數(shù)控銑床檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用

第1章緒論到20世紀(jì)70年代末，人們提出了一種基于幾何誤差模型的代數(shù)誤差模型，即誤差的矢量型來(lái)驗(yàn)證三坐標(biāo)測(cè)量的準(zhǔn)確性。對(duì)誤差模型構(gòu)造的進(jìn)一步研究導(dǎo)致了20世紀(jì)80年代的第數(shù)方程表示幾何誤差，并在此基礎(chǔ)上建立銑床誤差的二次分析模型。在20世紀(jì)80年代中評(píng)估系統(tǒng)。在20世紀(jì)90年代早期，相關(guān)的學(xué)術(shù)專(zhuān)家和學(xué)者研究了銑床中的非剛性運(yùn)動(dòng)誤取得了良好的效果。在21世紀(jì)初，部分研究人員對(duì)基于齊次坐標(biāo)的建模技術(shù)進(jìn)行了更為條件下必須具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能，這一點(diǎn)是評(píng)估銑床的有效方法。在20世紀(jì)60年代末，NASA的研究團(tuán)隊(duì)使用演示示例提出了工件復(fù)合體的概念，該復(fù)合材料由各種形狀組成，離，在實(shí)驗(yàn)中，六個(gè)銑床的幾何誤差通過(guò)試樣分層方法來(lái)表征。雖然國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)軍用數(shù)控銑床的誤差建模進(jìn)行了詳細(xì)研究，但與一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，研究進(jìn)展還是相對(duì)較慢。20世紀(jì)90年代，天津大學(xué)的張青和劉有武建立了基于多系統(tǒng)理論的數(shù)控銑床誤差模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了詳細(xì)的研究，提出的多系統(tǒng)理論方法綜合考慮了銑床運(yùn)動(dòng)的存在，基于耦合系數(shù)建立了任意結(jié)構(gòu)類(lèi)型銑床的幾何誤差模型。上海交通大學(xué)楊建國(guó)采用齊次坐標(biāo)修正方法建立空間坐標(biāo)誤差模型，在該模型構(gòu)建中，充分考慮了與誤差相關(guān)的影響因素和熱誤差的影響，在實(shí)際應(yīng)用中獲得了較好的補(bǔ)償效果。此外，中國(guó)有許多公司，銑床制造商和大學(xué)研究機(jī)構(gòu)，正在對(duì)多軸數(shù)控銑床的幾何誤差模型構(gòu)造技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究，主要使用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多體運(yùn)動(dòng)理論相結(jié)合，事實(shí)上已經(jīng)取得了很好的研究成果。天津大學(xué)徐悅分析了數(shù)控銑床伺服系統(tǒng)的精度，提出了伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的精度測(cè)量指標(biāo)，該指示器可用于測(cè)量加工誤差，還可提出輪廓誤差的校正控制。華中科技大學(xué)丁漢等人研究了數(shù)控銑床的切削過(guò)程，建立數(shù)控銑床的切削動(dòng)力學(xué)模型，研究多軸銑床運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)具體理論優(yōu)化參數(shù)提出了一種新方法，具有重要意義。華中科技大學(xué)唐小琪應(yīng)用多體運(yùn)動(dòng)理論對(duì)數(shù)控銑床加工的五軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)研究，以提高數(shù)控銑床幾何誤差的構(gòu)造和校正。浙江大學(xué)柯林林薄壁結(jié)構(gòu)切削力預(yù)測(cè)模型，用于分析加工過(guò)程中的工件變形和振動(dòng)穩(wěn)定性。以上研究人員為中國(guó)多軸高速銑床的性能研究和誤差動(dòng)態(tài)檢測(cè)奠定了理論基礎(chǔ)。目前，加工零件的誤差主要分為空間誤差和熱誤差。