基于STM32的數(shù)控機(jī)床主軸位置自動(dòng)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

黃　平，于光平（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)　信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧　沈陽(yáng)　110870）

基于STM32的數(shù)控機(jī)床主軸位置自動(dòng)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

黃平，于光平
（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110870）

數(shù)控機(jī)床主軸與尾臺(tái)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(duì)機(jī)床主軸位置的偏移角度進(jìn)行精密測(cè)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(cè)試棒組成的測(cè)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(hào)的處理過(guò)程，提出了基于光柵位移傳感器的絕對(duì)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(cè)量點(diǎn)的方法，提高了系統(tǒng)定位精度。測(cè)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(cè)量，有效地提高了機(jī)床生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

機(jī)床主軸；尾臺(tái)頂尖；STM32F103RBT6；刀形探頭；光柵傳感器；絕對(duì)零位

0　引言

高速運(yùn)動(dòng)主軸是數(shù)控機(jī)床的核心部件，其動(dòng)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(duì)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(dòng)主軸與尾臺(tái)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(duì)主軸位置偏移角度的精密測(cè)量可有效保證尾臺(tái)生產(chǎn)精度，進(jìn)而提高機(jī)床加工質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)機(jī)床生產(chǎn)廠家多數(shù)人為調(diào)整尾臺(tái)與主軸的相對(duì)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(dòng)測(cè)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(chǎng)［5-9］。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)已逐漸成為全球最大的數(shù)控機(jī)床進(jìn)口國(guó)家［10］。數(shù)控機(jī)床的國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的作用。隨著我國(guó)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(dòng)測(cè)量?jī)x的應(yīng)用有利于提高機(jī)床生產(chǎn)過(guò)程中的測(cè)量精度和測(cè)量效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足市場(chǎng)需求。此外，測(cè)量?jī)x由于其數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、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(cè)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(cè)試棒、光柵位移測(cè)量傳感器以及測(cè)量調(diào)理電路組成的自動(dòng)測(cè)量?jī)x系統(tǒng)框圖如圖1所示，通過(guò)對(duì)傳感器輸出數(shù)據(jù)的處理，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示偏移角度數(shù)據(jù)。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

如圖2所示，機(jī)床主軸孔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)精密測(cè)試棒，利用機(jī)械彈性機(jī)構(gòu)將水平和垂直方向的兩個(gè)刀形探頭分別接觸在測(cè)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(guò)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(cè)算出機(jī)床主軸當(dāng)前的中心位置。同理在測(cè)試棒D處采集兩路位移值h2和v2，分析C、D兩處的測(cè)量結(jié)果可計(jì)算得到測(cè)試棒水平方向偏移角度α和垂直方向偏移角度β，測(cè)量點(diǎn)示意圖如圖3所示。

圖2　機(jī)床主軸標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試棒偏移角度示意圖

圖3　主軸測(cè)量位置示意圖

1.2傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)圖及測(cè)量原理

數(shù)控機(jī)床床身、主軸位置及尾臺(tái)頂尖簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，生產(chǎn)過(guò)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(tái)頂尖與主軸軸心位置準(zhǔn)確度。

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

（1）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。

（2）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(shí)為合格。

傳統(tǒng)校準(zhǔn)機(jī)床主軸軸線與尾臺(tái)頂尖的相對(duì)位置采用百分表測(cè)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(huì)對(duì)檢測(cè)帶來(lái)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(cè)量準(zhǔn)確，誤差小，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　探頭機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

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

2　機(jī)床主軸位置自動(dòng)測(cè)量?jī)x電路

2.1機(jī)床主軸位置自動(dòng)測(cè)量?jī)x整體電路結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)床主軸自動(dòng)測(cè)量?jī)x所加載的兩路光柵位移傳感器帶有絕對(duì)零位檢測(cè)，結(jié)合零位誤差修正參數(shù)，在傳感器通過(guò)零位時(shí)系統(tǒng)開始進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)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(guò)程中的檢測(cè)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(hào)，分別是sin正弦信號(hào)、cos余弦信號(hào)、zero絕對(duì)零位信號(hào)以及正余弦信號(hào)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(hào)進(jìn)行5倍頻得到反映位移量的方波信號(hào)，基本原理如圖7所示。

圖7　電阻鏈移相細(xì)分基本原理

由圖7可得輸出信號(hào)為：

因此其幅值和相位分別為：

即可通過(guò)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(guò)電阻鏈移相，保證在輸入信號(hào)單周期范圍內(nèi)輸出10個(gè)脈沖信號(hào)，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56kΩ、33kΩ、24kΩ、18kΩ。

圖8　電阻鏈移相五倍頻細(xì)分電路

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

圖9　5倍頻細(xì)分電路的工作波形

3　結(jié)論

（1）采用光柵傳感器絕對(duì)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(cè)效率。

（2）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(duì)主軸位置水平、垂直方向偏移角度進(jìn)行測(cè)量。

（3）對(duì)傳感器輸出的正余弦信號(hào)進(jìn)行電阻鏈移相5倍頻和判向4細(xì)分，使得測(cè)量分辨率達(dá)1μm。

（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(dòng)測(cè)量?jī)x具有抗干擾能力強(qiáng)、體積小、方便現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。

［1］袁勝萬(wàn)，崔崗衛(wèi)，李朝萬(wàn)，等.高速機(jī)床主軸-軸承系統(tǒng)動(dòng)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(wàn)里.我國(guó)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(cè)量?jī)x研制［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2008，31（7）：147-150.

［6］盧國(guó)綱.機(jī)床絕對(duì)式位移測(cè)量及信號(hào)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(cè)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(cè)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(guó)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.

Design of automatic measuring system in CNC machine tools principal axis′s position based on STM32

Huang Ping，Yu Guangping
（School of Information Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

Whether the computer numerical control（CNC）machine tools principal axis and tail table top is in the same horizontal line determines the processing precision of machine tools.It is significant to carry on precise detection for the position of the principal axis of CNC machine tools.The automatic measuring system about CNC machine tools principal axis made up of controller circuit on STM32F103RBT6 and knife-edge probe grating transducer and standardized testing prod which simulates the principal axis was introduced in this thesis.The circuit working mechanism and related mechanical structure design were narrated in detail.The output signal processing of sensors was studied and analyzed.The method of using knife-edge probe and elastic mechanical structure to contact the measurement points in horizontal and vertical direction to detect rapidly which enhances the system positioning accuracy was proposed.The result of the experiment indicates the measurement instrument can be applied in productive practice which improves the machine tool production efficiency and quality effectively.

CNC machine tools principal axis；tail table top；STM32F103RBT6；knife-edge probe；grating transducer；absolute zero

TP212

A

1674-7720（2015）12-0073-03

2015-01-20）

黃平（1991-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：精密測(cè)量與控制、油氣管道無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。E-mail：302750254@qq.com。

于光平（1951-），男，工學(xué)碩士，教授，主要研究方向：精密測(cè)量與控制、計(jì)算機(jī)視覺三維測(cè)量技術(shù)。