CN105817953A - 一种机床空间热误差的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机床空间热误差的测量装置，包括位移检测组件和测量模块组件；所述位移检测组件包括设置在机床主轴上的位移传感器，所述测量模块组件包括设置在机床工作台上的多个标准铟钢块，所述标准铟钢块的预设测点连线，分别平行于X轴、Y轴、Z轴、X Y Z任意两轴角平分线和立方体的体对角线；所述位移传感器检测所述标准铟钢块的预设测点相对基准原点的位置信号。本发明还公开了一种机床空间热误差的测量方法，可实现对设定工作空间范围内X轴、Y轴、Z轴、X Y Z任意两轴角平分线方向和立方体体对角线方向的测量线等多条测量线的同时测量，适用于卧式加工中心等机床空间热误差的测量。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床技术领域，特别是一种机床空间热误差的测量装置及测量方法。
背景技术
近年来，数控机床逐渐向高速、高精方面发展，但是精密数控机床在运行中由于受到内、外热源的耦合影响，致使工件与刀具之间相对运动关系遭到破坏，从而降低了机床的加工精度。据统计，对于高速、高精度机床，由热变形引起的加工制造误差所占的比例达到40％～70％。因此，对于机床工作空间热误差的测量就显得十分必要。目前常用的对机床工作空间热误差的测量方法，主要是借助球杆仪、双频激光干涉仪、双频激光跟踪仪等设备进行，但是在借助这些设备进行工作空间热误差的测量时仍存在一些问题：利用球杆仪进行工作空间热误差的测量时，由于测量过程受到球杆仪杆长的限制，导致测量的工作空间范围较小；利用双频激光干涉仪进行工作空间热误差测量时，虽然测量的工作空间范围较广，但是无法借助该设备完成对三轴联动的空间对角测量线的测量；利用双频激光跟踪仪进行工作空间热误差的测量时，可以实现对单轴、两轴联动和三轴联动测量线的测量，但是由于该设备本身价格昂贵，提高了测量成本。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种机床空间热误差的测量装置及测量方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种机床空间热误差的测量装置，包括位移检测组件和测量模块组件；所述位移检测组件包括设置在机床主轴上的位移传感器，所述测量模块组件包括设置在机床工作台上的多个标准铟钢块，所述标准铟钢块的预设测点连线，分别平行于X轴、Y轴、Z轴、XYZ任意两轴角平分线和立方体的体对角线；所述位移传感器检测所述标准铟钢块的预设测点相对基准原点的位置信号。
进一步地，所述位移传感器为三个，其两两正交设置在机床主轴上。
进一步地，所述位移检测组件还包括设置在机床主轴上的液压夹头，所述液压夹头夹持有圆棒，所述圆棒前端安装有位移传感器夹具，所述位移传感器夹具固定所述位移传感器。
进一步地，所述位移传感器夹具为立方体，在所述立方体的两两相邻的三个面安装所述位移传感器，所述位移传感器的轴线分别平行于X轴、Y轴和Z轴。
进一步地，所述位移传感器夹具为三个两两相接的传感器安装板，在每个所述传感器安装板上安装所述位移传感器，所述位移传感器的轴线分别平行于X轴、Y轴和Z轴。
进一步地，所述测量模块组件还包括安装在机床工作台上的安装基板，所述安装基板上设置有连接架，所述连接架上安装所述标准铟钢块。
进一步地，所述连接架为多层插接件，所述插接件上下两端设有插接柱，所述标准铟钢块上下两面设有插接孔，所述插接件与所述标准铟钢块交替插接。
本发明还提供一种机床空间热误差的测量方法，包括如下步骤：
步骤一，在机床工作台上设定X轴、Y轴、Z轴、XYZ任意两轴角平分线和立方体体对角线作为测量线；沿测量线配置多个标准铟钢块，并使标准铟钢块的预设测点位于测量线上；
步骤二，在机床主轴上安装检测所述标准铟钢块的预设测点相对基准原点的位置信号的位移传感器；
步骤三，在冷机状态下，所述位移传感器检测每个所述标准铟钢块的预设测点相对基准原点的位置信号；
步骤四，在运行一段时间后，所述位移传感器检测每个所述标准铟钢块的预设测点相对基准原点的位置信号；
步骤五，计算两次测量数据的差值，得到在设定工作空间范围内的热误差。
进一步地，所述步骤二中，所述位移传感器为三个，其两两正交设置在机床主轴上。
本发明具有的优点和积极效果是：
通过在机床工作台上设定X轴、Y轴、Z轴、XYZ任意两轴角平分线和立方体体对角线的测量线；沿测量线配置多个标准铟钢块，并使标准铟钢块的预设测点位于测量线上，形成单轴(X、Y和Z)的测量线，两轴联动(XY、YZ和XZ)的平面对角测量线，三轴联动(XYZ)的立方体对角测量线，可实现对设定工作空间范围内X轴、Y轴、Z轴、XYZ任意两轴角平分线和立方体体对角线的测量线等多条测量线的同时测量；在所述位移传感器夹具X、Y和Z方向上安装两两正交的三个位移传感器，从而实现对一个位置三个方向误差的同时测量。
