專利名稱：基于光纖光柵傳感器的數(shù)控機床狀態(tài)參數(shù)測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型數(shù)控機床測量技術，是一種基于光纖光柵傳感器的數(shù)控機床狀態(tài)參 數(shù)測量裝置，該裝置用于對數(shù)控機床的溫度、形變和振動進行測量。
背景技術：
對于高速、高精度數(shù)控機床，溫度波動、關鍵部件形變和機床結構振動等因素將影 響數(shù)控機床的加工精度與加工效率，甚至影響數(shù)控機床的正常運行。因此，必須對數(shù)控機床 關鍵部位的溫度、關鍵部件形變蠶食和加工振動進行測量與監(jiān)控，并采取必要的溫度補償 和形變抑制措施。因此如何準確地監(jiān)測數(shù)控機床的溫度和振動參數(shù)，是高速、高精度數(shù)控機 床亟待解決的問題。然而，傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻等溫度傳感器、電感位移傳感器和加速度傳感器等， 在數(shù)控機床布點和安裝上受限制，并且連線和信號處理復雜、數(shù)據(jù)傳輸困難、可靠性不高， 尤其是需要測量點數(shù)很多時問題更為嚴重。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種基于光纖光柵傳感器 的數(shù)控機床狀態(tài)參數(shù)測量裝置，該裝置具有結構簡單、使用方便、抗干擾強以及測量精度高 的優(yōu)點。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供的一種基于光纖光柵傳感器的數(shù)控機床狀態(tài) 參數(shù)測量裝置，其特征在于，該裝置包括光纖光柵測量儀、信號處理單元和數(shù)據(jù)輸出接口單 元；光纖光柵測量儀的輸出端口與信號處理單元的一端相連，信號處理單元的另一端與數(shù) 據(jù)輸出接口單元。本實用新型即可作為信號采集裝置，對機床溫度和應變進行手動和自動測量，又 可作為補償裝置的上位機，輸出機床狀態(tài)參數(shù)。本實用新型解決了目前采用常規(guī)溫度、變形 和振動測量傳感器的安裝復雜，使用不便的問題，它是基于光纖光柵傳感器的多變量實時 測量網(wǎng)絡，實現(xiàn)在數(shù)控機床加工過程中數(shù)控機床關鍵部位的溫度、關鍵部件形變蠶食和加 工振動的在線測量，從該測量裝置上給出的反饋信號，可以和數(shù)控系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)數(shù)控機 床熱誤差測量補償，加工變形誤差測量補償和加工振動測量控制等功能，提升數(shù)控機床整 機加工性能。

圖1是本實用新型裝置的結構框圖；圖2是光纖光柵傳感器的安裝方式；圖3是數(shù)控機床溫升測量的傳感器布置示意圖；圖4是數(shù)控機床主軸部件振動測量傳感器布置示意圖；圖5是基于光纖光柵傳感器的數(shù)控機床溫度、形變和振動測量示意圖。[0012]
以下結合附圖和實例對本實用新型進行進一步的說明。如圖1所示，本實用新型裝置包括光纖光柵測量儀、信號處理單元6和數(shù)據(jù)輸出接 口單元7。光纖光柵測量儀包括通過光纖依次串聯(lián)的光纖光柵傳感器組、耦合器2、寬帶光 源1、波長監(jiān)測單元4和波長檢測單元5。串聯(lián)的光纖光柵傳感器由工作波長不同的光纖光 柵傳感器3. 1、光纖光柵傳感器3. 2、……光纖光柵傳感器3. η構成，各光纖光柵傳感器發(fā) 出不同波長的信號，并相互間不會干擾，串聯(lián)起來的光纖光柵傳感器根據(jù)粘貼方式的不同 可以得到溫度、應變以及綜合信號，然后通過數(shù)據(jù)總線連接到信號處理單元。