CN111001829A - 一种车床回转误差检测监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车床回转误差检测监控装置，具有：主控制器；发射器，可安装在车床上并与车床主轴同轴转动，具有平行的正面和背面，背面向着车床主轴，正面设有一光感应器，感应器中央设有一细孔，孔中设有激光光源，以垂直于正面的角度向外发射激光光线；发射器与主控制器通信，可以向主控制器传送光感应器接收到的入射光；反射器，包括镜面与激光光线成一夹角α的半透半反镜，接收器，接收器与主控制器通信；平面镜，设置于激光光线透过所述半透半反镜的透射光路上，检测时，发射器上的激光光源发现激光光线，光线一部分透射半反半透镜照在平面镜上，反射回发射器上的光感应器接收，一部分被半反半透镜反射，投射到接收器上的光感应器接收。

Description

一种车床回转误差检测监控装置

技术领域

本申请涉及一种车床辅助装置，具体涉及一种车床回转误差检测监控装置。

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，使工件固定在主轴上与主轴一起做旋转运动（称为主运动），同时，刀具在进给进给的带动下向工件运动（称为进给运动），与工件接触后产生切削。

车床一般用于圆柱回转体的加工，加工精度主要受导轨误差和主轴回转误差影响。如附图1，其将主轴的误差简化地表示出来。主轴回转误差又分为纯轴向蹿动（a）、纯径向跳动(b)和纯角度摆动(c)，在图1中实线表示车床主轴的理想位置，虚线表示相应的误差出现时主轴的实际位置。在车床使用的过程中，主轴的三种回转误差要分别地进行检测与校准，纯径向跳动与纯角度摆动因为外在表现接近，分离检测比较困难。

同时，静态的车床的空载误差容易测量，但车床开始切削运动之后，受主轴与刀具通过工件进行剧烈的相互作用，产生非常大的内力，使车床工作时的误差与空载时完全不同，而目前缺乏在车床进行切削时在线检测回转误差的技术手段。同时刀具何时进入切削也不容易判断。

CN108296500A公开了一种模块化数控车床加工精度快速检测装置与检测方法，其具体公开了检测装置，包括骨架模块、线激光检测模块和光纤探头检测模块；线激光检测模块包括线激光发射端、线激光接收端和内齿轮圈；光纤探头检测模块包括电路板外壳、粗糙度光纤探头、测距激光探头和金属触针；电路板外壳、粗糙度光纤探头、固定支柱为一个整体；测距激光探头、金属触针为一个整体；检测装置的检测方法：安装线激光检测模块检测工件的圆度与径向跳动；安装光纤探头检测模块检测工件的表面粗糙度、轴向跳动和车端面精度；本发明在不改变工件的装夹关系的前提下，实时在线检测被加工件的形状误差、回转误差以及表面粗糙度、车削端面精度。该方案采用激光测头进行车削误差的在线监控，但设置本身需要一定的调校，限于安装尺寸，应用也有一定的限定，同时结构较为复杂。

发明内容

基于上述现有技术的现状，提出本申请，本申请涉及一种车床回转误差检测监控装置。

（一）要解决的技术问题

（1）在车床的主轴误差中分离对加工起主要作用的纯轴向误差和纯角度摆动，分别检测监控；

（2）区分车床的空载（调校时的空转）与切削工况，分别检测。

（二）技术方案

本发明的技术方案如下：

一种车床回转误差检测监控装置，其安装在车床上并与车床联用，其特征在于，具有：

主控制器；

发射器，可安装在车床上并与车床主轴同轴转动，其具有平行的正面和背面，背面向着车床主轴，正面设有一光感应器，感应器中央设有一细孔，孔中设有激光光源，以垂直于正面的角度向外发射激光光线；发射器与主控制器通信，可以向主控制器传送光感应器接收到的入射光；

反射器，包括镜面与激光光线成一夹角α的半透半反镜，该半透半反镜位于所述激光光线光路上；

接收器，具有位于半透半反镜反射光路上的光感应器，接收器与主控制器通信；

平面镜，其设置于所述激光光线透过所述半透半反镜的透射光路上，并且镜面与激光光线垂直；

进行检测时，发射器上的激光光源发现激光光线，光线一部分透射半反半透镜照在平面镜上，反射回发射器上的光感应器接收，一部分被半反半透镜反射，投射到接收器上的光感应器接收。

