CN110744079B - 一种车床误差检测监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车床误差检测监控装置，其特征在于：包括，激光发射器8，安装于溜板12，并具备光轴与车床导轨10平行的光源7；光靶4，安装于床身，可记录激光发射器8投射在光靶接收器5上的光斑信息；控制盒2，其与光靶4、激光发射器8和车床卡盘机构电连接，接收光靶4记录的光斑信息；车床刀具14与夹持刀具14的刀架13机构绝缘夹紧，并与控制盒2电连接；控制盒2还可以检测卡盘机构与刀具14之间的电容或电压变化，以判断刀具14是否通过切削工件与卡盘连通进入切削。该方案可在车床运行的过程中同步、直观地反映车床的误差，并通过电子手段判断误差是导轨本身造成的还是切削运动造成的，配合工艺编制可提高加工精度。

Description

一种车床误差检测监控装置

技术领域

本申请涉及一种车床辅助装置，具体涉及一种车床误差检测监控装置。

背景技术

车床是机械切削加工中最常用的机床，其主要由主轴箱(也称头箱)通过卡盘夹紧工件，使工件做旋转运动(称为主运动)，车床导轨安装在床身上，溜板机构在导轨上滑动，使刀具向着工件运动(进给运动)。

机床传动机构在主运动及进给运动中实际运动轨迹与理想几何轨迹的偏差即造成了加工的误差。这些偏差可能由导轨的加工与安装误差及溜板机构的传动误差造成，这是由机床的制造和安装等静态状况造成的。另一方面，切削运动时刀具与工件之间产生极大的相互作用力，而车床的刚度不是处处一致，使加工过程中车床传动机构受切削力的影响发生不规则的弹性变形，造成误差。这种弹性变形在脱离切削后消失，很难监测。

已经出现了一些对车床的误差进行检测的方案。如CN106989661B，公开了一种测试机床静压导轨表面形状误差的方法，其通过设置激光测量系统逐点检测车床导轨的静压面，检测导轨的误差。

发明内容

(一)发明要解决的技术问题

现有技术中的误差检测方法存在一些问题，主要有(1)只能在车床空载或装配调校时取样测量，车床进行切削加工时一般无法同时工作；(2)进入切削产生较大的切削力后，因为车床刚度，传动件间隙等复杂的原因叠加到轨道上的误差仅在切削时出现，退出切削后消失，无法有效的检测；(3)一般的检测装置很难检测刀具何时接触到工件进入切削，而只能由车工人工观察，难以准确及时地操控。

说明书附图1显示的是机床在切削进程中刀具受工件反作用力的大体受力情况示意，反作用力可以分解为水平方向的正压力F_N和竖直方向的摩擦力F_f，这两个正交的力通过刀具作用于车床的传动机构(如导轨)上，使导轨等产生下沉的弹性变形和向外扭转的变形，引起误差。这些误差仅在切削过程中产生。

当进给量过大时正压力FN将畸大，当主轴转速不恰当时，摩擦力Ff将畸大，使上述弹性形变超出车床的容差范围，降低加工工件的精度。

因此本发明进一步要解决的问题还在于提出一种对于进给量及主轴转速对车床误差的影响进行检测的装置。

(二)本发明的技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：

一种车床误差检测监控装置，其特征在于：包括，

激光发射器，安装于溜板，并具备光轴与车床导轨平行的光源；

光靶，安装于床身，可记录激光发射器投射在光靶接收器上的光斑信息；

控制盒，其与光靶、激光发射器和车床卡盘机构电连接，接收光靶记录的光斑信息；

车床刀具与夹持刀具的刀架机构绝缘夹紧，并与控制盒电连接；控制盒还可以检测卡盘机构与刀具之间的电容或电压变化，以判断刀具是否通过切削工件与卡盘连通进入切削。

作为本方案的进一步改进，其中，刀具通过陶瓷垫块与刀架绝缘夹紧。

作为本方案的进一步改进，其中，刀具通过夹紧螺栓涂覆盖绝缘油漆与刀架绝缘夹紧。

作为本方案的进一步改进，其中，控制盒连接有显示装置，可以显示接收到的光斑信息数据。

作为本方案的进一步改进，其中，光靶接收器采用线阵CCD，控制盒的显示装置显示进入切削前的光斑位置与进入切削后的光斑位置。

作为本方案的进一步改进，其中，光靶接收器采用一组两只相互垂直的线阵CCD，每只与相应的光源对应。

作为本方案的进一步改进，其中，线阵CCD上按线性感光元件的分布标有刻度。

作为本方案的进一步改进，其中，两只线阵CCD分离式布局，其中竖直方向的线阵CCD及光源安装于机床顶部，水平方向的线阵CCD及光源安装于机床侧部。

作为本方案的进一步改进，其中，控制盒包括存储器和输入装置，可按输入指令记录存档光斑信息，其在车床开动后自动启动，所述光斑信息包括启动的时间、是否进入切削等数据。

作为本方案的进一步改进，其中，所述控制盒还包括上位机，可将存档信息上传入计算机系统处理分析。

在工艺编制过程中，可令溜板在空载状态下走完全部导轨行程，并由控制盒记录全程误差，再安装工件，根据拟编制的工艺参数走刀一次，对比两次全程误差的变化，并测量工件的公差，根据工件的实际精度调整加工参数。

