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Abstract

本发明提供一种解决机床主轴热误差实时补偿前期数据采集及分析的机床主轴热误差的测试系统及测试方法。包括数据采集单元、数据处理单元、数据显示单元以及数据储存单元；数据处理单元与数据采集单元、数据显示单元以及数据储存单元分别连接；数据采集单元主要由设于机床主轴箱上多个温度传感器与设于机床主轴端部周围用以采集机床主轴中轴线方向变形量信号和机床主轴径向变形量信号的多个距离传感器形成，多个距离传感器的传感端与机床主轴有预设距离。本发明实施例的有益效果是：可适应各种不同的机床主轴箱，精度较高，具有良好的可靠性；通过确定最佳测温点的位置建立线性函数，为建立热误差数学模型及实现实时热误差补偿奠定基础。

Description

一种机床主轴热误差的测试系统及测试方法
技术领域
本发明涉及一种机床测试系统，尤其是一种机床主轴热误差的测试系统及测试方法。
背景技术
机床工作时，在内、外热源的作用下，主轴系统的各个部分都会产生不同程度的温升。升温后，主轴和机床其他部件的空间相对位置和尺寸都将与温升前不同，形成不同的温度场，进而产生不同程度的热变形，导致加工精度误差。据统计，主轴单元的热变形已经成为影响加工精度的主要因素。
发明内容
针对现有机床所存在的上述问题，提供一种旨在解决机床主轴热误差实时补偿前期数据采集及分析的机床主轴热误差的测试系统及测试方法。
具体通过如下技术方案实现：
一种机床主轴热误差的测试系统，其中，包括数据采集单元、数据处理单元、数据显示单元以及数据储存单元；
所述数据处理单元与所述数据采集单元、数据显示单元以及数据储存单元分别连接；
所述数据采集单元主要由设于机床主轴箱上多个温度传感器与设于机床主轴端部周围用以采集机床主轴中轴线方向变形量信号和机床主轴径向变形量信号的多个距离传感器形成，多个所述距离传感器的传感端与所述机床主轴有预设距离；
所述数据处理单元用以接收所述数据采集单元采集的温度信号以及床主轴中轴线方向变形量信号和机床主轴径向变形量信号，并将采集到的信号转换成数值后拟合生成曲线；
所述数据显示单元用以显示所述数据处理单元的接收到的信号和/或处理生成的曲线；
所述数据储存单元用以储存所述数据处理单元利用接收到的信号转换成的数值。
优选的，多个所述温度传感器以相等的距离间隔布设于所述机床主轴箱上与机床主轴对应的位置上。
优选的，多个所述距离传感器中包括一个纵向距离传感器，所述纵向距离传感器纵向设置于所述机床主轴中轴线的延长线上。
优选的，多个所述距离传感器中包括两个横向距离传感器，所述横向距离传感器以中轴线相互垂直且分别垂直于所述机床主轴中轴线的形态布设与使所述机床主轴端部周围；
两个所述横向距离传感器的中轴线处于同一平面内且分别与所述机床主轴的中轴线相交。
优选的，多个所述距离传感器分别通过带有距离调整装置的连接结构布设于所述机床主轴端部周围，所述距离调整装置与一控制器连接，所述控制器控制所述距离调整装置调整多个所述距离传感器与所述机床主轴端部的距离。
优选的，所述温度传感器通过磁吸式连接结构吸附与所述机床主轴箱上。
优选的，所述温度传感器有4个。
优选的，所述温度传感器为热电阻温度传感器。
优选的，所述距离传感器为涡流位移传感器。
一种机床主轴热误差的测试方法，其中，以相等间隔布设多个温度传感器于机床主轴箱上于所述机床主轴对应的位置，采集所述机床主轴箱不同部位的温度值；
布设多个距离传感器于所述机床主轴端部周围，采集所述机床主轴中轴线方向变形量以及所述机床主轴径向变形量；
于所述机床启动前调整多个所述距离传感器的位置使采集到的述机床主轴中轴线方向变形量以及所述机床主轴径向变形量为0；
开启所述机床后同时采集所述机床主轴箱不同部位的温度变化值、所述机床主轴中轴线方向变形量以及所述机床主轴径向变形量，将所述机床主轴中轴线方向变形量与所述机床主轴径向变形量通过换算得到所述热误差值，并以所述热误差值分别于各个所述温度传感器采集到的温度值拟合成多条曲线；
比较多条所述曲线，选取温度值与热误差值最具线性关系的曲线确定最佳测温点。
上述技术方案的有益效果为：
（1）系统结构简单，通过磁吸式连接结构可适应各种不同的机床主轴箱，采用涡流位移传感器精度较高，具有良好的可靠性；
（2）采用实验验证的方法确定最佳测温点的位置，采用最佳测温点的数据建立线性函数，可以精确预报主轴的伸长量，为建立热误差数学模型及实现实时热误差补偿奠定基础。