信號處理單元6為個人計算機、DSP中的至少一種，根據(jù)光纖光柵測量儀發(fā)送的不 同信號的波長，分析光纖光柵測量儀輸出溫度量和應變量的數(shù)據(jù)，并分離溫度和應變信息， 進而給出數(shù)控機床的溫度場分布和機床主要結構部件的應變模態(tài)分析結果，并通過數(shù)據(jù)輸 出接口單元輸送至CNC等下位機。數(shù)據(jù)輸出接口單元為復雜可編程邏輯器件、RS232或者以太網(wǎng)接口中的至少一種， 用于分析結果的輸出或者與數(shù)控系統(tǒng)之間傳輸。具體地說是將光纖光柵測量儀連成一個網(wǎng) 絡，安裝到數(shù)控機床上，實現(xiàn)對數(shù)控機床運動部件的溫度、關鍵部件形變和機床結構振動結 果實時輸送之數(shù)控系統(tǒng)中。當光纖光柵傳感器安裝到數(shù)控機床上時，如果安裝不當，則可能機床應力和溫度 都會引起光柵周期變化，然而波長檢測裝置將無法分辨這種變化是由于應力還是溫度引起 的。因此，在安裝光纖光柵傳感器時，如果將兩個串聯(lián)在一起的光纖光柵傳感器靠近安裝， 并使其中一個光纖光柵傳感器只對溫度敏感，而另一只光纖光柵傳感器即對應力也對溫度 敏感，如圖2所示，一個光纖光柵傳感器整體都牢牢的粘結在需要檢測應力的部位——整體 粘結方式A連接，而另一個光纖光柵傳感器只在它兩端被粘結——兩端粘結方式B連接(二 個粘接點8. 1、粘接點8. 2)。這樣，按照兩端粘結方式的光纖光柵傳感器將同時對應力和溫 度變化都敏感，而整體粘結的光纖光柵傳感器則只對溫度敏感。信號處理裝置利用整體粘 結方式的光纖光柵傳感器感應溫度信號，而利用兩端粘結方式的光纖光柵傳感器應力和溫 度混合信號減去整體粘結的光纖光柵傳感器溫度信號則可分離出應力的變化。本實用新型的數(shù)控機床熱誤差測量的技術方案為數(shù)控機床熱機溫升過程中，機床結構的熱變形對機床工作空間中的定位精度產(chǎn)生 影響，機床熱性能監(jiān)測以及后續(xù)相關的熱誤差補償是基于機床結構主要部件關鍵點溫升測 量為基礎的。對于數(shù)控機床主軸熱誤差，采用主軸關鍵部位溫度和應變測量方法，如圖3a 中所示主軸的測點9. 1和測點9. 2。因為分布式布拉格光纖光柵傳感器系統(tǒng)是在一根光纖 中串接多個不同工作波長的光纖光柵傳感器，可同時對數(shù)控機床的各個主要部件進行溫度 和應變測量。如對于機床立柱的測量，考慮溫升和應變的同時測量，則采用光纖光柵傳感器 應變花類型布置，如圖3a中所示立柱和床身的測點9. 3、測點9. 4的線性布置方向，其中傳 感器按照設定形狀組合的應變花，如圖3b所示的應變布置形式，基于相應的應變花類型， 根據(jù)應變花所在機床部件上的對應測點位置，材料的彈性模量和泊松比，可得到在數(shù)控機 床部件在機床熱機溫升過程中的部件空間熱變形量。如選取主軸端部布置光纖光柵傳感器，同樣光纖光柵傳感器按照一定的形狀組合成常規(guī)所用的應變花結構，基于相應的應變花類型，根據(jù)應變花所在主軸上的對應測點位 置，材料的彈性模量和泊松比，并考慮已獲得機床相關結構的空間熱變形，則可得到在主軸 工作過程中的相應主軸端部在熱機溫升過程的空間熱變形量。如在圖3a中，主軸熱誤差檢 測的關鍵部位，圖3a中傳感器布置方式給出了主軸上傳感器的測點位置，檢測溫度和形 變量，各傳感器圓周分布，并且各傳感器布置成應變花類型，也采用圖3b所示的應變花類 型，圖3b為常規(guī)的幾種應變花類型示意。而機床伺服軸的應變測量由于絲杠工作過程中處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，故對于絲杠的不進 行應變量的測量，故伺服軸的的溫升是基于光纖光柵傳感器，測量部件的關鍵點溫升曲線， 如伺服軸滾珠絲杠兩端的軸承座、油壓閥、絲杠螺母以及環(huán)境的溫升曲線。