专利名称：基于光纤光栅传感器的数控机床状态参数测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型数控机床测量技术，是一种基于光纤光栅传感器的数控机床状态参 数测量装置，该装置用于对数控机床的温度、形变和振动进行测量。
背景技术：
对于高速、高精度数控机床，温度波动、关键部件形变和机床结构振动等因素将影 响数控机床的加工精度与加工效率，甚至影响数控机床的正常运行。因此，必须对数控机床 关键部位的温度、关键部件形变蚕食和加工振动进行测量与监控，并采取必要的温度补偿 和形变抑制措施。因此如何准确地监测数控机床的温度和振动参数，是高速、高精度数控机 床亟待解决的问题。然而，传统的热电偶、热电阻等温度传感器、电感位移传感器和加速度传感器等， 在数控机床布点和安装上受限制，并且连线和信号处理复杂、数据传输困难、可靠性不高， 尤其是需要测量点数很多时问题更为严重。
发明内容本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于光纤光栅传感器 的数控机床状态参数测量装置，该装置具有结构简单、使用方便、抗干扰强以及测量精度高 的优点。为了实现上述目的，本实用新型提供的一种基于光纤光栅传感器的数控机床状态 参数测量装置，其特征在于，该装置包括光纤光栅测量仪、信号处理单元和数据输出接口单 元；光纤光栅测量仪的输出端口与信号处理单元的一端相连，信号处理单元的另一端与数 据输出接口单元。本实用新型即可作为信号采集装置，对机床温度和应变进行手动和自动测量，又 可作为补偿装置的上位机，输出机床状态参数。本实用新型解决了目前采用常规温度、变形 和振动测量传感器的安装复杂，使用不便的问题，它是基于光纤光栅传感器的多变量实时 测量网络，实现在数控机床加工过程中数控机床关键部位的温度、关键部件形变蚕食和加 工振动的在线测量，从该测量装置上给出的反馈信号，可以和数控系统相结合，实现数控机 床热误差测量补偿，加工变形误差测量补偿和加工振动测量控制等功能，提升数控机床整 机加工性能。
图1是本实用新型装置的结构框图；图2是光纤光栅传感器的安装方式；图3是数控机床温升测量的传感器布置示意图；图4是数控机床主轴部件振动测量传感器布置示意图；图5是基于光纤光栅传感器的数控机床温度、形变和振动测量示意图。[0012]
以下结合附图和实例对本实用新型进行进一步的说明。如图1所示，本实用新型装置包括光纤光栅测量仪、信号处理单元6和数据输出接 口单元7。光纤光栅测量仪包括通过光纤依次串联的光纤光栅传感器组、耦合器2、宽带光 源1、波长监测单元4和波长检测单元5。串联的光纤光栅传感器由工作波长不同的光纤光 栅传感器3. 1、光纤光栅传感器3. 2、……光纤光栅传感器3. η构成，各光纤光栅传感器发 出不同波长的信号，并相互间不会干扰，串联起来的光纤光栅传感器根据粘贴方式的不同 可以得到温度、应变以及综合信号，然后通过数据总线连接到信号处理单元。信号处理单元6为个人计算机、DSP中的至少一种，根据光纤光栅测量仪发送的不 同信号的波长，分析光纤光栅测量仪输出温度量和应变量的数据，并分离温度和应变信息， 进而给出数控机床的温度场分布和机床主要结构部件的应变模态分析结果，并通过数据输 出接口单元输送至CNC等下位机。数据输出接口单元为复杂可编程逻辑器件、RS232或者以太网接口中的至少一种， 用于分析结果的输出或者与数控系统之间传输。具体地说是将光纤光栅测量仪连成一个网 络，安装到数控机床上，实现对数控机床运动部件的温度、关键部件形变和机床结构振动结 果实时输送之数控系统中。当光纤光栅传感器安装到数控机床上时，如果安装不当，则可能机床应力和温度 都会引起光栅周期变化，然而波长检测装置将无法分辨这种变化是由于应力还是温度引起 的。因此，在安装光纤光栅传感器时，如果将两个串联在一起的光纤光栅传感器靠近安装， 并使其中一个光纤光栅传感器只对温度敏感，而另一只光纤光栅传感器即对应力也对温度 敏感，如图2所示，一个光纤光栅传感器整体都牢牢的粘结在需要检测应力的部位——整体 粘结方式A连接，而另一个光纤光栅传感器只在它两端被粘结——两端粘结方式B连接(二 个粘接点8. 1、粘接点8. 2)。这样，按照两端粘结方式的光纤光栅传感器将同时对应力和温 度变化都敏感，而整体粘结的光纤光栅传感器则只对温度敏感。信号处理装置利用整体粘 结方式的光纤光栅传感器感应温度信号，而利用两端粘结方式的光纤光栅传感器应力和温 度混合信号减去整体粘结的光纤光栅传感器温度信号则可分离出应力的变化。本实用新型的数控机床热误差测量的技术方案为数控机床热机温升过程中，机床结构的热变形对机床工作空间中的定位精度产生 影响，机床热性能监测以及后续相关的热误差补偿是基于机床结构主要部件关键点温升测 量为基础的。