CN102672540B - 一种基于dsp航空薄壁盘类件表面形貌测量与夹具加工系统 - Google Patents

Abstract

一种基于DSP航空薄壁盘类件表面形貌测量与夹具加工系统，它由TMS320C6747芯片以及基于该芯片的DSP开发板、DSP开发板5V供电电源、快速伺服刀架、压电陶瓷位移驱动器、压电陶瓷功率放大器、电容传感器测量头、电容传感器信号放大器、电容传感器电源、绝对式编码器、直线光栅尺、激光位移传感器测量头、激光位移传感器测量头保持架、激光位移传感器控制器、激光位移传感器电源、绝对式编码器支架、弹性联轴器、单晶金刚石车刀、薄壁件工件、夹具安装平台和实验平台组成；本发明具有快速高精度表面形貌测量与制造功能，能够解决薄壁零件变形量大，每一加工工序都有新的变形产生，精度很难保证，而夹具无法满足每一工步装夹的需要；它在机械加工领域里有实用价值。

Description

一种基于DSP航空薄壁盘类件表面形貌测量与夹具加工系统

（一）技术领域

本发明涉及一种基于DSP航空薄壁盘类件表面形貌测量与夹具加工系统。它是一种基于DSP的表面形貌测量与加工系统。DSP作为一种信号采集与处理中心，通过传感器测量已加工变形薄壁盘类零件的表面形貌，经DSP数据处理，将处理过的测量数据，通过压电陶瓷产生位移输出去加工精密夹具，已到达消除已加工变形误差对下一步加工精度的影响。属精密切削制造技术领域。

（二）背景技术

随着科学技术和工业生产的发展，对于机械零件的加工精度和表面质量提出了更高的要求。高产、优质、低消耗，产品技术性好、使用寿命长，这是机械制造业所追求的基本目标，而这些目标的实现的基础就是加工精度。而精密薄壁件能够减少器件质量，提高使用寿命，广泛的应用于航空航天领域。因而目前的薄壁零件加工是制造业的一个重要方向。薄壁件由于壁薄加工变形量大加工精度很难保证，有20%-60%的加工误差是由薄壁件的装夹引起的，因而精密薄壁零件夹具的制造是薄壁零件加工中的重要环节。

对于装夹夹具的制造，一般为一次性装夹夹具。通过合理的设计夹具的装夹定位点，去减小装夹对薄壁件加工变形的影响。而针对已加工变形件的夹具的制造还很少有人涉及。因此发明一种针对薄壁件变形夹具的测量加工系统变的尤为重要，使得对于薄壁盘类零件每一工步的加工变形对下一工步的影响将变的很小。基于DSP的表面形貌测量与加工系统包含表面形貌测量与快速伺服刀架系统。

Digital Signal Processor(DSP)是一种具有特殊结构的微处理器，它专门为实现数字信号处理的各种算法而设计，具有高速的数字处理能力。作为表面形貌测量与加工系统的数据采集与处理中心，能够满足测量加工系统实时性的要求。

表面形貌测量系统能够精密高速的测量已加工变形件的三维形貌。它是通过螺旋线的方式测量表面离散的点。并在DSP数据处理中心将无用的数据点剔除掉，保留对于加工夹具有用的数据。

快速伺服刀架系统，采用高精度压电陶瓷微位移驱动器，以及以高精度电容传感器为反馈的闭环控制系统，使得平台能够完成亚微米级位移输出响应，能够将表面形貌测量系统测得的表面形貌高精度的复制到夹具上。加工的夹具能够很好的与已加工变形工件很好的贴合，从而消除了加工变形对下一步加工精度的影响。

（三）发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种基于DSP航空薄壁盘类件表面形貌测量与夹具加工系统，它能够高精度的加工出针对已变形薄壁盘类零件的夹具。它克服了通常情况下薄壁盘类零件加工夹具只能一次性装夹，造成薄壁零件的加工变形量很大，它没有考虑每一步工序造成的变形对下一步加工精度的影响。

