CN101602175A - 多路实时在线光纤位移测控仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了测控领域中，在精密复杂机械部件使用多轴多刀数控机床同时进行多工序加工作业时，对多种尺寸形位质量精度，进行实时在线检测控制的多路实时在线光纤位移测控仪。它由光纤测感器、光信号读出器、模拟信号调节器、转换开关、模/数转换器、缓存器、单片机及内部系统总线、数/模转换器组合而成。光纤测感器装距被测对象适当位置，其它部件封装壳体内，经传输光纤与光纤测感器连接。它综合运用了光纤传导、光电反应、电子集成、自动控制、计算机处理先进技术，融汇了信息采集、信号调节、模/数转换、数据处理等多项功能，具有发明设计理念先进、产品构思新颖独特、结构布局紧凑合理、工作性能稳定可靠、适合业内推广应用等优点。

Description

多路实时在线光纤位移测控仪

技术领域：

本发明涉及一种智能化位移监测控制仪器，具体说是涉及一种应用光纤导光对大型精密复杂机械部件在使用多轴多刀数控机床同时进行多工序加工作业时，实现对直径、内孔、平行度、同心度、垂直度等多种位移变化进行实时在线测量及监控的监测控制仪器。

背景技术：

随着我国数控技术的迅速发展，数控机床在机械加工的应用越来越普遍，对于大型精密复杂的机械部件，使用数控机床进行生产加工也越来越成为首选。而对大型精密复杂机械部件的加工往往要对直径、内孔、平面、平行度、垂直度、平面度、同心度、精糙度等尺寸、形位质量精度有明确的严格要求。就现有的数控机床来看，特别是多轴多刀数控机床的加工能力和技术水平，同时进行多工序加工，并满足上述各项尺寸、形位的质量精度要求已有较大的把握。但按照质量管理制度规定，无论选择怎样精密的加工设备，都不能凭加工设备的工作结果来认定产品质量标准，而必须要通过适当的检测仪器作出判断。目前国外已相继开发出适用于数控机床的自动检测仪器，但由于仪器系统复杂，价格昂贵，对检测环境要求较高，不适应我国国情。而国内尚有该检测仪器对以上所述大型精密复杂机械部件的加工进行实时在线检测监控。为此，生产加工企业都是在机械部件加工后，用专项或通用量检具分别进行单项检查或比对换算，然后再对机械部件的加工质量作出独立判断。这种现状既费时费力，还易造成质量误差，对于出现的质量问题只能听之任之，毫无办法。因此，该检测方法根本不能适应大规模自动化生产流水线及现代化生产现场在线控制系统的需求。固而成为该领域长期渴望解决而尚未解决的难题。

发明内容：

本发明主要是解决目前国外仪器系统复杂，价格昂贵，对检测环境要求较高，国内尚有适当的检测仪器对大型精密复杂机械部件的加工进行实时在线检测监控，不能适应大规模自动化生产流水线及现代化生产现场在线控制系统的需求的问题

本发明的多路实时在线光纤位移测控仪，包括：

用于将模拟信号调节器输出的连续变化的模拟电信号，经过采样、量化、编码、转换运算处理后，转化成阶跃变化的数字信号。并实时传输给先入先出缓存器和环形缓存器的模/数转换器；

用于同时接收由模/数转换器实时传入的数字信号，以同步速度接收储存数字信号，并陆续通过单片机及内部系统总线实时送入计算机处理，同时保持随时启动高速密集记录某传感通道设定事件触发前后瞬态变化，将其实时送入计算机优先处理，并对事件触发过程进行记录存储备查的先入先出缓存器和环形缓存器；

