CN103447886A - 高速回转智能镗杆径向微位移实时检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速回转智能镗杆径向微位移实时检测方法及装置。在高速回转的智能镗杆同一截面处正交布置两个电涡流微位移传感器，以获取智能镗杆径向进给信号，在主轴末端安装光电编码器，以测得主轴回转角度的信号，当镗刀转到编码器零位时触发采样，采样每一个角度下的信号，传输给数据采集卡，进行智能镗杆回转多圈的采样后，同时考虑由智能镗杆的初始预压力形成的偏心量

，最后根据两路电涡流微位移传感器信号和光电编码器信号得出智能镗杆径向微位移。本发明通过对高速回转智能镗杆径向微位移的实时检测，能得到智能镗杆每个角度下的实际进给量，同时可反馈给控制器，实现加工系统的闭环控制，从而达到提高智能镗杆实际加工精度的目的。

Description

高速回转智能镗杆径向微位移实时检测方法及装置

技术领域

本发明涉及径向位移测量方法及装置，特别是涉及一种高速回转智能镗杆径向微位移实时检测方法及装置。

背景技术

活塞是发动机的核心零件之一，对发动机乃至整机的性能指标有着重要的影响，传统的圆柱销孔所受的应力分布极不均匀，内侧应力最大，易产生应力集中，而外侧应力最小。而非圆异形销孔结构能有效地改善活塞销孔的应力分布，减少活塞销孔的应力集中，提高其承载能力和使用寿命，活塞销孔形状逐渐向喇叭口（倒锥形孔）与椭圆及变椭圆的组合型孔（异型孔）方向发展。

研发异形销孔精密镗削加工技术的关键在于实现镗刀的径向可控位移，其中镗刀径向微位移的检测技术是其核心内容之一。课题组采用将超磁致伸缩智能材料直接嵌入镗杆的方式，研制了一种结构简单的精密加工活塞异形销孔的智能镗杆，当GMM在励磁磁场作用下产生伸缩变形，同时输出的位移/力可迫使镗杆弯曲变形，实现所需的径向微进给运动用于异形销孔精密加工。加工时，智能镗杆高速旋转，镗刀的径向微位移很难从刀尖直接获得，对于一般的圆锥形异形销孔，现有一点法，即用一个电涡流微位移传感器测量，并结合最小二乘法处理可得回转智能镗杆的圆度误差和偏移，但这种方法每算一个径向偏移量就必须测得智能镗杆旋转一周的数据，因此无法实现各个转角时的径向微位移实时测量和控制。目前国内有人提出了用两点法测量智能镗杆径向微位移，此时需将智能镗杆径向位移量分解为水平和竖直方向两个分量，微位移计算公式较复杂；每周只测量18个点，不适合与非圆截面异形销孔加工的精密测量；且只研究了固定进给量的情况，未实现变进给量的检测，同时未考虑实际加工过程中无法直接测量智能镗杆末端位移的限制。

发明内容

为了实现高速回转智能镗杆径向微位移的实时检测，以提高非圆孔的加工精度，本发明的目的在于提供一种高速回转智能镗杆径向微位移实时检测方法及装置，以获得镗刀径向微位移信息并将其实时反馈给控制器，实现精密镗削加工的闭环控制，从而达到提高非圆孔实际加工精度的目的。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一、一种高速回转智能镗杆径向微位移实时检测方法：

步骤1），在高速回转智能镗杆同一截面处正交布置第一电涡流微位移传感器和第二电涡流微位移传感器，测量智能镗杆径向进给信号，同时于主轴末端安装光电编码器，以测量智能镗杆回转角度信号；

步骤2），当智能镗杆转到光电编码器零位时触发采样，每采样一个角度下的信号，分别经过第一前置器和第二前置器，再经滤波电路滤波，传输给数据采集卡，进行智能镗杆回转多圈的采样，在极坐标下，用最小二乘原理求解被测截面极径傅里叶级数的一阶谐波系数，得出由智能镗杆初始预压力下形成的偏心量e；

