CN1170121C - 空气主轴***工件圆度测控方法及装置 - Google Patents
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Abstract
在机械加工工件圆度的测控***中，基于空气主轴的圆度测量中，采用霍尔传感器和磁编码盘或光电传感器和均布通孔盘进行非接触式旋转角同步采样，并将此同步信号进行锁相倍频，自动跟踪主轴转速，通过计数器，得到与主轴旋转同步的相位同步数字信号，以控制被测工件的轮廓信号进行等间隔采样。避免了接触式角度传感器或光电编码盘转轴部分对高精度空气主轴的旋转形成干涉，导致回转精度降低。与采用稳速电机驱动空气主轴***，进行等时间采样的方法相比，具有结构简单，成本低，可靠性高的特点。
Description
技术领域：
本发明涉及空气主轴***的工件圆度测控技术，一种空气主轴***工件圆度测控方法及装置。
背景技术：
目前，在数字式圆度仪测量工件圆度时，需要对被测工件的轮廓进行等角度间隔的采样，以便对工件的圆度值进行准确地计算。这就需要有一套与圆度仪主轴旋转同步的转角相位信号***，以控制轮廓信号采样间隔。
如图1所示：在采用接触式主轴的数字式圆度仪***中，可以采用接触式角度传感器或编码盘控制采样间隔，但在采用空气浮动主轴的数字式圆度仪***中，则不可采用上述方式控制采样间隔。原因是接触式角度传感器或编码盘支撑轴承通常为滚动轴承，其旋转精度＞1μm，远低于空气主轴＜0.1μm的旋转精度。将编码盘与空气主轴***刚性连接时，会产生干涉，影响空气主轴***的旋转精度；若其与主轴***柔性连接，由于测量工件时传感器测头与被测工件轮廓产生变化的摩擦力，使得主轴负载不稳定，导致主轴旋转不稳定。则编码盘的编码输出难与主轴旋转同步，将产生不确定的测量相移，导致测量误差。
如图2所示：大多数空气主轴***的圆度仪采用稳速等时采样***，其工作原理为：在空气主轴1的下轴端安装一个零位同步盘3，盘的边缘嵌入一个磁块4，空气主轴每旋转一周，磁敏感元件5就会感应到磁块的磁信号一次，并将其转换成电信号馈入控制***。控制***从感知到零位信号起进行等时采样处理信号，这就需要一套主轴电机稳速功率驱动***，以保证主轴***旋转稳定。其缺点：一是电机稳速功率驱动***成本较高；二是主轴***为了与电机隔震，通常采用柔性连轴节，由于测量工件的负载变化影响，则主轴旋转难与电机同步，将产生不确定的测量相移，导致测量误差；如果控制***从感知到零位信号起测量主轴***旋转一周所需时间，用此时间除以采样数得出采样间隔，并以此采样间隔控制采样。这样可以省略电机稳速功率驱动***，但如上所述的测量工件的负载变化导致测量相移的缺陷依然存在。
发明内容：
为克服如上所述的现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种空气主轴***的工件圆度测控方法及装置，使其实现测控***自动跟综主轴转速频率，不受转速波动的影响，不需要配置电机稳速功率驱动***，且可靠性高，结构简单，成本低。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
所述的空气主轴***的工件圆度测控装置，其由空气主轴，支架，连轴节，驱动电机等组成，在空气主轴的下部有一与空气主轴同轴刚性连接的磁编码盘，磁编码盘沿圆周等角度嵌入16个S极向外的磁块5，同极性沿编码盘径向一致排列，作为转角同步信号，另嵌入1个反极性磁块4，作为零位信号；在磁编码盘外有一设置在支撑支架上的感应N极磁性的霍尔传感器6，一感应S极磁性的霍尔传感器7；由一测控电路对传感器信号进行处理；在主轴与驱动电机之间由柔性连轴节8连接。
