CN105511402A - 一种重型机床床身变形自动监测与报警装置 - Google Patents

一种重型机床床身变形自动监测与报警装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种重型机床床身变形自动监测与报警装置，包括数据采集子系统、数据处理与分析子系统和床身变形监测与报警子系统；数据采集子系统包括位于同一直线的激光发射模块和PSD位置传感器模块，激光发射模块向PSD位置传感器模块发射信号，监测重型机床床身水平和竖直方向的变形量；PSD位置传感器模块的输出端与数据处理与分析子系统中的单片机模块的输入端相连接，操控键盘模块与单片机模块的输入端相连；单片机模块的输出端分别与床身变形监测与报警子系统中的显示模块和报警模块相连。本发明能实时监测床身变形，能自动发出报警信息，精度高、实用性强、智能化程度高，判断变形量能否对机床精度产生影响，提高机床精度的预测能力。

Description

一种重型机床床身变形自动监测与报警装置
技术领域
本发明属于智能数控机床技术领域，涉及一种重型机床床身变形自动监测与报警装置。
背景技术
重型数控机床作为制造业的工作母机，在汽车、航空航天、船舶等制造领域得到广泛应用，是衡量一个国家技术水平和综合国力的战略物资。
在数控机床设计、制造、使用过程中，由于残余应力消除不彻底，环境温度变化以及机床重力等因素的影响，机床的变形将使机床的几何精度超出其使用范围。
重型数控机床在投入使用后，企业一般按照经验定期校准机床精度，工作量大，效率低下，已经无法满足重型精密机床对精度、效率和制造成本的需求。目前国内外企业对于重型机床床身变形监测的技术研发还处于空白状态，而且没有能够在线实时监测重型机床床身变形量的测量仪器，因此无法及时告知操作人员检修机床精度。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种重型机床床身变形自动监测与报警装置，实时显示床身的变形量，并在变形量超过预设的安全值后进行自动报警，为及时调整机床精度提供参考。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种重型机床床身变形自动监测与报警装置，包括数据采集子系统、数据处理与分析子系统和床身变形监测与报警子系统；数据采集子系统包括位于同一直线的激光发射模块和PSD位置传感器模块，激光发射模块向PSD位置传感器模块发射信号，监测重型机床床身水平和竖直方向的变形量；
PSD位置传感器模块的输出端与数据处理与分析子系统中的单片机模块的输入端相连接，操控键盘模块与单片机模块的输入端相连；单片机模块的输出端分别与床身变形监测与报警子系统中的显示模块和报警模块相连。
所述的激光发射模块包括分别设置在重型机床床身同侧的两端的激光头位姿调整装置，激光头位姿调整装置上设有激光发射器；
所述的PSD位置传感器模块包括设置在两个激光位姿之间调整装置之间的传感器固定架，传感器固定架的两侧分别设有PSD传感器；
调整激光头位姿调整装置、传感器固定架使两个激光发射器、两个PSD传感器在同一条水平直线上。
所述在激光发射器和PSD位置传感器之间还设有中空的光路保护管，光路保护管固定在重型机床床身上。
所述的激光头位姿调整装置与重型机床床身之间还设有调整螺母；激光头位姿调整装置上设有夹持套，激光发射器安装在夹持套中并用紧固螺钉固定，夹持套通过调整螺母与激光头位姿调整装置相连接；转动调整螺杆和调整螺母微调使两端的激光发射器发出的激光保持同一直线。
所述的二维PSD位置传感器能够输出四路电流信号，分别为上下电流信号I1、I2和左右电流信号I3、I4，输出的电流信号分别发送到单片机控制器信号处理装置的四个端口，单片机控制器分别对上下电流信号和左右电流信号进行处理。
所述激光发射器和二维PSD位置传感器监测床身水平和竖直方向的变形量为：
位于同一条水平直线上的两个激光发射器发出的激光，两个二维PSD传感器分别接受一侧的激光发射器发出的激光，使激光发射器发出的激光垂直对准光敏面的零点位置O，此时PSD位置传感器输出的四路电流信号一致；
PSD位置传感器在X,Y两个方向上的感光层是独立的，其中一层感应X方向上光点的位置变化，另一层感应Y方向上光点的位置变化；当机床床身有沿X方向上的变形分量时，上下电流信号I1、I2满足关系
I 2 - I 1 I 2 + I 1 = 2 L x Δ X - - - ( 1 )
