CN110238418A - 一种自动补偿的智能镗刀杆及其补偿方法 - Google Patents

一种自动补偿的智能镗刀杆及其补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自动补偿的智能镗刀杆，包括：杆体、镗刀片、凸轮、步进电机光电位置传感器、激光发射器以及信号处理模块；杆体一端的外表面沿垂直于杆体轴线的方向上开设凹槽，杆体的另一端连接所述信号处理模块；步进电机的输出端与凸轮的转轴固定连接；且步进电机带动凸轮转动，凸轮转动的同时带动镗刀片在杆体的凹槽内滑动；激光发射器设置在杆体的中空腔另一端且位于中空腔的理论圆心处；光电位置传感器的表面层为感光层，光电位置传感器感光层同一直径上的两端点处各有一信号输出电极。本发明中的镗刀杆能够自动检测杆体的偏移量，并且可以调整镗刀片的位置对杆体的偏移量进行补偿。

Description

一种自动补偿的智能镗刀杆及其补偿方法
技术领域
本发明涉及镗削加工技术领域，更具体的说是涉及一种自动补偿的智能镗刀杆及其补偿方法。
背景技术
深孔作为重要的零件结构，在很多领域都有应用，比如：发电机轴的中心孔、工程机械液压缸内孔、枪管炮管等。在这些零件中，深孔结构的形位误差对零件性能的影响非常大，具体地：在大型水利、风力发电中，发电机轴中心的深孔会影响发电机的力学性能，进而影响发电效率；液压缸的内孔与柱塞配合使用时，配合精度直接影响承载压力的大小；在火炮身管中，内孔的精度会影响后续的膛线拉削工艺，降低膛线精度和内弹道性能，对炮弹的导向性产生影响，从而降低了打击精度。由此可见，深孔的形位误差将直接影响零件的力学性能、配合精度、使用性能等多项重要指标，减小加工过程中产生的形位误差意义十分重大。
目前，在加工深孔时，由于材料难加工、排屑难度大、切削热不易散失等多种因素的影响，使镗刀杆在加工深孔时发生位置发生偏移，导致深孔的加工精度无法达到要求。
因此，研究出一种可以自动检测偏移量，并对偏移量进行自动补偿的镗刀杆是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种能够自动检测杆体的偏移量，并且可以调整镗刀片的位置对杆体的偏移量进行补偿的自动补偿的智能镗刀杆及其补偿方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种自动补偿的智能镗刀杆，包括：杆体、镗刀片、凸轮、步进电机、光电位置传感器、激光发射器以及信号处理模块；
所述杆体一端的外表面沿垂直于所述杆体轴线的方向上开设凹槽，所述杆体的另一端连接所述信号处理模块；所述镗刀片置于所述凹槽内，且与所述凹槽的内壁滑动连接；
所述凸轮、步进电机均置于所述镗刀片的底部，所述步进电机的输出端与所述凸轮的转轴固定连接；且所述步进电机带动所述凸轮转动，所述凸轮转动的同时带动所述镗刀片在所述杆体的凹槽内滑动；
所述杆体内具有沿其长度方向布置的圆柱形中空腔，所述光电位置传感器置于所述杆体的内腔中，且与所述镗刀片在所述杆体的同一个垂直于所述杆体轴线的截面内；
所述激光发射器设置在所述杆体的中空腔另一端且位于中空腔的理论圆心处；所述光电位置传感器的表面层为感光层，所述光电位置传感器感光层同一直径上的两端点处各有一信号输出电极，两个信号输出电极到感光层中心的距离相同。
采用上述技术方案的有益效果是，本发明中通过激光发射器向光电位置传感器上发射激光，光电位置传感器发出的信息经过信息处理模块进行分析，息处理模块对步进电机进行控制，再通过步进电机带动凸轮进行转动一定角度，调整镗刀片的位置，实现对杆体径向变形量的自动补偿。
一种自动补偿的智能镗刀杆的补偿方法，自动补偿步骤如下：
步骤(1)，径向变形量的测量：当杆体没有发生径向变形时，激光发射器发射的激光照射在光电位置传感器的圆心位置，两个信号输出电极到入射光点的距离相同，则两个信号输出电极上得到的光电流相同；当杆体发生径向变形时，激光照射在光电位置传感器上的位置发生变化，此时两个信号输出电极到入射光点的距离不相同，则两个信号输出电极上得到的光电流也不相同；
