CN103801987A - 数控机床主轴旋转热误差测量数据精度的提升方法 - Google Patents

数控机床主轴旋转热误差测量数据精度的提升方法 Download PDF

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党连春
高增汉
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    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools

Abstract

本发明公开了一种数控机床主轴旋转热误差测量数据精度的提升方法，对主轴旋转产生的在主轴X和Y向热误差进行了原理性分析计算，对测量数据进行了修正，获得了更加准确的实际热误差数据，避免了现有技术所存在的原理性误差，获得实际的机床主轴X和Y向热误差，保证了依据该数据建立的数学模型具有更高的精度。本发明修正了传统数控机床主轴旋转热误差测量数据处理方法中原理性缺陷，获得了精确的机床主轴热误差测量数据，避免了因根据原理性缺陷数据建立的模型补偿仿真精度与实际补偿功效差异过大的缺点，保证了数控机床热误差补偿建模精度的真实有效性，增强了热误差补偿功能与精度，可通过软件编程实现在线准确测量数据的获取，具有实用性。

Description

数控机床主轴旋转热误差测量数据精度的提升方法
技术领域
本发明涉及数控机床热误差补偿精度提升技术领域，具体涉及一种数控机床主轴旋转热误差测量数据精度的提升方法。
背景技术
数控机床主轴旋转热误差补偿技术在实施时，补偿量是依据已建立的数学模型计算后获得。数学模型来源于实验数据，准确的实验数据对数控机床热误差补偿效果与相关的热误差分析结论具有重要的影响。目前主轴热变形实验数据获得是依据国标《机床检验通则 第3部分：热效应的确定（GB/T 17421.3-2009）》提供方法，将位移传感器布置在主轴检验棒X、Y和Z向（其中X和Y处于同一圆截面上），根据传感器数值变动量作为主轴X、Y 和Z向热误差数值。但是，数控机床主轴发生热变形后，主轴热变形方式多样，包括偏移、翘曲等多种形式，这导致了主轴检验棒圆心位置发生变化，而传感器的空间位置并没有随之变动，此时测出的数据并非通过检验棒圆心位置的X、Y和Z向的检验棒上点的位移量，而是正对传感器方向的检验棒表面点到传感器的位移量。实质热变形量应该是通过检验棒圆心位置的X、Y和Z向的检验棒上点的位移变化量，这造成了目前进行数控机床主轴热误差测量时存在数据处理技术上的原理性误差（其中Z向造成的误差较小，本专利不予考虑）。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种数控机床主轴旋转热误差测量数据精度的提升方法，避免现有技术所存在的原理性误差，获得实际的机床主轴X和Y向热误差，保证依据该数据建立的数学模型具有更高的精度。
本发明的技术方案如下：
一种数控机床主轴旋转热误差测量数据精度的提升方法，其方法具体包括以下步骤：
（1）、针对数控机床主轴检验棒，在通过检验棒圆心位置的X和Y向同一圆截面方向上安置两个精密位移传感器（接触或非接触式），用于测量传感器距离通过检验棒圆心位置的X和Y向的检验棒上点的位移变化。在机床主轴发生热变形前，检验棒半径为R，检验棒圆心坐标O（0,0），测量检验棒X向点坐标A（x0,0）（x0=R）和Y向点坐标B（0,y0）（y0=R），如图1所示；
（2）、数控机床主轴热变形后，第一次进行热变形数据采样，由于主轴检验棒发生了偏移等热变形，主轴检验棒圆心由原来的O点移动到O’（x’, y’）点位置，此时通过检验棒圆心位置的X和Y向的检验棒上点已变动到A1和B1处，如图1所示。而两个精密位移传感器测量检验棒X向和Y向点坐标分别为A’（x1,0）和B’（0,y1），此时A’和B’并非为通过检验棒圆心位置的X和Y向的检验棒上点。因检验棒半径为R，根据公式：
                      （1）
由公式（1）解得（x’, y’）有两组解：
Figure 252297DEST_PATH_IMAGE002
                （2）
Figure 958085DEST_PATH_IMAGE003
                 （3）
由于检验棒圆心的偏移量是微米级，相对初始圆心O（0,0）的改变也属于微米级，故选择公式（3）作为检验棒偏移后的圆心坐标O’（x’, y’）；
确定出检验棒圆心坐标O’（x’, y’）后，反算出通过检验棒圆心位置的X和Y向的检验棒上点坐标为A1（xA1,yA1）和B1（xB1,yB1）。式中：
Figure 293252DEST_PATH_IMAGE004
             （4）
          （5）
（3）、主轴热变形计算按照以下公式计算：
X向热变形为：△x1=xA1-x0（x0=R）；
Y向热变形为：△y1= yB1-y0（y0=R）；
即：
           （6）