用于连接沟通系统内各种数控模块之间及外接计算机之间的所有联系与控制，并与被测对象的生产加工设备、生产现场在线调控系统进行联网通信的单片机及内部系统总线。

用于由编程软件指令进行开关，将阶跃变化的数字信号转换成连续变化的模拟电信号的数/模转换器，

还包括：

用于拾取由光源光纤照射被测对象后，传输光纤接收的连续变化的敏感光信号，并实时传输给光信号读出器的光纤测感器；

用于将光纤测感器传入的连续变化的敏感光信号转换成可读出的连续变化的电信号的光信号读出器；

用于将光信号读出器输出的连续变化的电信号经增益放大、低通滤波调节成系统内可采用的电量量程的模拟信号调节器；

用于模拟信号调节器与模/数转换器之间进行连接与切换的转换开关；

将所述各光纤测感器、光信号读出器、模拟信号调节器、模/数转换器及转换开关连接于单片机及内部系统总线，而将所述数/模转换器输入由编程软件控制，且输出的模拟电信号并行接入所述转换开关及各模拟信号调节器、光信号读出器、光纤测感器。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明解决了大型精密复杂机械部件在使用多轴多刀数控机床同时进行多工序加工作业时，对加工的尺寸、形位等质量精度进行实时在线检测监控的该领域技术难题，满足了新型现代化生产现场在线控制系统的特殊需要。可靠实现了发明目的。

2、本发明采取了光纤测感器、光信号读出器、模拟信号调节器和转换开关四项创新技术，综合应用了光纤传导、光电反应、电子集成、自动控制、计算机处理等当代先进技术，融汇了信息采集、信号调节、模/数转换、数据处理等多项功能的优化组合，实现以非接触方式实时在线多路同时测量与调控数控机床生产加工质量，具有发明设计理念先进、产品构思新颖独特、结构布局紧凑合理、工作性能稳定可靠、价格低廉经济实用等特点，与现有技术相比具有突出的实质性特点与显著的进步。并能够为新型自动化仪表行业的新产品开发研制，提供启发和借鉴经验。

3、本发明针对具体专业设备工作特点和实际需要，应用软件与硬件、功能与配置、实用与扩展的综合平衡协调设计思想，使发明产品在功能、配置、应用等诸多方面都具有较强的针对性和很少冗余性，从而大大降低了生产制造成本，提高了性价比，更加适宜推广应用。

4、本发明既能为拥有数控机床的部件加工企业，提供生产产品所必需的新型自动化先进检测技术装备，又能为开发研制数控机床的设备生产企业，提供为主机配套的附属保障仪器，使发明产品具较大的市场发展空间，可以创造较高的经济效益和较好的社会效益。

附图说明：

图1是多路实时在线光纤位移测控仪整体结构示意图；

图2、图3是光纤测感器结构及光纤接收示意图；

图4是光信号读出器结构示意图；

图5是模拟信号调节器结构示意图；

图6是转换开关结构示意图；

图7模/数转换器结构示意图。

具体实施方式：

由图1-图7所示的多路实时在线光纤位移测控仪是由光纤测感器1、光信号读出器2、模拟信号调节器3、转换开关4、模/数转换器5、先入先出缓存器6、环形缓存器7、单片机及内部系统总线8、数/模转换器9九部分构成的。组装时将光纤测感器1安装在距被测对象规定距离的固定物体上，其他部分即光信号读出器2、模拟信号调节器3、转换开关4、模/数转换器5、先入先出缓存器6、环形缓存器7、单片机及内部系统总线8、数/模转换器9整体封装在长方形壳体内，通过传输光纤10与光纤测感器1连接构成。

所述的光纤测感器1，是在壳体11外部封装透明平镜片12、在壳体11基座13内设与透明平镜片12对应的传输光纤10、光源光纤14和在光源光纤14一侧的半导体发光二极管15组成。光纤测感器1通过安装调节支架16安装在距被测对象规定距离的固定物体上。由半导体发光二极管15发出定向光束，通过光源光纤14照射在被测对象加工位置上，利用被测位置变化可以改变光束反射或折射(如图2、图3)进入传输光纤10光通量不同的特性，由传输光纤10实时拾取、接收由被测对象反射或折射出的连续变化的光信号，实时测感被测量的变化状态；并把能反映被测量变化的敏感光信号实时传送到光信号读出器2内。

