專利名稱：高速數(shù)控車床的溫度和熱變形綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高速數(shù)控車床的動(dòng)態(tài)測(cè)試研究技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高速數(shù)控車床加工過程中的溫度和熱變形綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
高速數(shù)控車床是一種高速運(yùn)動(dòng)的高精度、高自動(dòng)化、高柔性的制造設(shè)備。但隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)數(shù)控車床的精度和可靠性提出了越來(lái)越高的要求，車床的精密化、高速化已經(jīng)成為一個(gè)不可阻擋的發(fā)展趨勢(shì)。在精密加工中，由車床熱變形所引起的制造誤差占總誤差的40% 70%。在高速數(shù)控車床中，影響車床熱變形的主要因素有電主軸的熱變形、刀具的熱變形等。電主軸和刀具作為高速數(shù)控機(jī)床最重要的零部件之一，其熱變形為車床熱變形的最重要影響因素，它的性能的好壞直接影響著車床的加工精度和加工產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，為了更好的研究高速數(shù)控車床的熱變形，并為后續(xù)的熱誤差補(bǔ)償做基礎(chǔ)，特別需要研發(fā)一種能快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)高速數(shù)控車床中電主軸和刀具的溫度場(chǎng)以及熱變形綜合監(jiān)測(cè)的方法。在溫度測(cè)量方面，現(xiàn)廣泛使用的是自然熱電偶法，但其具有不夠穩(wěn)定、使用不方便、效率與精度低、數(shù)據(jù)不易處理和冷端不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)热秉c(diǎn)，從而產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。在熱變形測(cè)量方面，由于其對(duì)測(cè)量精度的高要求和測(cè)量的實(shí)時(shí)性，不能使用一般的電渦流位移傳感器，更不能待停機(jī)后用普通的測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量。此外，目前存在的監(jiān)測(cè)方法大多為單一的信號(hào)采集分析方法，致使其對(duì)于不同對(duì)象不同信號(hào)的采集并不能做到優(yōu)化采集、綜合監(jiān)測(cè)的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種高速數(shù)控車床的溫度和熱變形監(jiān)測(cè)分析方法，解決目前監(jiān)測(cè)方法單一、難以實(shí)現(xiàn)測(cè)量高精度和測(cè)量的實(shí)時(shí)性等問題。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種高速數(shù)控車床的溫度和熱變形綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和設(shè)置在電主軸和刀具上用于監(jiān)測(cè)電主軸和刀具的溫度或熱變形的傳感器，所述傳感器采集到溫度或熱變形信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后提供給數(shù)據(jù)處理模塊處理，其特征在于所述傳感器選用紅外溫度傳感器、鉬銠絲溫度傳感器組、Ptioo溫度傳感器組和激光位移傳感器組；所述鉬銠絲溫度傳感器組設(shè)置在高速數(shù)控車床刀具刀片的至少三面上，所述Ptioo溫度傳感器組設(shè)置在高速數(shù)控車床刀具刀柄的至少三面上，所述紅外溫度傳感器設(shè)置在高速數(shù)控車床電主軸的側(cè)面；所述激光位移傳感器位于高速數(shù)控車床電主軸的軸心延長(zhǎng)線上并對(duì)電主軸軸向熱變形和刀具刀尖的熱變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。優(yōu)選的，所述電主軸端熱變形測(cè)點(diǎn)設(shè)置在電主軸的軸端軸心位置。優(yōu)選的，所述紅外溫度傳感器的溫度測(cè)點(diǎn)設(shè)置在高速數(shù)控車床電主軸的側(cè)面最佳溫度測(cè)點(diǎn)，所述電主軸側(cè)面最佳溫度測(cè)點(diǎn)通過電主軸溫度變化和電主軸熱變形的線性相關(guān)性得到。