CN105785915B - 数控机床全工作台热误差测量系统及其测量方法 - Google Patents

数控机床全工作台热误差测量系统及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种数控机床全工作台热误差测量系统，包括吸附在数控机床工作台台面上的定位板，定位板上均匀安装多个长方体标准件，所述数控机床数控系统的PMC模块I/O口与信号转换器相连，信号转换器与计算机双向通讯，位于所述数控机床的刀具位置处安装测头，所述长方体标准件、测头、数控机床、信号转换器和计算机组成热误差测量系统。本发明还公开了一种数控机床全工作台热误差测量系统的测量方法。本发明仅需一个测头和若干长方体标准件即可实现对数控机床工作台多点热误差测量，成本低廉；通过信号转换器，实现了数控机床和计算机之间的通信功能，可自动测量并保存数据，显著降低测量所需劳动力，避免手动测量和手动记录数据引入的人为粗大误差。

Description

数控机床全工作台热误差测量系统及其测量方法
技术领域
本发明涉及机床热误差测量技术领域，尤其是一种数控机床全工作台热误差测量系统及其测量方法。
背景技术
数控机床是近代工业的里程碑，加工时，无需人工控制刀具，自动化程度高，大大提升了加工效率和产品质量的稳定性，同时降低了操作工人的劳动强度和技能水平，对实行自控化作业有深远影响。由于数控机床结构复杂，运行时热源较多，导致所处空间温度场为非均匀温度场，且随时间变化，数控机床各零部件受热不均，产生热变形，很容易导致刀具顶端和工件表面相对位置发生变化，产生热误差。目前，热误差是数控机床，特别是中高档数控机床主要的误差源之一，可占机床总误差的40％～70％。
目前，国内外对于数控机床热误差的研究往往仅局限于工作台某一固定位置，采用国际标准《机床检验通则第3部分：热效应的确定》(ISO 230-3：2001 IDT)提出的“五点法”对热误差进行测量。但在实际加工时，工作台处于不断运动过程中，当导轨、丝杠等传动部件受热不均，会产生形状和尺寸的变化。同时，工作台自身受形体热变形影响，工作台台面上各点热变形也不尽相同，这些因素均会导致工作台台面不同位置点的热误差存在差异性。目前，国内外对数控机床工作台的整体热误差研究较少，相关论著非常缺乏。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种能够对数控机床全工作台热误差进行自动测量的数控机床全工作台热误差测量系统。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种数控机床全工作台热误差测量系统，包括吸附在数控机床工作台台面上的定位板，定位板上均匀安装多个长方体标准件，所述数控机床数控系统的PMC模块I/O口与信号转换器相连，信号转换器与计算机双向通讯，位于所述数控机床的刀具位置处安装测头，所述长方体标准件、测头、数控机床、信号转换器和计算机组成热误差测量系统。
所述定位板的上板面加工螺纹孔，长方体标准件的下端面伸出与该螺纹孔相配合的螺柱，所述定位板的下板面通过片状强磁磁铁吸附于数控机床工作台台面上；所述长方体标准件的上端面即Z向面与数控机床坐标系的Z轴轴向垂直，长方体标准件的两侧面即X向面、Y向面分别与数控机床坐标系的X轴轴向、Y轴轴向垂直，长方体标准件的Z向面上设置一个测点，长方体标准件的X向面和Y向面上均设置两个测点。
所述信号转换器包括微控制器、光电耦合器组、RS232串口转USB通讯模块、电压转换模块和24V电源输入模块，光电耦合器组的输入端与数控机床数控系统的PMC模块I/O口相连，光电耦合器组的输出端与微控制器的输入端相连，微控制器的输出端与RS232串口转USB通讯模块的输入端相连，RS232串口转USB通讯模块与计算机双向通讯，24V电源输入模块通过电压转换模块分别向微控制器、光电耦合器组供电。
