摘  要： 數(shù)控機(jī)床主軸與尾臺頂尖是否處于同一水平線決定了機(jī)床的加工精度，因此對機(jī)床主軸位置的偏移角度進(jìn)行精密測量是極其必要的。介紹了由STM32F103RBT6主控電路、刀型探頭式光柵傳感器以及模擬機(jī)床主軸的標(biāo)準(zhǔn)測試棒組成的測量系統(tǒng)，詳細(xì)敘述了系統(tǒng)的電路工作機(jī)理和相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。研究分析了傳感器輸出信號的處理過程，提出了基于光柵位移傳感器的絕對零位修正和刀形探頭的彈性機(jī)械結(jié)構(gòu)快速接觸到水平、垂直方向測量點(diǎn)的方法，提高了系統(tǒng)定位精度。測量結(jié)果表明，該儀器可應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際測量，有效地提高了機(jī)床生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞： 機(jī)床主軸；尾臺頂尖；STM32F103RBT6；刀形探頭；光柵傳感器；絕對零位

0 引言

　　高速運(yùn)動主軸是數(shù)控機(jī)床的核心部件，其動態(tài)性能直接影響工件加工質(zhì)量和產(chǎn)品生產(chǎn)效率，對機(jī)床的加工精度起著決定性的作用[1-3]。高檔數(shù)控機(jī)床具有高速度，高性能，高柔性化，功率、轉(zhuǎn)矩匹配特性好的顯著特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛[4]。機(jī)床運(yùn)動主軸與尾臺頂尖處于同一水平線是機(jī)床生產(chǎn)質(zhì)量的重要保障，而對主軸位置偏移角度的精密測量可有效保證尾臺生產(chǎn)精度，進(jìn)而提高機(jī)床加工質(zhì)量。目前國內(nèi)機(jī)床生產(chǎn)廠家多數(shù)人為調(diào)整尾臺與主軸的相對精度，誤差大、效率低，基于光柵傳感器所研發(fā)的在線主軸自動測量系統(tǒng)由于機(jī)械結(jié)構(gòu)和安裝精準(zhǔn)度不易滿足的原因還未能廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場[5-9]。

　　進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國已逐漸成為全球最大的數(shù)控機(jī)床進(jìn)口國家[10]。數(shù)控機(jī)床的國產(chǎn)化生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展對我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的作用。隨著我國的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)產(chǎn)量日益增加，機(jī)床主軸位置自動測量儀的應(yīng)用有利于提高機(jī)床生產(chǎn)過程中的測量精度和測量效率，減輕勞動強(qiáng)度，滿足市場需求。此外，測量儀由于其數(shù)據(jù)的存儲、處理和通信的便利性，也有利于企業(yè)的現(xiàn)代化管理。

1 系統(tǒng)測量原理

　　1.1 系統(tǒng)框圖

　　基于模擬機(jī)床主軸的標(biāo)準(zhǔn)測試棒、光柵位移測量傳感器以及測量調(diào)理電路組成的自動測量儀系統(tǒng)框圖如圖1所示，通過對傳感器輸出數(shù)據(jù)的處理，可實(shí)時監(jiān)測并顯示偏移角度數(shù)據(jù)。

　　如圖2所示，機(jī)床主軸孔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)精密測試棒，利用機(jī)械彈性機(jī)構(gòu)將水平和垂直方向的兩個刀形探頭分別接觸在測試棒C處的垂直最高位置A點(diǎn)和水平最左端位置B點(diǎn)，STM32主控系統(tǒng)通過采集兩路光柵傳感器輸出的脈沖數(shù)據(jù)得到水平、垂直方向的位移值h1和v1，從而測算出機(jī)床主軸當(dāng)前的中心位置。同理在測試棒D處采集兩路位移值h2和v2，分析C、D兩處的測量結(jié)果可計(jì)算得到測試棒水平方向偏移角度α和垂直方向偏移角度β，測量點(diǎn)示意圖如圖3所示。

　　1.2 傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)圖及測量原理

　　數(shù)控機(jī)床床身、主軸位置及尾臺頂尖簡要結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，生產(chǎn)過程中需根據(jù)主軸中心O點(diǎn)位置和誤差偏移角度α、β以保證尾臺頂尖與主軸軸心位置準(zhǔn)確度。

　　由主軸檢測位置主視圖，生產(chǎn)中需要精確測量的參數(shù)有：

　?。?）主軸中心O點(diǎn)至床身導(dǎo)軌的垂直距離v和水平距離h。

　?。?）主軸軸孔水平方向偏移角度α和垂直方向偏移角度β，當(dāng)α≤0.005 73°，β≤0.005 73°時為合格。

　　傳統(tǒng)校準(zhǔn)機(jī)床主軸軸線與尾臺頂尖的相對位置采用百分表測量，采用人工方式將其探頭觸點(diǎn)分別接觸在垂直最高點(diǎn)A和水平最左點(diǎn)B。由于人為操作會對檢測帶來較大誤差，本文采用帶有彈性結(jié)構(gòu)的刀型探頭，可輕易接觸在A點(diǎn)和B點(diǎn)，測量準(zhǔn)確，誤差小，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　主控系統(tǒng)測量標(biāo)準(zhǔn)測試棒C處h1、v1以及距C處水平距離L的D處h2、v2，通過計(jì)算可得水平、垂直偏差角度α和β。