本發(fā)明還提供了一種高速數(shù)控車床的溫度和熱變形綜合監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述方法包括以下步驟(1)將傳感器安裝到高速數(shù)控車床的電主軸和刀具上，鉬銠絲溫度傳感器組設(shè)置在高速數(shù)控車床刀具刀片的至少三面上，Ptioo溫度傳感器組設(shè)置在高速數(shù)控車床刀具刀柄的至少三面上，紅外溫度傳感器設(shè)置在高速數(shù)控車床電主軸的側(cè)面；激光位移傳感器位于高速數(shù)控車床電主軸的軸心延長(zhǎng)線上；(2)將傳感器采集到的信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路將傳感器信號(hào)調(diào)理后送入數(shù)據(jù)采集模塊；(3)數(shù)據(jù)采集模塊將調(diào)理后的傳感器信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊，所述數(shù)據(jù)處理模塊通過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行監(jiān)控高速數(shù)控車床的電主軸和刀具的溫度變化和熱變形。優(yōu)選的，所述方法還包括在步驟(1)前對(duì)傳感器的測(cè)點(diǎn)位置和安裝位置進(jìn)行確定；所述測(cè)點(diǎn)位置包括電主軸側(cè)面的溫度測(cè)點(diǎn)和電主軸端熱變形測(cè)點(diǎn)。優(yōu)選的，所述方法中電主軸側(cè)面的溫度測(cè)點(diǎn)為電主軸側(cè)面的最佳溫度測(cè)點(diǎn)，所述電主軸側(cè)面的最佳溫度測(cè)點(diǎn)通過電主軸熱變形的變化量和電主軸溫度的變化量呈線性相關(guān)性計(jì)算獲得。優(yōu)選的，所述方法中刀具溫度通過刀具刀片至少三面上的鉬銠絲溫度傳感器組、 刀具刀柄的至少三面上Ptioo溫度傳感器組和刀具刀片表面上的紅外溫度傳感器檢測(cè)獲得。優(yōu)選的，所述方法中刀具熱變形通過激光位移傳感器檢測(cè)刀具刀尖測(cè)點(diǎn)的X、Y方
向變形量獲得。優(yōu)選的，所述方法中刀具刀尖測(cè)點(diǎn)為進(jìn)給平面上相互垂直的兩測(cè)定點(diǎn)。本發(fā)明提出了一種高速數(shù)控車床熱變形綜合監(jiān)測(cè)方法，主要采用紅外溫度傳感器來(lái)采集電主軸的溫度，鉬銠絲溫度傳感器、紅外溫度傳感器和Ptioo溫度傳感器來(lái)采集刀具不同測(cè)點(diǎn)的溫度，而且采用激光位移傳感器來(lái)采集電主軸和刀具的熱變形，以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)控車床熱變形的多傳感器相互配合的監(jiān)測(cè)方法。同時(shí)，基于傳熱學(xué)原理，又對(duì)電主軸和刀具的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了研究和優(yōu)化，從而能準(zhǔn)確地反映出溫度和熱變形的實(shí)時(shí)變化情況。并且，本發(fā)明針對(duì)采用的兩種傳感器所采集到信號(hào)的特點(diǎn)，使用不同的信號(hào)調(diào)理電路，并在上位PC 機(jī)上開發(fā)了基于LabVIEW的高速數(shù)控車床熱變形綜合監(jiān)測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)高速數(shù)控車床溫度和熱變形的綜合監(jiān)測(cè)。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的方案，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明綜合了高速數(shù)控車床中電主軸和刀具的溫度以及熱變形信息，豐富了對(duì)電主軸和刀具的溫度以及熱變形的測(cè)量方法，同時(shí)以上述信號(hào)為對(duì)象實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速數(shù)控車床熱變形的綜合監(jiān)測(cè)，為后續(xù)的熱誤差分析及抑制，提高車床精度提供了可靠的依據(jù)。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述圖1為本發(fā)明高速數(shù)控車床溫度和熱變形綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)框圖2為電主軸測(cè)點(diǎn)及傳感器布置圖；圖3為刀具測(cè)點(diǎn)及傳感器布置圖；圖4為鉬銠絲溫度傳感器和PtlOO溫度傳感器調(diào)理電路原理圖；圖5為紅外溫度傳感器調(diào)理電路原理圖；圖6為激光位移傳感器調(diào)理電路原理圖；圖7為系統(tǒng)軟件框架結(jié)構(gòu)圖。其中，1為鉬銠絲溫度傳感器測(cè)點(diǎn)；2為ptlOO溫度傳感器測(cè)點(diǎn)；3為紅外溫度傳感器；4為激光位移傳感器；5為最佳溫度測(cè)點(diǎn)；6為電主軸端熱變形測(cè)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)上述方案做進(jìn)一步說(shuō)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例是用于說(shuō)明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例中采用的實(shí)施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做進(jìn)一步調(diào)整，未注明的實(shí)施條件通常為常規(guī)實(shí)驗(yàn)中的條件。