加工工件不僅可以精確識(shí)別CNC銑削過(guò)程中與動(dòng)態(tài)模型相關(guān)的參數(shù)，還可以量化檢測(cè)過(guò)程中的基本誤差。數(shù)控銑床的加工性能和誤差特性由最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)精確確定。此外，可以使用一系列有效的誤差校正方法來(lái)提高加工精度。然而，在實(shí)踐中，不能為每個(gè)誤差變量建模研究影響CNC銑床的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的因素。因此，這種動(dòng)態(tài)性能測(cè)試允許在僅獲得假設(shè)下的關(guān)鍵因子，并從理論上進(jìn)行分析。這也是通過(guò)理論分析進(jìn)行幾何誤差校正的重要原因。使用高級(jí)工具，如球桿儀(DDB)測(cè)量?jī)x器和RTCP(旋轉(zhuǎn)刀具中心點(diǎn))幾何誤差檢測(cè)器，根據(jù)這些移動(dòng)工具調(diào)整數(shù)控銑床的誤差修正和動(dòng)態(tài)特性正在進(jìn)一步探索研究中，系統(tǒng)地分析運(yùn)動(dòng)誤差以反映銑床的靜態(tài)誤差特性或CNC銑床的多軸聯(lián)動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)精度。另一方面，這對(duì)于記錄銑床運(yùn)動(dòng)是有用的，但是目前，現(xiàn)有的測(cè)試只能在加工過(guò)程中快速檢測(cè)特定的運(yùn)動(dòng)軌跡而不是表面輪廓，這與銑床的實(shí)際工作有一定的差距。當(dāng)遵循伺服控制系統(tǒng)時(shí)，輪廓控制系統(tǒng)通常需要向每個(gè)進(jìn)給軸提供附加的輪廓誤差校正信息并將其饋送到進(jìn)給軸，使進(jìn)給軸做一個(gè)合理的運(yùn)動(dòng)。然而，該校正信息是使用輪廓誤差閉環(huán)校正估計(jì)或計(jì)算通過(guò)對(duì)上述國(guó)內(nèi)外數(shù)控銑床加工誤差修正研究現(xiàn)狀的分析，目前對(duì)數(shù)控銑床加工精度的研究和分析主要集中在多體系統(tǒng)理論和同質(zhì)性上。在坐標(biāo)分析和研究中，如果銑床陷入復(fù)雜的誤差并且不能準(zhǔn)確地檢測(cè)到對(duì)整個(gè)工件精度的影響，則銑床的使用范圍會(huì)受到很大可以檢測(cè)不適合實(shí)際生產(chǎn)的加工精度，但是不可能在有限的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確和及時(shí)地分析檢測(cè)。目前，關(guān)于數(shù)控銑床精度檢測(cè)的唯一研究是理論空間誤差建模，空間誤差檢測(cè)和補(bǔ)償研究，由它們給出的趨勢(shì)預(yù)測(cè)只能指導(dǎo)銑床伺服系統(tǒng)的加工參數(shù)。但是，由于特殊的加工條件，銑床內(nèi)部存在的任何異常的振動(dòng)干擾都會(huì)導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量當(dāng)前的加工精度，此時(shí)，需要利用實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)銑床的加工精度，由此改善產(chǎn)品質(zhì)量，以防止在加工過(guò)程中的危險(xiǎn)。目前，在CNC銑床加工精度檢測(cè)中基本上沒(méi)有將伺服系統(tǒng)的加工數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集控制相結(jié)合的檢測(cè)系統(tǒng)，為了最小化加工工件檢查時(shí)間對(duì)加工效率的影響，有必要考慮如何建立可靠的工件檢查時(shí)間，建立一個(gè)高效的加工精度檢測(cè)和分析系統(tǒng)。第2章數(shù)控銑床檢測(cè)裝置(1)工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)。(2)滿(mǎn)足準(zhǔn)確性和速度要求。(3)安裝方便，維護(hù)方便，適用于銑床工作環(huán)境。(4)成本低。旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量或饋送導(dǎo)螺桿角度并間接測(cè)量工作臺(tái)位移。