（4）、依此类推，当第N次进行热变形数据采样时，两个精密位移传感器测量检验棒X向和Y向点坐标分别为AN（xN,0）和BN（0,yN），根据公式（3）确定出检验棒圆心坐标为ON（xN, yN）。根据公式（4）、（5）反算出通过检验棒圆心位置的X和Y向的检验棒上点坐标为AN（xAN, yAN）和BN（xBN, yBN）。根据步骤（3）计算：
X向热变形为：△xN=xAN-x0（x0=R）；
Y向热变形为：△yN= yBN-y0（y0=R）；
即：
Figure 661282DEST_PATH_IMAGE007
         （7）
本发明的有益效果：
（1）、本发明修正了传统数控机床主轴旋转热误差测量数据处理方法中原理性缺陷，获得了精确的机床主轴热误差测量数据；
（2）、本发明避免了因根据原理性缺陷数据建立的模型补偿仿真精度与实际补偿功效差异过大的缺点，保证了数控机床热误差补偿建模精度的真实有效性，增强了热误差补偿功能与精度；
（3）、本发明方法使用简便、稳定性高、可靠性强，可通过软件编程实现在线准确测量数据的获取，具有很好的实用性。
附图说明
图1为测量误差原理示意图。
图2为新型测量X向热误差数据与传统测量X向热误差数据比较图。
图3为新型测量Y向热误差数据与传统测量Y向热误差数据比较图。
具体实施方式
参见图1，一种数控机床主轴旋转热误差测量数据精度的提升方法，具体包括以下步骤：
（1）、针对数控机床主轴检验棒，在通过检验棒圆心位置的X和Y向同一圆截面方向上安置两个精密位移传感器（接触或非接触式），用于测量传感器距离通过检验棒圆心位置的X和Y向的检验棒上点的位移变化。在机床主轴发生热变形前，检验棒半径为R，检验棒圆心坐标O（0,0），测量检验棒X向点坐标A（x0,0）（x0=R）和Y向点坐标B（0,y0）（y0=R），如图1所示；
（2）、数控机床主轴热变形后，第一次进行热变形数据采样，由于主轴检验棒发生了偏移等热变形，主轴检验棒圆心由原来的O点移动到O’（x’, y’）点位置，此时通过检验棒圆心位置的X和Y向的检验棒上点已变动到A1和B1处，如图1所示。而两个精密位移传感器测量检验棒X向和Y向点坐标分别为A’（x1,0）和B’（0,y1），此时A’和B’并非为通过检验棒圆心位置的X和Y向的检验棒上点。因检验棒半径为R，根据公式：
Figure 432929DEST_PATH_IMAGE001
                      （1）
由公式（1）解得（x’, y’）有两组解：
Figure 383567DEST_PATH_IMAGE002
                （2）
Figure 266073DEST_PATH_IMAGE003
                 （3）
由于检验棒圆心的偏移量是微米级，相对初始圆心O（0,0）的改变也属于微米级，故选择公式（3）作为检验棒偏移后的圆心坐标O’（x’, y’）；
确定出检验棒圆心坐标O’（x’, y’）后，反算出通过检验棒圆心位置的X和Y向的检验棒上点坐标为A1（xA1,yA1）和B1（xB1,yB1）。式中：
Figure 618557DEST_PATH_IMAGE004
             （4）
Figure 136605DEST_PATH_IMAGE005
          （5）
（3）、主轴热变形计算按照以下公式计算：
X向热变形为：△x1=xA1-x0（x0=R）；
Y向热变形为：△y1= yB1-y0（y0=R）；
即：
Figure 574540DEST_PATH_IMAGE006
           （6）
（4）、依此类推，当第N次进行热变形数据采样时，两个精密位移传感器测量检验棒X向和Y向点坐标分别为AN（xN,0）和BN（0,yN），根据公式（3）确定出检验棒圆心坐标为ON（xN, yN）。根据公式（4）、（5）反算出通过检验棒圆心位置的X和Y向的检验棒上点坐标为AN（xAN, yAN）和BN（xBN, yBN）。根据步骤（3）计算：
X向热变形为：△xN=xAN-x0（x0=R）；
Y向热变形为：△yN= yBN-y0（y0=R）；
即：
Figure 995157DEST_PATH_IMAGE007
         （7）。
参见图2、图3，以下通过具体实施方式对本发明作进一步说明：
本实施例中，选用：
（1）、南通科技（TONTEC）VCL850型号的立式数控加工中心，出厂指标是：X轴行程：850 mm；Y轴行程：550 mm；Z轴行程：540 mm；工作台面积：550*1000 mm；主轴最高转速：8000 rpm；主轴孔锥度：BT-40；X/Y/Z轴快速位移：36 m/min；最大切削进给率：24 m/min；定位精度：0.01 mm；重复定位精度：0.005 mm；
（2）、圆检验棒，指标是：材料：铁；长度：30 cm；半径：10 mm；上端面锥度：BT-40；下端面：平面；
（3）、KAMAN公司KD2306-1SM型号的电涡流传感器，出厂指标是：量程范围：0.001~1.000mm（本试验选择测量范围为：0.250~0.350mm）；标准灵敏度：10V/mm；分辨率：0.1mm；测量精度：1mm；频率响应：50 KHz；电压：24V。