實(shí)施例如圖1 7，該高速數(shù)控車床的溫度和熱變形綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和設(shè)置在電主軸和刀具上用于監(jiān)測(cè)電主軸和刀具的溫度或熱變形的傳感器，所述傳感器采集到溫度或熱變形信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后提供給數(shù)據(jù)處理模塊處理，所述傳感器選用紅外溫度傳感器、 鉬銠絲溫度傳感器組、Ptioo溫度傳感器組和激光位移傳感器組；所述鉬銠絲溫度傳感器組設(shè)置在高速數(shù)控車床刀具刀片的至少三面上，所述Ptioo溫度傳感器組設(shè)置在高速數(shù)控車床刀具刀柄的至少三面上，所述紅外溫度傳感器設(shè)置在高速數(shù)控車床電主軸的側(cè)面；所述激光位移傳感器位于高速數(shù)控車床電主軸的軸心延長(zhǎng)線上并對(duì)電主軸軸向熱變形和刀具刀尖的熱變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。所述電主軸端熱變形測(cè)點(diǎn)設(shè)置在電主軸的軸端軸心位置。所述紅外溫度傳感器的溫度測(cè)點(diǎn)設(shè)置在高速數(shù)控車床電主軸的側(cè)面最佳溫度測(cè)點(diǎn)，所述電主軸側(cè)面最佳溫度測(cè)點(diǎn)通過電主軸溫度變化和電主軸熱變形的線性相關(guān)性得到。進(jìn)行高速數(shù)控車床的溫度和熱變形綜合監(jiān)測(cè)時(shí)，首先將傳感器安裝到高速數(shù)控車床的電主軸和刀具上，其次將傳感器采集到的信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理電路，調(diào)理后的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入上位PC機(jī)，上位PC機(jī)對(duì)采集到的多路信號(hào)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速數(shù)控車床溫度和熱變形的綜合監(jiān)測(cè)。具體的說(shuō)，先將傳感器安裝到高速數(shù)控車床的電主軸和刀具上，鉬銠絲溫度傳感器組設(shè)置在高速數(shù)控車床刀具刀片的至少三面上，Ptioo溫度傳感器組設(shè)置在高速數(shù)控車床刀具刀柄的至少三面上，紅外溫度傳感器設(shè)置在高速數(shù)控車床電主軸的側(cè)面；激光位移傳感器位于高速數(shù)控車床電主軸的軸心延長(zhǎng)線上；然后將傳感器采集到的信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路將傳感器信號(hào)調(diào)理后送入數(shù)據(jù)采集模塊；最后數(shù)據(jù)采集模塊將調(diào)理后的傳感器信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊，所述數(shù)據(jù)處理模塊通過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行監(jiān)控高速數(shù)控車床的電主軸和刀具的溫度變化和熱變形。進(jìn)行監(jiān)測(cè)前先對(duì)傳感器的測(cè)點(diǎn)位置和安裝位置進(jìn)行確定；所述測(cè)點(diǎn)位置包括電主軸側(cè)面的溫度測(cè)點(diǎn)和電主軸端熱變形測(cè)點(diǎn)。電主軸側(cè)面的溫度測(cè)點(diǎn)為電主軸側(cè)面的最佳溫度測(cè)點(diǎn)，所述電主軸側(cè)面的最佳溫度測(cè)點(diǎn)通過電主軸熱變形的變化量和電主軸溫度的變化量呈線性相關(guān)性計(jì)算獲得。刀具溫度通過刀具刀片至少三面上的鉬銠絲溫度傳感器組、刀具刀柄的至少三面上Ptioo溫度傳感器組和刀具刀片表面上的紅外溫度傳感器檢測(cè)獲得。 刀具熱變形通過激光位移傳感器檢測(cè)刀具刀尖測(cè)點(diǎn)的X、Y輸方向變形量獲得。刀具刀尖測(cè)點(diǎn)為進(jìn)給平面上相互垂直的兩測(cè)定點(diǎn)。本發(fā)明采用理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)高速數(shù)控車床電主軸和刀具的溫度以及熱變形的定量分析，即采用有限元分析法對(duì)高速數(shù)控車床電主軸和刀具的溫度以及熱變形進(jìn)行理論計(jì)算分析，同時(shí)采用紅外溫度傳感器、鉬銠絲溫度傳感器等溫度傳感器和激光位移傳感器分別對(duì)電主軸和刀具的溫度以及熱變形進(jìn)行實(shí)際測(cè)量來(lái)驗(yàn)證、修改理論計(jì)算模型，從而最終得到高速數(shù)控車床電主軸和刀具的準(zhǔn)確溫度場(chǎng)分布及其相應(yīng)熱變形量，并以此為依據(jù)對(duì)高速數(shù)控車床工作過程中的熱誤差進(jìn)行補(bǔ)償。