CN104999342A - 数控机床实切状态下热误差自动测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数控机床实切状态下热误差自动测量系统，包括用于测量数控机床温度敏感点的温度值的温度传感器，其输出端与温度采集单元的输入端相连；用于对标准件进行测量的在线检测系统分两路输出触发信号，一路发送至数控机床的数控系统，另一路发送至用于提取数控机床空间坐标的坐标采集单元，数控机床的数控系统的输出端与坐标采集单元的输入端相连，坐标采集单元、温度采集单元的输出端均与PC机的输入端相连。本发明还公开了数控机床实切状态下热误差自动测量方法。本发明提出的数控机床实切状态下热误差自动测量系统，能够测量实切状态下数控机床X、Y、Z三个方向的热误差，测点多，量程大，实现了数控机床热误差数据的自动采集与保存。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床热误差测量技术领域，尤其是一种数控机床实切状态下热误差自动测量系统及其测量方法。
背景技术
目前，国际上关于机床热误差补偿的相关研究大多按照国际标准《机床检验通则第3部分：热效应的确定》（ISO 230-3：2001 IDT）的规定，在数控机床空转状态下进行热误差测量、建模与补偿实施，标准中介绍了利用5点法对机床热误差进行测量的方法，但此方法仅用于机床空转状态。
申请号为201410064187.1的专利公开了一种机床热误差测量系统，该测量系统包括温度传感标签、RFID 读写器、激光位移传感器测试系统和上位机控制系统，其中，RFID 读写器和激光位移传感器测试系统接收上位机控制系统发出的测量命令，RFID 读写器接收测量命令输出至温度传感标签，温度传感标签将测量的温度信息输出至RFID 读写器并传输给上位机控制系统，激光位移传感器测试系统将与获取的温度信息对应时刻的热变形信号输出给上位机控制系统。然而，该发明用于机床主轴空转状态进行测量，在机床实切状态下，存在切削液以及其它复杂加工环境因素，激光位移传感器易受影响导致测量精度下降，难以保证精度。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种实现在实切状态下对数控机床进行热误差测量，且能够测量数控机床X、Y、Z三个方向的热误差的数控机床实切状态下热误差自动测量系统。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种数控机床实切状态下热误差自动测量系统，包括用于测量数控机床温度敏感点的温度值的温度传感器，其输出端与温度采集单元的输入端相连；用于对标准件进行测量的在线检测系统分两路输出触发信号，一路发送至数控机床的数控系统，另一路发送至用于提取数控机床空间坐标的坐标采集单元，数控机床的数控系统的输出端与坐标采集单元的输入端相连，坐标采集单元、温度采集单元的输出端均与PC机的输入端相连。
所述在线检测系统由用于测量标准件的测头和红外检测装置组成，测头上设置红外发射二极管，红外检测装置上设置红外接收二极管，红外检测装置的I/O口输出触发信号分别至数控机床的数控系统、坐标采集单元；所述测头安装在数控机床的刀库中。
所述温度传感器采用具有磁吸附式结构的DS18B20数字温度传感器，吸附在数控机床的温度敏感点上；所述标准件固定在数控机床的工作台上。
所述坐标采集单元由第一接口电路、光电隔离电路、第一MCU控制器和第一串口通信电路组成，第一接口电路的输出端与光电隔离电路的输入端相连，光电隔离电路的输出端与第一MCU控制器的输入端相连，第一MCU控制器的输出端与第一串口通信电路的输入端相连；所述第一接口电路的输入端分别与数控机床的数控系统的输出端、在线检测系统的输出端相连，所述第一串口通信电路的输出端与PC机相连。
所述温度采集单元由第二接口电路、第二MCU控制器和第二串口通信电路组成，第二接口电路的输出端与第二MCU控制器的输入端相连，第二MCU控制器的输出端与第二串口通信电路的输入端相连；所述第二接口电路的输入端与温度传感器相连，所述第二串口通信电路与PC机相连。