测量使用时，主轴旋转转速固定为3000 rpm，采集系统每隔3 min采集一次测量数据，主轴旋转时间持续5 h以上。
方法步骤如下：
（1）、针对数控机床主轴检验棒，在通过检验棒圆心位置的X和Y向同一圆截面方向上安置两个精密电涡流位移传感器，用于测量传感器距离通过检验棒圆心位置的X和Y向的检验棒上点的位移变化。在机床主轴旋转发生热变形前，检验棒半径为R=10000 mm，检验棒圆心坐标O（0,0），测量检验棒X向点坐标A（R,0）和Y向点坐标B（0,R）；
（2）、数控机床主轴以3000 rpm旋转3 min之后进行第一次热变形数据采集，测得两个电涡流传感器测量检验棒X向和Y向的偏移量为
Figure 467727DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 643493DEST_PATH_IMAGE009
，即传统测量方法测量的X向热误差为
Figure 568724DEST_PATH_IMAGE008
mm，Y向热误差为
Figure 793032DEST_PATH_IMAGE009
mm。根据新型测量方法，两个电涡流传感器测量检验棒X向和Y向点坐标分别为A’（x1,0）（x1=R-
Figure 854529DEST_PATH_IMAGE008
）和B’（0,y1）（y1=R-
Figure 201196DEST_PATH_IMAGE010
），则通过检验棒圆心位置的X和Y向的检验棒上点坐标为A1（xA1,yA1）和B1（xB1,yB1）。那么，X向热变形△x1=xA1-R和Y向热变形△y1= yB1-R，即：
  （1）
（3）、依此类推，当第N次进行热变形数据采集时，测得两个电涡流传感器测量检验棒X向和Y向的偏移量为
Figure 641722DEST_PATH_IMAGE012
和，即传统测量方法测量的X向热误差为
Figure 12977DEST_PATH_IMAGE012
mm，Y向热误差为
Figure 975117DEST_PATH_IMAGE013
mm。根据新型测量方法，X向热变形△xN=xAN-R和Y向热变形△yN= yBN-R，即：
即：
Figure 541228DEST_PATH_IMAGE014
 （2）
（4）、数控机床主轴以3000 rpm旋转，持续时间为330 min，共采集获得110组热误差数据，X向传统热误差数据为数组[2.7200，9.6880，14.3200，17.8080，18.7620，20.8560，21.1440，22.5960，……，10.8860，10.8920，11.1740，9.7280，11.1740，9.5960，9.6300，10.2900] （单位：mm），Y向传统热误差数据为数组[5.0800，12.8820，19.3160，22.7560，23.7120，24.8320，24.2820，28.8880，……，8.6620，7.8300，8.2280，7.6400，5.9940，7.4880，7.3180，7.5220] （单位：mm）。依据计算公式（2）可以获得新型测量方法的热误差数据，X向新型热误差数据为数组[2.7071，9.6056，14.1354，17.5525，18.4849，20.5529，20.8544，22.1857，……，10.8490，10.8618，11.1407，9.6992，11.1564，9.5683，9.6036，10.2621] （单位：mm），Y向新型热误差数据为数组[5.0763，12.8359，19.2161，22.6019，23.5411，24.6208，24.0645，28.6419，……，8.6031，7.7710，8.1659，7.5930，5.9318，7.4422，7.2719，7.4693] （单位：mm）。
新型测量数据精度的提升方法与传统测量数据精度算法比较：
（1）、将新型提升方法测量的热误差数据与传统方法测量的热误差数据分别进行多项式数据拟合，建立热误差与温度之间的数学关系。新型提升方法测量的X向热误差数据拟合的多项式为
Figure 842896DEST_PATH_IMAGE015
（其中，x1和x2表示测量的机床关键点的温度值），误差标准差为3.5638 mm，新型提升方法测量的Y向热误差数据拟合的多项式为（其中，x3和x4表示测量的机床关键点的温度值），误差标准差为4.3934 mm；传统方法拟合测量的X向热误差数据的多项式为
Figure 154371DEST_PATH_IMAGE017
（其中，x1和x2表示测量的机床关键点的温度值），误差标准差为3.5175 mm，传统方法拟合测量的Y向热误差数据的多项式为（其中，x3和x4表示测量的机床关键点的温度值），误差标准差为4.3531 mm；
（2）、分析比较其结果，数控机床主轴旋转热误差测量数据精度的提升方法获得的热误差数据比传统的热误差数据更加准确，同时，新型测量数据精度的提升方法与传统测量数据精度算法相比较，数据拟合精度更高，效果更好。