有限元建模分析時(shí)，先對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行建模得出溫度場(chǎng)模型，然后以溫度場(chǎng)模型為依據(jù)進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合才能得到電主軸和刀具的熱變形量，因此測(cè)量溫度是先決條件；同時(shí)為了驗(yàn)證所建立的電主軸和刀具的熱變形計(jì)算模型是否正確，還需要測(cè)量相應(yīng)的熱變形量，因此熱變形量的測(cè)量是必要條件。以下對(duì)本發(fā)明的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)描述(一)測(cè)點(diǎn)確定熱誤差隨時(shí)間變化的規(guī)律很復(fù)雜，在機(jī)床熱誤差研究中采用最佳溫度測(cè)點(diǎn)，不僅可以建立精度較高的熱誤差模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償，還可以大大減少溫度傳感器的數(shù)量， 提高測(cè)量效率。機(jī)床主軸模型如圖2所示。主軸左端固定，右端可自由伸長(zhǎng)恒定熱量Q從主軸左端流入，起始時(shí)刻主軸溫度為常數(shù)T。。如圖2所示，電主軸溫度分布由軸向坐標(biāo)χ和傳熱時(shí)間t決定T = T (χ, t)。在該軸上至少存在一點(diǎn)ζ，其熱變形的變化量和溫度的變化量之間存在如下關(guān)系 Μ = 3Ζ[Γ(ο-τ;] = θΖΔΓ(ο。也就是說(shuō)，至少存在一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)ζ使得該點(diǎn)處的溫度變化Δ T可以單獨(dú)描述電主軸熱變形AL，并且該溫度測(cè)點(diǎn)ζ處的溫度變化ΔΤ與電主軸熱變形AL呈線性關(guān)系。但單靠理論分析無(wú)法得出該溫度測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，因此需要通過實(shí)驗(yàn)分析來(lái)逼近該最佳溫度測(cè)點(diǎn)。通過對(duì)軸向順序測(cè)點(diǎn)溫度采集分析，以溫度變化ΔΤ與電主軸熱變形Δ L之間線性相關(guān)性為依據(jù)，依次迭代找出該最佳溫度測(cè)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)分析時(shí)，可以在主軸上按黃金分割法從左到右依次選取12個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，測(cè)量該軸的溫度分布，并在該軸右端沿軸向放置1個(gè)位移傳感器，測(cè)量該軸的軸向熱變形。2min 采樣1次。由于切削狀態(tài)下不便測(cè)量，故實(shí)驗(yàn)時(shí)使該軸左端受熱，測(cè)點(diǎn)1處的溫度升高到 60°C左右，然后讓該軸自然冷卻。并分別畫這12個(gè)測(cè)點(diǎn)處的溫度增量-熱變形(ΔΤ-AL) 圖。由該圖可以看到溫度變化ΔΤ和主軸熱變形AL之間的關(guān)系，并可由此實(shí)驗(yàn)知道機(jī)床主軸上確實(shí)存在1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，在該點(diǎn)處的溫度變化可以單獨(dú)表示主軸熱變形且與主軸熱變形呈近似的線性關(guān)系，該點(diǎn)即為主軸上的最佳溫度測(cè)點(diǎn)。因?yàn)閷?shí)際情況下外界環(huán)境以及主軸本身各項(xiàng)特性之間存在差異，最佳溫度點(diǎn)的位置會(huì)有所不同，其范圍在主軸靠近熱源端的L/3 L/2之間?？紤]到在加熱過程中，主軸上存在連續(xù)的溫度分布，且由實(shí)驗(yàn)分析可知在靠近熱源L/3 L/2之間必然存在一個(gè)最佳溫度測(cè)點(diǎn)，所以可采用黃金分割法反復(fù)迭代，對(duì)最佳溫度測(cè)點(diǎn)位置的選擇加以優(yōu)化。對(duì)于電主軸(以主軸尺寸O60mmX600mm為例)，其最佳溫度點(diǎn)的搜索區(qū)間為(20cm，30cm)，將溫度測(cè)點(diǎn)與主軸熱變形之間的相關(guān)性作為篩選依據(jù)。又因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所采用的溫度傳感器直徑為 Φ 1.0cm，所以當(dāng)搜索區(qū)間小于1.0cm時(shí)，就可以認(rèn)為已找到最佳溫度測(cè)點(diǎn)，并結(jié)束迭代過程，即可以確定最佳溫度測(cè)點(diǎn)。如圖2所示，電主軸熱變形主要表征為軸端的變形量AL，因此將測(cè)點(diǎn)布置于電主軸的軸端，最好設(shè)置在電主軸的軸心線上，這樣更易于確定電主軸熱變形測(cè)量測(cè)點(diǎn)。如圖3 所示，以熱誤差分析補(bǔ)償做基礎(chǔ)，通過刀具至少6個(gè)面的對(duì)流換熱系數(shù)和前刀面上的熱流密度可以確定刀具溫度測(cè)量測(cè)點(diǎn)，故此處需要采集該7個(gè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度變化。