步骤3），再根据两路电涡流微位移传感器进给信号和光电编码器角度信号，推导出智能镗杆径向微位移量。

2、根据权利要求1所述的高速回转智能镗杆径向微位移实时检测的方法，其特征在于：

所述步骤2）中进行智能镗杆回转多圈的采样，在极坐标中，建立公式：

式中：r(θ)为被测截面在转角θ时的极径，r₀为被测截面轮廓的直流分量，n为被测截面轮廓谐波分量的最大阶数，a_i、b_i分别为第i阶谐波分量的傅里叶系数；

其中当i=1时，被测截面就是半径为r₀、圆心偏离原点的一个圆，a₁cosθ+b₁sinθ决定了圆心在极坐标中的位置，偏心量

该偏心方向与刀具径向进给方向一致，实际加工时的径向进给量则是检测的截面中心偏移量与该初始进给量之差；

所述步骤3）根据两路电涡流微位移传感器进给信号和光电编码器角度信号，在镗杆被测截面中建立镗杆径向进给微位移的计算公式为：

[(e+t)sinθ]²+[(e+r+ρ₁)-(e+t)cosθ]²＝r²

${\left[(e+t)\cos \mathrm{\θ}\right]}^2+{[(\sqrt{r^2-e^2}+{\mathrm{\ρ}}_2)-(e+t)\sin \mathrm{\θ}]}^2=r^2$

两式展开相减并化简，可得：

$t=\frac{{({\mathrm{\ρ}}_1+r+e)}^2-{({\mathrm{\ρ}}_2+\sqrt{r^2-e^2})}^2}{2({\mathrm{\ρ}}_1+r+e)\cos \mathrm{\θ}-2({\mathrm{\ρ}}_2+\sqrt{r^2-e^2})\sin \mathrm{\θ}}-e$

其中：t为智能镗杆被测截面中心的微位移量，e为智能镗杆被测截面初始偏心量，r为智能镗杆被测截面圆的半径，ρ₁、ρ₂分别为两路电涡流微位移传感器测得变化值，θ为该时刻镗杆转过的角度；

由于实际检测过程中，θ采样值不是连续的，且由于智能镗杆径向回转误差及被测截面的圆度误差的存在，上式出现分母为零的情况不应是某一角度值，为此应设置一安全区域以消除由于数值计算时的公式失效，当取该区域的范围为±λ时，得到智能镗杆径向微位移的实时检测计算公式为：

二、一种高速回转智能镗杆径向微位移实时检测装置：

包括第一电涡流微位移传感器、第二电涡流微位移传感器、光电编码器、数据采集卡、滤波电路、第一前置器、第二前置器和计算机；在机床主轴前端同一截面处的智能镗杆上分别正交布置第一电涡流微位移传感器和第二电涡流微位移传感器，在机床主轴后端安装光电编码器，第一电涡流微位移传感器经第一前置器和第一滤波电路与数据采集卡电连接，第二电涡流微位移传感器经第二前置器和第二滤波电路与数据采集卡电连接，光电编码器与数据采集卡电连接，数据采集卡与计算机电连接。

所述的两路滤波电路结构相同，均有两个电阻和两个电容构成。

所述的两个电涡流微位移传感器型号均为CWY-DO-810503-00-03-05-02L。

本发明具有的有益效果是：

本发明针对镗杆转速3000r/min及以上，采用双电涡流微位移传感器和一路光电编码器实现高速回转智能镗杆径向微位移的实时检测。可以确保对高速回转智能镗杆每个角度下的径向微位移的精确测量，并可进一步将测得镗刀径向位移信号反馈给加工控制器，实现加工系统的闭环控制，从而达到提高实际加工精度的目的。