　　α=arctan[（v2-v1）/L]（1）

　　β=arctan[（h2-h1）/L]（2）

2 機(jī)床主軸位置自動測量儀電路

　　2.1 機(jī)床主軸位置自動測量儀整體電路結(jié)構(gòu)

　　本文設(shè)計(jì)的機(jī)床主軸自動測量儀所加載的兩路光柵位移傳感器帶有絕對零位檢測，結(jié)合零位誤差修正參數(shù)，在傳感器通過零位時系統(tǒng)開始進(jìn)行計(jì)數(shù)測量。整體電路結(jié)構(gòu)如圖6所示，系統(tǒng)帶有485通信接口以及IC卡讀寫單元，方便管理機(jī)床生產(chǎn)過程中的檢測數(shù)據(jù)。

　　2.2 探頭光柵電阻鏈移相原理及判向細(xì)分電路

　　光柵位移傳感器可輸出5路信號，分別是sin正弦信號、cos余弦信號、zero絕對零位信號以及正余弦信號的反向輸出/sin、/cos，利用電阻鏈移相原理將光柵傳感器輸出的兩路正余弦信號進(jìn)行5倍頻得到反映位移量的方波信號，基本原理如圖7所示。

　　由圖7可得輸出信號為：

　　即可通過改變R1和R2的阻值達(dá)到調(diào)節(jié)延遲相位φ的目的。5倍頻細(xì)分電路采用上述電阻鏈細(xì)分原理，通過電阻鏈移相，保證在輸入信號單周期范圍內(nèi)輸出10個脈沖信號，根據(jù)等值細(xì)分原理，其相移角為θ=18°×N（N取0~9內(nèi)整數(shù)）。具體5倍頻電路如圖8所示。由式（5）和電阻系列值標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際應(yīng)用中所取電阻值分別為。

　　由圖8知，電阻鏈移相細(xì)分網(wǎng)絡(luò)輸入信號分別是sin、cos和/sin，輸出信號為相移角依次相差18°的10路正弦信號，通過電平比較器進(jìn)行波形變換，將正余弦信號變?yōu)榉讲}沖信號。方波信號再通過異或門邏輯組合輸出兩路相位差為90°的5倍頻脈沖信號，即out1（4′）信號和out2（3′）信號，如圖9所示。

3 結(jié)論

　?。?）采用光柵傳感器絕對零位校正功能有效地降低人工操作誤差，提高了生產(chǎn)質(zhì)量和檢測效率。

　?。?）光柵位移傳感器采用刀型式彈性機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可方便快捷地對主軸位置水平、垂直方向偏移角度進(jìn)行測量。

　　（3）對傳感器輸出的正余弦信號進(jìn)行電阻鏈移相5倍頻和判向4細(xì)分，使得測量分辨率達(dá)1 ?滋m。

　　（4）基于STM32F103RBT6主控電路以及數(shù)字式光柵傳感器所研制的這套數(shù)控機(jī)床主軸位置自動測量儀具有抗干擾能力強(qiáng)、體積小、方便現(xiàn)場檢測的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 袁勝萬，崔崗衛(wèi)，李朝萬，等.高速機(jī)床主軸-軸承系統(tǒng)動態(tài)性能研究[J].機(jī)床與液壓，2014，42（17）：38-41.

　　[2] SARHAN A A D. Investigate the spindle errors motions from thermal change for high-precision CNC machining capability[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2014，70：957-963.

　　[3] BOSETTI P， BRUSCHI S. Enhancing positioning accuracy of CNC machine tools by means of direct measurement of deformation[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2012，58：651-662.

　　[4] 熊萬里.我國高性能機(jī)床主軸技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].金屬加工，2011（18）：6-10.

　　[5] 江曉軍，黃慧杰，王向朝.基于光柵傳感器的位移測量儀研制[J].電子測量技術(shù)，2008，31（7）：147-150.

　　[6] 盧國綱.機(jī)床絕對式位移測量及信號傳輸[J].金屬加工，2009（22）：70-72.

　　[7] 劉翠玲，趙權(quán)，劉天亮.基于AT89C52的多路光柵智能測控儀[J].儀表技術(shù)與傳感器，2006（1）：15-17.

　　[8] 趙玉剛，周維芳，白慶華，等.基于FPGA的光柵位移檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2008，37（4）：57-58.

　　[9] 趙桂娟.光柵傳感器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2009，30（6）：171-172.

　　[10] 姚莉.淺析我國數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].山東機(jī)械，2005（4）：51.