当机床床身有沿Y方向上的变形分量时，左右电流信号I3、I4满足关系
I 4 - I 3 I 4 + I 3 = 2 L y Δ Y - - - ( 2 )
其中，Lx，Ly是与PSD位置传感器感光面在x，y方向的长度；△X、△Y是激光光点的在X方向和Y方向的偏移量；
单片机控制器的输出为：单片机控制器对电流信号进行处理得到位置偏移量，将偏移量与预先设定的安全值进行比较，然后将偏移量输送到显示器，并判断是否向报警装置发送报警指令。
所述的数据处理与分析子系统包括单片机模块和操控键盘模块，键盘操控模块的输出端与单片机模块的输入端相连。
所述的床身变形监测与报警子系统包括显示模块和报警模块，显示模块和报警模块的输入端分别和单片机模块的输出端相连。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的重型机床床身变形的实时监测与自动报警装置，通过激光发射器、二维PSD位置传感器将床身在水平和竖直方向上的变形量并转化为电流信号，位于同一条水平直线上的两个激光发射器发出的激光，两个二维PSD传感器分别接受一侧的激光发射器发出的激光，使激光发射器发出的激光垂直对准光敏面的零点位置O，此时PSD位置传感器输出的四路电流信号一致；而当机床床身发生形变时激光在PSD传感器上将发生偏移量，从而产生电流信号的变化，通过单片机对电流信号进行处理，将电流信号转化为机床床身的变形信息，并在显示器上显示床身变形信息，当变形量超过预设值时，自动报警。
本发明提供的重型机床床身变形的实时监测与自动报警装置，采用二维PSD位置传感器和激光发射器非接触测量机床床身变形量，能实时监测床身变形，在床身变形量达到预设的安全值时自动发出报警信息，精度高、实用性强、智能化程度高，判断变形量能否对机床精度产生影响，提高机床精度的预测能力。与传统的定期校准机床精度相比具有实时性、准确性和智能性。
附图说明
图1为本监测与报警系统的系统框图；
图2为本监测与报警系统的原理图；
图3为激光头位姿调整装置示意图；
图4为二维PSD位置传感器示意图；
其中：1为数据采集子系统，2为数据处理与分析子系统，3为床身变形监测和报警子系统，4为机床床身；5为激光头位姿调整装置；6为激光发射器；7为光路保护管；8为二维PSD位置传感器；9为传感器固定架；10为单片机控制器；11为显示器；12为报警装置；13为调整螺杆；14为调整螺母；15夹持套；16为紧固螺钉。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1、图2，一种重型机床床身变形自动监测与报警装置，包括数据采集子系统1、数据处理与分析子系统2和床身变形监测与报警子系统3；数据采集子系统1包括位于同一直线的激光发射模块1-1和PSD位置传感器模块1-2，激光发射模块1-1向PSD位置传感器模块1-2发射信号，监测重型机床床身水平和竖直方向的变形量；
PSD位置传感器模块1-2的输出端与数据处理与分析子系统2中的单片机模块2-1的输入端相连接，操控键盘模块2-2与单片机模块2-1的输入端相连；单片机模块2-1的输出端分别与床身变形监测与报警子系统3中的显示模块3-1和报警模块3-2相连。
具体的，本发明的数据采集子系统1、数据处理与分析子系统2、床身变形监测与报警子系统3三个子系统中，数据采集子系统1包括两个模块，分别是激光发射模块1-1和PSD位置传感器模块1-2。数据处理与分析子系统2包括两个模块，分别是单片机处理模块2-1和操控键盘模块2-2。床身变形监测和报警子系统3包括两个模块，分别是3-1显示模块和3-2报警模块。
进一步的，所述的激光发射模块1-1包括分别设置在重型机床床身4同侧的两端的激光头位姿调整装置5，激光头位姿调整装置5上设有激光发射器6；
所述的PSD位置传感器模块1-2包括设置在两个激光位姿之间调整装置5之间的传感器固定架9，传感器固定架9的两侧分别设有PSD传感器8；
调整激光头位姿调整装置5、传感器固定架9使两个激光发射器、两个PSD传感器8在同一条水平直线上。
重型机床床身4变形引起中间传感器固定架8位置发生变化，从而引起激光发射器6的激光点在PSD位置传感器8光敏面上的位置发生变化，PSD位置传感器8输出变化的电流信号，此电流信号输入单片机控制器10，经过单片机处理后，将电流信号转换为位置信息，并将位置信息发送到显示器11，当位置信息达到预设的安全值时，单片机控制器10向报警装置12发出报警指令。
