摘  要： 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,。

　　關(guān)鍵詞： 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,，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(duì)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(dòng)測(cè)量?jī)x的應(yīng)用有利于提高機(jī)床生產(chǎn)過程中的測(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),。

　　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,。

　　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：

　?。?）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,。

　　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(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,。

　　由圖7可得輸出信號(hào)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(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,。

　　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,。

3 結(jié)論

　?。?）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,。

　?。?）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,。

　?。?）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)1 ?滋m,。

　?。?）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)。

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