Claims (1)

1.一种数控机床主轴旋转热误差测量数据精度的提升方法，其特征在于：其方法具体包括以下步骤：
（1）、针对数控机床主轴检验棒，在通过检验棒圆心位置的X和Y向同一圆截面方向上安置两个精密位移传感器（接触或非接触式），用于测量传感器距离通过检验棒圆心位置的X和Y向的检验棒上点的位移变化；在机床主轴发生热变形前，检验棒半径为R，检验棒圆心坐标O（0,0），测量检验棒X向点坐标A（x0,0）（x0=R）和Y向点坐标B（0,y0）（y0=R），如图1所示；
（2）、数控机床主轴热变形后，第一次进行热变形数据采样，由于主轴检验棒发生了偏移等热变形，主轴检验棒圆心由原来的O点移动到O’（x’, y’）点位置，此时通过检验棒圆心位置的X和Y向的检验棒上点已变动到A1和B1处，如图1所示；而两个精密位移传感器测量检验棒X向和Y向点坐标分别为A’（x1,0）和B’（0,y1），此时A’和B’并非为通过检验棒圆心位置的X和Y向的检验棒上点；因检验棒半径为R，根据公式：
                      （1）
由公式（1）解得（x’, y’）有两组解：
Figure 952155DEST_PATH_IMAGE002
                （2）
Figure 945519DEST_PATH_IMAGE003
                 （3）
由于检验棒圆心的偏移量是微米级，相对初始圆心O（0,0）的改变也属于微米级，故选择公式（3）作为检验棒偏移后的圆心坐标O’（x’, y’）；
确定出检验棒圆心坐标O’（x’, y’）后，反算出通过检验棒圆心位置的X和Y向的检验棒上点坐标为A1（xA1,yA1）和B1（xB1,yB1）；式中：
Figure 699848DEST_PATH_IMAGE004
             （4）
Figure 436860DEST_PATH_IMAGE005
          （5）
（3）、主轴热变形计算按照以下公式计算：
X向热变形为：△x1=xA1-x0（x0=R）；
Y向热变形为：△y1= yB1-y0（y0=R）；
即：
           （6）
（4）、依此类推，当第N次进行热变形数据采样时，两个精密位移传感器测量检验棒X向和Y向点坐标分别为AN（xN,0）和BN（0,yN），根据公式（3）确定出检验棒圆心坐标为ON（xN, yN）；
根据公式（4）、（5）反算出通过检验棒圆心位置的X和Y向的检验棒上点坐标为AN（xAN, yAN）和BN（xBN, yBN）；
根据步骤（3）计算：
X向热变形为：△xN=xAN-x0（x0=R）；
Y向热变形为：△yN= yBN-y0（y0=R）；
即：
Figure 452406DEST_PATH_IMAGE007
         （7）。
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