而通過測(cè)量刀具在χ和y方向的變形量，可以確定刀具熱變形，因此在刀具處布置兩個(gè)垂直的測(cè)點(diǎn)。( 二 )傳感器選擇本發(fā)明電主軸溫度測(cè)量傳感器采用1路非接觸式的紅外溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量。刀具溫度測(cè)量傳感器根據(jù)刀具不同部位溫度范圍不同和刀具加工時(shí)安裝的要求同時(shí)結(jié)合各種傳感器的不同特點(diǎn)，采用鉬銠絲溫度傳感器，PtlOO溫度傳感器和紅外溫度傳感器共7路進(jìn)行溫度采樣測(cè)量，如圖3所示。因?yàn)榈镀帨囟容^高故其上3個(gè)測(cè)點(diǎn)采用測(cè)量范圍較廣且線性度較好的鉬銠絲溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量。刀柄處三點(diǎn)的溫度較低，因此3個(gè)測(cè)點(diǎn)采用測(cè)量范圍在0 500°C而線性度很好的ptlOO溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量。為了驗(yàn)證推算數(shù)據(jù)的正確性，并考慮到刀片工作面上切屑較多，故刀片工作面上可以采用非接觸式的紅外溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)然紅外溫度傳感器的測(cè)點(diǎn)并不一定在刀片工作面上。刀具刀片的3個(gè)測(cè)點(diǎn)位置為鉬銠絲溫度傳感器，刀具刀柄3個(gè)位置是ptlOO溫度傳感器，第7點(diǎn)采用紅外溫度傳感器。刀片是由螺母固定在刀柄上的，目前多數(shù)高檔的刀具都是這種形式。本發(fā)明安排了 3個(gè)鉬銠絲溫度傳感器、3個(gè)ptlOO溫度傳感器和1個(gè)紅外溫度傳感器總共7個(gè)傳感器，來(lái)測(cè)量7個(gè)實(shí)時(shí)溫度變化參數(shù)。因?yàn)橐杉枚嘟M溫度數(shù)據(jù) (1組數(shù)據(jù)包括7個(gè)實(shí)時(shí)溫度變化參數(shù))，而鉬銠絲溫度傳感器和ptlOO溫度傳感器是接觸式的，不方便經(jīng)常變動(dòng)，而紅外溫度傳感器是非接觸式的，可以經(jīng)常變動(dòng)測(cè)點(diǎn)，因此借助其測(cè)點(diǎn)變換可以獲取多組溫度數(shù)據(jù)；經(jīng)有限元對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行建模分析，便可以用現(xiàn)有的7個(gè)溫度參數(shù)去推算出7個(gè)參變量，進(jìn)而能再推算出刀具上其余點(diǎn)的溫度，因此為了驗(yàn)證推算數(shù)據(jù)的正確性，故可以采用能方便變動(dòng)測(cè)點(diǎn)的非接觸式的紅外溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證。鑒于激光位移傳感器適應(yīng)性強(qiáng)、速度快、精度高以及非接觸性等特點(diǎn)和對(duì)本測(cè)量環(huán)境考慮，刀具熱變形測(cè)量傳感器采用2路激光位移傳感器測(cè)量刀具在切削過程中沿χ和 y兩個(gè)方向的變形量。電主軸熱變形測(cè)量傳感器采用1路非接觸式的激光位移傳感器進(jìn)行測(cè)量。紅外溫度傳感器射出兩束光線，上下移動(dòng)傳感器，當(dāng)該兩束光線在被測(cè)物體表面匯聚對(duì)焦時(shí)，便是最佳測(cè)量距離，大概離被測(cè)物體表面20cm左右。激光位移傳感器安裝在垂直電主軸軸端一定距離的地方，也對(duì)其進(jìn)行光線匯聚對(duì)焦處理，布置于合適的位置。具體的說(shuō)，激光位移傳感器是非接觸傳感器，因此激光位移傳感器監(jiān)測(cè)刀具時(shí)布置在刀具的χ 和y兩個(gè)方向的延長(zhǎng)線上，和刀具的面不能接觸。激光位移傳感器監(jiān)測(cè)電主軸時(shí)布置在電主軸的軸心線延長(zhǎng)線上。(三)信號(hào)調(diào)理電路鉬銠絲溫度傳感器和ptlOO溫度傳感器調(diào)理前述兩溫度傳感器產(chǎn)生的熱電勢(shì)信號(hào)為毫伏級(jí)微弱信號(hào)，而數(shù)據(jù)采集卡的量程較高，信號(hào)幅值過小不易采集，因此必須對(duì)熱電勢(shì)信號(hào)進(jìn)行線性放大。此處采用TDA2030A作為放大器芯片，請(qǐng)參閱圖4所示。其放大倍數(shù)為v。(l+R6/R5)Vi，其中R5、R6為增益電阻，本處取R5 = Ik Ω ,R5= IOOk Ω，故增益為100。功率對(duì)管BD908和BD907是一種低值器件，用來(lái)增強(qiáng)放大芯片驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力。并采用整流二極管1N5400對(duì)其進(jìn)行輸出保護(hù)，采用去耦電容C3來(lái)保證當(dāng)BD908和BD907上需要較大的基極電流時(shí)不至于影響到TDA2030A的電源供應(yīng)，加電阻R7和電容C9防止放大器產(chǎn)生低
