一种重型机床床身变形自动监测与报警装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于智能数控机床技术领域，涉及一种重型机床床身变形自动监测与报警 装置。
【背景技术】
[0002] 重型数控机床作为制造业的工作母机，在汽车、航空航天、船舶等制造领域得到广 泛应用，是衡量一个国家技术水平和综合国力的战略物资。
[0003] 在数控机床设计、制造、使用过程中，由于残余应力消除不彻底，环境温度变化以 及机床重力等因素的影响，机床的变形将使机床的几何精度超出其使用范围。
[0004] 重型数控机床在投入使用后，企业一般按照经验定期校准机床精度，工作量大，效 率低下，已经无法满足重型精密机床对精度、效率和制造成本的需求。目前国内外企业对于 重型机床床身变形监测的技术研发还处于空白状态，而且没有能够在线实时监测重型机床 床身变形量的测量仪器，因此无法及时告知操作人员检修机床精度。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的问题在于提供一种重型机床床身变形自动监测与报警装置，实时显 示床身的变形量，并在变形量超过预设的安全值后进行自动报警，为及时调整机床精度提 供参考。
[0006] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0007] -种重型机床床身变形自动监测与报警装置，包括数据采集子系统、数据处理与 分析子系统和床身变形监测与报警子系统;数据采集子系统包括位于同一直线的激光发射 模块和PSD位置传感器模块，激光发射模块向PSD位置传感器模块发射信号，监测重型机床 床身水平和竖直方向的变形量；
[0008] PSD位置传感器模块的输出端与数据处理与分析子系统中的单片机模块的输入端 相连接，操控键盘模块与单片机模块的输入端相连;单片机模块的输出端分别与床身变形 监测与报警子系统中的显示模块和报警模块相连。
[0009] 所述的激光发射模块包括分别设置在重型机床床身同侧的两端的激光头位姿调 整装置，激光头位姿调整装置上设有激光发射器；
[0010] 所述的PSD位置传感器模块包括设置在两个激光位姿之间调整装置之间的传感器 固定架，传感器固定架的两侧分别设有PSD传感器；
[0011] 调整激光头位姿调整装置、传感器固定架使两个激光发射器、两个PSD传感器在同 一条水平直线上。
[0012]所述在激光发射器和PSD位置传感器之间还设有中空的光路保护管，光路保护管 固定在重型机床床身上。
[0013]所述的激光头位姿调整装置与重型机床床身之间还设有调整螺母;激光头位姿调 整装置上设有夹持套，激光发射器安装在夹持套中并用紧固螺钉固定，夹持套通过调整螺 母与激光头位姿调整装置相连接;转动调整螺杆和调整螺母微调使两端的激光发射器发出 的激光保持同一直线。
[0014] 所述的二维PSD位置传感器能够输出四路电流信号，分别为上下电流信号和 左右电流信号13、14,输出的电流信号分别发送到单片机控制器信号处理装置的四个端口， 单片机控制器分别对上下电流信号和左右电流信号进行处理。
[0015] 所述激光发射器和二维PSD位置传感器监测床身水平和竖直方向的变形量为：
[0016] 位于同一条水平直线上的两个激光发射器发出的激光，两个二维PSD传感器分别 接受一侧的激光发射器发出的激光，使激光发射器发出的激光垂直对准光敏面的零点位置 0，此时PSD位置传感器输出的四路电流信号一致；
[0017] PSD位置传感器在X，Y两个方向上的感光层是独立的，其中一层感应X方向上光点 的位置变化，另一层感应Y方向上光点的位置变化;当机床床身有沿X方向上的变形分量时， 上下电流信号1^12满足关系
[0018]
[0019 ]当机床床身有沿γ方向上的变形分量时，左右电流信号13、14满足关系 [0020]
[0021]其中，Lx，Ly是与PSD位置传感器感光面在X，y方向的长度；ΛΧ、Λ Y是激光光点的在 X方向和Υ方向的偏移量；
[0022]单片机控制器的输出为:单片机控制器对电流信号进行处理得到位置偏移量，将 偏移量与预先设定的安全值进行比较，然后将偏移量输送到显示器，并判断是否向报警装 置发送报警指令。
[0023]所述的数据处理与分析子系统包括单片机模块和操控键盘模块，键盘操控模块的 输出端与单片机模块的输入端相连。
[0024]所述的床身变形监测与报警子系统包括显示模块和报警模块，显示模块和报警模 块的输入端分别和单片机模块的输出端相连。