本发明的另一目的在于提供一种数控机床全工作台热误差测量系统的测量方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)先用数控机床的测头触碰数控机床工作台台面，测量数控机床工作台台面的Z向坐标，记为Z0；
(2)再用数控机床的测头触碰长方体标准件的三个面，对长方体标准件的X向面、Y向面、Z向面三个面上的测点坐标进行测量，获得长方体标准件各测点的初始坐标，X向面的两个测点坐标记为和Y向面的两个测点坐标记为和Z向面的一个测点坐标记为Zi,0，其中i为长方体标准件的编号，i＝1,2,…,N，Z1和Z2为X、Y向面两个测点的Z向坐标，且|Z1-Z0|<|Z2-Z0|；测量数据保存在计算机内；
(3)数控机床在条件允许范围内按照实验计划设定参数运行一定时间；
(4)数控机床停止运行，用数控机床的测头触碰长方体标准件的三个面，
对长方体标准件的X向面、Y向面、Z向面三个面上的测点坐标进行测量，获得长方体标准件各测点坐标，X向面的两个测点坐标记为和Y向面的两个测点坐标记为和Z向面的一个测点坐标记为Zi,k，其中i为长方体标准件的编号，i＝1,2,…,N，k为本步骤的重复次数，Z1和Z2为X、Y向面两个测点的Z向坐标，且|Z1-Z0|<|Z2-Z0|；测量数据保存在计算机内；
(5)计算数控机床工作台台面各测点X、Y、Z向热误差和绕X、Y轴热倾斜误差；
(6)重复步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)，直至到达实验计划设定时间。
所述数控机床工作台表面各点X、Y、Z向热误差和绕X、Y轴热倾斜误差的计算方法如下：X向热误差ΔXi,k：将Z0、Z1、Z2代入下式：
Y向热误差ΔYi,k：将Z0、Z1、Z2代入下式：
Z向热误差ΔZi,k：将Zi,0和Zi,k代入下式：
ΔZi,k＝Zi,k-Zi,0
绕X轴热倾斜误差ΔαXi,k：将Z1、Z2代入下式：
绕Y轴热倾斜误差ΔαYi,k：将Z1、Z2代入下式：
由上述技术方案可知，本发明的优点如下：第一，通过长期对机床热误差的研究，结合数控机床在排除热误差影响下，可实现高精度位置控制的特点，在机床主轴处安装测头构成在高精度线检测系统，可对数控机床工作台多点热误差进行测量，为数控机床运行过程中工作台整体热误差的研究提供测量基础；第二，传统的热误差测量方法基于国际标准《机床检验通则第3部分：热效应的确定》(ISO 230-3：2001 IDT)，是通过在数控机床主轴处安装金属圆棒，在工作台固定高精度位移传感器测量金属圆棒来实现热误差测量，仅工作台一点热误差的测量就需要5个位移传感器，价格高昂，自然难以应用于全工作台热误差测量；而本发明在数控机床主轴处安装测头，构成在线检测系统，仅需一个测头和若干长方体标准件即可实现对数控机床工作台多点热误差测量，成本低廉；第三，本方法通过信号转换器，实现了数控机床和计算机之间的通信功能，可自动测量并保存数据，显著降低测量所需劳动力，并可避免手动测量和手动记录数据引入的人为粗大误差。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明中长方体标准件的安装示意图；
图3为本发明中长方体标准件的测点示意图；
图4为本发明中信号转换器的原理框图；
图5为本发明举例的测量路径示意图；