頻自激。紅外溫度傳感器調(diào)理為了消除高頻噪聲干擾，設(shè)計(jì)了一個(gè)截止頻率為50Hz的有源低通濾波器。通過對(duì)相同階數(shù)的Bessel、Butterworth和Chebyshev等多種濾波器的性能分析比較，本調(diào)理電路采用Butterworth濾波器來(lái)設(shè)計(jì)該濾波器，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用Sallen-Key結(jié)構(gòu)，放大器芯片采用0p07，以構(gòu)造一個(gè)可放入狹小印刷電路板中的4階 Butterworth濾波器，請(qǐng)參閱圖5所示。測(cè)量結(jié)果表明，該濾波器在分析頻段內(nèi)幾乎不出現(xiàn)峰值、平坦度好，并且阻帶抑制效果好，同時(shí)微分增益和相位也很不錯(cuò)。激光位移傳感器調(diào)理該傳感器模擬輸出為4mA 20mA兩線制電流輸出，因此需要將其轉(zhuǎn)換成IV 5V的電壓信號(hào)，以便輸送給數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。其輸入電流為I1，輸出形為ν。= ^Ri1的輸出電壓，這里_kR是電路增益，以V/A計(jì)，是一個(gè)負(fù)值，這是由于I1參考方向選取的原因。其中k= l+IVX+K/R，本處取R= 5(^，隊(duì)=IkQjR2 = 191 Ω，故增益為250V/A。請(qǐng)參閱圖6所示，此處放大器芯片采用0ρ07。(四)上位PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)軟件的目標(biāo)要求，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)高速數(shù)控車床中電主軸和刀具的溫度以及熱變形綜合監(jiān)測(cè)的軟件，鑒于此本軟件開發(fā)了 3個(gè)功能模塊，分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。數(shù)據(jù)采集采用數(shù)據(jù)采集緩沖技術(shù)和零點(diǎn)漂移補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示以及原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。數(shù)據(jù)分析采集到的信號(hào)還需要經(jīng)過一系列的處理和計(jì)算分析，才能提取出符合需求的有用信號(hào)，獲得所需的測(cè)量結(jié)果。該模塊主要包括數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)截取以及數(shù)據(jù)各種時(shí)域量的計(jì)算分析。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)該高速數(shù)控車床進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)，多數(shù)時(shí)候并不需要即刻對(duì)其進(jìn)行處理分析，故需要對(duì)其進(jìn)行保存以待后續(xù)的分析研究。該模塊有文件夾方式和數(shù)據(jù)庫(kù)方式兩種。上位PC機(jī)所開發(fā)軟件的各個(gè)模塊均是典型的數(shù)據(jù)保存、分析、處理模塊。在連續(xù)數(shù)據(jù)采集過程中，當(dāng)采用較高采集頻率時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的采集會(huì)使得數(shù)據(jù)文件相當(dāng)大，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)帶來(lái)一定的困難，有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的溢出和丟失。因此，在連續(xù)采集時(shí)，要考慮數(shù)據(jù)采集過程中的緩沖技術(shù)。LabVIEW有兩種緩沖技術(shù)簡(jiǎn)單緩沖采集和循環(huán)緩沖采集。使用簡(jiǎn)單緩沖采集獲取信號(hào)波形時(shí)，必須在程序中指定數(shù)據(jù)的樣本數(shù)和通道號(hào)， 根據(jù)這些信息，LabVIEff才能分配一塊大小為采樣數(shù)與通道數(shù)乘積的緩沖區(qū)，用以存放數(shù)據(jù)。采集進(jìn)行時(shí)，數(shù)據(jù)就被放到緩沖區(qū)中，但是在采集完成之前，這些數(shù)據(jù)不能被訪問，只有到采集結(jié)束，緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)才可以用來(lái)進(jìn)行計(jì)算、分析、存儲(chǔ)等操作。循環(huán)緩沖采集時(shí)，在往緩沖區(qū)存放數(shù)據(jù)的同時(shí)，可以讀取其中已有的數(shù)據(jù)，當(dāng)緩沖區(qū)滿時(shí)，從緩沖區(qū)開始處重新存放新的數(shù)據(jù)，先存入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)將被覆蓋。