进一步，还在激光发射器6和PSD位置传感器8之间还设有中空的光路保护管7，光路保护管7固定在重型机床床身4上。具体的光路保护管7为轻质PVC管，并用螺钉将光路保护管7固定在床身4上。
参见图3，所述的激光头位姿调整装置5与重型机床床身4之间还设有调整螺母14；激光头位姿调整装置5上设有夹持套16，激光发射器6安装在夹持套16中并用紧固螺钉15固定，夹持套16通过调整螺母14与激光头位姿调整装置5相连接；转动调整螺杆13和调整螺母14微调使两端的激光发射器6发出的激光保持同一直线。
参见图4，所述的二维PSD位置传感器8能够输出四路电流信号，分别为上下电流信号I1、I2和左右电流信号I3、I4，输出的电流信号分别发送到单片机控制器10信号处理装置的四个端口，单片机控制器10分别对上下电流信号和左右电流信号进行处理。
激光发射器6和二维PSD位置传感器8监测床身水平和竖直方向的变形量为：
位于同一条水平直线上的两个激光发射器6发出的激光，两个二维PSD传感器8分别接受一侧的激光发射器6发出的激光，使激光发射器6发出的激光垂直对准光敏面的零点位置O，此时PSD位置传感器8输出的四路电流信号一致；
PSD位置传感器8在X,Y两个方向上的感光层是独立的，其中一层感应X方向上光点的位置变化，另一层感应Y方向上光点的位置变化；当机床床身有沿X方向上的变形分量时，上下电流信号I1、I2满足关系
I 2 - I 1 I 2 + I 1 = 2 L x Δ X - - - ( 1 )
当机床床身有沿Y方向上的变形分量时，左右电流信号I3、I4满足关系
I 4 - I 3 I 4 + I 3 = 2 L y Δ Y - - - ( 2 )
其中，Lx，Ly是与PSD位置传感器感光面在x，y方向的长度；△X、△Y是激光光点的在X方向和Y方向的偏移量；
单片机控制器10的输出为：单片机控制器10对电流信号进行处理得到位置偏移量，将偏移量与预先设定的安全值进行比较，然后将偏移量输送到显示器11，并判断是否向报警装置12发送报警指令。
所述的数据处理与分析子系统3包括单片机模块2-1和操控键盘模块2-2，键盘操控模块2-2的输出端与单片机模块2-1的输入端相连。
所述的床身变形监测与报警子系统3包括显示模块3-1和报警模块3-2，显示模块3-1和报警模块3-2的输入端分别和单片机模块的输出端相连。
下面给出本发明的操作步骤：
1)首先在机床床身一侧4靠近上表面无障碍的位置安装两个激光头位姿调整装置5，用螺钉固定，使两个激光头位姿调整装置5在同一条水平直线上。
2)然后将激光发射器6安装在夹持套16中，并用紧固螺钉15固定，通过转动微调各自的调整螺杆13和调整螺母14使激光发射器发出的激光保持水平。
3)分别将两个二维PSD传感器8安装在传感器固定架9的两面，并用螺钉将固定架安装在两个激光发射器6之间的床身上。
4)二维PSD位置传感器8能够输出四路电流信号，分别为I1、I2和I3、I4，分别发送到单片机11信号处理装置的四个端口，单片机控制器10分别对电流信号I1、I2和电流信号I3、I4进行处理。
5)分别打开两端的激光发射器6，使两个PSD位置传感器8能感应两个激光发射器6发射出的激光，通过微调螺杆13和螺母14使激光发射器(6)发出的激光垂直对准光敏面的零点位置O，此时PSD位置传感器8输出的四路电流信号一致。
6)双面分离型的PSD在X，Y两个方向上的感光层是独立的，其中一层感应X方向上光点的位置变化，另一层感应Y方向上光点的位置变化。当机床床身有沿X方向上的变形分量时，电流信号I1、I2满足关系
I 2 - I 1 I 2 + I 1 = 2 L x Δ X - - - ( 1 )
同理当机床床身有沿Y方向上的变形分量时，电流信号I3、I4满足关系
I 4 - I 3 I 4 + I 3 = 2 L y Δ Y - - - ( 2 )
其中，Lx，Ly是与PSD位置传感器感光面在x，y方向的长度；△X、△Y是激光光点的在X方向和Y方向的偏移量；
7)单片机控制器10对电流信号进行处理得到位置偏移量，将偏移量与预先设定的安全值进行比较，安全值的因机床类型、工况和测点位置而异，通常根据经验值设定，然后将偏移量输送到显示器11，并判断是否向报警装置12发送报警指令。
本发明采用二维PSD位置传感器和激光发射器非接触测量机床床身变形量，能实时监测床身变形，在床身变形量达到预设的安全值时自动发出报警信息，精度高、实用性强、智能化程度高。本发明可用与精度要求高，具有大型床身的重型机床。
