10米重型数控单臂立车综合偏摆测量*

沈岳熙，杨建国，侯广峰

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

10米重型数控单臂立车综合偏摆测量*

沈岳熙，杨建国，侯广峰

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

针对某工厂10米重型数控单臂立车的综合偏摆，基于数据采集卡和LabVIEW软件建立了在线误差监测的虚拟仪器测量系统，并进行现场试验与应用。该系统硬件平台使用高精度电涡流传感器检测偏移距离，并采用滤波、均值和屏蔽等软件编程措施，实现了数据的处理、保存、报警及远程监控等功能。实验结果表明该测量系统能满足加工过程中对机床精度和稳定性的需求，有效地克服了现场干扰，保证了测量准确性，提高了设备精度检测及维修效率。

数控单臂立车;横梁偏摆;滑枕偏摆;综合偏摆;虚拟仪器

0 引言

工厂主要加工设备10米数控单臂立式车床(型号为SKODA SKI50-100B 10)，主要用于各种大型零件的制造，加工精度要求较高。在实际生产过程中，由于毛坯件缺陷或者操作不当，机床滑枕也会倾斜，同时该机床是重型10米单臂立式机床，在一端受力情况下，其横梁易发生倾斜，严重影响加工质量。原先所采用离线检测［4］与纠正方法十分麻烦，严重的影响企业生产进度。为实时监测滑枕和横梁状态以预防对工件的损害，并提高设备运行和维护效率，减少停机时间，提出建立监测综合偏摆的测量系统。本文主要内容包括分析综合偏摆的产生内在原因，阐述在线检测系统的开发实现以及主要功能，最后给出了试验与应用情况。

1 问题描述与分析

机床具体结构，特别是滑枕(Z轴)与横梁(X轴)之间的结构及安装是分析和测量的基础，如图1所示。正常情况下，横梁水平，鞍座在横梁导轨上水平移动;滑枕垂直，与刀架通过自动夹紧机构联接，沿刀架滑座导轨垂直移动;刀架滑座与鞍座之间存在一转动副，并通过螺栓连接。一般而言，机床刚度是足够的，即可忽略滑枕和横梁刚度不足所产生形变误差。通过现场分析并结合机床图纸，认为综合偏摆的原因包括滑枕偏摆和横梁偏摆［3］。滑枕偏摆的原因是在非正常切削力作用下，刀架滑座与鞍座之间因螺栓刚度不足及装配间隙等因素导致相对旋转，并带动滑枕倾斜;横梁偏摆的原因是加工过程中一端受力，而与立柱连接端固定，横梁滑座与立柱之间相对旋转，带动横梁倾斜。

图1 滑枕与横梁结构示意图

因此，将滑枕相对于横梁的偏摆角度记作α，横梁相对于立柱的偏摆角度记作β，该立式车床刀架的综合偏摆角度记作γ，则其几何关系为:

γ=α+β (1)

滑枕倾斜量可通过位移传感器及相应几何结构关系测算得到，如图2所示。当滑枕倾斜时，与横梁固定连接的传感器与滑枕之间发生相对偏移，测得该位移，记作d，取远离传感器方向为正;h和a分别为传感器安装位置与旋转中心在垂直方向和水平方向上的尺寸;α为倾斜角度，取顺时针为正。α与d之间的几何关系为:

图2 测量原理图

通过极值与导数分析，|d－˜d|在θ所在区间的边界取得极大值。根据机床结构尺寸，a设为300mm，h设为600mm，实际 θ的限值为 ±10－5，此时|d －˜d|极大值为 1.5 ×10－8，可见使用简化模型计算完全满足精度要求。θ和d的实际范围可通过X轴和Z轴的垂直度确定:Z轴垂直移动1m，在X方向上的最大偏差距离不超过10μm。可见所测位移量非常小，需要测量系统具备非常高的精度和稳定性。

同理，也可以获得横梁相对于立柱的偏摆角度记作β，进而获得该10米重型单臂立式机床的综合偏摆角度。

2 硬件平台

测量系统所采用硬件主要包括:电涡流位移传感器、变送器、接口装置、数据采集卡及计算机等，具体结构如图3所示。这些设备均采用成熟的商业化产品，具有可靠性高、模块化、易维护、开发周期短等优点。

图3 测量系统硬件结构图

电涡流位移传感器［5］以非接触方式测量导电目标的位移，不受探测器与目标之间油污和冷却液影响，非常适合恶劣现场应用。传感器［8］和变送器选用Keyence的EX-008传感器头和EX-501(W)控制器，量程为1mm，分辨率为0.3μm，线性度为±0.3%FSO，电源电压为24V，满足精度要求，且探测头尺寸较小，便于现场安装。针对传感器与被测对象之间有可能会发生碰撞，合理的设计支架以避免损坏探测头。

根据测量范围、精度及变送器信号输出，选用NI公司PCI-6221(68针)数据采集卡，使用屏蔽电缆与屏蔽式I/O接口设备连接，实现稳定且噪音极低的信号终端。PCI-6221具有16位A/D转换分辨率，结合传感器输入电压为0～5V对应的测量距离为0～1mm，16位分辨率意味着最高能实现0.015μm的位移分辨率，满足了测量系统的要求。

由于变送器输出信号至接口装置传输距离较长，且工业现场存在电、磁和温度等干扰因素，为保证测量准确性，采用了屏蔽双绞电缆传输、增加金属屏蔽软管、差分接入、低通滤波和EMI电源滤波等措施。