附图说明

图1是本发明实施检测方法的功能模块图。

图2是智能镗杆径向进给的结构关系图。

图3是智能镗杆检测截面圆进给示意图。

图4是智能镗杆径向微位移检测的实现原理图。

图5是两路电涡流微位移传感器信号滤波电路。

图中：1、机床主轴，2、智能镗杆，3、第一电涡流微位移传感器，4、第二电涡流微位移传感器，5、光电编码器，6、数据采集卡，7、滤波电路，8、第一前置器，9、第二前置器，10、计算机，11、任一角度下无进给时的镗杆检测截面圆位置，12、为任一角度下进给后的镗杆检测截面圆位置。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括第一电涡流微位移传感器3、第二电涡流微位移传感器4、光电编码器5、数据采集卡6、滤波电路7、第一前置器8、第二前置器9和计算机10；在机床主轴1前端同一截面处的智能镗杆2上分别正交布置第一电涡流微位移传感器3和第二电涡流微位移传感器4，在机床主轴1后端安装光电编码器5，第一电涡流微位移传感器3经第一前置器8和第一滤波电路与数据采集卡6电连接，第二电涡流微位移传感器4经第二前置器9和第二滤波电路与数据采集卡6电连接，光电编码器5与数据采集卡6电连接，数据采集卡6与计算机10电连接。

如图5所示，所述的两路滤波电路结构相同，均有两个电阻和两个电容构成，图1中将两路滤波电路用一方框图表示滤波电路7。

所述的两个电涡流微位移传感器型号CWY-DO-810503-00-03-05-02L。

为了获取镗刀的径向微进给量，最理想的方法是将电涡流微位移传感器直接安装于镗刀上获取其位移信号，但是在加工过程中，智能镗杆处于高速旋转状态，从而对电涡流微位移传感器结构和安装提出了很高要求，并且工件与刀具之间的空间狭小，直接测量刀尖的微位移信号难度较大。根据智能镗杆的结构特点，在驱动磁场作用下，智能镗杆的弯曲方向与刀尖的径向进给方向一致，智能镗杆末端运动可以看作刚体的摆动运动（智能镗杆具有很高的强度和刚度），因此可通过检测智能镗杆在截面A处的径向位移量来获得B处的径向位移量，如图2所示，A为智能镗杆被测截面，B为镗刀尖所在截面，ΔL为智能材料伸缩量，L₁为智能镗杆被测截面距智能材料长度，ΔR₁为智能镗杆被测截面处的径向偏移量，L为智能镗杆被测截面距镗刀尖截面的长度，ΔR镗刀尖的径向偏移量。

即镗刀尖处的径向微位移为

$\mathrm{\ΔR}=\frac{L}{L_1}\mathrm{\Δ}{R}_1---\left(1\right)$

上述确定了从智能镗杆截面A处获取镗刀处实际微位移信号后，则当智能镗杆产生径向进给时，由于智能镗杆的弯曲方向与进给方向相同，此时截面圆在进给方向上的圆心偏移量就等于进给量，如图3所示，C为任一角度下的进给方向，11为任一角度下无进给时的镗杆检测截面圆位置，12为任一角度下进给后的镗杆检测截面圆位置。

进一步考虑智能镗杆有偏心的情况，由于智能镗杆被测截面的实际轮廓是一条封闭的曲线，电涡流微位移传感器测得轮廓各点的径向误差具有周期性，用傅里叶级数表示，在极坐标中有：

$r\left(\mathrm{\θ}\right)=r_0+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[a_i\cos \left(\mathrm{i\θ}\right)+b_i\sin \left(\mathrm{i\θ}\right)]---\left(2\right)$

式中：r(θ)为被测截面在转角θ时的极径；r₀为被测截面轮廓的直流分量；n为被测截面轮廓谐波分量的最大阶数；a_i、b_i分别为第i阶谐波分量的傅里叶系数。由式（2）可知被测截面是由一个半径为r₀的基圆与n个不同周期的谐波叠加而成。

当i=1时，被测截面就是半径为r₀、圆心偏离原点的一个圆，a₁cosθ+b₁sinθ决定了圆心在极坐标中的位置，偏心量e为：

$e=\sqrt{a_1^2+b_1^2}---\left(3\right)$

因此，在智能镗杆径向微位移检测过程中，可以采用最小二乘原理求取一次谐波系数的方法从测量信号中分离出被测截面的初始偏心量e。

由于智能镗杆的初始偏心量e是在预压力的作用下形成的，该偏心方向与刀具径向进给方向一致，所以可以初始偏心量e将其看成是智能镗杆的初始径向进给量，而实际加工时的径向进给量则是检测的截面中心偏移量与该初始进给量之差。