以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种重型机床床身变形自动监测与报警装置，其特征在于，包括数据采集子系统(1)、数据处理与分析子系统(2)和床身变形监测与报警子系统(3)；数据采集子系统(1)包括位于同一直线的激光发射模块(1-1)和PSD位置传感器模块(1-2)，激光发射模块(1-1)向PSD位置传感器模块(1-2)发射信号，监测重型机床床身水平和竖直方向的变形量；
PSD位置传感器模块(1-2)的输出端与数据处理与分析子系统(2)中的单片机模块(2-1)的输入端相连接，操控键盘模块(2-2)与单片机模块(2-1)的输入端相连；单片机模块(2-1)的输出端分别与床身变形监测与报警子系统(3)中的显示模块(3-1)和报警模块(3-2)相连。
2.如权利要求1所述的重型机床床身变形自动监测与报警装置，其特征在于，所述的激光发射模块(1-1)包括分别设置在重型机床床身(4)同侧的两端的激光头位姿调整装置(5)，激光头位姿调整装置(5)上设有激光发射器(6)；
所述的PSD位置传感器模块(1-2)包括设置在两个激光位姿之间调整装置(5)之间的传感器固定架(9)，传感器固定架(9)的两侧分别设有PSD传感器(8)；
调整激光头位姿调整装置(5)、传感器固定架(9)使两个激光发射器、两个PSD传感器(8)在同一条水平直线上。
3.如权利要求2所述的重型机床床身变形自动监测与报警装置，其特征在于，在激光发射器(6)和PSD位置传感器(8)之间还设有中空的光路保护管(7)，光路保护管(7)固定在重型机床床身(4)上。
4.如权利要求2所述的重型机床床身变形自动监测与报警装置，其特征在于，所述的激光头位姿调整装置(5)与重型机床床身(4)之间还设有调整螺母(14)；激光头位姿调整装置(5)上设有夹持套(16)，激光发射器(6)安装在夹持套(16)中并用紧固螺钉(15)固定，夹持套(16)通过调整螺母(14)与激光头位姿调整装置(5)相连接；转动调整螺杆(13)和调整螺母(14)微调使两端的激光发射器(6)发出的激光保持同一直线。
5.如权利要求1或2所述的重型机床床身变形自动监测与报警装置，其特征在于，所述的二维PSD位置传感器(8)能够输出四路电流信号，分别为上下电流信号I1、I2和左右电流信号I3、I4，输出的电流信号分别发送到单片机控制器(10)信号处理装置的四个端口，单片机控制器(10)分别对上下电流信号和左右电流信号进行处理。
6.如权利要求2所述的重型机床床身变形自动监测与报警装置，其特征在于，激光发射器(6)和二维PSD位置传感器(8)监测床身水平和竖直方向的变形量为：
位于同一条水平直线上的两个激光发射器(6)发出的激光，两个二维PSD传感器(8)分别接受一侧的激光发射器(6)发出的激光，使激光发射器(6)发出的激光垂直对准光敏面的零点位置O，此时PSD位置传感器(8)输出的四路电流信号一致；
PSD位置传感器(8)在X,Y两个方向上的感光层是独立的，其中一层感应X方向上光点的位置变化，另一层感应Y方向上光点的位置变化；当机床床身有沿X方向上的变形分量时，上下电流信号I1、I2满足关系
I 2 - I 1 I 2 + I 1 = 2 L x Δ X - - - ( 1 )
当机床床身有沿Y方向上的变形分量时，左右电流信号I3、I4满足关系
I 4 - I 3 I 4 + I 3 = 2 L y Δ Y - - - ( 2 )
其中，Lx，Ly是与PSD位置传感器感光面在x，y方向的长度；△X、△Y是激光光点的在X方向和Y方向的偏移量；
单片机控制器(10)的输出为：单片机控制器(10)对电流信号进行处理得到位置偏移量，将偏移量与预先设定的安全值进行比较，然后将偏移量输送到显示器(11)，并判断是否向报警装置(12)发送报警指令。
7.如权利要求1所述的重型机床床身变形自动监测与报警装置，其特征在于，所述的数据处理与分析子系统(3)包括单片机模块(2-1)和操控键盘模块(2-2)，键盘操控模块(2-2)的输出端与单片机模块(2-1)的输入端相连。
8.如权利要求1所述的重型机床床身变形自动监测与报警装置，其特征在于，所述的床身变形监测与报警子系统(3)包括显示模块(3-1)和报警模块(3-2)，显示模块(3-1)和报警模块(3-2)的输入端分别和单片机模块的输出端相连。
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