3 软件结构及功能

数据采集设备将测量信号送入到计算机［6］，然后通过由LabVIEW开发软件以虚拟仪器的技术实现数据采集、处理、显示、保存、报警、远程监控等功能［1］。LabVIEW是一种面向数据流的图形化语言编程平台和运行环境，支持大多数硬件设备，基于其实现的虚拟仪器在测量测试领域中应用具有功能强大灵活、开发效率高和稳定性好等优点［11］。

软件采用生产/消费队列结构进行数据采集，具有非常明显的优点。队列作缓存，新采集数据直接进入队列，耗时极少，可做到随采随存;数据采集不受采集循环框之外错误影响而中断;数据处理与采集分开进行，处理数据不受采集多少限制，可以一次对多次采集的数据进行处理;采用设置缓冲区的连续采集模式，并设置读取周期，在一定程度上避免数据丢失，提高测量精度。

数据处理［9］主要包含软件滤波、均值处理、极大值获取及报警等方法。采用3阶Butterworth数字滤波器［10］，在指定频率实现平滑衰减，与硬件措施配合应用，更好地抑制了各种干扰;均值处理可保证测量的准确、平滑和稳定性，并便于观察当前的偏摆量;极大值显示对于操作人员有一定的提示和帮助作用;利用均值后数据与设定限值比较，若连续三次超过限定值，则通过数字量端子输出+5V电压信号，以驱动声、光、电报警装置;同时，采用远程控制功能，向技术开发人员发送警报邮件和短信，提醒技术人员进行必要的维修措施，提高了维修效率，降低了加工的不合格率。

图4 软件流程图

4 试验与应用

将涡电流位移传感器［7］通过固定支架安装在立车上，变送器置于固定在滑枕和横梁罩壳上的控制箱内，然后将电源和信号电缆穿过拖链，并分别接入到机床电气控制柜和操作人员电脑中。测量系统软件界面及部分程序框图如图5所示。

图5 测量系统软件界面及部分程序框图

实验分别在加工和机床停止过程中进行，通过测量软件获得滑枕偏摆垂直度、横梁偏摆垂直度以及综合偏摆垂直度，如表1。

表1 各项偏摆垂直度

5 结束语

针对实际问题，选用商业化模块和成熟技术构建可靠性高、通用性好、便于维护、功能完善的虚拟仪器测量系统，并且全线路采用抗干扰措施保证测量准确性。相对目前广泛应用的离线检测方法，该在线检测系统克服了不利的加工环境因素，如冷却液、油污和电磁干扰等，能够在加工过程中实时监测机床滑枕的状态，同时也为实时、精确、简便地得到机床误差元素［2］提供了很好途径。

［1］阳江源，王福吉.基于LabVIEW的数控机床多通道温度测量系统［J］.组合机床与自动化加工技术，2010(12):58－60.

［2］邬再新，周伦才，刘涛，等.用神经网络方法探测机床运动误差通用建模方法［J］.组合机床与自动化加工技术，2007(12):28－30.

［3］陈安民.基于平面光栅的加工中心定位误差检测分析［J］.组合机床与自动化加工技术，2010(9):64－66.

［4］洪迈生，苏恒，熊诗波，等.数控机床运动误差检测技术(待续)［J］.组合机床与自动化加工技术，2002(1):20－22，25

［5］J.H Lee，S.H.Yang，Measurementof geometric errors in a miniaturized machine tool using capacitance sensors.Journal of Materials Processing Technology，2005，164 － 165:1402－1409.

［6］潘淑微，傅建中.数控车床嵌入式智能温度检测与试验［J］.制造技术与机床，2007，(9):44－47.

［7］贾利鑫，鲍其莲.基于电涡流位移传感器和虚拟仪器技术的微小位移测量［J］.测控技术，2006，46(2):61－68.

［8］余成波.传感器与自动检测技术［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［9］华成英，童诗白.模拟电子技术基础(第四版)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［10］Henry W.Ott.电子系统中噪声的抑制与衰减技术(第二版)［M］.北京:电子工业出版社，2003.

［11］Jeffrey Travis，Jim Kring.LabVIEW大学实用教程［M］.北京:电子工业出版社，2008.

(编辑 赵蓉)

The Measurement of Integrated Tilt for 10 Meters Heavy-duty CNC Single Column Vertical Lathe

SHEN Yue-xi，YANG Jian-guo，HOU Guang-feng
(School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China)

The onlinemeasurement system for integrated tilt of 10 meters heavy-duty CNC single column vertical lathe has been established by visual instrument technology based on data acquisition card and LabVIEW.High-precision eddy current sensor is used to detect the m icro-offset of ram as a hardware platform，while LabVIEW is used for filtering，meaning and shielding.Then the data processing，preservation，alarm and remote monitoring functions are achieved.The experiments show that the measuring system can meet the processing accuracy and stability of the demand formachine tools，effectively overcome the on-site interference，ensuremeasurement accuracy，improve the accuracy of testing equipment and maintenance efficiency.

CNC single column vertical lathe;beam tilt;ram tilt;integrated tilt;virtual instrument

TH161

A

1001－2265(2012)06－0053－03

2011－11－25;

2011－12－12

“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项项目(2011ZX04015－031);国家自然科学基金项目(51175343)

沈岳熙(1987—)，女，江苏人，上海交通大学机械与动力工程学院硕士，主要从事数控误差补偿的学习和研究，(E－mail)yuexishen@yahoo.com.cn。