图6为本发明的测量方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种数控机床全工作台热误差测量系统，包括吸附在数控机床工作台2台面上的定位板3，定位板3上均匀安装多个长方体标准件4，所述数控机床1的数控系统的PMC模块I/O口与信号转换器5相连，信号转换器5与计算机6双向通讯，位于所述数控机床1的刀具位置处安装测头7，所述长方体标准件4、测头、数控机床1、信号转换器5和计算机6组成热误差测量系统。测头7通过按一定路径顺序触碰每个长方体标准件4各表面对热误差进行测量，比如图5所示的S型路径，测量数据通过数控机床数控系统的PMC模块输出至I/O口，通过信号转换器5转换为计算机6可识别信号传送至计算机6显示并保存，以实现自动测量。
如图2所示，所述定位板3的上板面加工螺纹孔，长方体标准件4的下端面伸出与该螺纹孔相配合的螺柱，长方体标准件4通过螺母8拧紧定位，所述定位板3的下板面通过片状强磁磁铁9吸附于数控机床1的工作台2台面上；所述长方体标准件4的上端面即Z向面12与数控机床1坐标系的Z轴轴向垂直，长方体标准件4的两侧面即X向面10、Y向面11分别与数控机床1坐标系的X轴轴向、Y轴轴向垂直，长方体标准件4的Z向面12上设置一个测点13，长方体标准件4的X向面10和Y向面11上均设置两个测点13，如图3所示。在测头7触碰每个长方体标准件4各表面对热误差进行测量时，每个长方体标准件4共有5个触点需要测头7触碰，其中上面1个点，侧面2个点，正面2个点。
如图4所示，所述信号转换器5包括微控制器、光电耦合器组、RS232串口转USB通讯模块、电压转换模块和24V电源输入模块，光电耦合器组的输入端与数控机床1数控系统的PMC模块I/O口相连，光电耦合器组的输出端与微控制器的输入端相连，微控制器的输出端与RS232串口转USB通讯模块的输入端相连，RS232串口转USB通讯模块与计算机6双向通讯，24V电源输入模块通过电压转换模块分别向微控制器、光电耦合器组供电。
如图6所示，本方法包括下列步骤：
(1)先用数控机床1的测头7触碰数控机床1工作台2台面，测量数控机床1工作台2台面的Z向坐标，记为Z0；
(2)再用数控机床1的测头7触碰长方体标准件4的三个面，对长方体标准件4的X向面10、Y向面11、Z向面12三个面上的测点13坐标进行测量，获得长方体标准件4各测点13的初始坐标，X向面10的两个测点13坐标记为和Y向面11的两个测点13坐标记为和Z向面12的一个测点13坐标记为Zi,0，其中i为长方体标准件4的编号，i＝1,2,…,N，Z1和Z2为X、Y向面11两个测点13的Z向坐标，且|Z1-Z0|<|Z2-Z0|；测量数据保存在计算机6内；
(3)数控机床1在条件允许范围内按照实验计划设定参数运行一定时间；
(4)数控机床1停止运行，用数控机床1的测头7触碰长方体标准件4的三个面，对长方体标准件4的X向面10、Y向面11、Z向面12三个面上的测点13坐标进行测量，获得长方体标准件4各测点13坐标，X向面10的两个测点13坐标记为和Y向面11的两个测点13坐标记为和Z向面12的一个测点13坐标记为Zi,k，其中i为长方体标准件4的编号，i＝1,2,…,N，k为本步骤的重复次数，Z1和Z2为X、Y向面11两个测点13的Z向坐标，且|Z1-Z0|<|Z2-Z0|；测量数据保存在计算机6内；
(5)计算数控机床1工作台2台面各测点13的X、Y、Z向热误差和绕X、Y轴热倾斜误差；
(6)重复步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)，直至到达实验计划设定时间。
所述数控机床1工作台2表面各点X、Y、Z向热误差和绕X、Y轴热倾斜误差的计算方法如下：
X向热误差ΔXi,k：将Z0、Z1、Z2代入下式：
Y向热误差ΔYi,k：将Z0、Z1、Z2代入下式：
Z向热误差ΔZi,k：将Zi,0和Zi,k代入下式：
ΔZi,k＝Zi,k-Zi,0
绕X轴热倾斜误差ΔαXi,k：将Z1、Z2代入下式：
绕Y轴热倾斜误差ΔαYi,k：将Z1、Z2代入下式：
