基於平衡對稱原理的中腰導軌立柱移動熱源自動補償系統的製作方法

2023-04-23 01:01:46

專利名稱：基於平衡對稱原理的中腰導軌立柱移動熱源自動補償系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於平衡對稱原理的中腰導軌立柱移動熱源自動補償系統。
背景技術：
高性能數控成形磨削工具機，是目前國內最高水平的工具機品種之一，是軍工 行業高端的加工設備，主要用於飛機發動機葉片、潛艇蝸輪圓弧葉冠等精密部 件的成形磨削。由於高擋數控成形磨削工具機技術的先進性、應用的特殊性，在 國內外普遍受到關注。從發展區域看，歐洲在高性能數控成形磨削工具機技術方
面仍處於領先地位，如德國的BLOHM、 ELB公司、英國的JONES-SfflPMAN公 司、瑞士的MAEGERLE公司。在美國、日本和其它工業發達國家，這項技術 也得到應用，特別是用於硬質合金工具、模具和新型工程材料的磨削加工。正 因為國際上只有極少數幾個工業發達國家掌握該項技術，因此高擋數控成形磨 削工具機具有極高的研究開發價值。
我國生產的普及型數控系統，在功能、性能和可靠性方面己具備了較強的 國際市場競爭力，但在高檔數控工具機方面與國外先進技術相比還屬於技術跟蹤 階段，主要技術指標和可靠性方面均有一定的差距。就七軸五聯動數控成形磨 削工具機而言，國內近幾年才發展起來，能實現超高精度的金剛石碟片數控聯動 砂輪修整，但在關鍵指標方面，如加工輪廓精度、主軸熱變形、金剛石碟片數 控聯動砂輪修整時超高精密拉刀成形加工的輪廓精度等，都和國外先進技術存 在較大距離。
如果從磨削工具機的布局看，若採用中腰導軌移動式立柱結構，這種工具機的 工作檯不作縱嚮往復運動，工具機的縱向和橫向運動都由立柱或磨頭完成，從而
使平磨布局突破傳統形式。這種新布局具有總體剛性好、磨削效率高、佔地面 積小、能實現一機多用的優點，提高了平面磨削加工在金屬切削加工中的地位。 由於中腰導軌移動式結構的立柱在垂直方向存在較大的移動熱源，熱量從磨頭 通過滑塊傳遞到安裝在立柱表面的導軌上，這對熱位移的補償帶來困難。基於 這樣的背景，提出並開發了基於平衡對稱原理的中腰導軌立柱移動熱源自動補 償系統。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種基於平衡對稱原理的中腰導軌立柱移動熱源自動補償系統。
基於平衡對稱原理的中腰導軌立柱移動熱源自動補償系統包括中腰導軌立 柱移動熱源補償裝置、控制器，中腰導軌立柱移動熱源補償裝置中的中腰導軌
立柱為中空的矩形環腔，中腰導軌立柱正面設有第一Y方向導軌、第二 Y方向 導軌，在第一Y方向導軌上設有第一Y方向滑塊、第二Y方向滑塊，在第二Y 方向導軌上設有第三Y方向滑塊、第四Y方向滑塊，第一Y方向導軌內側設有 第l溫度傳感器、第2溫度傳感器…第m溫度傳感器，第二Y方向導軌內側設 有第m+l溫度傳感器、第m+2溫度傳感器…第2m溫度傳感器，中腰導軌立柱 反面設有第1塊熱執行機構、第2塊熱執行機構...第n塊熱執行機構、第n+l 塊熱執行機構、第n+2塊熱執行機構…第2n塊熱執行機構，在第1塊熱執行機 構、第2塊熱執行機構...第n塊熱執行機構內側分別設有第2m+l溫度傳感器、 第2m+2溫度傳感器...第3m溫度傳感器，在第n+l塊熱執行機構、第n+2塊 熱執行機構...第2n塊熱執行機構內側分別設有第3m+l溫度傳感器、第3m+2 溫度傳感器...第4m溫度傳感器，在中腰導軌立柱一側面設有第一 Z方向滑塊 聯接件，在第一 Z方向滑塊聯接件下面設有第一Z方向滑塊、第二 Z方向滑塊， 在中腰導軌立柱另一側面設有第二 Z方向滑塊聯接件，在第二 Z方向滑塊聯接 件下面設有第三Z方向滑塊、第四Z方向滑塊。