进一步地，反射器上半透半反镜镜面与射来的激光光线夹角为45°。

进一步地，所述发射器的背面有磁体，可以吸附于主轴机构或装夹好的工件端，发射器的光源大体上在主轴轴线上。

进一步地，所述发射器带有电池，并通过无线方式与控制器通信。

进一步地，所述控制器接入车床的电控箱，可以监测和读取车床运转时的电压、电流信息，并根据车床实际功率的变化判断车床处于空载状态还是切削状态。

进一步地，发射器上的光感应器为面阵CCD。

进一步地，接收器上的光感应器为线阵CCD，该线阵CCD与车刀位于同一水平高度。

进一步地，其中纯角度摆动误差θ=arctg（lh/(l+L）,纯径向跳动 e=E±htgθ,

式中：l是发射器到半透半反镜的距离；

L是发射器到平面镜的距离；

H是半透半反镜到接收器的距离；

E是线阵线阵CCD测得的与初始位置的偏离值。

进一步地，接收器与半透半反镜设置在中心架上，平面镜设置在尾座上。

（三）有益效果

（1）该方案通过较简单的手段分离了两种一般混合出现的车床误差，有利于车床精度的提高；

（2）根据车床的运行状态判断是否进入切削，可在线或实时监测切削参数对误差值的影响；

（3）与控制器无线通信的发射器，极大简化了装置的安装布置，不影响切削加工。

附图说明

附图是经过简化的装置示意图，图中图线的含义见附图说明：

图1是三种车床主轴常见误差的形成示意图；

图2是本发明的元件布置示意图

图3是纯角度摆动误差计算示意图，图中略去了反透半反镜

图4是纯径向跳动误差计算示意图，图中略去了平面镜

图5是本发明在车床上的布置俯视示意图

其中，

1.发射器

2.光感应器

3.激光光源

4.半透半反镜

5.接收器

6.平面镜

7.主轴机构或圆柱回转体工件

8.刀架

9.中心架

10.尾座。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

首先参见附图2，本申请采用如下的技术方案：

一种车床回转误差检测监控装置，其安装在车床上并与车床联用，其特征在于，具有：

主控制器；

发射器1，可安装在车床上并与车床主轴同轴转动，其具有平行的正面和背面，背面向着车床主轴，正面设有一光感应器2，感应器中央设有一细孔，孔中设有激光光源3，以垂直于正面的角度向外发射激光光线；发射器1与主控制器通信，可以向主控制器传送光感应器2接收到的入射光；

反射器，包括镜面与激光光线成一夹角α的半透半反镜4，该半透半反镜4位于所述激光光线光路上；

接收器5，具有位于半透半反镜4反射光路上的光感应器2，接收器5与主控制器通信；

平面镜6，其设置于所述激光光线透过所述半透半反镜4的透射光路上，并且镜面与激光光线垂直；

进行检测时，发射器1上的激光光源3发现激光光线，光线一部分透射半反半透镜照在平面镜6上，反射回发射器1上的光感应器2接收，一部分被半反半透镜反射，投射到接收器5上的光感应器2接收。

进一步地，反射器上半透半反镜4镜面与射来的激光光线夹角为45°。

在车床主轴的误差当中，纯径向跳动和纯角度摆动常常混合在一起，并都变现为主轴旋转轴心的变动，而造成纯径向跳动和纯角度摆动误差的原因是不同的，如果不能分别检测纯径向跳动和纯角度摆动，则无法相应地进行减少误差的动作。

在上述方案中，从与主轴联动的激光光源3射出的准直光线通过半透半反镜4，一部分透射到平面镜6上，并反射回光源外周的光感应器2上，一部分反射到接收器5上的光感应器2上。光源外周的光感应器2上的光斑偏移光源的距离是由单独由纯角度摆动决定的，而接收器5上的光感应器2上的光斑偏移理想位置的距离是同时由纯角度摆动和径向跳动决定的，在纯角度摆动可由几何光路推算的基础上，径向跳动也可以进一步导出，因此该方案中的光线设计分离了两种误差，可以分别计算其大小。当半透半反镜4与激光光线夹角为45°时，光学几何计算得以简化，但其他方便的角度也可以达到同样的效果。

进一步地，所述发射器1的背面有磁体，可以吸附于主轴机构或装夹好的工件端，发射器1的光源大体上在主轴轴线上。

参见附图3-4，实线为理想位置，虚线为有误差的主轴实际位置，注意主轴位置已经有了角度摆动误差及径向跳动误差。根据光路分析，发射器1的光源并不需要与主轴轴线同轴就可以实现上面的检测原理，并且光源中心与主轴轴线的对中在实际使用中不容易实现。在发射器1背面设磁体，最大地简化了安装方式，只需大体把发现器吸附在工件端面靠近中心的位置即可。

进一步地，所述发射器1带有电池，并通过无线方式与控制器通信。

发射器1上的器件都为低功耗数字器件，容易设置电池以减少电线的布置，这进一步简化了安装，同时可用常于便携式电子设置联用的蓝牙、WLAN、Zigbee或其他无线通信协议与控制器通信。

进一步地，所述控制器接入车床的电控箱，可以监测和读取车床运转时的电压、电流信息，并根据车床实际功率的变化判断车床处于空载状态还是切削状态。

所述控制器还可以带有日志功能，记录从开机开始的各种回传参数。在现有技术中的车床检测当中，空载与切削状态难于判断，一般人为设定，而车床进入切削之后，主轴受到的阻力急剧提升，其实际功率变大，因此通过日志功能记录车床的电压、电流及推算功率信息后，可以判断车床是否进入切削，进一步地，如果通过分析日志发现进入切削之后造成主轴的纯径向跳动或纯角度摆动变大，则说明切削参数（转速或进给量）造成了车床的误差。