所述的光信号读出器2，是由光电倍增管17及在光电倍增管17的阴极K与运算放大器18输入端之间设置增益电路与负载电阻R_L串联的控制电路，将光电倍增管17的倍增极D₁-D₆与增益电路的分压电阻R₁-R₇的串联节点连接，再将光电倍增管17的阳极A接入运算放大器18另一输入端组成。增益电路为已有技术，由图3中电阻R₁-R₇及电容C_O、C₁-C₃组成。光信号读出器2与传输光纤10尾端连接，编程软件调控。当传输光纤10把反映被测量连续变化的敏感光信号，通过光电倍增管17透明窗，照射在光电倍增管17的阴极K的半导体材料表面上，根据半导体光电效应技术原理，光电倍增管17连续接收不同光通量，就能相应连续产生不同当量的光电流；再经过光电倍增管17各二次电子发射倍增极D₁-D₆，及与其配套连接的倍增运算电路，对产生的光电流进行倍增放大运算处理后，把这些经传输光纤10输入的连续变化的敏感光信号，转换成可读出的连续变化的电量信号，并被实时传送到模拟信号调节器3中。

所述的模拟信号调节器3，由程控译码驱动器19、运算放大器20、21、增益电路及与程控译码驱动器19输出端连接且并联在运算放大器20、21输入端，同时与运算放大器20、21两输出端之间连接的增益电路的分压电阻R₉-R₁₅串联节点相连接的两组程控开关22、23共同组成程控增益放大器，再将程控增益放大器的同相输入端与一阶无源滤波器24输入进行连接而成。模拟信号调节器3由编程软件调节控制，实现增益与量程的自动变换。首先将光信号读出器2输入的连续变化的电信号，通过程控译码驱动器19、驱动程控开关22、23，再选择组合并驱动运算放大器20、21、及增益电路进行工作，由程控增益放大器进行增益放大处理后，把电信号量程实时调节成系统内各功能器件都能采用的电量量程。将一阶无源滤波器24与程控增益放大器的同相输入端相连接，共同组成低通有源滤波电路；在低通有源滤波电路中，放大器成为滤波器24的有源器件，共同发挥隔离、放大作用，共同过滤筛选出系统有用的频率信号，抑制杂散无用的频率信号，而且能使一定频率范围内的有用信号通过，使在此频率范围以外的杂散无用信号迅速衰减。再通过转换开关4，实时传输到模/数转换器5。

所述的转换开关4，是根据系统设计的多路探测传感通道需要，由通道地址寄存器25、译码驱动器26、开关驱动电路27按顺序将地址寄存器25输出与译码驱动器26输入、译码驱动器26输出与开关驱动电路27输入进行连接，然后由开关驱动电路27输出控制并行的模拟开关28的开与关实现的。转换开关4将四路模拟信号调节器3的输出信号与一个模/数转换器5相连接，也就是说一个模/数转换器5负责四条通道的模拟信号转换成数字信号的任务，当某通道的模拟信号需要转换数字信号时，调控软件会指令配置的地址总线送入该通道地址代码，地址代码先存入通道地址寄存器25，经译码驱动器26译出选通信号，再由控制被选通模拟开关28的驱动电路27促使模拟开关28导通。运行时要把多个输入通道的模拟信号，按预定的时序，分时有序的与模/数转换器5的采样保持电路接通；同时为了保证在每个模/数转换器5中，每进只能有一路模拟信号通过。除了在地址总线上给出该通道的地址代码外，还在该通道的禁止端B给出高电平信号，而其它通道的禁止端一律给出低电平信号预以封存。

所述的模/数转换器5，由采样、量化、编码、转换运算四部分组成。它是把模拟信号调节器3输入的经过放大滤波调节后的反映被测量连续变化的模拟电信号，经过采样、量化、编码、逐次逼近转换运算处理后，转化成阶跃变化的数字信号；并实时传输到先入先出缓行器6和环行缓行器7中。模/数转换器5采用集成技术，把所有转换过程技术及器件，全部集成在数控模块内，由编程软件调解控制。为节约成本，每个模/数转换器5通过转换开关4，连接4路探测传感通道；每时只限1路模拟信号导通。