2、技术方案：本发明是一种基于DSP航空薄壁盘类件表面形貌测量与夹具加工系统，它是由TMS320C6747芯片，以及基于该芯片的DSP开发板，DSP开发板5V供电电源，快速伺服刀架，压电陶瓷位移驱动器，压电陶瓷功率放大器，电容传感器测量头，电容传感器信号放大器，电容传感器电源，绝对式编码器，直线光栅尺，激光位移传感器测量头，激光位移传感器测量头保持架，激光位移传感器控制器，激光位移传感器电源，绝对式编码器支架，弹性联轴器，单晶金刚石车刀，薄壁件工件、夹具安装平台和实验平台组成。

它们之间的位置连接关系是：快速伺服刀架固定在实验平台溜板上；直线光栅尺的标尺光栅固定在实验平台溜板上，直线光栅尺的读数头固定在实验平台上，测量工件径向位移；绝对式编码器由绝对式编码器支架支撑，并通过弹性联轴器与实验平台主轴相连；激光位移传感器测量头安装在激光位移传感器测量头保持架上，激光位移传感器测量头保持架安装在实验平台溜板上；DSP开发板的DA输出口通过信号线接压电陶瓷功率放大器；压电陶瓷功率放大器信号线接压电陶瓷位移驱动器，驱动实验平台的刀架产生微位移，去加工薄壁件的夹具；而电容传感器信号接在DSP开发板的AD口，因为电容传感器模拟量信号范围为0-14V，而AD口只能接收-10V-+10V的模拟量信号，所以要将0-+14V的信号经模拟量调理电路转换为-10V-+10V的电压信号；激光位移传感器输出模拟量信号接DSP开发板的AD口，由DSP开发板采集激光位移传感器信号；14位绝对式编码器为SSI接口，由DSP开发板的GPIO口(通用输入输出口)产生两路CLOCK信号（CLK+、CLK-），而绝对式编码器产生的DATA信号（DATA+、DATA-）由DSP开发板的GPIO口接收，绝对式编码器供电由板载电源提供5V电源；直线光栅尺两路方波信号接DSP开发板的GPIO口，供电电源为5V由DSP开发板提供；所测量薄壁件工件由实验平台夹头安装在实验平台主轴上；单晶金刚石车刀安装在快速伺服刀架上。具体连接情况可参考图1所示。

所述DSP开发板是一块长约200mm，宽约150mm，厚约20mm的一块PCB开发板，是基于TMS320C6747芯片的双核低功耗应用处理器，主频可达300MHZ，便于实现数据处理，工业控制，电机控制等场合。开发板具有DAC7724芯片为4通道12位精度的转换芯片，输出电压范围-10V--+10V；AD7656转换芯片，具有6路16位转换精度的AD采集通道，输入模拟量范围-10V--+10V、-5V--+5V可选；具有30路GPIO口可用；具有512MB的SDRAM存储空间；能够提供3.3V，5V电源接口；具有4个中断按键。

所述压电陶瓷位移驱动器是德国PI公司生产的P-844.10型。长度为47mm，直径为20mm。输入电压范围0-100V，它具有推力大、响应快、刚度高等优点。最大伸长量为15um，空载频响为16KHZ。

所述压电陶瓷功率放大器为德国PI公司研制的压电陶瓷驱动电源E-503型，它长度30cm，宽20cm，高15cm。是一种直流放大电源，输出电压范围为-20～+120V，输入模拟信号控制电压为-2～+12V的电压范围。

所述电容传感器测量头是米铱公司生产的CS02探测头，量程为0.2mm。

所述电容传感器信号放大器为米铱公司生产的DT6100信号放大器，输入电源为24V直流电源。

所述电容传感器电源是输入220V交流电，输出为24V直流电的线性电源。

所述绝对式编码器为14位精度，串行信号输出的SSI接口，采用3.3V电压供电，所需的CLK-、CLK+信号为3.3V的差分信号，产生的DATA-、DATA+信号为电平信号为0-3.3V的电压信号，可直接连接在DSP开发板的GPIO上。

