CN102176135A - 数控机床热误差测量集成系统 - Google Patents

数控机床热误差测量集成系统 Download PDF

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洪占勇
颜焱
郭裕聪
赵德友
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Abstract

本发明公开了一种数控机床热误差测量集成系统，其特征是由温度测量单元、热位移测量单元、工控机和显示单元共同构成；工控机针对实时保存的各温度检测数据及热位移变形量检测数据，利用热误差函数进行实时阶段性建模并进行各温度检测数据及热位移变形量检测数据的精度评定，判断模型的稳定性及精度。本发明系统简单实用、低成本、高精度，为数控机床热误差补偿研究及应用给予试验装置的支持。

Description

数控机床热误差测量集成系统
技术领域
本发明涉及数控机床热误差补偿技术，更具体地说是一种能实时多通道数据采集及处理的数控机床热误差测量集成系统。
背景技术
数控机床是工业现代化的基石，高速、精密和超精密加工技术已成为现代机械制造中最重要的组成部分和发展方向。
在我国，现阶段数控机床热误差测量的所有系统中都是对机床中温度值和热位移变形量分别进行测量，如申请号为ZL2009100502897、名称为“位移测量系统及其测量方法”的中国专利说明书中公开了一种位移测量系统，包括微处理器及与微处理器相连接的显示装置和键盘，通过这一系统实现对位移测量方向进行选择和对多个区间测量值的位移测量误差补偿值的补偿；申请号ZL200410006419、名称为“一种温度测量系统及方法”的中国专利申请说明书中公开的系统包括处理器、一个以上的测温单元、显示单元、输入单元和通信接口单元，用于实现数字化测量温度。这两个专利文献中记载的技术方案都是可以实现单独对数控机床的温度和位移测量，但无法满足数控机床热误差测量所需的同时获得热位移量和温度值功能，且不具备实时误差建模功能。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种简单实用、低成本、高精度的数控机床热误差测量集成系统，为数控机床热误差补偿研究及应用给予试验装置的支持。
本发明为技术问题采用如下技术方案：
本发明数控机床热误差测量集成系统的结构特点是由温度测量单元、热位移测量单元、工控机和显示单元共同构成；
所述温度测量单元是在数控机床各温度敏感点上设置温度传感器，所述温度传感器输出的温度检测信号经温度变送器信号放大后由数据采集卡获得温度检测数据；在所述热位移测量单元中，设置电感式位移传感器用于测量数控机床的主轴热位移变形量，所述主轴热位移变形量经位移变送器信号放大后由数据采集卡获得热位移变形量检测数据；
设置所述主轴热位移变形量与温度检测信号为同时采样，实时保存在同一台工控机中，并通过显示单元对于温度检测数据及热位移变形量检测数据进行实时显示；
所述工控机针对实时保存的各温度检测数据及热位移变形量检测数据，利用热误差函数进行实时阶段性建模并进行各温度检测数据及热位移变形量检测数据的精度评定，判断模型的稳定性及精度。
本发明数控机床热误差测量集成系统的结构特点也在于：
所述温度传感器设置为磁吸附式结构，由前端可用于吸附的永磁头和紧贴永磁头设置的温度敏感器件构成。
设置用于固定各电感传感器的一体化夹具，在所述一体化夹具上，各电感传感器与作为被测对象的主轴之间的距离通过夹具上的调节螺杆可以调节。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明提供了一种专用的数控机床热误差补偿设备，为数控机床热误差补偿研究及应用给予了试验装置的支持。
2、本发明设置实时显示功能模块，系统在进行温度及热位移采样的同时，操作界面上的各温度数值及位移值显示框实时显示测量数值，点击需要查询的显示框，则该框所采样数据以坐标曲线图形方式实时显示该点温度或热位移变化规律，便于试验人员及时发现试验进展及可能出现的故障问题，保证试验的顺利进行。
3、本发明利用系统内的数学建模参数评价单元可对阶段性建模参数进行精度评定，判断模型的稳定性及精度，解决采样数据量不同造成的建模精度的损失及稳定性问题。这种建模和自我评价功能实时性强、精度高、稳定性，对使用者科研水平要求低，便于推广使用；可根据需要进行实时阶段性最佳温度点选取及建模并给予显示。
4、本发明中采用磁吸附式温度传感器，便于数控机床上任意位置上的安置，简单方便、性能可靠。
5、本发明中采用电感传感器价格低、精度高；其一体化夹具、结构简单、工作可靠，实际应用中可简单快捷地调节电感传感器与测量对象的距离，达到最佳测量区域，极大的节约了测量调试时间。
附图说明
图1为本发明系统构成方框图；
图2为本发明温度传感器结构示意图；
图3为本发明电感式位移传感器安装示意图；
图4为本发明一体化夹具在数控机床上的安装示意图。
图中标号：1永磁头；2温度敏感器件；3支撑板；4导向块；5限位块；6电感传感器；7调节螺杆；8主轴；9工作台；10一体化夹具；11压板。
具体实施方式
参见图1，本实施例中的数控机床热误差测量集成系统是由温度测量单元、热位移测量单元、工控机和显示单元共同构成；
温度测量单元是在数控机床各温度敏感点上设置温度传感器，温度传感器输出的温度检测信号经温度变送器信号放大后由数据采集卡获得温度检测数据；在热位移测量单元中，设置电感式位移传感器用于测量数控机床的主轴热位移变形量，主轴热位移变形量经位移变送器信号放大后由数据采集卡获得热位移变形量检测数据；
设置主轴热位移变形量与温度检测信号为同时采样，实时保存在同一台工控机中，并通过显示单元对于温度检测数据及热位移变形量检测数据进行实时显示；
工控机针对实时保存的各温度检测数据及热位移变形量检测数据，利用热误差函数进行实时阶段性建模并进行各温度检测数据及热位移变形量检测数据的精度评定，判断模型的稳定性及精度。
系统中的实时显示功能可以实现在进行温度及热位移采样的同时，实时显示测量数值，以便于试验人员及时发现试验进展及可能出现的故障问题，保证试验的顺利进行。
参见图2，温度传感器设置为磁吸附式结构，由前端可用于吸附的永磁头1和紧贴永磁头1设置的温度敏感器件2构成，要求温度传感器2紧贴磁吸头1，以免热传导损失严重。这一结构形式较之传统的胶贴式温度传感器比较，安装准确快速、操作简单。传统的胶贴式传感器往往由于机床表面油污重，容易脱落，且不易被发现。
参见图3、图4，设置用于固定各电感式位移传感器6的一体化夹具10，一体化夹具10是在支撑板3上，电感式位移传感器6由导向块4和限位块5共同夹持，设置在支撑板3上的调节螺杆7通过限位块5可以调节电感式位移传感器6与被测对象的距离。测量中，一体体夹具10是由压板11固定设置在工作台9。
具体操作：
1、将磁吸附式温度传感器吸附在数控机床的温度敏感点位置上，通常是在热源附近，并通过温度变送器进行信号处理，输出至数据采集卡(图1所示)；
2、将固定设置有电感式位移传感器的一体化夹具10放置在数控机床的工作台9中心位置上，以数控加工中心为例，调节各电感式位移传感器6与主轴8处于合适的距离，即电感式位移传感器6被主轴8压缩到量程范围的中间位置，确定主轴8的空间坐标，并以此作为热位移测量坐标点，同时将电感式位移传感器值回零。利用压板11将一体化夹具10夹紧固定在工作台9上，保证电感式位移传感器与主轴的空间位置相对固定。
3、数控机床主轴8以设定转速旋转，比如设置转速为1800转/分；每隔3分钟的时间，主轴停转，并将主轴移动至热位移测量坐标点处，工控机同时采样各点温度值及热位移误差值，并进行存储。采样期间可随时在数控机床工作状态下通过显示单元查验各温度点及热位移变动曲线，确定采样数据的可靠性。
4、利用热误差函数，在实验进行一段时间后，实时进行最佳温度点选取及建立数学模型，显示模型参数，同时进行参数评定，确定参数变动量是否超出标准，如果超出标准，说明所采样数据的稳定性比较差，可考虑停止实验，所建立的数学模型可以通过后续数控机床嵌入技术，实现对数控机床热误差补偿功能。