通常使用的旋轉(zhuǎn)變壓器是具有兩個(gè)繞組的雙極旋轉(zhuǎn)變壓器，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組彼此正交。2.1.2旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理是互感。其結(jié)構(gòu)允許定子和轉(zhuǎn)子之間的磁通量為正(剩余)串。定子繞組與用于在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的激勵(lì)電壓相結(jié)合。從圖2-1中可以看出，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的大小取決于定子和轉(zhuǎn)子在空間中的兩個(gè)繞組軸上的相對(duì)位置。當(dāng)兩者平行時(shí)，磁通兒乎完全通過(guò)轉(zhuǎn)子繞組的橫截面，使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大化。如果兩者是垂直的，則由轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角(保持)而正向變化?！癧=“[=Umsinot?(1)鑒相式工作方式在該工作方式下，旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相繞組(正弦繞組s余弦繞組c分別加上幅值相同，頻率相同，而相位相差90°的正弦交流電壓，見(jiàn)圖2-2。即圖2-2兩相繞組根據(jù)線性疊加原理，在轉(zhuǎn)子上的工作繞組中的感應(yīng)電壓為其中-定子的正弦繞組的軸線與轉(zhuǎn)子操作的繞組的軸線之間的角度；Q--每個(gè)頻率的激勵(lì)。從上式可以看出，旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電壓e2與定子繞組中的激勵(lì)電壓處于相同的頻率，但是相位不同并且相位嚴(yán)格地隨轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角度而變化。通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的相位角，可以測(cè)量轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的旋轉(zhuǎn)位置。(2)操作模式檢測(cè)在這種操作模式中，旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相繞組施加相同頻率的交流電壓，相同的相位和幅度分別隨正弦和余弦變化。根據(jù)線性疊加原理，在轉(zhuǎn)子上的工作繞組中的感應(yīng)電壓為：式中6定子正弦繞組軸線與轉(zhuǎn)子工作繞組軸線之間的夾角；2.2.1線性感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)成，一個(gè)正弦波繞組和一個(gè)余弦繞組。與固定長(zhǎng)度繞組相比，它在空間中移動(dòng)1/4節(jié)距(1/4p),定子和滑塊的結(jié)構(gòu)如圖2-3圖2-3定子和滑塊結(jié)構(gòu)圖固定長(zhǎng)度的底板和滑塊由鋼板制成，具有與銑床材料相同的熱膨脹系數(shù)。通過(guò)精確的在1/2間距的1/2點(diǎn)處，感應(yīng)電壓的大小與點(diǎn)a相同并且極性相反。在3/4節(jié)距的點(diǎn)d處，滑尺的位置點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)感應(yīng)電壓應(yīng)電壓應(yīng)電壓 C(1)鑒相方式激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生以頻率o在空間中移動(dòng)的行波。由于刻度和滑塊的相對(duì)位置不同，磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓切斷定子引導(dǎo)并產(chǎn)生超前或滯后的相位差θ。根據(jù)線性疊加原理，固定長(zhǎng)度工作繞組中的感應(yīng)電壓為：其中-定子正弦繞組軸與轉(zhuǎn)子工作繞組軸之間式中@勵(lì)磁角頻率。