所述直线光栅尺为供电电压为5V，分辨率为1um的，信号为AB型的TTL型输出的直线光栅尺。

所述快速伺服刀架是一长25cm、宽15cm、厚10cm的长方体结构，具有弹性铰链，刀柄安装在弹性铰链的一端，为压电陶瓷位移驱动器产生微位移的执行机构。

所述激光位移传感器测量头为基恩士公司的LK-H020测量头，参考距离为20mm，测量范围为+-3mm。

所述激光位移传感器测量头保持架是一T型夹具，起到固定激光位移传感器测量头的作用。

所述激光位移传感器控制器型号为LK-G5001V，输入电源为24V直流电源。

所述激光位移传感器电源型号为MS2-H50，输入电源为220V交流电，输出为24V直流电。

所述绝对式编码器支架是一内径40mm，外径60mm，槽深20mm的圆柱结构，起到固定绝对式编码器的作用。

所述单晶金刚石车刀是一刀尖角为60度，刀具前角为零，后角为7度的单晶金刚石刀片，中间有直径为3mm的定位孔。

所述弹性联轴器是一端为直径6mm，连接绝对式编码器轴端；令一端为直径10mm连接机床主轴端的弹性联轴器。

所述实验平台是一HARDING高精度车床。

所述夹具安装平台是一长宽各为200mm、厚为30mm的45钢平台，安装在实验平台的溜板上，具有安装支撑激光位移传感器测量头保持架以及快速伺服刀架的作用。

所述DSP开发板5V供电电源是一接入220V交流电，输出为5V直流电的变压器电源。

所述薄壁件工件为一直径在200mm以内的回转圆柱薄壁件的表面。

本系统的工作原理：

通过激光位移传感器测量薄壁件工件表面轴向位移（Z），直线光栅尺测量工件径向位移（R），绝对式编码器测量圆周方向的旋转角度这样就能唯一的确定一个的三维坐标（R，Z）。

当加工夹具时就是将测量的轴向位移转化为轴向的压电陶瓷的位移输出。而光栅尺和编码器作为一个位置反馈系统而存在。

电容传感器与压电陶瓷组成一个闭环的控制系统，以提高快速伺服刀架18的动态响应性能和位移输出响应精度。

3、优点和功效：本发明具有快速高精度的表面形貌测量与制造功能，主要能够解决薄壁零件变形量大，每一加工工部都会有新的变形产生，精度很难保证，而夹具就无法满足每一工步装夹的需要；该测量加工系统能够快速精密的制造出每一工步的夹具，从而使夹具具有很大的柔性，消除了由于装夹、上一步变形等对下一工部的影响。1）高精度的、快速的测量薄壁盘类零件的形貌及加工误差等；2）系统采用DSP高速数字信号处理芯片，能够满足高速、大量的采样点的采集与处理；3）高精度的DA转换及压电陶瓷能够完成纳米级位移输出响应；4）与传统的形貌测量仪，三坐标测量机来对比，这套系统的成本很低。

（四）附图说明

图1为本发明一种基于DSP的航空薄壁盘类零件表面形貌测量与夹具加工系统的结构示意图；

图2为本发明中测量、数据处理以及加工系统运行时的程序流程图。

图中符号说明如下：

1绝对式编码器；2弹性联轴器；3实验平台；4薄壁件工件；5激光位移传感器测量头；6激光位移传感器测量头保持架；7直线光栅尺；8电容传感器测量头；9压电陶瓷位移驱动器；10单晶金刚石车刀；11夹具安装平台；12电容传感器信号放大器；13压电陶瓷功率放大器；14激光位移传感器控制器；15DSP开发板5V供电电源，16DSP开发板；17激光位移传感器电源；18快速伺服刀架；19电容传感器电源，20绝对式编码器支架。

（五）具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的实施方案。

见图1、图2，本发明一种基于DSP航空薄壁盘类件表面形貌测量与夹具加工系统，它是由绝对式编码器1、弹性联轴器2、实验平台3、薄壁件工件4、激光位移传感器测量头5、激光位移传感器测量头保持架6、直线光栅尺7、电容传感器测量头8、压电陶瓷位移驱动器9、单晶金刚石车刀10、夹具安装平台11、电容传感器信号放大器12、压电陶瓷功率放大器13、激光位移传感器控制器14、DSP开发板5V供电电源15、DSP开发板16、激光位移传感器电源17、快速伺服刀架18、电容传感器电源19和绝对式编码器支架20以及一些连接的电源线、信号线组成。