通过将两个电涡流微位移传感器正交布置于智能镗杆被测截面周围，将一光电编码器安装于主轴后端，则当智能镗杆在控制器作用下产生径向微进给时，电涡流微位移传感器可测得智能镗杆该截面轮廓与电涡流微位移传感器探头之间的距离，同时可通过光电编码器测得智能镗杆旋转角度。智能镗杆径向微位移检测的实现原理如图4所示，点O为智能镗杆理想圆心初始点，点O₁为智能镗杆实际圆心初始点，O₂为智能镗杆实际圆心转过θ角度后所在点，O₃为智能镗杆实际圆心转过θ角度并做进给后的所在点，ρ₁和ρ₂分别为第一电涡流微位移传感器3和第二电涡流微位移传感器4所测得信号变化值，e为镗杆中心初始偏心量，r为智能镗杆被测截面圆的半径，θ为该时刻智能镗杆转过的角度，t为智能镗杆截面中心的进给量，以镗刀尖旋转至水平位置时的电涡流微位移传感器输出电压作为相对零点，ρ₁、ρ₂分别为第一电涡流微位移传感器3和第二电涡流微位移传感器4检测得的距离变化量，点A和点B分别为圆心O₃在Y轴和X轴方向上的投影，点C和点D分别为智能镗杆转过θ角度并做进给后截面圆与X轴和Y轴的交点，点E和点F分别为智能镗杆初始截面圆与Y轴和X轴的交点，点G为智能镗杆转过θ角度截面圆与进给方向的交点，点H为智能镗杆转过θ角度后截面圆与进给方向的交点。

在△O₃BC中有，

[(e+t)sinθ]²+[(e+r+ρ₁)-(e+t)cosθ]²＝r²    （4）

在△O₃AE中有，

${\[(e+t)\cos \mathrm{\θ}\]}^2+{\[(\sqrt{r^2-e^2}+{\mathrm{\ρ}}_2)-(e+t)\sin \mathrm{\θ}\]}^2=r^2---\left(5\right)$

将式（4）和式（5）展开相减、化简得：

$t=\frac{{({\mathrm{\ρ}}_1+r+e)}^2-{({\mathrm{\ρ}}_2+\sqrt{r^2-e^2})}^2}{2({\mathrm{\ρ}}_1+r+e)\cos \mathrm{\θ}-2({\mathrm{\ρ}}_2+\sqrt{r^2-e^2})\sin \mathrm{\θ}}-e---\left(6\right)$

此时

由于ρ₁、ρ₂相对于r均很小，所以在θ≠45°或225°时，由式（6）可以计算出智能镗杆在除45°和225°角度外其他任意角度下的径向微位移。对于θ=45°和225°，可采用电涡流微位移传感器1测得的数据，将式（4）展开解得：

由于实际检测过程中，θ采样值不是连续的，且由于智能镗杆径向回转误差及被测截面的圆度误差的存在，式（6）出现分母为零的情况不应是某一角度值，为此应设置一安全区域以消除由于数值计算时的公式失效，当取该区域的范围为±λ时，可得智能镗杆径向微位移的实时检测计算公式为：

根据以上算法，计算出智能镗杆布置电涡流微位移传感器截面处的径向微位移值，最后结合公式（1），可推导出镗刀的实际径向微位移值。

Claims (5)

1.一种高速回转智能镗杆径向微位移实时检测方法，其特征在于：

步骤1），在高速回转智能镗杆同一截面处正交布置第一电涡流微位移传感器和第二电涡流微位移传感器，测量智能镗杆径向进给信号，同时于主轴末端安装光电编码器，以测量智能镗杆回转角度信号；