(1.1)，当入射光照射到感光面时，假设产生的总的光电流为I0，由于入射光点到信号输出电极之间存在横向电势，假设在两个信号输出电极上接上负载电阻R，则光电流将分别流向两个信号输出电极，假设两个信号输出电极上得到的光电流分别为I1和I2；则I1和I2之和为光电流I0，假设入射光点到两个信号输出电极间的等效电阻分别为R1和R2，而I1和I2的分流关系取决于等效电阻R1和R2；假设负载电阻R的阻值相对于R1和R2能够忽略，则：
其中，式中，L为光电位置传感器的表面层中点到信号输出电极的距离，x为入射光点到光电位置传感器的表面层中点的距离；将I0＝I1+I2与式(1)联立得：
由式(2)、(3)能够看出，当入射光强度不变时，单个电极的输出电流与入射光点到光电位置传感器的表面层中点的距离x呈线性关系；将式(2)、(3)中的两个信号输出电极的输出电流做消去I0处理，得到的结果如下：
其中，式中，Px为输出信号，式(4)为输出信号与杆体径向变形量的关系，同时由式(4)得出输出信号只与入射光点的位置坐标x有关，而与入射强度无关；
步骤(2)，信号处理模块包括脉冲信号发生器；信号处理模块通过对所述步骤(1)中光电位置传感器的输出信号进行分析，得到杆体的径向变形量的大小，进而通过计算依次得到相对应的凸轮旋转角度以及控制凸轮旋转该角度的步进电机脉冲信号；由脉冲信号发生器将理论计算得到的脉冲信号发送给步进电机，完成对凸轮的控制；
由式(4)得杆体径向变形量x＝Px×L；凸轮的轮廓为螺旋线，其方程为l＝Cθ，其中C为常数，得到凸轮需要旋转的角度为：
假设步进电机的步距角为α，得到脉冲发生器发射的脉冲数n为：
步骤(3)，步进电机接收到所述步骤(2)中信号处理模块传来的脉冲信号，带动凸轮转动对应的角度，凸轮将镗刀片顶起，完成杆体径向变形量的补偿；
为方便计算，应使凸轮的旋转角度与旋转中心到凸轮边界的距离成正比关系，即满足下式：
其中，l表示旋转中心到凸轮边界的距离；从式(7)中能够看出，每转动单位角度，凸轮将镗刀片顶起的位置增加C，对式(7)两边同时积分，得：
l＝Cθ(8)
根据上述的计算描绘出相应的凸轮形状，进而通过凸轮带动镗刀片上下移动实现对杆体径向变形量的补偿。
采用上述技术方案的有益效果是，本发明中光电位置传感器输出的信号经过信号处理模块进行分析，并将计算得到的脉冲信号通过脉冲信号发生器发送到步进电机上，进而通过步进电机的转动带动镗刀片的移动，实现对杆体径向变形量的自动补偿。
优选的，所述步骤(2)中脉冲信号发生器选择PLC控制步进电机专用脉冲信号发生器，通过编程控制脉冲信号的发生。
本发明的有益效果：
(1)光电位置传感器具有灵敏度高、分辨率高、响应速度快和高线性度的特点，对杆体的径向变形量进行实时测量的过程中计算方便，延迟时间短，可以保证时效性；
(2)步进电机转动角度通过脉冲频率控制，精确度高，凸轮的结构刚度大，在切削力的作用下不易变形，可确保调整镗刀片位置的准确性；
(3)实时测量杆体的径向变形量，并对径向变形量进行补偿的方法，对原理误差和随机误差均可进行补偿，能够在不影响加工效率的情况下大大提高加工精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的镗刀杆的局部剖面图；
图2附图为本发明提供的光电位置传感器的等效电路图；
图3附图为本发明提供的PLC控制步进电机专用脉冲信号发生原理图；
图4附图为本发明提供的凸轮的轮廓图；
图5附图为本发明提供的凸轮结构示意图；
图6附图为本发明提供的镗刀杆的工作过程图。
其中，图中，
1-杆体；2-镗刀片；3-凸轮；4-光电位置传感器；5-激光发射器；6-信号处理模块；7-PLC控制步进电机专用脉冲信号发生器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种自动补偿的智能镗刀杆，包括：杆体1、镗刀片2、凸轮3、步进电机、光电位置传感器4、激光发射器5以及信号处理模块6；
杆体1一端的外表面沿垂直于杆体1轴线的方向上开设凹槽，杆体1的另一端连接信号处理模块6；镗刀片2置于凹槽内，且与凹槽的内壁滑动连接；