通过在所述测量线各测点的预设位置处测量所述位移传感器与所述铟钢块之间相对距离，并对机床受热前、后各测点所述位移传感器与所述铟钢块之间相对距离的变化量进行分析，从而得到在设定工作空间范围内的热误差。
附图说明
图1为本发明的工作流程示意图；
图2为测量模块组件结构示意图；
图3为图2的主视图；
图4为图2的右视图；
图5为安装基板的结构示意图；
图6为标准铟钢块结构示意图；
图7为位移检测组件结构示意图；
图8为位移传感器夹具结构示意图。
图中：1、连接架，2、安装基板，3、标准铟钢块，4、Y轴测量线，5、YZ两轴角平分线测量线，6、立方体对角线测量线；7、XY两轴角平分线测量线，8、Z轴测量线，9、XZ两轴角平分线测量线，10、X向单轴测量线；11、液压夹头，12、圆棒，13、位移传感器夹具，14、位移传感器；15、预设测点；16、位移传感器安装孔。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1至图8，一种机床空间热误差的测量装置，包括位移检测组件和测量模块组件；所述位移检测组件包括设置在机床主轴上的位移传感器14，所述测量模块组件包括设置在机床工作台上的多个标准铟钢块3，所述标准铟钢块3的预设测点15连线，分别平行于X轴、Y轴、Z轴、XYZ任意两轴角平分线和立方体的体对角线；所述位移传感器14检测所述标准铟钢块3的预设测点15相对基准原点的位置信号。
其中，所述标准铟钢块3是指：由铟钢材料制成的立方体块，由于铟钢材料热膨胀系数较小，所以其受热后产生的热变形相对于机床产生的热变形可以忽略不计，其尺寸大小可根据实际情况进行调整，是搭建测量线的基本单元。
所述标准铟钢块3的预设测点15是指：相对于位移检测组件中的传感器的位置所设置的测点，即传感器在标准铟钢块3上每次进行测量的位置；一条测量线上设置的多块标准铟钢块3，其上相同位置的测点的连线处在一条直线上，该直线与测量线重合或平行。为了实现在测量一条测量线时，同时得到该测量线的三个方向的热误差。位移检测组件可设置有三个两两正交安装的传感器，并在标准铟钢块3上设置上3个测点，该3个测点，位于两两正交的三个面上，三个传感器分别同时对应测量3个测点，得到该测量线的三个方向的热误差。标准铟钢块3结构参照图6，标准铟钢块3上的三个实心圆点可作为与三个位移传感器14对应的预设测点15位置。
进一步地，所述位移传感器14可为三个，其两两正交设置在机床主轴上。
进一步地，所述位移检测组件还可包括设置在机床主轴上的液压夹头11，所述液压夹头11可夹持有圆棒12，所述圆棒12前端可安装有位移传感器夹具13，所述位移传感器夹具13固定所述位移传感器14。
进一步地，所述位移传感器夹具13可为立方体，在所述立方体的两两相邻的三个面安装所述位移传感器14，所述位移传感器14的轴线分别平行于X轴、Y轴和Z轴。
进一步地，所述位移传感器夹具13可为三个两两相接的传感器安装板，在每个所述传感器安装板上安装所述位移传感器14，所述位移传感器14的轴线分别平行于X轴、Y轴和Z轴。所述传感器安装板设有位移传感器安装孔16，可在X轴、Y轴和Z轴方向上安装两两正交的三个位移传感器14。
进一步地，所述测量模块组件还可包括安装在机床工作台上的安装基板2，所述安装基板2上可设置有连接架1，所述连接架1上可安装所述标准铟钢块3。
进一步地，所述连接架1可为多层插接件，所述插接件上下两端可设有插接柱，所述标准铟钢块3上下两面可设有插接孔，所述插接件与所述标准铟钢块3交替插接。
本发明还提供一种机床空间热误差的测量方法的实施例，包括如下步骤：
步骤一，在机床工作台上设定X轴、Y轴、Z轴、XYZ任意两轴角平分线和立方体体对角线作为测量线；沿测量线配置多个标准铟钢块3，并使标准铟钢块3的预设测点15位于测量线上；请参见图2，测量线包括Y轴测量线4，YZ两轴角平分线测量线5，立方体对角线测量线6；XY两轴角平分线测量线7，Z轴测量线8，XZ两轴角平分线测量线9，X向单轴测量线10。
步骤二，在机床主轴上安装检测所述标准铟钢块3的预设测点15相对基准原点的位置信号的位移传感器14；
步骤三，在冷机状态下，所述位移传感器14检测每个所述标准铟钢块3的预设测点15相对基准原点的位置信号；
步骤四，在运行一段时间后，所述位移传感器14检测每个所述标准铟钢块3的预设测点15相对基准原点的位置信号；
步骤五，计算两次测量数据的差值，得到在设定工作空间范围内的热误差。