[0025] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0026] 本发明提供的重型机床床身变形的实时监测与自动报警装置，通过激光发射器、 二维PSD位置传感器将床身在水平和竖直方向上的变形量并转化为电流信号，位于同一条 水平直线上的两个激光发射器发出的激光，两个二维PSD传感器分别接受一侧的激光发射 器发出的激光，使激光发射器发出的激光垂直对准光敏面的零点位置〇,此时PSD位置传感 器输出的四路电流信号一致;而当机床床身发生形变时激光在PSD传感器上将发生偏移量， 从而产生电流信号的变化，通过单片机对电流信号进行处理，将电流信号转化为机床床身 的变形信息，并在显示器上显示床身变形信息，当变形量超过预设值时，自动报警。
[0027] 本发明提供的重型机床床身变形的实时监测与自动报警装置，采用二维PSD位置 传感器和激光发射器非接触测量机床床身变形量，能实时监测床身变形，在床身变形量达 到预设的安全值时自动发出报警信息，精度高、实用性强、智能化程度高，判断变形量能否 对机床精度产生影响，提高机床精度的预测能力。与传统的定期校准机床精度相比具有实 时性、准确性和智能性。
【附图说明】
[0028]图1为本监测与报警系统的系统框图；
[0029]图2为本监测与报警系统的原理图；
[0030] 图3为激光头位姿调整装置示意图；
[0031] 图4为二维PSD位置传感器示意图；
[0032] 其中：1为数据采集子系统，2为数据处理与分析子系统，3为床身变形监测和报警 子系统，4为机床床身;5为激光头位姿调整装置;6为激光发射器;7为光路保护管;8为二维 PSD位置传感器;9为传感器固定架；10为单片机控制器;11为显示器;12为报警装置；13为调 整螺杆;14为调整螺母;15夹持套;16为紧固螺钉。
【具体实施方式】
[0033]下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
[0034]参见图1、图2，一种重型机床床身变形自动监测与报警装置，包括数据采集子系统 1、数据处理与分析子系统2和床身变形监测与报警子系统3;数据采集子系统1包括位于同 一直线的激光发射模块1-1和PSD位置传感器模块1-2,激光发射模块1-1向PSD位置传感器 模块1-2发射信号，监测重型机床床身水平和竖直方向的变形量；
[0035] PSD位置传感器模块1-2的输出端与数据处理与分析子系统2中的单片机模块2-1 的输入端相连接，操控键盘模块2-2与单片机模块2-1的输入端相连;单片机模块2-1的输出 端分别与床身变形监测与报警子系统3中的显示模块3-1和报警模块3-2相连。
[0036] 具体的，本发明的数据采集子系统1、数据处理与分析子系统2、床身变形监测与报 警子系统3三个子系统中，数据采集子系统1包括两个模块，分别是激光发射模块1-1和PSD 位置传感器模块1-2。数据处理与分析子系统2包括两个模块，分别是单片机处理模块2-1和 操控键盘模块2-2。床身变形监测和报警子系统3包括两个模块，分别是3-1显示模块和3-2 报警模块。
[0037] 进一步的，所述的激光发射模块1-1包括分别设置在重型机床床身4同侧的两端的 激光头位姿调整装置5，激光头位姿调整装置5上设有激光发射器6;
[0038] 所述的PSD位置传感器模块1-2包括设置在两个激光位姿之间调整装置5之间的传 感器固定架9,传感器固定架9的两侧分别设有PSD传感器8;
[0039] 调整激光头位姿调整装置5、传感器固定架9使两个激光发射器、两个PSD传感器8 在同一条水平直线上。
[0040] 重型机床床身4变形引起中间传感器固定架8位置发生变化，从而引起激光发射器 6的激光点在PSD位置传感器8光敏面上的位置发生变化，PSD位置传感器8输出变化的电流 信号，此电流信号输入单片机控制器10,经过单片机处理后，将电流信号转换为位置信息， 并将位置信息发送到显示器11，当位置信息达到预设的安全值时，单片机控制器10向报警 装置12发出报警指令。
[0041] 进一步，还在激光发射器6和PSD位置传感器8之间还设有中空的光路保护管7,光 路保护管7固定在重型机床床身4上。具体的光路保护管7为轻质PVC管，并用螺钉将光路保 护管7固定在床身4上。
[0042] 参见图3,所述的激光头位姿调整装置5与重型机床床身4之间还设有调整螺母14; 激光头位姿调整装置5上设有夹持套16,激光发射器6安装在夹持套16中并用紧固螺钉15固 定，夹持套16通过调整螺母14与激光头位姿调整装置5相连接;转动调整螺杆13和调整螺母 14微调使两端的激光发射器6发出的激光保持同一直线。
[0043] 参见图4,所述的二维PSD位置传感器8能够输出四路电流信号，分别为上下电流信 号Ii、I2和左右电流信号1 3、14,输