它们之间的位置连接关系：绝对式编码器1由夹具固定在实验平台3上；绝对式编码器1通过弹性联轴器2与机床主轴相连；薄壁件工件4通过夹具安装在机床主轴上；激光位移传感器测量头保持架6通过螺栓固定在夹具安装平台11上，快速伺服刀架18通过螺栓安装在夹具安装平台11上；激光位移传感器测量头5通过螺栓固定在激光位移传感器测量头保持架6上；快速伺服刀架18包括单晶金刚石车刀10、压电陶瓷位移驱动器9、以及电容传感器测量头8；直线光栅尺7通过螺栓将直线光栅尺的测量头安装在实验平台3上，而直线光栅尺7的标尺光栅通过螺栓安装在实验平台溜板上；激光位移传感器信号线由激光位移传感器控制器14发出接到DSP开发板的AD采集口的2通道上；直线光栅尺7的输出信号由GPIO接收A、B信号，直线光栅尺7供电电源为5V；电容传感器测量头8信号经电容传感器信号放大器12、电压转换通道接到DSP开发板的AD采集口的1通道上，电容传感器信号放大器12的供电电源为24V；绝对式编码器1的CLK-、CLK+、DATA-、DATA+信号线通过DSP开发板的GPIO口连接、供电电源为3.3V供电；DSP开发板的DA输出通道接压电陶瓷功率放大器13，压电陶瓷功率放大器13供电电源为220V交流电源；压电陶瓷功率放大器13信号线接压电陶瓷位移驱动器9；DSP开发板16的供电电源为5V供电；DSP开发板程序通过JTAG接口将程序烧录到DSP开发板的内存中。

所述DSP开发板16是一块长约200mm，宽约150mm，厚约20mm的一块PCB开发板，是基于TMS320C6747芯片的双核低功耗应用处理器，主频可达300MHZ，便于实现数据处理，工业控制，电机控制等场合。DSP开发板具有DAC7724芯片为4通道12位精度的转换芯片，输出电压范围-10V--+10V；AD7656转换芯片，具有6路16位转换精度的AD采集通道，输入模拟量范围-10V--+10V、-5V--+5V可选；具有30路GPIO口可用；具有512MB的SDRAM存储空间；能够提供3.3V，5V电源接口；具有4个中断按键。

所述压电陶瓷位移驱动器9是德国PI公司生产的P-844.10型。长度为47mm，直径为20mm。输入电压范围0-100V，它具有推力大、响应快、刚度高等优点。最大伸长量为15um，空载频响为16KHZ。压电陶瓷驱动电源为德国PI公司研制的压电陶瓷驱动电源E-503型，它长度30cm，宽20cm，高15cm。是一种直流放大电源，输出电压范围为-20～+120V，输入模拟信号控制电压为-2～+12V的电压范围。

所述电容传感器测量头8是米铱公司生产的CS02探测头，量程为0.2mm。

所述电容传感器信号放大器12为米铱公司生产的DT6100信号放大器，输入电源为24V直流电源。

所述电容传感器电源19是输入220V交流电，输出为24V直流电的线性电源。

所述激光位移传感器测量头5为基恩士公司的LK-H020测量头，参考距离为20mm，测量范围为+-3mm。

所述激光位移传感器测量头保持架6是一T型夹具，起到固定激光位移传感器测量头的作用。

所述激光位移传感器控制器14的型号为LK-G5001V，输入电源为24V直流电源。

所述激光位移传感器电源17的型号为MS2-H50，输入电源为220V交流电，输出为24V直流电。

所述绝对式编码器1为14位精度，串行信号输出的SSI接口，采用3.3V电压供电，所需的CLK-、CLK+信号为3.3V的差分信号，产生的DATA-、DATA+信号为电平信号为0-3.3V的电压信号，可直接连接在DSP的GPIO上。