所述的空气主轴***的工件圆度测控的方法，其在测控***中采用了霍尔开关传感器与磁编码盘以及锁相倍频电路，构成非接触式转角信号检测***；由同步霍尔传感器6感应因磁编码盘随空气主轴旋转产生的角度位置信号，经整形电路送入锁相细分电路，锁相倍频电路将同步霍尔传感器磁块角度位置变化信号倍频为测量工件所需的采样间隔控制脉冲，馈入计数器，通过缓冲器传输给计算机，以便计算机控制圆度仪对被测工件进行轮廓采样；零位霍尔传感器感应因磁编码盘随空气主轴旋转产生的零位信号送至整形电路，由零位霍尔传感器将零位磁块4的零位信号馈入计数器的复位端(RST端)，使计数器在测量零位点复位，以便测量同步。
由于采用了如上所述技术方案，本发明具有如下优越性：
如图1和图2中所示：由于测量工件时传感器测头与被测工件轮廓产生变化的摩擦力，使得主轴负载不稳定，导致主轴旋转不稳定，导致无法均匀采样；产生测量误差。本发明采用锁相倍频电路在一定范围内具有自动跟踪主轴转动频率的作用，当主轴转速与编码盘相位磁块数的乘积大于10Hz时，锁相倍频电路即可以快速跟踪锁定主轴转速，使得采样计数器中的数值始终反映主轴旋转的相位。如图3中所示，主轴转速为115转/分钟。磁编码盘沿圆周等角度嵌入16个径向同极性磁块组5，作为转角同步信号。另嵌入1个反极性磁块4，作为零位信号基准。当主轴旋转时，霍尔传感器7依次感应磁块组5中各个磁块的磁信号，并将其转换成每周16个电压脉冲信号，而霍尔传感器6则在主轴每旋转一周感应到一次零位磁快的磁信号，并将其转换成每周1个电压脉冲信号，在主轴旋转到零位时，零位磁块4旋转到零位霍尔传感器6位置时，产生1个复位脉冲，使得计数器瞬时清零，其作用为使计数器计数与主轴旋转相位同步。以便圆度仪找到工件图形与打印工件轮廓图形对应点，从而由控制电路对传感器的同步信号和零位信号进分析处理后，来监控工件圆度仪的工件测控工作。
本实用新型具有自适应主轴转速，不受转速波动影响，无需电机稳速功率驱动***，可靠性高，结构简单，成本低廉的特点。
图面说明：
图1、2是现有工件圆度的测控装置结构示意图：
图3是空气主轴***的工件圆度测控装置的结构示意图：
图4是空气主轴***的工件圆度测控***电路方框图：
图5是空气主轴***的工件圆度测控***信号转换电线路图
图6是空气主轴***的工件圆度测控***采用光电与磁感应混合编码盘结构示意图：
如图1、2、3中所示：1-空气主轴，2-支架平台，3-编码盘，4-N极向外的磁块，5-S极向外的磁块，6、7-霍尔传感器，8-柔性连轴节，9-驱动电机，10-测量***支架，19-编码盘支架。
如图4中所示：3-磁编码盘，7-旋转同步霍尔传感器，6-零位霍尔传感器，11-整形电路，12-锁向细分电路，13-分频器，14-计数器，15-锁存器，16-PC机。
如图6中所示：17-一周均布的通孔，4-磁块，6-霍尔传感器，18-光电传感器，3-编码盘。
具体实施例一：
本发明工件圆度测控装置，采用了与空气主轴同轴安装的磁编码盘结构；接收主轴同步信号的同步霍尔传感器和零位信号的霍尔传感器的采样信号；将磁信号转换成电信号，送入控制计算机***，测控电路对信号进行分析处理；图3中的零位霍尔传感器6即为图5中的IC1，相位霍尔传感器7即为图5中的IC2。每周16个电压脉冲信号由IC2-3脚输出到IC3B-11脚，经单稳态触发器IC3B整形后，由IC3-10脚输出到锁相环电路IC4-14脚。IC4和IC5构成一套64倍频的子***，将主轴旋转每圈16个磁相位信号倍频到1024个，由IC4-10输出到计数器CD4040(IC6)的计数输入端CLK(IC6-10)进行计数，通过计数器Q1～Q10输出到三态缓冲器IC7和IC8，由IC7的Q1～Q8和IC8的B3、B4输出到PC机外接总线ISABUS，计算机程序可根据从ISABUS得到的10bit相位信号控制A/D转换器进行工件轮廓同步采样。由IC1接收到的零位磁信号被变成单脉冲电压信号，由IC1-3输出到IC3-5脚，经单稳态触发器IC3A整形后，由IC3-6脚输出到计数器清零端RST(IC6-11)，在主轴旋转到零位时(图3中零位磁块4旋转到零位霍尔传感器6位置时)，产生1个复位脉冲，使得计数器瞬时清零，其作用为使计数器计数与主轴旋转相位同步。以便圆度仪找到工件图形与打印工件轮廓图形对应点。