所述的控制器的內部模塊連接關係為單片機分別與D/A轉換器、A/D轉 換器、溫度信號調理模塊、計算機接口連接，D/A轉換器分別與第1輸出信號 調理模塊、第2輸出信號調理模塊…第2n輸出信號調理模塊連接，第l輸出信 號調理模塊經第1功率放大器與第1塊熱執行機構連接，第2輸出信號調理模 塊經第2功率放大器與第2塊熱執行機構連接，第2n輸出信號調理模塊經第2n 功率放大器與第2n塊熱執行機構連接，溫度信號調理模塊分別與A/D轉換器、 第1溫度傳感器...第4m溫度傳感連接。
所述的溫度信號調理模塊的內部模塊連接關係為第1級傳感器信號切換 子模塊分別與第2級熱電偶傳感器信號切換子模塊、第2級熱電阻傳感器信號 切換子模塊、第1熱電偶信號調理電路…第4m熱電偶信號調理電路、第1熱電 阻信號調理電路...第4m熱電阻信號調理電路連接，第2級熱電偶傳感器信號切 換子模塊經熱電偶傳感信號程控放大器與第3級傳感器信號切換子模塊連接， 第2級熱電阻傳感器信號切換子模塊經熱電阻傳感信號程控放大器與第3級傳 感器信號切換子模塊連接。 本發明與現有技術相比具有的有益效果1) 採用Y軸對稱的X方向補償熱源的布置結構，使具有中腰導軌結構的立 柱建立模型及控制變得容易；
2) 利用多塊熱執行機構模擬Y方向滑塊傳導及移動所產生的熱源，既能提 高立柱工作時補償過程中的可靠性，又能提高補償精度；
3) 採用平衡對稱原理補償中腰導軌立柱在Y方向產生的移動熱源，可使立 柱的溫度場、位移場對稱，從而能夠消除因溫度場、位移場不對稱引起的應力 集中，使補償變得簡單、可行；
4) 對稱方式的溫度傳感器布置，能夠使控制系統變得簡單。


圖1是基於平衡對稱原理的中腰導軌立柱移動熱源自動補償系統結構示意
圖2是基於平衡對稱原理的中腰導軌立柱移動熱源自動補償系統結構後視
圖3是本發明的控制器電路框圖； 圖4是本發明的溫度信號調理模塊電路框圖。
具體實施例方式
如圖1、2所示，基於平衡對稱原理的中腰導軌立柱移動熱源自動補償系統， 包括中腰導軌立柱移動熱源補償裝置、控制器，中腰導軌立柱移動熱源補償裝 置中的中腰導軌立柱1為中空的矩形環腔，中腰導軌立柱正面設有第一 Y方向 導軌3、第二 Y方向導軌5，在第一Y方向導軌3上設有第一Y方向滑塊2、 第二Y方向滑塊4，在第二Y方向導軌5上設有第三Y方向滑塊6、第四Y方 向滑塊IO,第一Y方向導軌3內側設有第1溫度傳感器T,、第2溫度傳感器 T2 ...第m溫度傳感器Tm，第二 Y方向導軌5內側設有第m+l溫度傳感器Tm+1、 第m+2溫度傳感器Tm+2 ...第2m溫度傳感器T2m，中腰導軌立柱反面設有第1 塊熱執行機構11、第2塊熱執行機構12...第n塊熱執行機構13、第n+l塊熱 執行機構14、第n+2塊熱執行機構15...第2n塊熱執行機構19，在第1塊熱執 行機構11、第2塊熱執行機構12...第n塊熱執行機構13內側分別設有第2m+l 溫度傳感器T加小第2m+2溫度傳感器T2m+2...第3m溫度傳感器T3m，在第n+l 塊熱執行機構14、第n+2塊熱執行機構15...第2n塊熱執行機構19內側分別設 有第3m+l溫度傳感器T加+。第3m+2溫度傳感器T3m+2...第4m溫度傳感器T4m， 在中腰導軌立柱一側面設有第一 Z方向滑塊聯接件7，在第一 Z方向滑塊聯接 件7下面設有第一Z方向滑塊8、第二 Z方向滑塊9，在中腰導軌立柱另一側
5面設有第二 Z方向滑塊聯接件16，在第二 Z方向滑塊聯接件16下面設有第三 Z方向滑塊17、第四Z方向滑塊18。
如圖3所示，控制器的內部模塊連接關係為單片機分別與D/A轉換器、 A/D轉換器、溫度信號調理模塊、計算機接口連接，D/A轉換器分別與第1輸 出信號調理模塊、第2輸出信號調理模塊...第211輸出信號調理模塊連接，第l 輸出信號調理模塊經第1功率放大器與第1塊熱執行機構連接，第2輸出信號 調理模塊經第2功率放大器與第2塊熱執行機構連接，第2n輸出信號調理模塊 經第2n功率放大器與第2n塊熱執行機構連接，溫度信號調理模塊分別與A/D 轉換器、第1溫度傳感器...第4m溫度傳感連接。