所述的先入先出缓行器6和环行缓行器7，为两个并行的缓行器；同时接收由模/数转换器5实时传入的数字信号。先入先出缓行器6以同步速度接收储存数字信号，并陆续通过单片机及内部系统总线8实时送到外接计算机进行处理，确保数据完整传输，避免数据丢失。环行缓行器7也以同步速度接收数字信号，但能保持随时可以启动高速密集记录某传感通道设定事件触发前后瞬态变化的功能，启动后同时记录时间标记，随机传送到外接计算机优先处理；设定事件结束后，恢复正常工作状态，并对事件触发过程记录存储备查。

所述的单片机及内部系统总线8，采取底板系统总线布置方式，设有标准手插槽及若干标准接口；通过单片机系统驱动逻辑控制电路及插槽接口，连接沟通系统内各种数控模块之间及外接计算机之间的所有联系与控制。单片机及内部系统总线8，可通过插槽接口与被测对象的生产加工设备、生产现场在线调控系统进行联网通信。还可通过外接计算机，承担测控仪的显示、记录、存储、分析、传输、打印等工作。

所述的数/模转换器9由编程软件指令进行开关，它能将阶跃变化的数字信号转换成连续变化的模拟电信号，并将该模拟电信号并行接入转换开关4、各模拟信号调节器3、光信号读出器2、光纤测感器1进行实时在线调整控制。

本发明应通过所设总线接口与外接计算机、被测对象加工设备及生产现场在线调控系统进行连接，并通过外接计算机来接收数控机床为被测对象编制的加工图形、检测基准、加工指令、系统设定事件触发条件等编程软件，同时在数控机床工作台或刀架适当位置安装固定光纤测感器1，并根据加工图形和操作规程调整确定光纤测感器1接收的反射光束初始光通量及内部测量基准。工作时，由于连续不断的加工结果，被测对象的位置发生了连续不断的变化，从而连续不断地改变着定向光束的反射角度，使光纤测感器1设在同一位置上的传输光纤实时接收、拾取因不同反射角度产生的不同光通量信号传输给光信号读出器2。由光信号读出器2转化成可读取的电信号，再经模拟信号调节器3调节成系统内各功能部件可采用的电量量程。经转换开关4将模拟信号分时有序地输送到模数转换器5，由模数转换器5转换成可阅读、记录、显示的数据信号，然后通过先入先出缓存器6和环形缓存器7进入单片机及内部系统总线8。经单片机及内部系统总线8传输给外接计算机进行信息处理。

在发生系统设定事件时，如被测对象加工产品出现误差，先入先出缓存器6将信息传递给单片机及内部系统总线8，由单片机及内部系统总线8向外接计算机发出指令，外接计算机执行修改加工指令，数控机床修改操作规程，同时经外接计算机将修改后的信息传递给单片机及内部系统总线8，由编程软件指令数/模转换器9工作，将阶跃变化的数字信号转换成连续变化的模拟电信号，再并行接入转换开关4及各模拟信号调节器3、光信号读出器2、光纤测感器1，将修改后的参考量反馈到转换开关4及各模拟信号调节器3、光信号读出器2、光纤测感器1，然后与检测基准进行比较，直到同检测基准一致为止。在此过程中，环形缓存器7启动高速密集记录将某传感通道设定事件触发前后瞬态变化进行记录，并随机传送到外接计算机优先处理；设定事件结束后，恢复正常工作状态，并对事件触发过程记录存储备查。

由于加工部件的直径、内孔、平面、平行度、垂直度、平面度、同心度、粗糙度等尺寸、形位等质量精度都可通过位移变化反映出来，位置不同光纤测感器1接收的光通量就不同，本发明采取敏感光信号探测接收、光纤传感、光信号读出、模拟信号调节转换、数字信号处理等多项技术有机结合，可靠实现了精密复杂机械部件在使用多轴多刀数控机床同时进行多工序加工作业时，对直径、内孔、平面、平行度、垂直度、平面度、同心度、粗糙度等尺寸、形位等质量精度，进行实时在线检测控制的自动化、智能化监测控制。适应了大规模自动化生产流水线特殊环境，满足了现代化生产现场在线控制系统的需求，解决了该领域长期渴望解决的技术难题，有效提高了产品的质量与数量。因而具有广阔的发展前景。