凸轮3、步进电机均置于镗刀片2的底部，步进电机的输出端与凸轮3的转轴固定连接；且步进电机带动凸轮转动，凸轮3转动的同时带动镗刀片2在杆体1的凹槽内滑动；
杆体1内具有沿其长度方向布置的圆柱形中空腔，光电位置传感器4置于杆体1的内腔中，且与镗刀片2在杆体1的同一个垂直于杆体1轴线的截面内；
激光发射器5设置在杆体1的中空腔另一端且位于中空腔的理论圆心处；光电位置传感器4的表面层为感光层，光电位置传感器4感光层同一直径上的两端点处各有一信号输出电极，两个信号输出电极到感光层中心的距离相同。
一种自动补偿的智能镗刀杆的补偿方法，自动补偿步骤如下：
步骤(1)，径向变形量的测量：当杆体1没有发生径向变形时，激光发射器5发射的激光照射在光电位置传感器4的圆心位置，两个信号输出电极到入射光点的距离相同，则两个信号输出电极上得到的光电流相同；当杆体1发生径向变形时，激光照射在光电位置传感器4上的位置发生变化，此时两个信号输出电极到入射光点的距离不相同，则两个信号输出电极上得到的光电流也不相同；
(1.1)，当入射光照射到感光面时，假设产生的总的光电流为I0，由于入射光点到信号输出电极之间存在横向电势，假设在两个信号输出电极上接上负载电阻R，则光电流将分别流向两个信号输出电极，假设两个信号输出电极上得到的光电流分别为I1和I2；则I1和I2之和为光电流I0，假设入射光点到两个信号输出电极间的等效电阻分别为R1和R2，而I1和I2的分流关系取决于等效电阻R1和R2；假设负载电阻R的阻值相对于R1和R2能够忽略，则：
其中，式中，L为光电位置传感器4的表面层中点到信号输出电极的距离，x为入射光点到光电位置传感器4的表面层中点的距离；将I0＝I1+I2与式(1)联立得：
由式(2)、(3)能够看出，当入射光强度不变时，单个电极的输出电流与入射光点到光电位置传感器4的表面层中点的距离x呈线性关系；将式(2)、(3)中的两个信号输出电极的输出电流做消去I0处理，得到的结果如下：
其中，式中，Px为输出信号，式(4)为输出信号与杆体1径向变形量的关系，同时由式(4)得出输出信号只与入射光点的位置坐标x有关，而与入射强度无关；
步骤(2)，信号处理模块6包括脉冲信号发生器；信号处理模块6通过对步骤(1)中光电位置传感器4的输出信号进行分析，得到杆体1的径向变形量的大小，进而通过计算依次得到相对应的凸轮3旋转角度以及控制凸轮3旋转该角度的步进电机脉冲信号；由脉冲信号发生器将理论计算得到的脉冲信号发送给步进电机，完成对凸轮3的控制；
由式(4)得杆体1径向变形量x＝Px×L；凸轮3的轮廓为螺旋线，其方程为l＝Cθ，其中C为常数，得到凸轮3需要旋转的角度为：
假设步进电机的步距角为α，得到脉冲发生器发射的脉冲数n为：
由式(5)、(6)可以得出根据光电位置传感器4的输出信号便可以计算得到凸轮3需要转动的角度，通过脉冲发生器发射相应的脉冲数，步进电机便转动n个步矩角的角度，进而带动凸轮3转动，实现对杆体1径向变形量的补偿。
步骤(3)，步进电机接收到步骤(2)中信号处理模块传来的脉冲信号，带动凸轮3转动对应的角度，凸轮3将镗刀片2顶起，完成杆体1径向变形量的补偿；
为方便计算，应使凸轮3的旋转角度与旋转中心到凸轮3边界的距离成正比关系，即满足下式：
其中，l表示旋转中心到凸轮边界的距离；从式(7)中能够看出，每转动单位角度，凸轮3将镗刀片2顶起的位置增加C，对式(7)两边同时积分，得：
l＝Cθ (8)
根据上述的计算描绘出相应的凸轮3形状，进而通过凸轮3带动镗刀片2上下移动实现对杆体1径向变形量的补偿，在对凸轮3的形状进行设计时，根据上述计算的凸轮3的旋转角度与旋转中心到凸轮3边界的距离成正比关系画出凸轮3的外轮廓如图4所示，然后将多余的线条去除，使图形进行封闭，得到凸轮3的形状如图5所示。
进一步地，步骤(2)中脉冲信号发生器选择PLC控制步进电机专用脉冲信号发生器7，通过编程控制脉冲信号的发生；并且根据测量值进行反馈补偿，可以确保装置的精准执行与实时反馈，提高加工精度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种自动补偿的智能镗刀杆，其特征在于，包括：杆体(1)、镗刀片(2)、凸轮(3)、步进电机、光电位置传感器(4)、激光发射器(5)以及信号处理模块(6)；