所述PC机内安装以下功能模块：
温度采集模块，与温度采集单元进行通信，采集温度传感器的温度值，实时显示并将温度值发送给触发保存模块；
坐标采集模块，与坐标采集单元进行通信，读取数控机床的空间坐标值以及在线检测系统的触发信号，实时显示数控机床的空间坐标值并将空间坐标值以及触发信号发送给触发保存模块；
触发保存模块，在有触发信号时，将温度值及空间坐标值保存。
本发明的另一目的在于提供一种数控机床实切状态下热误差自动测量方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）上电初始化，对数控机床进行回零操作，将标准件固定在数控机床的工作台上，将标准件中心点正上方的一个点设为零点，然后进行5点测量的路径设定；
（2）设定完成后，数控机床开始运行，数控机床从刀库中换上在线检测系统的测头，启动在线检测系统，分别从X、Y、Z三个方向触碰工作台上的标准件,总共测量5点，其中Z向1点，X向2点，Y向2点，PC机将加工前的这5点的空间坐标值及数控机床温度敏感点的温度值保存，作为初始值；
（3）数控机床从刀库中换上刀具，切削工件，PC机实时显示数控机床的空间坐标值和温度敏感点的温度值，切削一段固定的时间后，从刀库中换上在线检测系统的测头，回到零点，触碰标准件，总共测量5点，其中Z向1点，X向2点，Y向2点，PC机保存线检测系统的测头触碰标准件时的坐标值和温度敏感点的温度值；
（4）重复步骤（3），直至到达设定时间，进入下一步；
（5）将PC机保存的坐标值和温度值减去初始值得到数控机床X、Y、Z三个方向的热误差数据；
所述切削一段固定的时间是指切削的时间在5分钟以内，所述设定时间为4个小时。
由上述技术方案可知，本发明的优点在于：第一，本发明提出的数控机床实切状态下热误差自动测量系统，能够测量实切状态下数控机床X、Y、Z三个方向的热误差，测点多，量程大，为研究实切状态下数控机床的热特性提供了基础；第二，本发明实现了自动读取数控机床坐标值以及温度传感器的温度值，结合在线检测系统的触发信号，实现了数控机床热误差数据的自动采集与保存。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明中标准件的测点位置示意图；
图4为本发明的方法流程图；
图5为本发明中坐标采集单元的电路框图；
图6为本发明中温度采集单元的电路框图；
图7为本发明中PC机内设的功能模块框图。
具体实施方式
如图1所示，一种数控机床实切状态下热误差自动测量系统，包括用于测量数控机床7温度敏感点的温度值的温度传感器1，其输出端与温度采集单元3的输入端相连；用于对标准件进行测量的在线检测系统分两路输出触发信号，一路发送至数控机床7的数控系统，另一路发送至用于提取数控机床7空间坐标的坐标采集单元2，数控机床7的数控系统的输出端与坐标采集单元2的输入端相连，坐标采集单元2、温度采集单元3的输出端均与PC机的输入端相连。
如图1所示，所述数控机床7为带有刀库并且能够进行至少三轴联动，其数控系统负责将空间坐标值发送给坐标采集单元2；在线检测系统安装在数控机床7上，负责对标准件4进行测量，将触发信号发送给数控机床7的数控系统和坐标采集单元2；所述坐标采集单元2具备获得OP550触发信号和提取数控机床7空间坐标功能，负责接收并将在线检测系统触发信号和数控机床7空间坐标值发送给PC机；所述温度采集单元3具备获得DS18B20数字温度传感器温度值的功能，负责接收并将温度传感器1的温度值发送给PC机；所述PC机负责在接收坐标采集单元2提供的触发信号后，保存并实时显示由坐标采集单元2输送的空间坐标值和温度采集单元3输送的温度值。
如图2所示，所述在线检测系统由用于测量标准件4的测头5和红外检测装置组成，测头5上设置红外发射二极管，红外检测装置上设置红外接收二极管，红外检测装置的I/O口输出触发信号分别至数控机床7的数控系统、坐标采集单元2；所述测头5安装在数控机床7的刀库中。所述温度传感器1采用具有磁吸附式结构的DS18B20数字温度传感器，吸附在数控机床7的温度敏感点上；所述标准件4固定在数控机床7的工作台上。