如圖4所示，溫度信號調理模塊的內部模塊連接關係為第1級傳感器信 號切換子模塊分別與第2級熱電偶傳感器信號切換子模塊、第2級熱電阻傳感 器信號切換子模塊、第1熱電偶信號調理電路…第4m熱電偶信號調理電路、第 1熱電阻信號調理電路...第4111熱電阻信號調理電路連接，第2級熱電偶傳感器 信號切換子模塊經熱電偶傳感信號程控放大器與第3級傳感器信號切換子模塊 連接，第2級熱電阻傳感器信號切換子模塊經熱電阻傳感信號程控放大器與第3 級傳感器信號切換子模塊連接。
本發明的工作原理及過程如下
採用中腰導軌方式的數控成形磨削工具機，針對立柱而言，主要熱源是磨頭 通過滑塊及導軌傳向立柱的移動熱源，雖然強制冷卻磨頭能夠降低數控成形磨 削工具機大多數點的溫度，減小熱變形，但為了進一步提高加工精度，必須對數 控成形磨削工具機立柱的溫度場、位移場進行精確控制。根據平衡對稱原理，在 中腰導軌立柱的反面，安置2n塊熱執行機構，通過控制各塊熱執行機構，模擬 正面滑塊在導軌上移動以及傳遞產生的移動熱源，使立柱前後方向溫度場達到 平衡，進而消除因溫度場、位移場不對稱引起的應力集中，並達到控制位移場 的目的。由於通過切換不同熱執行機構工作以及不同的控制方式來模擬移動熱 源，並沒有再安裝真正的移動熱源加以補償，因此它不僅提高立柱的可靠性， 而且提高補償精度。
通過溫度傳感器檢測中腰導軌立柱正面和反面的溫度信號，經信號調理電 路進入第1級傳感器信號切換子模塊，此子模塊是區分熱電偶和熱電阻的信號， 熱電偶信號進第2級熱電偶傳感器信號切換子模塊，採用多選一方式進熱電偶 傳感信號程控放大器，程控放大器放大倍數的大小，由輸入信號大小及單片機 程序轉換成信號加以控制，然後由第3級傳感器信號切換子模塊控制，進入A/D轉換器，同理，熱電阻信號進第2級熱電阻傳感器信號切換子模塊，採用多選 一方式進熱電阻傳感信號程控放大器，程控放大器放大倍數的大小，由輸入信 號大小及單片機程序轉換成信號加以控制，然後由第3級傳感器信號切換子模 塊控制，進入A/D轉換器。信號經A/D轉換器後進入單片機，由控制策略編成 的程序運行後，信號輸出到2n塊輸出信號調理模塊，經功率放大器，控制熱執 行機構，從而完成整個閉環自動控制的過程。
控制系統以單片機為核心，並且通過接口與計算機相連，從而可以享用計 算機的一切軟、硬體資源。為了較好保證對中腰導軌立柱移動熱源的補償，要 求立柱正反兩面安裝的溫度傳感器對稱，傳感器可以是熱電偶，也可以是熱電 阻，二者選一種即可，由溫度信號調理模塊控制。補償用的熱執行機構安裝在 移動熱源的另一面，分為左右2組。熱執行機構可以加熱，也可以致冷，其作 用一方面不讓補償後立柱溫升太高，另一方面，可以加快控制的響應速度。
由於立柱溫度場變化是準靜態的，溫度信號調理模塊選用第1級傳感器信 號切換子模塊、第2級熱電偶傳感器信號切換子模塊或第2級熱電阻傳感器信 號切換子模塊、第3級傳感器信號切換子模塊進行組合控制，各級子模塊的切 換由單片機的控制信號控制，此方式對多路溫度的準靜態信號而言，既簡化電 路，又減少成本。由於立柱的溫度場變化不大，熱電偶傳感器或熱電阻傳感器 的信號較弱，因此，溫度信號調理模塊包含熱電偶傳感信號程控放大器和熱電 阻傳感信號程控放大器。
數控成形磨削工具機中腰導軌立柱溫度場控制系統為非線性系統，如磨削髮 熱是時變的，交流伺服電機發熱、環境溫度的變化也是時變的，這些時變因素 最終都會影響立柱溫度場的變化，正因為是時變的非線性系統，因此採用智能 控制中的多模態控制策略較為合適。儘管智能控制不需要數學模型，但有數學 模型的智能控制更有針對性，控制的精度更高，因此採用有數學模型，但對數 學模型要求不高的中腰導軌立柱溫度場智能控制策略，尤其是採用利用智能控 制原理的基於結構熱特徵的移動熱源平衡對稱補償策略。
權利要求