所述杆体(1)一端的外表面沿垂直于所述杆体(1)轴线的方向上开设凹槽，所述杆体(1)的另一端连接所述信号处理模块(6)；所述镗刀片(2)置于所述凹槽内，且与所述凹槽的内壁滑动连接；
所述凸轮(3)、步进电机均置于所述镗刀片(2)的底部，所述步进电机的输出端与所述凸轮(3)的转轴固定连接；且所述步进电机带动所述凸轮转动，所述凸轮(3)转动的同时带动所述镗刀片(2)在所述杆体(1)的凹槽内滑动；
所述杆体(1)内具有沿其长度方向布置的圆柱形中空腔，所述光电位置传感器(4)置于所述杆体(1)的内腔中，且与所述镗刀片(2)在所述杆体(1)的同一个垂直于所述杆体(1)轴线的截面内；
所述激光发射器(5)设置在所述杆体(1)的中空腔另一端且位于中空腔的理论圆心处；所述光电位置传感器(4)的表面层为感光层，所述光电位置传感器(4)感光层同一直径上的两端点处各有一信号输出电极，两个信号输出电极到感光层中心的距离相同。
2.一种权利要求1所述自动补偿的智能镗刀杆的补偿方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤(1)，径向变形量的测量：当杆体没有发生径向变形时，激光发射器发射的激光照射在光电位置传感器的圆心位置，两个信号输出电极到入射光点的距离相同，则两个信号输出电极上得到的光电流相同；当杆体发生径向变形时，激光照射在光电位置传感器上的位置发生变化，此时两个信号输出电极到入射光点的距离不相同，则两个信号输出电极上得到的光电流也不相同；
(1.1)，当入射光照射到感光面时，假设产生的总的光电流为I0，由于入射光点到信号输出电极之间存在横向电势，假设在两个信号输出电极上接上负载电阻R，则光电流将分别流向两个信号输出电极，假设两个信号输出电极上得到的光电流分别为I1和I2；则I1和I2之和为光电流I0，假设入射光点到两个信号输出电极间的等效电阻分别为R1和R2，而I1和I2的分流关系取决于等效电阻R1和R2；假设负载电阻R的阻值相对于R1和R2能够忽略，则：
其中，式中，L为光电位置传感器的表面层中点到信号输出电极的距离，x为入射光点到光电位置传感器的表面层中点的距离；将I0＝I1+I2与式(1)联立得：
由式(2)、(3)能够看出，当入射光强度不变时，单个电极的输出电流与入射光点到光电位置传感器的表面层中点的距离x呈线性关系；将式(2)、(3)中的两个信号输出电极的输出电流做消去I0处理，得到的结果如下：
其中，式中，Px为输出信号，式(4)为输出信号与杆体径向变形量的关系，同时由式(4)得出输出信号只与入射光点的位置坐标x有关，而与入射强度无关；
步骤(2)，信号处理模块包括脉冲信号发生器；信号处理模块通过对所述步骤(1)中光电位置传感器的输出信号进行分析，得到杆体的径向变形量的大小，进而通过计算依次得到相对应的凸轮旋转角度以及控制凸轮旋转该角度的步进电机脉冲信号；由脉冲信号发生器将理论计算得到的脉冲信号发送给步进电机，完成对凸轮的控制；
由式(4)得杆体径向变形量x＝Px×L；凸轮的轮廓为螺旋线，其方程为l＝Cθ，其中C为常数，得到凸轮需要旋转的角度为：
假设步进电机的步距角为α，得到脉冲发生器发射的脉冲数n为：
步骤(3)，步进电机接收到所述步骤(2)中信号处理模块传来的脉冲信号，带动凸轮转动对应的角度，凸轮将镗刀片顶起，完成杆体径向变形量的补偿；
为方便计算，应使凸轮的旋转角度与旋转中心到凸轮边界的距离成正比关系，即满足下式：
其中，l表示旋转中心到凸轮边界的距离；从式(7)中能够看出，每转动单位角度，凸轮将镗刀片顶起的位置增加C，对式(7)两边同时积分，得：
l＝Cθ (8)
根据上述的计算描绘出相应的凸轮形状，进而通过凸轮带动镗刀片上下移动实现对杆体径向变形量的补偿。
3.根据权利要求2的一种自动补偿的智能镗刀杆的补偿方法，其特征在于，所述步骤(2)中脉冲信号发生器选择PLC控制步进电机专用脉冲信号发生器，通过编程控制脉冲信号的发生。
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