如图5所示，所述坐标采集单元2由第一接口电路、光电隔离电路、第一MCU控制器和第一串口通信电路组成，第一接口电路的输出端与光电隔离电路的输入端相连，光电隔离电路的输出端与第一MCU控制器的输入端相连，第一MCU控制器的输出端与第一串口通信电路的输入端相连；所述第一接口电路的输入端分别与数控机床的数控系统的输出端、在线检测系统的输出端相连，所述第一串口通信电路的输出端与PC机相连。第一接口电路的输入端与数控机床7数控系统的I/O口相连接，并与在线检测系统的触发信号连接，第一MCU控制器对数控机床7发出的坐标信号以及在线检测系统的触发信号进行预处理，与PC机进行数据传输。
如图6所示，所述温度采集单元3由第二接口电路、第二MCU控制器和第二串口通信电路组成，第二接口电路的输出端与第二MCU控制器的输入端相连，第二MCU控制器的输出端与第二串口通信电路的输入端相连；所述第二接口电路的输入端与温度传感器1相连，所述第二串口通信电路与PC机相连。所述温度采集单元3读取温度传感器1的温度值，负责将读取的温度值发送给PC机。第二接口电路与分布在数控机床7温度敏感点上的温度传感器1的数据线相连接， 第二MCU控制器对温度传感器1进行初始化，对采集的温度信号进行预处理，与PC机进行数据传输。
如图7所示，所述PC机内安装以下功能模块：温度采集模块，与温度采集单元3进行通信，采集温度传感器1的温度值，实时显示并将温度值发送给触发保存模块；坐标采集模块，与坐标采集单元2进行通信，读取数控机床7的空间坐标值以及在线检测系统的触发信号，实时显示数控机床7的空间坐标值并将空间坐标值以及触发信号发送给触发保存模块；触发保存模块，在有触发信号时，将温度值及空间坐标值保存。
如图4所示，在工作时，本方法包括下列顺序的步骤：
（1）上电初始化，对数控机床7进行回零操作，将标准件4固定在数控机床7的工作台上，将标准件4中心点正上方的一个点设为零点，然后进行5点测量的路径设定；
（2）设定完成后，数控机床7开始运行，数控机床7从刀库中换上在线检测系统的测头5，启动在线检测系统，分别从X、Y、Z三个方向触碰工作台上的标准件4,总共测量5点，其中Z向1点，即图3中的a点，X向2点，即图3中的b点、c点，Y向2点，即图3中的d点，e点，PC机将加工前的这5点的空间坐标值及数控机床7温度敏感点的温度值保存，作为初始值；
（3）数控机床7从刀库中换上刀具8，切削工件6，PC机实时显示数控机床7的空间坐标值和温度敏感点的温度值，切削一段固定的时间后，从刀库中换上在线检测系统的测头5，回到零点，触碰标准件4，总共测量5点，其中Z向1点，即图3中的a点，X向2点，即图3中的b点、c点，Y向2点，即图3中的d点，e点，PC机保存线检测系统的测头5触碰标准件4时的坐标值和温度敏感点的温度值；
（4）重复步骤（3），直至到达设定时间，进入下一步；
（5）将PC机保存的坐标值和温度值减去初始值得到数控机床7的X、Y、Z三个方向的热误差数据；
所述切削一段固定的时间是指切削的时间在5分钟以内，所述设定时间为4个小时。
PC机实时显示温度值和坐标值，但是不保存，只有在接收到触发信号时，才对温度值和坐标值进行保存。在线检测系统的测5头碰触到标准件4，则发送触发信号分别至数控机床7的数控系统和坐标采集单元2，数控机床7的数控系统接收到触发信号后，令主轴停止运行2s，然后继续对下一个测点进行测量，坐标采集单元2接收到触发信号后，将触发信号以及接收到触发信号时的坐标值一同发送至PC机，PC机对此时的坐标值和温度值进行保存。
在数控机床7运行的过程中，数控机床7的数控系统将空间坐标值通过I/O口发送给坐标采集单元2，在线检测系统将触发信号发送给坐标采集单元2，坐标采集单元2将在线检测系统触发信号和空间坐标值发送给PC机，温度采集单元3将数控机床7温度敏感点的温度值发送给PC机，PC机实时显示空间坐标值和温度敏感点的温度值，通过触发信号自动保存在线检测系统的测头5触碰标准件4时的坐标值和温度敏感点的温度值。将PC机保存的坐标值和温度值减去初始值得到数控机床7的X、Y、Z三个方向的热误差数据。