Claims (5)

1、一种多路实时在线光纤位移测控仪，包括：

用于将模拟信号调节器(3)输出的连续变化的模拟电信号，经过采样、量化、编码、转换运算处理后，转化成阶跃变化的数字信号，并实时传输给先入先出缓存器(6)和环形缓存器(7)的模/数转换器(5)；

用于同时接收由模/数转换器(5)实时传入的数字信号，以同步速度接收储存数字信号，并陆续通过系统总线接口控制板(8)实时送入计算机，同时保持随时启动高速密集记录某传感通道设定事件触发前后瞬态变化，将其实时送入计算机优先处理，并对事件触发过程进行记录存储备查的先入先出缓存器(6)和环形缓存器(7)；

用于连接沟通系统内各种数控模板之间及外接计算机之间的所有联系与控制，并与被测对象的生产加工设备、生产现场在线调控系统进行联网通信的单片机及内部系统总线(8)；

用于由编程软件指令进行开关，将阶跃变化的数字信号转换成连续变化的模拟电信号的数/模转换器(9)，

其特在于：还包括

用于拾取由光源光纤(14)照射被测对象后，传输光纤(10)接收的连续变化的敏感光信号，并实时传输给光信号读出器(2)的光纤测感器(1)；

用于将光纤测感器(1)传入的连续变化的敏感光信号转换成可读出的连续变化的电信号的光信号读出器(2)；

用于将光信号读出器(2)输出的连续变化的电信号经增益放大、低通滤波调节成系统内可采用的电量量程的模拟信号调节器(3)；

用于模拟信号调节器(3)与模/数转换器(5)之间连接与切换的转换开关(4)；

将所述各光纤测感器(1)、光信号读出器(2)、模拟信号调节器(3)、模/数转换器(5)及转换开关(4)连接于单片机及内部系统总线(8)，而将所述数/模转换器(9)输入由编程软件控制，且输出信号并行接入所述转换开关(4)及各模拟信号调节器(3)、光信号读出器(2)、光纤测感器(1)进行实时在线调整控制。

2、根据权利要求1所述的多路实时在线光纤位移测控仪，其特征在于：光纤测感器(1)是在壳体(11)外部封装透明平镜片(12)、在壳体(11)基座(13)内设与透明平镜片(12)对应的传输光纤(10)、光源光纤(14)和在光源光纤(14)一侧的半导体发光二极管(15)。

3、根据权利要求1所述的多路实时在线光纤位移测控仪，其特征在于：光信号读出器(2)，是由光电倍增管(17)及在光电倍增管(17)的阴极与运算放大器(18)输入端之间设置增益电路与负载电阻R_L串联的控制电路，将光电倍增管(17)的倍增极与增益电路的分压电阻R₁-R₇的串联节点连接，再将光电倍增管(17)的阳极接入运算放大器(18)另一输入端构成。

4、根据权利要求1所述的多路实时在线光纤位移测控仪，其特征在于：模拟信号调节器(3)由程控译码驱动器(19)、运算放大器(20、21)、增益电路及与程控译码驱动器(19)输出端连接且并联在运算放大器20或21输入端，同时与运算放大器(20、21)两输出端之间连接的增益电路的分压电阻R₉-R₁₅串联节点相连接的两组程控开关(22、23)共同组成程控增益放大器，再将程控增益放大器的同相输入端与一阶无源滤波器(24)输入进行连接。

5、根据权利要求1所述的多路实时在线光纤位移测控仪，其特征在于：转换开关(4)，由通道地址寄存器(25)、译码驱动器(26)、开关驱动电路(27)按顺序将地址寄存器(25)输出与译码驱动器(26)输入、译码驱动器(26)输出与开关驱动电路(27)输入进行连接，然后将开关驱动电路(27)输出控制端与并行的模拟开关(28)连接。

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