因为装夹大小不同的工件对车床的功率也会有影响，因此控制器中并不设定任何阈值对是否进入切削进行判断，而仅记录作为辅助判断的标准。

控制器中记录的数据可以存储在控制器中以后分析，也可以通过上位机传入PC等设备实时监测分析。对于普通车床，控制器需要接入车床的控制箱，而对于数控车床，则可以直接由数控系统中读取所要的信息。

进一步地，发射器1上的光感应器2为面阵CCD。

从激光光源3射出的光线经过平面镜6的反射将照在面阵CCD上，因为光源随主轴旋转，因此需要环绕光源的面阵CCD接收光点信息。测算纯角度摆动时，应该取主轴旋转稳定后光点偏离光源的最远值。

进一步地，接收器5上的光感应器2为线阵CCD，该线阵CCD与车刀位于同一水平高度。

从上面的光路分析可以看出，半透半反镜4不动的情况下，激光光线的被反射部分照在接收器5上的光点也是画圆圈运动，但是进入切削后，主轴的纯角度摆动主要受刀具切削作用力的影响而变大，因此纯角度摆动造成的弯曲的主轴轴线可以认为在过刀具高度位置的水平面以内，因此在这一水平面内设置线阵CCD，省去了用面阵CCD对光点的运动轨迹进行拟合运算的麻烦，可以直接测出光点偏离理论位置的距离，在算法和器件上都更节省。

进一步地，其中纯角度摆动误差θ=arctg（lh/(l+L）,纯径向跳动 e=E±htgθ,

式中：l是发射器1到半透半反镜4的距离；

L是发射器1到平面镜6的距离；

H是半透半反镜4到接收器5的距离；

E是线阵线阵CCD测得的与初始位置的偏离值。

分析图3-4的几何光路可得误差值计算公式。

上面的计算公式中，正负号的取值由接收器5与刀架8安装在同一侧或相对侧确定。

进一步地，接收器5与半透半反镜4设置在中心架9上，平面镜6设置在尾座10上。

参考附图5，对主轴精度影响较大的纯角度摆动误差一般在车外圆的过程中出现。在实际使用当中，可在装夹好工件毛坯后先车端面，然后通过磁体将发射器1吸附在工件端面，不需要对心，即可开始检测。

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 (9)

1.一种车床回转误差检测监控装置，其安装在车床上并与车床联用，其特征在于，具有：

主控制器；

发射器，可安装在车床上并与车床主轴同轴转动，其具有平行的正面和背面，背面向着车床主轴，正面设有一光感应器，感应器中央设有一细孔，孔中设有激光光源，以垂直于正面的角度向外发射激光光线；发射器与主控制器通信，可以向主控制器传送光感应器接收到的入射光；

反射器，包括镜面与激光光线成一夹角α的半透半反镜，该半透半反镜位于所述激光光线光路上；

接收器，具有位于半透半反镜反射光路上的光感应器，接收器与主控制器通信；

平面镜，其设置于所述激光光线透过所述半透半反镜的透射光路上，并且镜面与激光光线垂直；

进行检测时，发射器上的激光光源发现激光光线，光线一部分透射半反半透镜照在平面镜上，反射回发射器上的光感应器接收，一部分被半反半透镜反射，投射到接收器上的光感应器接收。

2.根据权利要求1所述的车床回转误差检测监控装置，其特征在于：反射器上半透半反镜镜面与射来的激光光线夹角为45°。

3.根据权利要求1所述的车床回转误差检测监控装置，其特征在于：所述发射器的背面有磁体，可以吸附于主轴机构或装夹好的工件端，发射器的光源大体上在主轴轴线上。

4.根据权利要求1所述的车床回转误差检测监控装置，其特征在于：所述发射器带有电池，并通过无线方式与控制器通信。

5.根据权利要求1所述的车床回转误差检测监控装置，其特征在于：所述控制器接入车床的电控箱，可以监测和读取车床运转时的电压、电流信息，并根据车床实际功率的变化判断车床处于空载状态还是切削状态。

6.根据权利要求1所述的车床回转误差检测监控装置，其特征在于：发射器上的光感应器为面阵CCD。

7.根据权利要求6所述的车床回转误差检测监控装置，其特征在于：接收器上的光感应器为线阵CCD，该线阵CCD与车刀位于同一水平高度。

8.根据权利要求7所述的车床回转误差检测监控装置，其特征在于：其中纯角度摆动误差θ=arctg（lh/(l+L）,纯径向跳动 e=E±htgθ,

式中：l是发射器到半透半反镜的距离；

L是发射器到平面镜的距离；

H是半透半反镜到接收器的距离；

E是线阵线阵CCD测得的与初始位置的偏离值。

9.根据权利要求1所述的车床回转误差检测监控装置，其特征在于：接收器与半透半反镜设置在中心架上，平面镜设置在尾座上。

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