Claims (3)

1.一种数控机床热误差测量集成系统，其特征是由温度测量单元、热位移测量单元、工控机和显示单元共同构成；
所述温度测量单元是在数控机床各温度敏感点上设置温度传感器，所述温度传感器输出的温度检测信号经温度变送器信号放大后由数据采集卡获得温度检测数据；在所述热位移测量单元中，设置电感式位移传感器用于测量数控机床的主轴热位移变形量，所述主轴热位移变形量经位移变送器信号放大后由数据采集卡获得热位移变形量检测数据；
设置所述主轴热位移变形量与温度检测信号为同时采样，实时保存在同一台工控机中，并通过显示单元对于温度检测数据及热位移变形量检测数据进行实时显示；
所述工控机针对实时保存的各温度检测数据及热位移变形量检测数据，利用热误差函数进行实时阶段性建模并进行各温度检测数据及热位移变形量检测数据的精度评定，判断模型的稳定性及精度。
2.根据权利要求1所述的数控机床热误差测量集成系统，其特征是所述温度传感器设置为磁吸附式结构，由前端可用于吸附的永磁头(1)和紧贴永磁头(1)设置的温度敏感器件(2)构成。
3.根据权利要求1所述的数控机床热误差测量集成系统，其特征是设置用于固定各电感传感器(6)的一体化夹具，在所述一体化夹具上，各电感传感器(6)与作为被测对象的主轴之间的距离通过夹具上的调节螺杆(7)可以调节。
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