对于数控机床主轴热误差，采用主轴关键部位温度和应变测量方法，如图3a 中所示主轴的测点9. 1和测点9. 2。因为分布式布拉格光纤光栅传感器系统是在一根光纤 中串接多个不同工作波长的光纤光栅传感器，可同时对数控机床的各个主要部件进行温度 和应变测量。如对于机床立柱的测量，考虑温升和应变的同时测量，则采用光纤光栅传感器 应变花类型布置，如图3a中所示立柱和床身的测点9. 3、测点9. 4的线性布置方向，其中传 感器按照设定形状组合的应变花，如图3b所示的应变布置形式，基于相应的应变花类型， 根据应变花所在机床部件上的对应测点位置，材料的弹性模量和泊松比，可得到在数控机 床部件在机床热机温升过程中的部件空间热变形量。如选取主轴端部布置光纤光栅传感器，同样光纤光栅传感器按照一定的形状组合成常规所用的应变花结构，基于相应的应变花类型，根据应变花所在主轴上的对应测点位 置，材料的弹性模量和泊松比，并考虑已获得机床相关结构的空间热变形，则可得到在主轴 工作过程中的相应主轴端部在热机温升过程的空间热变形量。如在图3a中，主轴热误差检 测的关键部位，图3a中传感器布置方式给出了主轴上传感器的测点位置，检测温度和形 变量，各传感器圆周分布，并且各传感器布置成应变花类型，也采用图3b所示的应变花类 型，图3b为常规的几种应变花类型示意。而机床伺服轴的应变测量由于丝杠工作过程中处于旋转状态，故对于丝杠的不进 行应变量的测量，故伺服轴的的温升是基于光纤光栅传感器，测量部件的关键点温升曲线， 如伺服轴滚珠丝杠两端的轴承座、油压阀、丝杠螺母以及环境的温升曲线。本实用新型的数控机床主要部件的振动测量技术方案为基于光纤光栅传感器对机床主要部件如床身、机床主轴10分布网络测量，如对于 主轴的测量，如图4所示，主轴端部可采用光纤光栅传感器按照圆周分布测点，并且按照设 定应变花粘贴，沿整个主轴轴线均勻布置。如考虑刀具的动力响应则采用主轴锌棒代替刀 具，其光纤光栅传感器的布置与主轴类似。而对于需考虑的机床结构，如图3所示的机床立 柱和床身测点9. 3，测点9. 4，其传感器的布置也同样采用直列应变花类型布置测量。故在 机床工作过程中引入的工作激励输入，或者由设定的锤击模态测试，则可基于设定的光纤 光栅传感器应变花布置形式，根据应变花所在主轴上的对应测点位置，材料的弹性模量和 泊松比，沿着测点布置的部件各个位置上的空间各向动态应变位移皆可得到，从而利用应 变模态分析方法，建立振动应变响应的模型，可进行如应力集中问题、切削过程中的局部结 构变动影响分析，并且基于振动应变响应的模型也同时得到位移应变模态，从而实现对机 床动力学特性的监控。本实用新型工作流程为基于光纤光栅光纤传感器对数控机床主要部件进行布置，各部件的布置安装形式 如图2、图3、图4所示。工作流程的完整结构示意框图如图5所示，则由光纤光栅传感器、 宽带光源等组成的测量仪对布点的光纤光栅传感器进行数据读取，得到各位置测点的温度 和应变数据，然后由信号处理单元根据测点应变花形式及布置测点位置数据，根据测量仪 测量的相应测点的温度和应变数据，材料的弹性模量和泊松比，得到相应测点温升曲线以 及数控机床主要部件的应变模态参数和位移模态参数，然后通过数据输出接口单元将数据 发送出去。
权利要求1.一种基于光纤光栅传感器的数控机床状态参数测量装置，其特征在于，该装置包括 光纤光栅测量仪、信号处理单元和数据输出接口单元；光纤光栅测量仪的输出端口与信号 处理单元的一端相连，信号处理单元的另一端与数据输出接口单元。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的数控机床状态参数测量装置，其特征 在于，光纤光栅测量仪包括波长检测单元，以及依次通过光纤连接的宽带光源、耦合器、光 纤光栅传感器和波长监测单元，波长检测单元的一端通过光纤与耦合器相连，另一端作为 光纤光栅测量仪的输出端口 ；相互串联的光纤光栅传感器由工作波长不同的光纤光栅传感 器构成。
专利摘要本实用新型公开了一种基于光纤光栅传感器的数控机床状态参数测量装置，其特征在于，该装置包括光纤光栅测量仪、信号处理单元和数据输出接口单元；光纤光栅测量仪的输出端口与信号处理单元的一端相连，信号处理单元的另一端与数据输出接口单元。本实用新型既可作为信号采集装置，对机床温度和应变进行手动和自动测量，又可作为补偿装置的下位机，输出机床状态参数。本实用新型解决了目前采用温度、变形和振动测量的这些常规传感器安装复杂，使用不便的问题。该装置具有结构简单、使用方便、抗干扰强以及测量精度高的优点。
文档编号B23Q17/00GK201922314SQ20102066126
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者刘国, 唐小琦, 宋宝, 李斌, 毛宽民, 毛新勇, 谭波, 陈吉红 申请人:华中科技大学, 武汉华中数控股份有限公司