大型深孔智能加工机床自动定心测控系统研究与设计

摘要

长径比大于10的大型深盲孔的加工一直是一个待解决的高难技术问题，其难点主要在于如何保证深盲孔的圆柱度、轴线的直线度、倾斜度（垂直度）等。本文围绕长径比大于12(D=650mm, L=8000mm)的深盲孔加工这一难题，针对现有大型深盲孔加工机床主轴定位均采用卡尺测量或打表方法，导致定心不准确影响深盲孔加工质量的问题，在企业已经开发的现有自动定心调整机构即“基于四轴十字调心与球面调倾”全自动定心调整机构的基础上，提出了一种准确的大型深孔内腔智能检测方法，并开发了其测控软件。该全自动定心调整机构及开发的软件系统主要有两大功能:一、可对深盲孔的内腔表面的原始表面数据进行精确的测量和提取;二、在加工前主轴安装阶段可进行精确的自动定心调整。具体地，本文的主要工作及学术贡献如下:
　　1.测控系统需求分析。从大型深孔内腔的加工工况出发，分析现有的大型深孔加工机床主轴定心技术不足，依据现有光机电在线测控技术，提出研发大型深孔加工机床主轴自动定心测控系统，并对系统进行了整体设计和需求分析。
　　2.建立数学模型。根据大型深孔内腔曲面检测需求，分析不同采样策略的优劣，确定采用多截面采样策略。依据圆轮廓和圆柱轮廓的测量模型，根据深孔内腔轴线空间位置的算法，确定节点空间位置偏差量。根据节点调整原理，在现有的调整机构基础上设计出四轴十字调心方法，并运用球面调心与十字调整方式的结合，设计出主轴自动定心调整方法。
　　3.自动定心测控软件的开发。分析了测量传感器串口数据输出格式，设计了传感器串口数据接收单元。根据自动定心技术需求，对初始调整模块、数据采集模块、定心调整模块、报表生成模块进行分析和软件开发。
　　4.仿真及验证。在虚拟测控技术基础上，运用开发自动定心测控软件对长达8000mm的大型深孔智能加工机床主轴进行了定心调整仿真实验，结果表明经过少许迭代调整即可使实现精确调整。并通过对大型深孔智能加工机床安装标定，进行现场测控实验，实验结果表明该自动定心技术能够准确实现主轴定心调整，其调心精度为0.01mm/1000mm，倾斜度调整精度为0.0006°/1000mm。该自动定心测控为大型深盲孔加工技术实现提供实验及理论依据，对提高大型深盲孔加工质量具有重要现实意义。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题研究背景

1．3 国内外相关技术发展现状

1．3．1 国外大型深盲孔加工技术研究现状

1．3．2 国内大型深盲子L加工技术研究现状

1．4 本文研究的主要内容

1．5 文章组织结构

第二章 自动定心测控系统需求分析

2．1 测控系统总体设计

2．2 测控系统功能需求

2．2．1 数据采集功能需求分析

2．2．2 数据处理功能需求分析

2．2．3 3D模型建立需求分析

2．2．4 运动控制需求分析

2．2．5 系统设置需求分析

2．2．6 通信协议需求分析

2．3 系统非功能性需求

2．4 本章小结

第三章 采样策略及数学模型

3．1 自动定心测控系统采样策略

3．2 深孔内腔圆柱轮廓测量模型

3．2．1 圆轮廓最小二乘测量模型

3．2．2 椭圆轮廓最小二乘测量模型

3．2．3 圆柱轮廓最小二乘测量模型

3．3 定心调整原理

3．3．1 调心原理

3．3．2 倾斜调整原理

3．4 定心调整量计算

3．5 本章小结

第四章 系统开发与实现

4．1 系统软件整体设计

4．2 传感器串口数据输出软件设计

4．2．1 激光位移传感器数据采集软件设计

4．2．2 两轴倾角传感器数据采集软件设计

4．2．3 角度编码器数据采集软件设计

4．2．4 测力传感器数据采集软件设计

4．3 数据采集模块软件设计

4．4 数据处理模块软件设计

4．5 定心调整模块软件设计

4．5．1 初始安装调整软件设计

4．5．2 自动定心调整软件设计

4．6 本章小结

第五章 系统仿真与实验

5．1 检测仿真实验

5．2 3D模型调整运动仿真实验

5．3 加工现场实验

5．3．1 调整机构性能测试

5．3．2 传感器安装标定

5．3．3 自动定心调整实验

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