综上所述，本发明在数控机床1主轴处安装测头7，构成在线检测系统，仅需一个测头7和若干长方体标准件4即可实现对数控机床1工作台2多测点热误差测量，成本低廉；通过信号转换器5，实现了数控机床1和计算机6之间的通信功能，可自动测量并保存数据，显著降低测量所需劳动力，并可避免手动测量和手动记录数据引入的人为粗大误差。

Claims (2)

1.一种数控机床全工作台热误差测量系统，其特征在于：包括吸附在数控机床工作台台面上的定位板，定位板上均匀安装多个长方体标准件，所述数控机床数控系统的PMC模块I/O口与信号转换器相连，信号转换器与计算机双向通讯，位于所述数控机床的刀具位置处安装测头，所述长方体标准件、测头、数控机床、信号转换器和计算机组成热误差测量系统；
所述定位板的上板面加工螺纹孔，长方体标准件的下端面伸出与该螺纹孔相配合的螺柱，所述定位板的下板面通过片状强磁磁铁吸附于数控机床工作台台面上；所述长方体标准件的上端面即Z向面与数控机床坐标系的Z轴轴向垂直，长方体标准件的两侧面即X向面、Y向面分别与数控机床坐标系的X轴轴向、Y轴轴向垂直，长方体标准件的Z向面上设置一个测点，长方体标准件的X向面和Y向面上均设置两个测点；
所述信号转换器包括微控制器、光电耦合器组、RS232串口转USB通讯模块、电压转换模块和24V电源输入模块，光电耦合器组的输入端与数控机床数控系统的PMC模块I/O口相连，光电耦合器组的输出端与微控制器的输入端相连，微控制器的输出端与RS232串口转USB通讯模块的输入端相连，RS232串口转USB通讯模块与计算机双向通讯，24V电源输入模块通过电压转换模块分别向微控制器、光电耦合器组供电。
2.一种如权利要求1所述的数控机床全工作台热误差测量系统的测量方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)先用数控机床的测头触碰数控机床工作台台面，测量数控机床工作台台面的Z向坐标，记为Z0；
(2)再用数控机床的测头触碰长方体标准件的三个面，对长方体标准件的X向面、Y向面、Z向面三个面上的测点坐标进行测量，获得长方体标准件各测点的初始坐标，X向面的两个测点坐标记为和Y向面的两个测点坐标记为和Z向面的一个测点坐标记为Zi,0，其中i为长方体标准件的编号，i＝1,2,…,N，Z1和Z2为X、Y向面两个测点的Z向坐标，且|Z1-Z0|<|Z2-Z0|；测量数据保存在计算机内；
(3)数控机床在条件允许范围内按照实验计划设定参数运行一定时间；
(4)数控机床停止运行，用数控机床的测头触碰长方体标准件的三个面，
对长方体标准件的X向面、Y向面、Z向面三个面上的测点坐标进行测量，获得长方体标准件各测点坐标，X向面的两个测点坐标记为和Y向面的两个测点坐标记为和Z向面的一个测点坐标记为Zi，k，其中i为长方体标准件的编号，i＝1,2,…,N，k为本步骤的重复次数，Z1和Z2为X、Y向面两个测点的Z向坐标，且|Z1-Z0|<|Z2-Z0|；测量数据保存在计算机内；
(5)计算数控机床工作台台面各测点X、Y、Z向热误差和绕X、Y轴热倾斜误差；
(6)重复步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)，直至到达实验计划设定时间；
所述数控机床工作台表面各点X、Y、Z向热误差和绕X、Y轴热倾斜误差的计算方法如下：
X向热误差ΔXi,k：将Z0、Z1、Z2代入下式：
Y向热误差ΔYi,k：将Z0、Z1、Z2代入下式：
Z向热误差ΔZi,k：将Zi,0和Zi,k代入下式：
ΔZi,k＝Zi,k-Zi,0
绕X轴热倾斜误差ΔαXi,k：将Z1、Z2代入下式：
绕Y轴热倾斜误差ΔαYi,k：将Z1、Z2代入下式：
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