只要存放數(shù)據(jù)的速度和讀取數(shù)據(jù)的速度配合適當(dāng)，就可以實(shí)現(xiàn)用一塊有限的存儲(chǔ)區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)傳送。使用循環(huán)緩沖采集時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，而LabVEIW在兩次讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔里對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。在使用循環(huán)緩存采集時(shí)，要確保程序讀取數(shù)據(jù)的速度不慢于采集設(shè)備往緩沖區(qū)中存放數(shù)據(jù)的速度，這樣才能保證連續(xù)采集，緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)不會(huì)溢出丟失。如果數(shù)據(jù)讀取數(shù)度快于存放速度，則LabVEIW會(huì)等待數(shù)據(jù)存放好后再讀??；如果讀取數(shù)據(jù)的速度慢于存放數(shù)據(jù)的速度，數(shù)據(jù)可能被覆蓋而丟失。補(bǔ)償零點(diǎn)問題關(guān)系到測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。理想的情況下，當(dāng)被測(cè)信號(hào)沒有變化時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該顯示為初始狀態(tài)，即為零點(diǎn)。由于環(huán)境電網(wǎng)、傳感器分辨率、A/D轉(zhuǎn)換精度等原因，采集的信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，即為零點(diǎn)漂移，通常可分為時(shí)漂和溫漂。如果不將零點(diǎn)消除，將影響整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量的基準(zhǔn)，甚至在測(cè)量微弱變化的信號(hào)中，這種系統(tǒng)噪聲將淹沒有用信號(hào)而使測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此，必須對(duì)系統(tǒng)零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。本系統(tǒng)通過軟件方式使系統(tǒng)在每次測(cè)量時(shí)能對(duì)零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。在正式采樣前，對(duì)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進(jìn)行預(yù)熱，然后進(jìn)行預(yù)采樣，通過統(tǒng)計(jì)分析方法獲取零點(diǎn)，并產(chǎn)生一個(gè)偏移量對(duì)零點(diǎn)實(shí)行補(bǔ)償。本發(fā)明采集到的歷史數(shù)據(jù)以數(shù)組的形式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)，對(duì)其回放可以察看數(shù)據(jù)是否合理，實(shí)驗(yàn)是否需要重做，有助于數(shù)據(jù)的分析和處理，提高實(shí)驗(yàn)效率。本發(fā)明的軟件還可以對(duì)理論上無(wú)限長(zhǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行截取處理，對(duì)特定截取段進(jìn)行保存、分析、處理。本發(fā)明的軟件還可以信號(hào)處理中對(duì)信號(hào)在時(shí)域中進(jìn)行計(jì)算分析，如平均值處理、均方根值處理等等。上述實(shí)例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高速數(shù)控車床的溫度和熱變形綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和設(shè)置在電主軸和刀具上用于監(jiān)測(cè)電主軸和刀具的溫度或熱變形的傳感器，所述傳感器采集到溫度或熱變形信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后提供給數(shù)據(jù)處理模塊處理，其特征在于所述傳感器選用紅外溫度傳感器、鉬銠絲溫度傳感器組、Ptioo溫度傳感器組和激光位移傳感器組；所述鉬銠絲溫度傳感器組設(shè)置在高速數(shù)控車床刀具刀片的至少三面上，所述Ptioo溫度傳感器組設(shè)置在高速數(shù)控車床刀具刀柄的至少三面上，所述紅外溫度傳感器設(shè)置在高速數(shù)控車床電主軸的側(cè)面；所述激光位移傳感器位于高速數(shù)控車床電主軸的軸心延長(zhǎng)線上并對(duì)電主軸軸向熱變形和刀具刀尖的熱變