每次的切削参数及误差值及是否进入切削的状态可由控制盒传入上位机，编成数据库，供车床调校人员观察车床的误差值变化，并指导车削工艺的编制。

(三)有益效果

(1)该方案可在车床运行的过程中同步、直观地反映车床的误差，并通过电子手段判断误差是导轨本身造成的还是切削运动造成的，配合工艺编制可提高加工精度；

(2)该方案采用二维线阵CCD，分离了车床结构的两种弹性变形，可针对性地指导切削加工工艺的制订，同时控制系统也更简单。

附图说明

附图是本方向的示意性图示，为方便显示，已经将图中各部件尺寸改为易于观察的尺寸，并略去了不易表达或观察的部件，不应将其视为本申请的限制性描述。

图1是刀具车削过程中所受的反作用力情况简图；

图2是本申请的结构示意图；

图3是布置于一处的光靶接收光斑情况示意图；

图4是分体布置的光靶接收光斑情况示意图。

图中的附图标记为：

1.车床

2.控制盒

3.头箱

4.光靶

5.接收器

6.激光线光路

7.光源

8.激光发射器

9.尾座

10.导轨

11.床身

12.溜板

13.刀架

14.刀具

15.一体布置的接器接收到的共轭光斑

16-17.分体式布置的接收到的沿两个方向分别放大的光斑

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。

参见图2，概念性地示出了本装置与车床结构之间的大体位置关系。

一种车床误差检测监控装置，其特征在于：包括，

激光发射器8，安装于溜板12，并具备光轴与车床导轨10平行的光源7；

光靶4，安装于床身，可记录激光发射器8投射在光靶接收器5上的光斑信息；

控制盒2，其与光靶4、激光发射器8和车床卡盘机构电连接，接收光靶4记录的光斑信息；

车床刀具14与夹持刀具14的刀架13机构绝缘夹紧，并与控制盒2电连接；控制盒2还可以检测卡盘机构与刀具14之间的电容或电压变化，以判断刀具14是否通过切削工件与卡盘连通进入切削。

本方案中，激光发射器8随溜板12在导轨10上运动，其可在导轨10的全行程过程中工作，并投射光斑，车工可观察光靶4上的光斑变化情况实时了解当前的误差实值，光靶4将光斑信息收集到控制盒2中可做进一步处理、显示等。

与现有技术中的激光检测装置的主要区别在于，其可持续进行检测，并且通过监测工件与刀具14之间的电压、电容等参数变化判断是否进入切削。

现有技术中的刀具14(一般是导体)通过同样是导体的刀架13安装在溜板12上，与整个机床是等势体，无法检测是否进入切削，该方案中刀具14与刀架机构绝缘地夹紧后与控制盒2连接，使控制盒2可以通过检测刀具14与机床等势体之间的电学状态来判断刀具14是否进入切削。

作为本申请的进一步改进，刀具14通过陶瓷垫块与刀架13绝缘夹紧。

作为本申请的进一步改进，刀具14通过夹紧螺栓涂覆盖绝缘油漆与刀架13绝缘夹紧。

作为本申请的进一步改进，控制盒2连接有显示装置，可以显示接收到的光斑信息数据。

作为本申请的进一步改进，光靶接收器5采用线阵CCD，控制盒2的显示装置显示进入切削前的光斑位置与进入切削后的光斑位置。

作为本申请的进一步改进，光靶接收器5采用一组两只相互垂直的线阵CCD，每只与相应的光源7对应。

作用本申请的进一步改进，线阵CCD上按线性感光元件的分布标有刻度。

现有技术中已经出现有采用光感元件追踪光斑监测光线变化以计算微小形变的装置，有些采用面阵CCD，但困难之处在于，面阵CCD需要对中，而一般车床的运动是溜板12先在导轨10上运动而未进入切削，此时因为导轨10自身的误差，光斑已经开始抖动(即偏离对中好的位置)，而进入切削之后，抖动幅度变大，但是叠加在导轨10自身的误差上，因此无法判断有多大的误差是切削参数设定不合理带来的，而本方案采用线阵CCD，无需对中，并且在根据切削状态判断，显示和记录在切削前的光斑位置与在切削后的光斑位置，可以推算出因为切削速度及进给量等指标造成的车床传动机构的弹性变形引起的误差。

