摘  要： 數控機床主軸與尾臺頂尖是否處于同一水平線決定了機床的加工精度，因此對機床主軸位置的偏移角度進行精密測量是極其必要的。介紹了由STM32F103RBT6主控電路、刀型探頭式光柵傳感器以及模擬機床主軸的標準測試棒組成的測量系統，詳細敘述了系統的電路工作機理和相關機械結構設計。研究分析了傳感器輸出信號的處理過程，提出了基于光柵位移傳感器的絕對零位修正和刀形探頭的彈性機械結構快速接觸到水平、垂直方向測量點的方法，提高了系統定位精度。測量結果表明，該儀器可應用于數控機床生產企業的實際測量，有效地提高了機床生產效率和生產質量。

　　關鍵詞： 機床主軸；尾臺頂尖；STM32F103RBT6；刀形探頭；光柵傳感器；絕對零位

0 引言

　　高速運動主軸是數控機床的核心部件，其動態性能直接影響工件加工質量和產品生產效率，對機床的加工精度起著決定性的作用[1-3]。高檔數控機床具有高速度，高性能，高柔性化，功率、轉矩匹配特性好的顯著特點，應用廣泛[4]。機床運動主軸與尾臺頂尖處于同一水平線是機床生產質量的重要保障，而對主軸位置偏移角度的精密測量可有效保證尾臺生產精度，進而提高機床加工質量。目前國內機床生產廠家多數人為調整尾臺與主軸的相對精度，誤差大、效率低，基于光柵傳感器所研發的在線主軸自動測量系統由于機械結構和安裝精準度不易滿足的原因還未能廣泛應用于實際生產現場[5-9]。

　　進入21世紀以來，中國已逐漸成為全球最大的數控機床進口國家[10]。數控機床的國產化生產企業的發展對我國國民經濟發展具有重要的作用。隨著我國的數控機床生產產量日益增加，機床主軸位置自動測量儀的應用有利于提高機床生產過程中的測量精度和測量效率，減輕勞動強度，滿足市場需求。此外，測量儀由于其數據的存儲、處理和通信的便利性，也有利于企業的現代化管理。

1 系統測量原理

　　1.1 系統框圖

　　基于模擬機床主軸的標準測試棒、光柵位移測量傳感器以及測量調理電路組成的自動測量儀系統框圖如圖1所示，通過對傳感器輸出數據的處理，可實時監測并顯示偏移角度數據。

　　如圖2所示，機床主軸孔內插入標準精密測試棒，利用機械彈性機構將水平和垂直方向的兩個刀形探頭分別接觸在測試棒C處的垂直最高位置A點和水平最左端位置B點，STM32主控系統通過采集兩路光柵傳感器輸出的脈沖數據得到水平、垂直方向的位移值h1和v1，從而測算出機床主軸當前的中心位置。同理在測試棒D處采集兩路位移值h2和v2，分析C、D兩處的測量結果可計算得到測試棒水平方向偏移角度α和垂直方向偏移角度β，測量點示意圖如圖3所示。

　　1.2 傳感器機械結構圖及測量原理

　　數控機床床身、主軸位置及尾臺頂尖簡要結構示意圖如圖4所示，生產過程中需根據主軸中心O點位置和誤差偏移角度α、β以保證尾臺頂尖與主軸軸心位置準確度。

　　由主軸檢測位置主視圖，生產中需要精確測量的參數有：

　　（1）主軸中心O點至床身導軌的垂直距離v和水平距離h。

　　（2）主軸軸孔水平方向偏移角度α和垂直方向偏移角度β，當α≤0.005 73°，β≤0.005 73°時為合格。

　　傳統校準機床主軸軸線與尾臺頂尖的相對位置采用百分表測量，采用人工方式將其探頭觸點分別接觸在垂直最高點A和水平最左點B。由于人為操作會對檢測帶來較大誤差，本文采用帶有彈性結構的刀型探頭，可輕易接觸在A點和B點，測量準確，誤差小，其機械結構如圖5所示。

　　主控系統測量標準測試棒C處h1、v1以及距C處水平距離L的D處h2、v2，通過計算可得水平、垂直偏差角度α和β。

　　α=arctan[（v2-v1）/L]（1）

　　β=arctan[（h2-h1）/L]（2）

2 機床主軸位置自動測量儀電路

　　2.1 機床主軸位置自動測量儀整體電路結構

　　本文設計的機床主軸自動測量儀所加載的兩路光柵位移傳感器帶有絕對零位檢測，結合零位誤差修正參數，在傳感器通過零位時系統開始進行計數測量。整體電路結構如圖6所示，系統帶有485通信接口以及IC卡讀寫單元，方便管理機床生產過程中的檢測數據。

　　2.2 探頭光柵電阻鏈移相原理及判向細分電路

　　光柵位移傳感器可輸出5路信號，分別是sin正弦信號、cos余弦信號、zero絕對零位信號以及正余弦信號的反向輸出/sin、/cos，利用電阻鏈移相原理將光柵傳感器輸出的兩路正余弦信號進行5倍頻得到反映位移量的方波信號，基本原理如圖7所示。

　　由圖7可得輸出信號為：

　　即可通過改變R1和R2的阻值達到調節延遲相位φ的目的。5倍頻細分電路采用上述電阻鏈細分原理，通過電阻鏈移相，保證在輸入信號單周期范圍內輸出10個脈沖信號，根據等值細分原理，其相移角為θ=18°×N（N取0~9內整數）。具體5倍頻電路如圖8所示。由式（5）和電阻系列值標準，實際應用中所取電阻值分別為。

　　由圖8知，電阻鏈移相細分網絡輸入信號分別是sin、cos和/sin，輸出信號為相移角依次相差18°的10路正弦信號，通過電平比較器進行波形變換，將正余弦信號變為方波脈沖信號。方波信號再通過異或門邏輯組合輸出兩路相位差為90°的5倍頻脈沖信號，即out1（4′）信號和out2（3′）信號，如圖9所示。

3 結論

　　（1）采用光柵傳感器絕對零位校正功能有效地降低人工操作誤差，提高了生產質量和檢測效率。

　　（2）光柵位移傳感器采用刀型式彈性機械結構設計可方便快捷地對主軸位置水平、垂直方向偏移角度進行測量。

　　（3）對傳感器輸出的正余弦信號進行電阻鏈移相5倍頻和判向4細分，使得測量分辨率達1 ?滋m。

　　（4）基于STM32F103RBT6主控電路以及數字式光柵傳感器所研制的這套數控機床主軸位置自動測量儀具有抗干擾能力強、體積小、方便現場檢測的優點。

參考文獻

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