附图说明
图1为本发明一种机床主轴热误差的测试系统实施例的逻辑结构图；
图2为本发明一种机床主轴热误差的测试系统实施例的温度传感器以及距离传感器布设结构示意图；
图3为本发明一种机床主轴热误差的测试系统实施例的4个温度传感器的实施方式下生成的温度与热误差值的拟合曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的机床主轴热误差的测试系统，其中，包括数据采集单元、数据处理单元、数据显示单元以及数据储存单元；数据处理单元与数据采集单元、数据显示单元以及数据储存单元分别连接；数据采集单元主要由设于机床主轴箱10上的多个温度传感器1与设于机床主轴20端部周围用以采集机床主轴20中轴线方向变形量信号和机床主轴20径向变形量信号的多个距离传感器形成，多个距离传感器的传感端与机床主轴20有预设距离；数据处理单元用以接收数据采集单元采集的温度信号以及床主轴20中轴线方向变形量信号和机床主轴20径向变形量信号，并将采集到的信号转换成数值后拟合生成曲线；数据显示单元用以显示数据处理单元的接收到的信号和/或处理生成的曲线；数据储存单元用以储存数据处理单元利用接收到的信号转换成的数值。上述数据处理单元、数据显示单元以及数据储存单元可以由专用的电子设备形成，也可以由一安装有对应功能软件的PC（Personal Computer）机形成，采用PC机形成数据处理单元、数据显示单元以及数据储存单元的实施方式下，温度传感器和距离传感器可通过USB（Universal Serial Bus）总线接口的数据采集卡与PC机进行连接。
于上述技术方案基础上，多个温度传感器1以相等的距离间隔布设于机床主轴箱10上与机床主轴20对应的位置上，用以确定多个测温点，由于温度传感器1以相等的距离间隔布设使各测温点之间温度变化并不同步，为最佳测温点的选择提供的便利。进一步的多个温度传感器1可通过磁吸式连接结构吸附与机床主轴箱10上，采用磁吸的连接方式使本发明实施例中的机床主轴热误差的测试系统可适应各种不同结构的机床主轴箱，且不必制作专用的温度传感器夹具。优选的，可设置4个温度传感器，使数据采集单元不必配备过多的采集通道，以降低整个系统的成本，同时也可提供较多的候选测温点，当然也可根据实际需要设置2个、3个、5个或者5个以上的温度传感器。本发明实施例选择热电阻温度传感器作为温度传感器，并通过与热电阻温度传感器连接的变送器连接数据处理单元。
于上述技术方案基础上，本发明实施例中的多个距离传感器2中包括一个纵向距离传感器21，纵向距离传感器21纵向设置于机床主轴20中轴线的延长线上。进一步的多个距离传感器2中还包括两个横向距离传感器22，横向距离传感器22以中轴线相互垂直且分别垂直于机床主轴20中轴线的形态布设与使机床主轴20端部周围；两个横向距离传感器22的中轴线处于同一平面内且分别与机床主轴20的中轴线相交。纵向距离传感器21与两个横向距离传感器22确定了3条相互垂直且相交的轴线，使本发明实施例中的多个距离传感器可返回一组三维坐标值以反映机床主轴20的热误差值。也可以设置更多的横向距离传感器22，使多个横向距离传感器22呈放射状布设于机床主轴20周围，且多个横向距离传感器22的中轴线处于同一平面内，并使该平面垂直于机床主轴20的中轴线，设置多个横向距离传感器22可更精确的获得机床主轴20的径向变形量，同时由于设置多个横向距离传感器22获得了冗余，可实现对横向距离传感器22的校验。本发明实施例选用涡流位移传感器作为距离传感器，选用涡流位移传感器可获得更高的精度。由于涡流位移传感器的传感距离限制，在选用涡流位移传感器的实施方式下距离传感器的传感端与机床主轴20的预设距离可设置为2mm。同时还可以为涡流位移传感器配设信号调理装置以获得标准信号输出至数据处理单元。
进一步的，多个距离传感器分别通过带有距离调整装置的连接结构3布设与机床主轴20端部周围，距离调整装置与一控制器（未在图中绘出）连接，控制器控制距离调整装置调整多个距离传感器与机床主轴端部20的距离。于测试开始前需要使距离传感器的读数归零，通过调整带有距离调整装置的连接结构3上的距离调整装置，进而调整距离传感器与机床主轴20端部的距离使距离传感器的读数归零。