1.一種基於平衡對稱原理的中腰導軌立柱移動熱源自動補償系統，其特徵在於包括中腰導軌立柱移動熱源補償裝置、控制器，中腰導軌立柱移動熱源補償裝置中的中腰導軌立柱(1)為中空的矩形環腔，中腰導軌立柱正面設有第一Y方向導軌(3)、第二Y方向導軌(5)，在第一Y方向導軌(3)上設有第一Y方向滑塊(2)、第二Y方向滑塊(4)，在第二Y方向導軌(5)上設有第三Y方向滑塊(6)、第四Y方向滑塊(10)，第一Y方向導軌(3)內側設有第1溫度傳感器(T1)、第2溫度傳感器(T2)...第m溫度傳感器(Tm)，第二Y方向導軌(5)內側設有第m+1溫度傳感器(Tm+1)、第m+2溫度傳感器(Tm+2)...第2m溫度傳感器(T2m)，中腰導軌立柱反面設有第1塊熱執行機構(11)、第2塊熱執行機構(12)...第n塊熱執行機構(13)、第n+1塊熱執行機構(14)、第n+2塊熱執行機構(15)...第2n塊熱執行機構(19)，在第1塊熱執行機構(11)、第2塊熱執行機構(12)...第n塊熱執行機構(13)內側分別設有第2m+1溫度傳感器(T2m+1)、第2m+2溫度傳感器(T2m+2)...第3m溫度傳感器(T3m)，在第n+1塊熱執行機構(14)、第n+2塊熱執行機構(15)...第2n塊熱執行機構(19)內側分別設有第3m+1溫度傳感器(T3m+1)、第3m+2溫度傳感器(T3m+2)...第4m溫度傳感器(T4m)，在中腰導軌立柱一側面設有第一Z方向滑塊聯接件(7)，在第一Z方向滑塊聯接件(7)下面設有第一Z方向滑塊(8)、第二Z方向滑塊(9)，在中腰導軌立柱另一側面設有第二Z方向滑塊聯接件(16)，在第二Z方向滑塊聯接件(16)下面設有第三Z方向滑塊(17)、第四Z方向滑塊(18)。
2. 根據權利要求1所述的一種基於平衡對稱原理的中腰導軌立柱移動熱源 自動補償系統，其特徵在於所述的控制器的內部模塊連接關係為單片機分別 與D/A轉換器、A/D轉換器、溫度信號調理模塊、計算機接口連接，D/A轉換 器分別與第1輸出信號調理模塊、第2輸出信號調理模塊…第2n輸出信號調理 模塊連接，第1輸出信號調理模塊經第1功率放大器與第1塊熱執行機構連接， 第2輸出信號調理模塊經第2功率放大器與第2塊熱執行機構連接，第2n輸出 信號調理模塊經第2n功率放大器與第2n塊熱執行機構連接，溫度信號調理模 塊分別與A/D轉換器、第1溫度傳感器…第4m溫度傳感連接。
3. 根據權利要求1所述的一種基於平衡對稱原理的中腰導軌立柱移動熱源 自動補償系統，其特徵在於所述的溫度信號調理模塊的內部模塊連接關係為-第1級傳感器信號切換子模塊分別與第2級熱電偶傳感器信號切換子模塊、第2 級熱電阻傳感器信號切換子模塊、第1熱電偶信號調理電路…第4m熱電偶信號 調理電路、第1熱電阻信號調理電路…第4m熱電阻信號調理電路連接，第2級 熱電偶傳感器信號切換子模塊經熱電偶傳感信號程控放大器與第3級傳感器信 號切換子模塊連接，第2級熱電阻傳感器信號切換子模塊經熱電阻傳感信號程 控放大器與第3級傳感器信號切換子模塊連接。
全文摘要
本發明公開了一種基於平衡對稱原理的中腰導軌立柱移動熱源自動補償系統。此系統包括中腰導軌立柱移動熱源補償裝置、控制器，中腰導軌立柱移動熱源補償裝置中的中腰導軌立柱為中空的矩形環腔，中腰導軌立柱正面設有導軌、滑塊、溫度傳感器，中腰導軌立柱反面設有熱執行機構、溫度傳感器，在中腰導軌立柱兩個側面設有Z方向滑塊聯接件，Z方向滑塊聯接件下面設有滑塊。中腰導軌立柱移動熱源補償裝置採用Y軸對稱的X方向補償熱源的布置結構，利用多塊熱執行機構，根據平衡對稱原理補償中腰導軌立柱在Y方向產生的移動熱源，使立柱的溫度場、位移場對稱，既能消除應力集中，並使控制系統變得簡單，從而提高可靠性，又能提高補償精度。
文檔編號B24B41/00GK101637885SQ20091010215
公開日2010年2月3日 申請日期2009年8月17日 優先權日2009年8月17日
發明者衛 何, 潔 周, 胡旭曉, 駱廣進 申請人:浙江大學;何 衛