线阵CCD只能检测一个方向上的位置数据，由前面的分析可知，车床的弹性变形可造成导轨10两个方向的形变，图3示出了最简单的光靶4接收器5线阵CCD布置方式和示意图的光斑轨迹，即竖直方向的线阵CCD与水平方向的线阵CCD组合于一处，同时接收两只激光器投射的激光，同时对于平行的光斑，分别读取其水平和竖直方向的偏移量，传递给控制盒2。

采用一组垂直的线阵CCD显示光斑轨迹的设置的好处还在于，其可以由车工直接根据刻度读到光斑的偏移，直观地了解切削过程中误差的变化，同时在未进入切削时的光斑位置可以由车工记录于设备手册上，可监控长时间范围内车床的精度变化。

作为本申请的进一步改进，两只线阵CCD分离式布局，其中竖直方向的线阵CCD及光源7安装于机床顶部，水平方向的线阵CCD及光源7安装于机床侧部。

切削运动引发的误差，使溜板12同时有下压导轨10下陷的趋势(对应于竖直方向的线阵CCD及光源7)及绕导轨10偏转的趋势(对应于水平方向的线阵CCD及光源7)，两只激光光源分别体现这两种形变，则光源应位于变形所决定的虚拟面内，如图3-4所示，当光源集中设置时，其投射的两组光斑是等同的，当光源如上述限定中的分体式设置时，两个线阵CCD上的光斑形状不同，并且水平方向的线阵CCD光斑因为光源安装在车床侧面，发光点远离导轨10变形点而跨度更大。

这样的分体式设计兼顾了两种形变的检测，最大化呈现了光斑的变化而互不干扰，操作人员可以分别通过两只线阵CCD的光斑轨迹调整加工路线中每一刀的进给量、转速等信息，并可根据车床几何参数计算切削中变形产生的精度影响，在工艺编制时定出相应地余量。

作为本申请的进一步改进，控制盒包括存储器和输入装置，可按输入指令记录存档光斑信息，其在车床开动后自动启动，所述光斑信息包括启动的时间、是否进入切削等数据。

作为本申请的进一步改进，所述控制盒还包括上位机，可将存档信息上传入计算机系统处理分析。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种车床误差检测监控装置，其特征在于：包括，

激光发射器，安装于溜板，并具备光轴与车床导轨平行的光源；

光靶，安装于床身，可记录激光发射器投射在光靶接收器上的光斑信息；

控制盒，其与光靶、激光发射器和车床卡盘机构电连接，接收光靶记录的光斑信息；

车床刀具与夹持刀具的刀架机构绝缘夹紧，并与控制盒电连接；控制盒还可以检测卡盘机构与刀具之间的电容或电压变化，以判断刀具是否通过切削工件与卡盘连通进入切削。

2.根据权利要求1所述的一种车床误差检测监控装置，其中：刀具通过陶瓷垫块与刀架绝缘夹紧。

3.根据权利要求1所述的一种车床误差检测监控装置，其中：刀具通过夹紧螺栓涂覆盖绝缘油漆与刀架绝缘夹紧。

4.根据权利要求1所述的一种车床误差检测监控装置，其中：控制盒连接有显示装置，可以显示接收到的光斑信息数据。

5.根据权利要求1所述的一种车床误差检测监控装置，其中：光靶接收器采用线阵CCD，控制盒的显示装置显示进入切削前的光斑位置与进入切削后的光斑位置。

6.根据权利要求5所述的一种车床误差检测监控装置，其中：光靶接收器采用一组两只相互垂直的线阵CCD，每只与相应的光源对应。

7.根据权利要求5所述的一种车床误差检测监控装置，其中：线阵CCD上按线性感光元件的分布标有刻度。

8.根据权利要求6所述的一种车床误差检测监控装置，其中：两只线阵CCD分离式布局，其中竖直方向的线阵CCD及光源安装于机床顶部，水平方向的线阵CCD及光源安装于机床侧部。

9.根据权利要求1所述的一种车床误差检测监控装置，其中：控制盒包括存储器和输入装置，可按输入指令记录存档光斑信息，其在车床开动后自动启动，所述光斑信息包括启动的时间、是否进入切削等数据。

10.根据权利要求1所述的一种车床误差检测监控装置，其中：所述控制盒还包括上位机，可将存档信息上传入计算机系统处理分析。

Images