所述单晶金刚石车刀10为刀具后角为7度，刀尖角度为60度的金刚石刀片。

所述直线光栅尺7的供电电压为5V，分辨率为1um的，信号为AB型的TTL输出的直线光栅尺。

所述弹性联轴器2是一端为直径6mm，连接绝对式编码器轴端；令一端为直径10mm连接机床主轴端的弹性联轴器。

所述实验平台3是一HARDING高精度车床。

所述薄壁件工件4为一直径在200mm以内的回转圆柱薄壁件的表面。

所述夹具安装平台11是一长宽各位200mm、厚为30mm的45钢平台，安装在实验平台3的溜板上，具有安装支撑激光位移传感器测量头保持架6以及快速伺服刀架18的作用。

所述压电陶瓷功率放大器13为德国PI公司研制的压电陶瓷驱动电源E-503型，它长度30cm，宽20cm，高15cm。是一种直流放大电源，输出电压范围为-20～+120V，输入模拟信号控制电压为-2～+12V的电压范围。

所述DSP开发板5V供电电源15是一接入220V交流电，输出为5V直流电的变压器电源。

所述快速伺服刀架18是一长25cm、宽15cm、厚10cm的长方体结构，具有弹性铰链，刀柄安装在弹性铰链的一端，为压电陶瓷位移驱动器9产生微位移的执行机构。

所述绝对式编码器支架20是一内径40mm，外径60mm，槽深20mm的圆柱结构，起到固定绝对式编码器1的作用。

本系统的工作流程主要分为以下两部分：

（1）已加工变形薄壁件形貌的测量

由直线光栅尺7测量薄壁件工件4在径向方向的位移（R）；由绝对式编码器1测量薄壁件工件4某一时刻在圆周方向的旋转角度由激光位移传感器测量头5测量薄壁件工件4在轴向的位移（Z）；当同时测量以上三个参数时，那么即可唯一的确定薄壁件工件4任意一点的坐标（R、Z）。按照一定的频率将数据采集并保存在DSP开发板的SDRAM中，以便下一步的数据处理和工件夹具的加工使用。

（2）对上一步测量数据进行处理

针对激光位移传感器测量头5易出现波动容易超出量程的特点，对数据进行过滤处理，当数据超量程的时候将数据剔除掉，并通过相连数据的插值运算将数据替换。

将采集点的Z值取反以满足夹具加工时位移输出的要求。

由于采集数据的频率较高能达到70KHZ，而快速伺服刀架18的响应频率在12KHZ左右，所以要把采集到的数据做进一步的稀疏处理。按照最优数据处理将每5个采集点划分为一个数据点阵，比较每个点阵之间的数据平滑程度，取能够使数据点阵比较平滑的点作为一个点阵中的关键点。

（3）针对已加工变形薄壁件夹具的加工

加工时，将测量系统中的激光测位移系统换成快速伺服刀架系统。通过采集直线光栅尺7，绝对式编码器1的值（R，）去内存中查找上一步数据处理完成后所对应的Z值。找到每一个确定的（R，）对应的Z值，然后通过DSP开发板16的DA输出口控制压电陶瓷功率放大器13，最后驱动压电陶瓷位移驱动器9完成已加工变形薄壁件夹具的加工。

电容传感器部分与压电陶瓷位移驱动器9组成一个闭环控制系统，以提高整个加工系统的位移动态响应性能和位移跟踪能力。

Claims (1)