可以看出，θ和一個(gè)間間間的一對(duì)一對(duì)應(yīng)可以通過(guò)測(cè)量的固定模量感應(yīng)電壓相位θ來(lái)測(cè)量量定的塊滑的移位。數(shù)字確定機(jī)系統(tǒng)的相位測(cè)量系統(tǒng)，命令信號(hào)狀相位角θ1推理裝置被發(fā)送，并且數(shù)字解碼機(jī)器狀機(jī)構(gòu)被控制。當(dāng)前θ的總和。在電流固定長(zhǎng)度的當(dāng)前相位時(shí)，電流相位變化，相位變化和θ。在θ≠01時(shí)，這是機(jī)器工作臺(tái)工作臺(tái)。此時(shí)，相對(duì)位置是固定的并且要求長(zhǎng)度。2.3光柵在高精度數(shù)控銑床中，光柵現(xiàn)在被廣泛用作反饋檢測(cè)元件。與上述旋轉(zhuǎn)變壓器和電感同步器不同，光柵不依賴(lài)于電磁原理，不需要激勵(lì)電壓，并且根據(jù)光學(xué)原理工作，不需要復(fù)雜的系統(tǒng)。有幾種類(lèi)型的網(wǎng)格。根據(jù)光是否被光柵透射或反射，它可以分為透射光柵和反射光柵。電子與透明光學(xué)玻璃板平行地雕刻，并且雕刻等距致密線，并且通過(guò)光透射形成晶格。后者通常用不透明的金屬材料(例如不銹鋼和鋁板)雕刻平行的，等距的密集線，并使用光的全反射或漫反射來(lái)形成光柵。透射衍射光柵的分辨率高于反射衍射光柵的分辨率，并且其檢測(cè)精度可以是1μm或更大。從幾何角度來(lái)看，網(wǎng)格分為圓形和長(zhǎng)網(wǎng)格。前者用于角度測(cè)量，后者用于線性位移檢測(cè)。這兩個(gè)工作原理基本相似。2.3.2網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和工作原理光柵由刻度光柵和光學(xué)讀數(shù)頭組成。刻度網(wǎng)格通常連接到機(jī)器的移動(dòng)部分，例如工作臺(tái)。光柵讀數(shù)頭安裝在機(jī)器的固定部分上。指示器網(wǎng)格連接到光柵讀數(shù)頭。尺度和指示器網(wǎng)格的平行度以及它們之間的間隙(0.05-0.1mm)是嚴(yán)格保證的。當(dāng)網(wǎng)格讀數(shù)頭相對(duì)于比例網(wǎng)格移動(dòng)時(shí)，指示器網(wǎng)格相對(duì)于比例網(wǎng)格移動(dòng)。光柵讀數(shù)頭，也稱(chēng)為光電轉(zhuǎn)換器，將光柵紋波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。圖2-5顯示了正常的事件讀數(shù)頭。讀頭包括光源，集中鏡，指示器柵格，光敏元件和驅(qū)動(dòng)電路。圖2-5光柵工作原理圖1—光源；2—透鏡；3—標(biāo)尺光柵；4—指示光柵；5—光電元件；6—驅(qū)動(dòng)線路當(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)尺光柵上的線紋呈一小角度θ放置時(shí)，造成兩光柵尺上的線紋交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)附近的小區(qū)域內(nèi)黑線重疊形成明暗相間的條紋，這種條紋稱(chēng)為“莫爾條紋”?！澳獱枟l紋”與光柵的線紋幾乎成垂直方向排列(見(jiàn)圖2-6)。莫爾條紋的特點(diǎn)：(1)當(dāng)用平行光束照射光柵時(shí)，莫爾條紋由亮帶到暗帶，再由暗帶到光帶的透過(guò)光的強(qiáng)度近似于正(余)弦函數(shù)。(2)起放大作用：用w表示莫爾條紋的寬度，p表示柵距，θ表示光柵線紋之間的夾角，則(4)莫爾條紋運(yùn)動(dòng)與節(jié)距之間的運(yùn)動(dòng)成比例。當(dāng)干涉條紋移動(dòng)1個(gè)間距時(shí)，莫爾條紋2.4脈沖編碼器光電脈沖編碼器由光源，透鏡，光電板，光盤(pán)(格子板),光電元件和信號(hào)處理電路組成(圖2-7)。光電板通過(guò)研磨和拋光由玻璃材料制成，在真空中將不透明的鉻層鍍?cè)诓ＡП砻嫔希缓笸ㄟ^(guò)照相蝕刻形成向心透光縫隙。透光狹縫在圓周上均勻分開(kāi)，數(shù)量在數(shù)百到數(shù)千的范圍內(nèi)。盤(pán)(光柵板)也由玻璃制成，拋光和拋光，具有兩個(gè)用于透光的狹當(dāng)圓形網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)時(shí)，光線穿過(guò)兩個(gè)網(wǎng)格的線段，形成明亮和暗色條紋。