CN102689234B - 一种滚齿机床热误差的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚齿机床热误差检测装置及检测方法，其特征是：一横断面呈矩形的测试棒安装在工件轴上，一由侧板和背板构成的固定板通过固支架安装在滚刀刀架上，固定板的侧板和背板分别与测试棒的侧部平面和背部平面平行；在固定板的侧板上分别设置第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器，位于测试棒的端面正上方设置有第四位移传感器，在固定板的背板分别设置有第五位移传感器和第六位移传感器。本发明可以实现滚齿机床六个自由度热误差的检测。

Description

一种滚齿机床热误差的检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种用于对滚齿机床热误差进行检测和分析的检测装置和检测方法。

背景技术

热误差补偿是减小机床热变形的一种最常用的技术手段。而热误差的检测是机床热误差建模的主要环节，是决定补偿技术是否精确和有效的关键。

误差的检测可分为直接检测与间接估计两种。直接检测是指机床在不同位置和温度条件下，通过激光干涉仪，位移传感器，千分表等各种机械或光学的方法直接测量相应误差。间接估计是指通过使用球杆仪等测量仪器测量出综合误差后，利用运动学原理估计各种误差分量。

球杆仪等间接估计法有许多先天的不足，测量原理比较复杂以及仪器由于自身结构原因测量精度有限。直接检测中，千分表有明显的缺陷，数据采集较麻烦，通常是通过人工读取数据的方法，增加了操作者的劳动强度；会引入人的读数误差；数据读取速度较慢，无法满足在线检测要求等。激光干涉仪就是一个很好的机床测量仪器，这类仪器往往带有功能很强的处理软件，使用起来既方便又准确，但这种仪器一般很贵，操作起来较麻烦。

位移传感器检测法是机床误差检测应用较多的方法，检测方法直观明了，检测结果的精度也一般较高。目前常用的位移传感器检测法为‘五点法’测量，即在机床主轴X坐标方向上布置两个测量点，在Y坐标方向上布置两个测量点，在Z坐标方向上布置一个测量点。X方向上的两个测量点负责测量X轴热漂移及绕Y轴转动这两个热误差自由度；Y方向上的两个测量点负责测量Y轴热漂移及绕X轴转动这两个热误差自由度；Z方向上的测量点负责测量Z轴向的伸长热误差。这是最常用的热误差检测技术手段，操作简单，精度较高，被广泛应用。但这只是针对热变形最大的旋转主轴的检测，而将刀架等热变形忽略掉了，这对加工精度造成的影响不可忽略，滚齿机床刀架热变形对刀具与工件的位置关系影响较大。

发明内容

本发明提供一种滚齿机床热误差的检测装置及检测方法，可有效检测机床滚刀与工件之间的热误差，解决现有方案只能检测旋转主轴热变形，而忽略了刀架、工件轴等热变形的不足。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明滚齿机床热误差检测装置的特点是设置：

一横断面呈矩形的测试棒安装在工件轴上，一由侧板和背板构成的固定板通过固定支架安装在滚刀刀架上，所述固定板的侧板和背板分别与测试棒的侧部平面和背部平面平行；

在所述固定板的侧板上分别设置第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器，位于测试棒的端面正上方设置有第四位移传感器，在所述固定板的背板分别设置有第五位移传感器和第六位移传感器；其中：

第一位移传感器和第三位移传感器处在同一水平线上，两者距离a，第二位移传感器位于第一位移传感器和第三位移传感器连线的中心点O的正下方，距中心点O的距离为a；所述第五位移传感器与第一位移传感器处在同一水平高度上，第六位移传感器与第二位移传感器处在同一水平高度上，且第五位移传感器和第六位移传感器位于同一条竖直线上。

本发明利用滚齿机热误差检测装置的滚齿机热误差检测方法的特点是按如下步骤进行：

步骤一：自然状态下，机床没有发生热变形，记录第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第五位移传感器、第六位移传感器和第四位移传感器的测量值分别为L、L、L、L、L和L，并有：L=L=L，L=L；

步骤二：提供热源模拟加工现场，在温度变化达到稳定状态时，再次记录第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第四位移传感器、第五位移传感器和第六位移传感器的测量值分别为L′₁、L′₂、L′₃、L′₄、L′₅和L′₆；

则滚齿机床六个自由度的热误差分别为：

X轴误差：ΔX=L′₂-L₂

Y轴误差：ΔY=L′₅-L₅

Z轴误差：ΔZ=L′₄-L₄

绕X轴误差： $\∂x=\frac{L_6^{\′}-L_5^{\′}}{a}$

绕Y轴误差： $\∂y=\frac{\left(\frac{L_1^{\′}-L_3^{\′}}{2}\right)-L_2^{\′}}{a}$

绕Z轴误差： $\∂z=\frac{L_1^{\′}-L_3^{\′}}{2a}.$

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明检测装置的设计根据滚齿机的结构，通过固定板和固定支架将位移传感器固定在刀架上，这种形式可以一步到位的检测滚刀与工件之间的相对位置变化关系，解决现有方案只能检测旋转主轴热变形，而忽略了刀架、工件轴等热变形的不足，操作简单有效。

2、本发明检测装置的设计方法不仅可以检测X、Y、Z三个方向的位移误差，还可以检测分别绕三个轴的转动误差，有利于更加全面、精确的进行补偿工作。

附图说明

图1为本发明检测装置结构示意图；

图2为本发明检测装置中各传感器位置关系示意图；

图中标号：1第一位移传感器；2第二位移传感器；3第三位移传感器；4第四位移传感器；5第五位移传感器；6第六位移传感器6；7滚刀刀架；8固定支架；9固定板；10机床床身；11固定夹具；12工件轴；13测试棒。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例中滚齿机床热误差检测装置的结构设置为：