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速數(shù)控車床的溫度和熱變形綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述電主軸端熱變形測(cè)點(diǎn)設(shè)置在電主軸的軸端軸心位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速數(shù)控車床的溫度和熱變形綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述紅外溫度傳感器的溫度測(cè)點(diǎn)設(shè)置在高速數(shù)控車床電主軸的側(cè)面最佳溫度測(cè)點(diǎn)，所述電主軸側(cè)面最佳溫度測(cè)點(diǎn)通過電主軸溫度變化和電主軸熱變形的線性相關(guān)性得到。
4.一種高速數(shù)控車床的溫度和熱變形綜合監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述方法包括以下步驟(1)將傳感器安裝到高速數(shù)控車床的電主軸和刀具上，鉬銠絲溫度傳感器組設(shè)置在高速數(shù)控車床刀具刀片的至少三面上，PtlOO溫度傳感器組設(shè)置在高速數(shù)控車床刀具刀柄的至少三面上，紅外溫度傳感器設(shè)置在高速數(shù)控車床電主軸的側(cè)面；激光位移傳感器位于高速數(shù)控車床電主軸的軸心延長(zhǎng)線上；(2)將傳感器采集到的信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路將傳感器信號(hào)調(diào)理后送入數(shù)據(jù)采集模塊；(3)數(shù)據(jù)采集模塊將調(diào)理后的傳感器信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊，所述數(shù)據(jù)處理模塊通過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行監(jiān)控高速數(shù)控車床的電主軸和刀具的溫度變化和熱變形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述方法還包括在步驟(1)前對(duì)傳感器的測(cè)點(diǎn)位置和安裝位置進(jìn)行確定；所述測(cè)點(diǎn)位置包括電主軸側(cè)面的溫度測(cè)點(diǎn)和電主軸端熱變形測(cè)點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述方法中電主軸側(cè)面的溫度測(cè)點(diǎn)為電主軸側(cè)面的最佳溫度測(cè)點(diǎn)，所述電主軸側(cè)面的最佳溫度測(cè)點(diǎn)通過電主軸熱變形的變化量和電主軸溫度的變化量呈線性相關(guān)性計(jì)算獲得。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述方法中刀具溫度通過刀具刀片至少三面上的鉬銠絲溫度傳感器組、刀具刀柄的至少三面上Ptioo溫度傳感器組和刀具刀片表面上的紅外溫度傳感器檢測(cè)獲得。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述方法中刀具熱變形通過激光位移傳感器檢測(cè)刀具刀尖測(cè)點(diǎn)的X、Y方向變形量獲得。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述方法中刀具刀尖測(cè)點(diǎn)為刀尖進(jìn)給平面上相互垂直的兩測(cè)定點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速數(shù)控車床的溫度和熱變形綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和設(shè)置在電主軸和刀具上用于監(jiān)測(cè)電主軸和刀具的溫度或熱變形的傳感器，所述傳感器采集到溫度或熱變形信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后提供給數(shù)據(jù)處理模塊處理，其特征在于所述傳感器選用紅外溫度傳感器、鉑銠絲溫度傳感器組、Pt100溫度傳感器組和激光位移傳感器組；所述鉑銠絲溫度傳感器組設(shè)置在高速數(shù)控車床刀具刀片的至少三面上，所述Pt100溫度傳感器組設(shè)置在高速數(shù)控車床刀具刀柄的至少三面上，所述紅外溫度傳感器設(shè)置在高速數(shù)控車床電主軸的側(cè)面；所述激光位移傳感器位于高速數(shù)控車床電主軸的軸心延長(zhǎng)線上并對(duì)電主軸軸向熱變形和刀具刀尖的熱變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)B23Q17/09GK102166722SQ201010599119
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者張凱, 張學(xué)智, 張小棟, 遲曉明, 陳迪劍, 黃朝翔 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)蘇州研究院