1.一种基于DSP航空薄壁盘类件表面形貌测量与夹具加工系统，其特征在于：它是由TMS320C6747芯片，以及基于该芯片的DSP开发板、DSP开发板5V供电电源、快速伺服刀架、压电陶瓷位移驱动器、压电陶瓷功率放大器、电容传感器测量头、电容传感器信号放大器、电容传感器电源、绝对式编码器、直线光栅尺、激光位移传感器测量头、激光位移传感器测量头保持架、激光位移传感器控制器、激光位移传感器电源、绝对式编码器支架、弹性联轴器、单晶金刚石车刀、薄壁件工件、夹具安装平台和实验平台组成；快速伺服刀架固定在实验平台溜板上；直线光栅尺的标尺光栅固定在实验平台溜板上，直线光栅尺的读数头固定在实验平台上，测量工件径向位移；绝对式编码器由绝对式编码器支架支撑，并通过弹性联轴器与实验平台主轴相连；激光位移传感器测量头安装在激光位移传感器测量头保持架上，激光位移传感器测量头保持架安装在实验平台溜板上；DSP开发板的DA输出口通过信号线接压电陶瓷功率放大器；压电陶瓷功率放大器信号线接压电陶瓷位移驱动器，驱动实验平台的刀架产生微位移，去加工薄壁件的夹具；而电容传感器信号接在DSP开发板的AD口，激光位移传感器输出模拟量信号接DSP开发板的AD口，由DSP开发板采集激光位移传感器信号；14位绝对式编码器为SSI接口，由DSP开发板的GPIO通用输入输出口产生两路CLOCK信号，而绝对式编码器产生的DATA信号由DSP开发板的GPIO通用输入输出口接收，绝对式编码器供电由板载电源提供5V电源；直线光栅尺两路方波信号接DSP开发板的GPIO通用输入输出口，供电电源为5V由DSP开发板提供；所测量薄壁件工件由实验平台夹头安装在实验平台主轴上；单晶金刚石车刀安装在快速伺服刀架上；

所述DSP开发板是一块长200mm，宽150mm，厚20mm的一块PCB开发板，是基于TMS320C6747芯片的双核低功耗应用处理器，主频达300MHZ，便于实现数据处理，工业控制，电机控制场合；

所述压电陶瓷位移驱动器是P-844.10型，长度为47mm，直径为20mm；输入电压范围0-100V，最大伸长量为15um，空载频响为16KHZ；

所述压电陶瓷功率放大器为压电陶瓷驱动电源E-503型，它长度30cm，宽20cm，高15cm，是一种直流放大电源，输出电压范围为-20～+120V，输入模拟信号控制电压为-2～+12V的电压范围；

所述电容传感器测量头是CS02探测头，量程为0.2mm；

所述电容传感器信号放大器为DT6100信号放大器，输入电源为24V直流电源；

所述电容传感器电源是输入220V交流电，输出为24V直流电的线性电源；

所述绝对式编码器为14位精度，串行信号输出的SSI接口，采用3.3V电压供电，所需的CLK-、CLK+信号为3.3V的差分信号，产生的DATA-、DATA+信号为电平信号为0-3.3V的电压信号，直接连接在DSP开发板的GPIO通用输入输出口上；

所述直线光栅尺为供电电压为5V，分辨率为1um的，信号为AB型的TTL型输出的直线光栅尺；

所述快速伺服刀架是一长25cm、宽15cm、厚10cm的长方体结构，具有弹性铰链，刀柄安装在弹性铰链的一端，为压电陶瓷位移驱动器产生微位移的执行机构；

所述激光位移传感器测量头为LK-H020测量头，参考距离为20mm，测量范围为±3mm；

所述激光位移传感器测量头保持架是一T型夹具，起到固定激光位移传感器测量头的作用；

所述激光位移传感器控制器型号为LK-G5001V，输入电源为24V直流电源；

所述激光位移传感器电源型号为MS2-H50，输入电源为220V交流电，输出为24V直流电；

所述绝对式编码器支架是一内径40mm，外径60mm，槽深20mm的圆柱结构，起到固定绝对式编码器的作用；

所述单晶金刚石车刀是一刀尖角为60度，刀具前角为零，后角为7度的单晶金刚石刀片，中间有直径为3mm的定位孔；

所述弹性联轴器是一端为直径6mm，连接绝对式编码器轴端；另一端为直径10mm连接机床主轴端的弹性联轴器；

所述夹具安装平台是一长宽各为200mm、厚为30mm的45钢平台，安装在实验平台的溜板上，具有安装支撑激光位移传感器测量头保持架以及快速伺服刀架的作用；

所述实验平台是一HARDING高精度车床；

所述DSP开发板5V供电电源是一接入220V交流电，输出为5V直流电的变压器电源；

所述薄壁件工件为一直径在200mm以内的回转圆柱薄壁件的表面。