一横断面呈矩形的测试棒13安装在工件轴12上，一由侧板和背板构成的固定板9通过固定支架8安装在滚刀刀架7上，固定板9的侧板和背板分别与测试棒13的侧部平面和背部平面平行；

在固定板9的侧板上分别设置第一位移传感器1、第二位移传感器2和第三位移传感器3，位于测试棒13的端面正上方在机床床身10上通过固定夹具11设置有第四位移传感器4，在固定板9的背板分别设置有第五位移传感器5和第六位移传感器6；其中：

第一位移传感器1和第三位移传感器3处在同一水平线上，两者距离2a，第二位移传感器2位于第一位移传感器1和第三位移传感器3连线的中心点O的正下方，具距中心点O的距离为a；所述第五位移传感器5与第一位移传感器1处在同一水平高度上，第六位移传感器6与第二位移传感器2处在同一水平高度上，且第五位移传感器5和第六位移传感器6位于同一条竖直线上。

本实施例中滚齿机热误差检测装置的滚齿机热误差检测方法是按如下步骤进行：

步骤一：自然状态下，机床没有发生热变形，记录第一位移传感器1、第二位移传感器2、第三位移传感器3、第五位移传感器5、第六位移传感器6和第四位移传感器4的测量值分别为L₁、L₂、L₃、L₅、L₆和L₄，并有：L₁=L₂=L₃，L₅=L₆；

步骤2：提供热源模拟加工现场，在温度变化达到稳定状态时，再次记录第一位移传感器1、第二位移传感器2、第三位移传感器3、第四位移传感器4、第五位移传感器5和第六位移传感器6的测量值分别为L′₁、L′₂、L′₃、L′₄、L′₅和L′₆；

则滚齿机床六个自由度的热误差分别为：

X轴误差：ΔX=L′₂-L₂

Y轴误差：ΔY=L′₅-L₅

Z轴误差：ΔZ=L′₄-L₄

绕X轴误差： $\∂x=\frac{L_6^{\′}-L_5^{\′}}{a}$

绕Y轴误差： $\∂y=\frac{\left(\frac{L_1^{\′}-L_3^{\′}}{2}\right)-L_2^{\′}}{a}$

绕Z轴误差： $\∂z=\frac{L_1^{\′}-L_3^{\′}}{2a}.$

具体实施中，各位移传感器采用电容式传感器，以非接触式进行位移测量，精度较高，操作简单。固定板9和测试棒13的材料要选用热膨胀系数小的，以免其自身的热变形对测量结果带来干扰。在人工给机床加热之前，要充分研究滚齿机平时加工时的热源分布情况，以便精确的模拟加工现场，提高检测数据的可靠性。

关于固定支架8，参见图1，由于各种类型滚齿机结构不同，滚刀刀架7的结构也各异，本例只是给出一种简易的结构，具体实施中可以根据不同情况设计固定支架的结构，只要满足按要求将固定板9固定在滚刀刀架上即可。同理，固定夹具11也可根据实际情况进行具体设计，满足将第四位置传感器4固定在测试棒13的端面正上方即可。

Claims (2)

1.一种滚齿机床热误差检测装置，其特征是设置：

一横断面呈矩形的测试棒（13）安装在工件轴(12)上，一由侧板和背板构成的固定板(9)通过固定支架(8)安装在滚刀刀架(7)上，所述固定板(9)的侧板和背板分别与测试棒(13)的侧部平面和背部平面平行；

在所述固定板（9）的侧板上分别设置第一位移传感器(1)、第二位移传感器(2)和第3位移传感器(3)，位于测试棒(13)的端面正上方设置有第四位移传感器(4)，在所述固定板（9）的背板分别设置有第五位移传感器(5)和第六位移传感器（6）；其中：

第一位移传感器(1)和第三位移传感器(3)处在同一水平线上，两者距离2a，第二位移传感器（2）位于第一位移传感器(1)和第三位移传感器(3)连线的中心点O的正下方，距中心点O的距离为a；所述第五位移传感器(5)与第一位移传感器(1)处在同一水平高度上，第六位移传感器(6)与第二位移传感器(2)处在同一水平高度上，且第五位移传感器(5)和第六位移传感器（6）位于同一条竖直线上。

2.一种利用权利要求1所述滚齿机床热误差检测装置的滚齿机床热误差检测方法：其特征是按如下步骤进行：

步骤一：自然状态下，机床没有发生热变形，记录第一位移传感器(1)、第二位移传感器(2)、第三位移传感器(3)、第五位移传感器(5)、第六位移传感器(6)和第四位移传感器(4)的测量值分别为L₁、L₂、L₃、L₅、L₆和L₄，并有：L₁=L₂=L₃，L₅=L₆；

步骤二：提供热源模拟加工现场，在温度变化达到稳定状态时，再次记录第一位移传感器(1)、第二位移传感器(2)、第三位移传感器(3)、第四位移传感器(4)、第五位移传感器(5)和第六位移传感器(6)的测量值分别为L'₁、L'₂、L'₃、L'₄、L'₅和L'₆；

则滚齿机床六个自由度的热误差分别为：

X轴误差：ΔX=L'₂-L₂

Y轴误差：ΔY=L'₅-L₅

Z轴误差：ΔZ=L'₄-L₄

绕X轴误差： $\∂x=\frac{L_6^{\′}-L_5^{\′}}{a}$

绕Y轴误差： $\∂y=\frac{\left(\frac{L_1^{\′}+L_3^{\′}}{2}\right)-{L^{\′}}_2}{a}$

绕Z轴误差： $\∂z=\frac{L_1^{\′}-L_3^{\′}}{2a}.$

Images