进一步地，所述步骤二中，所述位移传感器14可为三个，其两两正交设置在机床主轴上。
本发明的工作原理：
在工作台上预先规划出单轴、两轴联动和三轴联动测量线；利用标准铟钢块3、连接架1以及安装基板2沿测量线搭建，在主轴上安装高精度的液压夹头11，用液压夹头11夹持圆棒12，在圆棒12上安装位移传感器夹具13，在位移传感器夹具13上安装在X、Y和Z方向安装两两正交的三个位移传感器14。再将位移传感器14与数据采集系统相连，数据采集系统连接上位机，从而完成对数据的采集与记录。通过对受热前、后测量线上各测点的位移传感器14与标准铟钢块3之间相对距离的变化量进行分析，得到在设定工作空间的热误差。
利用标准铟钢块3、连接架1和安装基板2在工作台上预先规划出测量线。其中测量线的具体规划方法可以参照图2--测量模块组件结构示意图的加粗连线所示的方式进行，其中包括在的工作台上预先规划单轴(X、Y和Z)的测量线，两轴联动(XY、YZ和XZ)的平面对角测量线，三轴联动(XYZ)的空间对角测量线，从而实现对设定工作空间范围内七条测量线的同时测量，并且为了保证测量的精确性，要求标准铟钢块3、连接架1以及安装基板2上的连接面均需要精加工。
其中标准铟钢块结构参照图6，标准铟钢块3上的三个实心圆点所示位置作为与三个位移传感器14对应的预设测点15。
位移检测组件参照图7，利用位移检测组件实现位移传感器14的安装，其中包括在主轴上安装液压夹头11，液压夹头11夹持圆棒12，圆棒12前端安装位移传感器夹具13，位移传感器夹具13上安装位移传感器14。
其中位移传感器夹具13结构参照图8，在安装位移传感器14时，按照图中位移传感器夹具13的结构所示，在位移传感器夹具13的X、Y和Z方向上的预留位置处安装两两正交的三个位移传感器14，并且其安装位置与标准铟钢块结构上的预设测点15位置相对应，从而实现对一个位置三个方向误差的同时测量。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种机床空间热误差的测量装置，其特征在于，包括位移检测组件和测量模块组件；所述位移检测组件包括设置在机床主轴上的位移传感器，所述测量模块组件包括设置在机床工作台上的多个标准铟钢块，所述标准铟钢块的预设测点连线，分别平行于X轴、Y轴、Z轴、XYZ任意两轴角平分线和立方体的体对角线；所述位移传感器检测所述标准铟钢块的预设测点相对基准原点的位置信号。
2.根据权利要求1所述的机床空间热误差的测量装置，其特征在于，所述位移传感器为三个，其两两正交设置在机床主轴上。
3.根据权利要求2所述的机床空间热误差的测量装置，其特征在于，所述位移检测组件还包括设置在机床主轴上的液压夹头，所述液压夹头夹持有圆棒，所述圆棒前端安装有位移传感器夹具，所述位移传感器夹具固定所述位移传感器。
4.根据权利要求3所述的机床空间热误差的测量装置，其特征在于，所述位移传感器夹具为立方体，在所述立方体的两两相邻的三个面安装所述位移传感器，所述位移传感器的轴线分别平行于X轴、Y轴和Z轴。
5.根据权利要求3所述的机床空间热误差的测量装置，其特征在于，所述位移传感器夹具为三个两两相接的传感器安装板，在每个所述传感器安装板上安装所述位移传感器，所述位移传感器的轴线分别平行于X轴、Y轴和Z轴。
6.根据权利要求1所述的机床空间热误差的测量装置，其特征在于，所述测量模块组件还包括安装在机床工作台上的安装基板，所述安装基板上设置有连接架，所述连接架上安装所述标准铟钢块。
7.根据权利要求6所述的机床空间热误差的测量装置，其特征在于，所述连接架为多层插接件，所述插接件上下两端设有插接柱，所述标准铟钢块上下两面设有插接孔，所述插接件与所述标准铟钢块交替插接。
8.一种机床空间热误差的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，在机床工作台上设定X轴、Y轴、Z轴、XYZ任意两轴角平分线和立方体体对角线作为测量线；沿测量线配置多个标准铟钢块，并使标准铟钢块的预设测点位于测量线上；
步骤二，在机床主轴上安装检测所述标准铟钢块的预设测点相对基准原点的位置信号的位移传感器；
步骤三，在卧式加工中心冷机状态下，所述位移传感器检测每个所述标准铟钢块的预设测点相对基准原点的位置信号；
步骤四，在卧式加工中心运行一段时间后，所述位移传感器检测每个所述标准铟钢块的预设测点相对基准原点的位置信号；
步骤五，计算两次测量数据的差值，得到卧式加工中心在设定工作空间范围内的热误差。
9.根据权利要求8所述的机床空间热误差的测量方法，所述步骤二中，所述位移传感器为三个，其两两正交设置在机床主轴上。
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