本實用新型的數(shù)控機床主要部件的振動測量技術方案為基于光纖光柵傳感器對機床主要部件如床身、機床主軸10分布網(wǎng)絡測量，如對于 主軸的測量，如圖4所示，主軸端部可采用光纖光柵傳感器按照圓周分布測點，并且按照設 定應變花粘貼，沿整個主軸軸線均勻布置。如考慮刀具的動力響應則采用主軸鋅棒代替刀 具，其光纖光柵傳感器的布置與主軸類似。而對于需考慮的機床結構，如圖3所示的機床立 柱和床身測點9. 3，測點9. 4，其傳感器的布置也同樣采用直列應變花類型布置測量。故在 機床工作過程中引入的工作激勵輸入，或者由設定的錘擊模態(tài)測試，則可基于設定的光纖 光柵傳感器應變花布置形式，根據(jù)應變花所在主軸上的對應測點位置，材料的彈性模量和 泊松比，沿著測點布置的部件各個位置上的空間各向動態(tài)應變位移皆可得到，從而利用應 變模態(tài)分析方法，建立振動應變響應的模型，可進行如應力集中問題、切削過程中的局部結 構變動影響分析，并且基于振動應變響應的模型也同時得到位移應變模態(tài)，從而實現(xiàn)對機 床動力學特性的監(jiān)控。本實用新型工作流程為基于光纖光柵光纖傳感器對數(shù)控機床主要部件進行布置，各部件的布置安裝形式 如圖2、圖3、圖4所示。工作流程的完整結構示意框圖如圖5所示，則由光纖光柵傳感器、 寬帶光源等組成的測量儀對布點的光纖光柵傳感器進行數(shù)據(jù)讀取，得到各位置測點的溫度 和應變數(shù)據(jù)，然后由信號處理單元根據(jù)測點應變花形式及布置測點位置數(shù)據(jù)，根據(jù)測量儀 測量的相應測點的溫度和應變數(shù)據(jù)，材料的彈性模量和泊松比，得到相應測點溫升曲線以 及數(shù)控機床主要部件的應變模態(tài)參數(shù)和位移模態(tài)參數(shù)，然后通過數(shù)據(jù)輸出接口單元將數(shù)據(jù) 發(fā)送出去。
權利要求1.一種基于光纖光柵傳感器的數(shù)控機床狀態(tài)參數(shù)測量裝置，其特征在于，該裝置包括 光纖光柵測量儀、信號處理單元和數(shù)據(jù)輸出接口單元；光纖光柵測量儀的輸出端口與信號 處理單元的一端相連，信號處理單元的另一端與數(shù)據(jù)輸出接口單元。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于光纖光柵傳感器的數(shù)控機床狀態(tài)參數(shù)測量裝置，其特征 在于，光纖光柵測量儀包括波長檢測單元，以及依次通過光纖連接的寬帶光源、耦合器、光 纖光柵傳感器和波長監(jiān)測單元，波長檢測單元的一端通過光纖與耦合器相連，另一端作為 光纖光柵測量儀的輸出端口 ；相互串聯(lián)的光纖光柵傳感器由工作波長不同的光纖光柵傳感 器構成。
專利摘要本實用新型公開了一種基于光纖光柵傳感器的數(shù)控機床狀態(tài)參數(shù)測量裝置，其特征在于，該裝置包括光纖光柵測量儀、信號處理單元和數(shù)據(jù)輸出接口單元；光纖光柵測量儀的輸出端口與信號處理單元的一端相連，信號處理單元的另一端與數(shù)據(jù)輸出接口單元。本實用新型既可作為信號采集裝置，對機床溫度和應變進行手動和自動測量，又可作為補償裝置的下位機，輸出機床狀態(tài)參數(shù)。本實用新型解決了目前采用溫度、變形和振動測量的這些常規(guī)傳感器安裝復雜，使用不便的問題。該裝置具有結構簡單、使用方便、抗干擾強以及測量精度高的優(yōu)點。
文檔編號B23Q17/00GK201922314SQ20102066126
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權日2010年12月15日
發(fā)明者劉國, 唐小琦, 宋寶, 李斌, 毛寬民, 毛新勇, 譚波, 陳吉紅 申請人:華中科技大學, 武漢華中數(shù)控股份有限公司