編碼器根據(jù)特定的編碼格式(例如二進(jìn)制編碼)將盤(pán)分成幾個(gè)相等的部分，并將表示測(cè)量的位移的等分試樣轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以便由電子，光電或電磁部件輸出。圖2-8顯示了一個(gè)4位二進(jìn)制代碼盤(pán)，其中黑色區(qū)域是導(dǎo)電的，其余區(qū)域是絕緣的。每個(gè)代碼通道都配有相應(yīng)的刷子。當(dāng)碼盤(pán)與工作軸一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，獲得二進(jìn)制輸出。碼輪精度與代碼通道有關(guān)。代碼通道越多，代碼輪的容量就越大。RE轉(zhuǎn)題%%指定代碼的數(shù)字信號(hào)輸出。這顯示為4位二進(jìn)制代碼盤(pán)，在刷子位置和輸出0000處具有代碼通道包裝的數(shù)量是二進(jìn)制位的數(shù)量，內(nèi)部的高位和外部的低位。分辨率角度第3章常用典型檢測(cè)裝置及應(yīng)用3.1旋轉(zhuǎn)變壓器(角位移檢測(cè)器)旋轉(zhuǎn)變壓器是角度測(cè)量部件和小型AC電動(dòng)機(jī)。其結(jié)構(gòu)類(lèi)似于兩相繞組異步電動(dòng)機(jī)控系統(tǒng)。它由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組是變壓器的初級(jí)側(cè)，轉(zhuǎn)子繞組是變壓器的次級(jí)側(cè)。激勵(lì)電壓連接到定子繞組，激勵(lì)頻率通常為400H,500H,1000H,3000H,5000H。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈敏，對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求。維護(hù)方便，輸出信號(hào)幅度大，抗干擾性強(qiáng)，3.2格子尺縮放位移傳感器(稱(chēng)為柵格尺度)是通過(guò)晶格的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置。標(biāo)測(cè)量和輸出的信號(hào)是數(shù)字脈沖，具有寬檢測(cè)范圍，高檢測(cè)精度和快速響應(yīng)。例如，CNC3.3脈沖編碼器(角位移檢測(cè)元件)脈沖編碼器是光學(xué)位置感測(cè)組件。編碼器盤(pán)直接安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，以測(cè)量軸的角位置和速度。輸出信號(hào)是電脈沖。脈沖編碼器是旋轉(zhuǎn)脈沖發(fā)生器，可將機(jī)械角度轉(zhuǎn)換為電脈沖。廣泛用于數(shù)控銑床的3.4感應(yīng)同步器當(dāng)使用大于10的固定長(zhǎng)度時(shí)，線圈的電阻和電感不會(huì)過(guò)度增加，并且刻度被分成幾1)首先將選定的標(biāo)尺連接到固定座椅，將滑塊連接到可移動(dòng)滑塊，然后調(diào)整固定標(biāo)3)使用距離測(cè)量系統(tǒng)(金屬線秤和讀數(shù)顯微鏡，量塊和千分尺，激光干涉儀或標(biāo)準(zhǔn)4)重復(fù)步驟3)按順序擰緊所有固定長(zhǎng)度。第4章數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1數(shù)控銑床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選取切削進(jìn)給速度為10m/min,快速運(yùn)動(dòng)速度為20m/min。的床身材料，它具有鑄鐵所不具備的阻尼性能強(qiáng)、熱容量大、熱變形小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備抗腐蝕性強(qiáng)、尺寸穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。由于高速機(jī)床在高速切削時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，為防止熱變形，必須控制溫度迅速散熱，同時(shí)要求機(jī)床受到激振力時(shí)迅