具体实施例二：
如图6中所示：还可以采用光电式传感器和磁感应传感器混合编码盘结构形式，通过光电盘上一周均布的16个光孔感应主轴旋转的相位信号，光电信号送入整形电路倍频、分频后送入计数器，缓冲器送入计算机，这样做成本还可降低。
Claims (4)
1、一种空气主轴***的工件圆度的测控装置，其由空气主轴，支架，连轴节，驱动电机组成，其特征在于：所述的工件圆度的测控装置，在主轴的下部有一与空气主轴同轴刚性连接的磁编码盘(3)，磁编码盘沿圆周等角度嵌入16个S极向外的磁块(5)，同极性沿编码盘径向一致排列，作为转角同步信号，另嵌入1个作为零位信号采集的反极性磁块(4)；在磁编码盘外有一设置在支撑支架上的感应N极磁性的霍尔传感器(6)，一感应S极磁性的霍尔传感器(7)；由一测控电路对传感器信号进行处理；在主轴与驱动电机之间由柔性连轴节(9)连接。
2、一种实施如权利要求1所述的空气主轴***的工件圆度的测控方法，其特征在于：所述的工件圆度的测控方法，其在测控***中采用了磁编码盘、霍尔开关传感器、以及信号处理电路，构成非接触式转角信号检测***；由同步霍尔传感器(7)感应因磁编码盘随空气主轴旋转产生的角度位置信号，经整形电路送入锁相细分电路，锁相倍频电路将同步霍尔传感器磁块角度位置变化信号倍频为测量工件所需的采样间隔控制脉冲，馈入计数器，通过缓冲器传输给计算机，以便计算机控制圆度仪对被测工件进行轮廓采样；零位霍尔传感器(6)感应的零位磁块(4)的零位信号，馈入计数器的复位端，使计数器在测量零位点复位，以便测量同步。
3、如权利要求2所述的空气主轴***的工件圆度的测控方法，其特征在于：所述的测控方法，在测控***中还可以采用光电式传感器与磁感应传感器混合编码盘的结构形式，通过光电盘上一周均布的16个光孔感应主轴旋转的相位信号，光电信号送入整形电路倍频、分频后送入计数器，经缓冲器送入计算机。
4、如权利要求2所述的空气主轴***的工件圆度的测控方法，其特征在于：所述的测控方法，其在测控***中采用了霍尔开关传感器与磁编码盘以及锁相倍频电路，构成非接触式转角信号检测***；由同步霍尔传感器(7)感应因磁编码盘随空气主轴旋转产生的角度位置信号，由零位霍尔传感器(6)感应零位磁块(4)的零位信号，零位霍尔传感器(6)即为IC1，相位霍尔传感器(7)即为IC2；每周16个电压脉冲信号由IC2-3脚输出到IC3B-11脚，经单稳态触发器IC3B整形后，由IC3-10脚输出到锁相环电路IC4-14脚；IC4和IC5构成一套64倍频的子***，将主轴旋转每圈16个磁相位信号倍频到1024个，由IC4-10输出到计数器CD4040(IC6)的计数输入端CLK(IC6-10)进行计数，通过计数器Q1～Q10输出到三态缓冲器IC7和IC8，由IC7的Q1～Q8和IC8的B3、B4输出到PC机外接总线ISABUS，计算机程序可根据从ISABUS得到的10bit相位信号控制A/D转换器进行工件轮廓同步采样；由IC1接收到的零位磁信号被变成单脉冲电压信号，由IC1-3输出到IC3-5脚，经单稳态触发器IC3A整形后，由IC3-6脚输出到计数器清零端RST(IC6-11)，在主轴旋转到零位时，零位磁块4旋转到零位霍尔传感器6位置时，产生1个复位脉冲，使得计数器瞬时清零，其作用为使计数器计数与主轴旋转相位同步，以便圆度仪找到工件图形与打印工件轮廓图形对应点。
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