng)可達(dá)1.524μ。
[0042]本實(shí)用新型采用了基于USB的虛擬串口技術(shù)，將USB口虛擬為標(biāo)準(zhǔn)串口。一方面，避免了筆記本沒(méi)有串口的硬件缺陷和對(duì)軟件的大幅度改動(dòng)，增加了系統(tǒng)的靈活性;另一方面，虛擬串口的差分對(duì)的傳輸方式抗干擾性大大增強(qiáng)，同時(shí)傳輸速率可比同等條件下翻倍提尚O
[0043]本實(shí)用新型利用VB讀取相應(yīng)的串口數(shù)據(jù)，同時(shí)上位機(jī)采用EXCEL接口形式，將數(shù)據(jù)按照操作者要求，一般默認(rèn)為IS為記錄周期，將數(shù)據(jù)記錄在EXCEL中，避免了人工記錄的繁瑣和可能失誤。
[0044]本實(shí)用新型中的單片機(jī)具有極高的集成度，集成AD、電壓基準(zhǔn)、串行口等外圍設(shè)備。在內(nèi)部，嵌入基于Keil C的軟件系統(tǒng)。單片機(jī)部分體積小、集成度高，具有故障報(bào)警、故障自我診斷的智能功能。
[0045]本實(shí)用新型為機(jī)床高精度加工機(jī)械零件過(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)由工作溫度變化引起的主軸縱向膨脹位移數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)，測(cè)量熱膨脹范圍O?0.55毫米，精度為1%。微米(納米級(jí)別)，為高精密機(jī)械零件加工提供誤差修正技術(shù)保證。采用高精密穩(wěn)壓電源供電，選用電渦流位移傳感器探頭，加前置處理器(即傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng))，連接電平偏移轉(zhuǎn)換電路(即信號(hào)精密調(diào)理電路)，提供O?2.5V模擬電壓，對(duì)應(yīng)膨脹位移O?0.556mm,模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換采用C8051F350單片微機(jī)板24位分辨率采樣，串口連接通用電腦，C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種機(jī)床加工主軸運(yùn)轉(zhuǎn)熱膨脹誤差檢測(cè)器，其特征在于:包括傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)和熱膨脹檢測(cè)子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)以及上位機(jī)，其中控制子系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行雙向通訊連接，控制子系統(tǒng)輸出控制信號(hào)至傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)；傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)接收控制子系統(tǒng)的控制信號(hào)對(duì)傳感器位置進(jìn)行定位調(diào)整處理;熱膨脹檢測(cè)子系統(tǒng)對(duì)機(jī)床刀具和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行膨脹量的檢測(cè)和記錄；電源子系統(tǒng)為其它子系統(tǒng)提供純凈電源。2.按權(quán)利要求1所述的機(jī)床加工主軸運(yùn)轉(zhuǎn)熱膨脹誤差檢測(cè)器，其特征在于:傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器以及步進(jìn)電機(jī)，其中驅(qū)動(dòng)器接收單片機(jī)輸出的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器輸出控制信號(hào)至步進(jìn)電機(jī)。3.按權(quán)利要求1所述的機(jī)床加工主軸運(yùn)轉(zhuǎn)熱膨脹誤差檢測(cè)器，其特征在于:熱膨脹檢測(cè)子系統(tǒng)具有傳感器和信號(hào)精密調(diào)理電路，其中，傳感器采集刀具和傳動(dòng)系統(tǒng)的磨床刀柄因熱膨脹而產(chǎn)生的位置誤差信號(hào)送至信號(hào)精密調(diào)理電路;信號(hào)精密調(diào)理電路將處理后的數(shù)據(jù)送至控制子系統(tǒng)。4.按權(quán)利要求1所述的機(jī)床加工主軸運(yùn)轉(zhuǎn)熱膨脹誤差檢測(cè)器，其特征在于:供電子系統(tǒng)具有高精度穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)電源的分別供電方式，其中高精度穩(wěn)壓電源分三路分別連接至熱膨脹檢測(cè)子系統(tǒng)的傳感器和信號(hào)精密調(diào)整電路的工作電源端以及傳感器位置調(diào)整子系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器工作電源端;開(kāi)關(guān)電源接至控制子系統(tǒng)的工作電源端。5.按權(quán)利要求1所述的機(jī)床加工主軸運(yùn)轉(zhuǎn)熱膨脹誤差檢測(cè)器，其特征在于:信號(hào)精密調(diào)理電路將傳感器傳遞的信號(hào)截取一段有效信號(hào)，輸出模擬信號(hào)至控制子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。6.按權(quán)利要求1所述的機(jī)床加工主軸運(yùn)轉(zhuǎn)熱膨脹誤差檢測(cè)器，其特征在于:控制子系統(tǒng)與上位機(jī)通過(guò)基于USB的虛擬串口進(jìn)行雙向通訊連接。7.按權(quán)利要求1所述的機(jī)床加工主軸運(yùn)轉(zhuǎn)熱膨脹誤差檢測(cè)器，其特征在于:控制子系統(tǒng)具有單片機(jī)，集成AD轉(zhuǎn)換器、電壓基準(zhǔn)以及串行口外圍設(shè)備，嵌入基于Keil C的軟件系統(tǒng)。8.按權(quán)利要求1所述的機(jī)床加工主軸運(yùn)轉(zhuǎn)熱膨脹誤差檢測(cè)器，其特征在于:所述上位機(jī)具有EXCEL接口形式。
【文檔編號(hào)】G01B7/02GK205537491SQ201620358613
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月26日
【發(fā)明人】劉松, 孫禾
【申請(qǐng)人】遼寧科技學(xué)院