综上所述，本发明提出一种在数控机床7实切状态下测量热误差的新系统，能够在数控机床7实切状态下测量X、Y、Z三个方向的热误差；实现了数控机床7热误差的自动采集与保存。
Claims (8)
1.一种数控机床实切状态下热误差自动测量系统，其特征在于：包括用于测量数控机床温度敏感点的温度值的温度传感器，其输出端与温度采集单元的输入端相连；用于对标准件进行测量的在线检测系统分两路输出触发信号，一路发送至数控机床的数控系统，另一路发送至用于提取数控机床空间坐标的坐标采集单元，数控机床的数控系统的输出端与坐标采集单元的输入端相连，坐标采集单元、温度采集单元的输出端均与PC机的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的数控机床实切状态下热误差自动测量系统，其特征在于：所述在线检测系统由用于测量标准件的测头和红外检测装置组成，测头上设置红外发射二极管，红外检测装置上设置红外接收二极管，红外检测装置的I/O口输出触发信号分别至数控机床的数控系统、坐标采集单元；所述测头安装在数控机床的刀库中。
3.根据权利要求1所述的数控机床实切状态下热误差自动测量系统，其特征在于：所述温度传感器采用具有磁吸附式结构的DS18B20数字温度传感器，吸附在数控机床的温度敏感点上；所述标准件固定在数控机床的工作台上。
4.根据权利要求1所述的数控机床实切状态下热误差自动测量系统，其特征在于：所述坐标采集单元由第一接口电路、光电隔离电路、第一MCU控制器和第一串口通信电路组成，第一接口电路的输出端与光电隔离电路的输入端相连，光电隔离电路的输出端与第一MCU控制器的输入端相连，第一MCU控制器的输出端与第一串口通信电路的输入端相连；所述第一接口电路的输入端分别与数控机床的数控系统的输出端、在线检测系统的输出端相连，所述第一串口通信电路与PC机相连。
5.根据权利要求1所述的数控机床实切状态下热误差自动测量系统，其特征在于：所述温度采集单元由第二接口电路、第二MCU控制器和第二串口通信电路组成，第二接口电路的输出端与第二MCU控制器的输入端相连，第二MCU控制器的输出端与第二串口通信电路的输入端相连；所述第二接口电路的输入端与温度传感器相连，所述第二串口通信电路与PC机相连。
6.根据权利要求1所述的数控机床实切状态下热误差自动测量系统，其特征在于：所述PC机内安装以下功能模块：
温度采集模块，与温度采集单元进行通信，采集温度传感器的温度值，实时显示并将温度值发送给触发保存模块；
坐标采集模块，与坐标采集单元进行通信，读取数控机床的空间坐标值以及在线检测系统的触发信号，实时显示数控机床的空间坐标值并将空间坐标值以及触发信号发送给触发保存模块；
触发保存模块，在有触发信号时，将温度值及空间坐标值保存。
7.一种数控机床实切状态下热误差自动测量方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）上电初始化，对数控机床进行回零操作，将标准件固定在数控机床的工作台上，将标准件中心点正上方的一个点设为零点，然后进行5点测量的路径设定；
（2）设定完成后，数控机床开始运行，数控机床从刀库中换上在线检测系统的测头，启动在线检测系统，分别从X、Y、Z三个方向触碰工作台上的标准件,总共测量5点，其中Z向1点，X向2点，Y向2点，PC机将加工前的这5点的空间坐标值及数控机床温度敏感点的温度值保存，作为初始值；
（3）数控机床从刀库中换上刀具，切削工件，PC机实时显示数控机床的空间坐标值和温度敏感点的温度值，切削一段固定的时间后，从刀库中换上在线检测系统的测头，回到零点，触碰标准件，总共测量5点，其中Z向1点，X向2点，Y向2点，PC机保存线检测系统的测头触碰标准件时的坐标值和温度敏感点的温度值；
（4）重复步骤（3），直至到达设定时间，进入下一步；
（5）将PC机保存的坐标值和温度值减去初始值得到数控机床X、Y、Z三个方向的热误差数据。
8.根据权利要求7所述的数控机床实切状态下热误差自动测量方法，其特征在于：所述切削一段固定的时间是指切削的时间在5分钟以内，所述设定时间为4个小时。
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