本发明还包括一种机床主轴热误差的测试方法，其中，以相等间隔布设多个温度传感器于机床主轴箱上于机床主轴对应的位置，采集机床主轴箱不同部位的温度值；布设多个距离传感器于机床主轴端部周围，采集机床主轴中轴线方向变形量以及机床主轴径向变形量；于机床启动前调整多个距离传感器的位置使采集到的述机床主轴中轴线方向变形量以及机床主轴径向变形量为0；开启机床后同时采集机床主轴箱不同部位的温度变化值、机床主轴中轴线方向变形量以及机床主轴径向变形量，将机床主轴中轴线方向变形量与机床主轴径向变形量通过换算得到热误差值，并以热误差值分别于各个温度传感器采集到的温度值拟合成多条曲线；比较多条曲线，选取温度值与热误差值最具线性关系的曲线确定最佳测温点。于布设4个温度传感器的实施方式下获得的拟合曲线如图3所示，通过选择其中温度值与热误差值线性关系较好的曲线做确定的测温点可建立较为准确的热误差数学模型，从而为实现实时热误差补偿奠定基础。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的申请专利范围，所以凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等效结构变化或者以本领域技术人员惯用的技术手段进行替换，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种机床主轴热误差的测试系统，其特征在于，包括数据采集单元、数据处理单元、数据显示单元以及数据储存单元；
所述数据处理单元与所述数据采集单元、数据显示单元以及数据储存单元分别连接；
所述数据采集单元主要由设于机床主轴箱上多个温度传感器与设于机床主轴端部周围用以采集机床主轴中轴线方向变形量信号和机床主轴径向变形量信号的多个距离传感器形成，多个所述距离传感器的传感端与所述机床主轴有预设距离；
所述数据处理单元用以接收所述数据采集单元采集的温度信号以及床主轴中轴线方向变形量信号和机床主轴径向变形量信号，并将采集到的信号转换成数值后拟合生成曲线；
所述数据显示单元用以显示所述数据处理单元的接收到的信号和/或处理生成的曲线；
所述数据储存单元用以储存所述数据处理单元利用接收到的信号转换成的数值。
2.如权利要求1所述机床主轴热误差的测试系统，其特征在于，多个所述温度传感器以相等的距离间隔布设于所述机床主轴箱上与机床主轴对应的位置上。
3.如权利要求1所述机床主轴热误差的测试系统，其特征在于，多个所述距离传感器中包括一个纵向距离传感器，所述纵向距离传感器纵向设置于所述机床主轴中轴线的延长线上。
4.如权利要求1所述机床主轴热误差的测试系统，其特征在于，多个所述距离传感器中包括两个横向距离传感器，所述横向距离传感器以中轴线相互垂直且分别垂直于所述机床主轴中轴线的形态布设与使所述机床主轴端部周围；
两个所述横向距离传感器的中轴线处于同一平面内且分别与所述机床主轴的中轴线相交。
5.如权利要求1所述机床主轴热误差的测试系统，其特征在于，多个所述距离传感器分别通过带有距离调整装置的连接结构布设于所述机床主轴端部周围，所述距离调整装置与一控制器连接，所述控制器控制所述距离调整装置调整多个所述距离传感器与所述机床主轴端部的距离。
6.如权利要求1所述机床主轴热误差的测试系统，其特征在于，所述温度传感器通过磁吸式连接结构吸附与所述机床主轴箱上。
7.如权利要求1所述机床主轴热误差的测试系统，其特征在于，所述温度传感器有4个。
8.如权利要求1所述机床主轴热误差的测试系统，其特征在于，所述温度传感器为热电阻温度传感器。
9.如权利要求1所述机床主轴热误差的测试系统，其特征在于，所述距离传感器为涡流位移传感器。
10.一种机床主轴热误差的测试方法，其特征在于，以相等间隔布设多个温度传感器于机床主轴箱上于所述机床主轴对应的位置，采集所述机床主轴箱不同部位的温度值；
布设多个距离传感器于所述机床主轴端部周围，采集所述机床主轴中轴线方向变形量以及所述机床主轴径向变形量；
于所述机床启动前调整多个所述距离传感器的位置使采集到的述机床主轴中轴线方向变形量以及所述机床主轴径向变形量为0；
开启所述机床后同时采集所述机床主轴箱不同部位的温度变化值、所述机床主轴中轴线方向变形量以及所述机床主轴径向变形量，将所述机床主轴中轴线方向变形量与所述机床主轴径向变形量通过换算得到所述热误差值，并以所述热误差值分别于各个所述温度传感器采集到的温度值拟合成多条曲线；
比较多条所述曲线，选取温度值与热误差值最具线性关系的曲线确定最佳测温点。
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