步骤2），当智能镗杆转到光电编码器零位时触发采样，每采样一个角度下的信号，分别经过第一前置器和第二前置器，再经滤波电路滤波，传输给数据采集卡，进行智能镗杆回转多圈的采样，在极坐标下，用最小二乘原理求解被测截面极径傅里叶级数的一阶谐波系数，得出由智能镗杆初始预压力下形成的偏心量e；

步骤3），再根据两路电涡流微位移传感器进给信号和光电编码器角度信号，推导出智能镗杆径向微位移量。

2.根据权利要求1所述的高速回转智能镗杆径向微位移实时检测方法，其特征在于：

所述步骤2）中进行智能镗杆回转多圈的采样，在极坐标中，建立公式：式中：r(θ)为被测截面在转角θ时的极径，r₀为被测截面轮廓的直流分量，n为被测截面轮廓谐波分量的最大阶数，a_i、b_i分别为第i阶谐波分量的傅里叶系数；

其中当i=1时，被测截面就是半径为r₀、圆心偏离原点的一个圆，a₁cosθ+b₁sinθ决定了圆心在极坐标中的位置，偏心量

该偏心方向与刀具径向进给方向一致，实际加工时的径向进给量则是检测的截面中心偏移量与该初始进给量之差；

所述步骤3）根据两路电涡流微位移传感器进给信号和光电编码器角度信号，在镗杆被测截面中建立镗杆径向进给微位移的计算公式为：

[(e+t)sinθ]²+[(e+r+ρ₁)-(e+t)cosθ]²＝r²

${\left[(e+t)\cos \mathrm{\θ}\right]}^2+{[(\sqrt{r^2-e^2}+{\mathrm{\ρ}}_2)-(e+t)\sin \mathrm{\θ}]}^2=r^2$

两式展开相减并化简，可得：

$t=\frac{{({\mathrm{\ρ}}_1+r+e)}^2-{({\mathrm{\ρ}}_2+\sqrt{r^2-e^2})}^2}{2({\mathrm{\ρ}}_1+r+e)\cos \mathrm{\θ}-2({\mathrm{\ρ}}_2+\sqrt{r^2-e^2})\sin \mathrm{\θ}}-e$

其中：t为智能镗杆被测截面中心的微位移量，e为智能镗杆被测截面初始偏心量，r为智能镗杆被测截面圆的半径，ρ₁、ρ₂分别为两路电涡流微位移传感器测得变化值，θ为该时刻镗杆转过的角度；

由于实际检测过程中，θ采样值不是连续的，且由于智能镗杆径向回转误差及被测截面的圆度误差的存在，上式出现分母为零的情况不应是某一角度值，为此应设置一安全区域以消除由于数值计算时的公式失效，当取该区域的范围为±λ时，得到智能镗杆径向微位移的实时检测计算公式为：

3.用于权利要求1所述方法的一种高速回转智能镗杆径向微位移实时检测装置，其特征在于：包括第一电涡流微位移传感器（3）、第二电涡流微位移传感器（4）、光电编码器（5）、数据采集卡（6）、滤波电路（7）、第一前置器（8）、第二前置器（9）和计算机（10）；在机床主轴（1）前端同一截面处的智能镗杆（2）上分别正交布置第一电涡流微位移传感器（3）和第二电涡流微位移传感器（4），在机床主轴（1）后端安装光电编码器（5），第一电涡流微位移传感器（3）经第一前置器（8）和第一滤波电路与数据采集卡（6）电连接，第二电涡流微位移传感器（4）经第二前置器（9）和第二滤波电路与数据采集卡（6）电连接，光电编码器（5）与数据采集卡（6）电连接，数据采集卡（6）与计算机（10）电连接。

4.根据权利要求3所述的一种高速回转智能镗杆径向微位移实时检测装置，其特征在于：所述的两路滤波电路结构相同，均有两个电阻和两个电容构成。

5.根据权利要求3所述的一种高速回转智能镗杆径向微位移实时检测装置，其特征在于：所述的两个电涡流微位移传感器型号均为CWY-DO-810503-00-03-05-02L。

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