CN106736863A - 一种测量镗铣床空间热变形误差的快速测量规及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量镗铣床空间热变形误差的快速测量规及其方法，包括有：一安装板；一组高度互不相同的支柱，各支柱顶端固定有标准球；工作时选取五个支柱分别固定在安装板平面上的四个角位及该四个角所围矩形平面的中心区域，将五个支柱中处于中间高度的支柱固定在所述的中心位置；一个用于测量各标准球位置的测头；将安装板固定在机床的工作台面上，测头固定在机床的主轴上，两者均可随机床运动轴进行运动。运动前和停止后，测头快速接近测量规，并迅速完成测量，获得空间三个方向的误差数据。通过测量这五支柱点前后位置每点的相对误差，得到该镗铣床空间热变形误差。

Description

一种测量镗铣床空间热变形误差的快速测量规及其方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，尤其涉及一种测量镗铣床空间热变形误差的快速测量规及其方法。

背景技术

机床空间热误差的产生：机床切削工件的基本原理在于，主轴上安装的刀具需要接触工作台上安装的工件，并通过主轴上刀具的旋转和直线轴的进给，完成工件的切削。因此理想情况下，我们希望主轴上刀具和工作台上安装的工件需要加工的位置两者是一致的，没有误差，这样加工的精度就可以达到很高。

然而，工件机床在运动过程中，无论采用丝杠传动或者直线电机等方式，其传动部件——包括导向承受载荷的导轨、丝杠或者直线电机，均会在运动中由于摩擦或者电机自身受载后的发热导致在机床上集聚热量，这些热量都会成为发热点，在机床上形成分布的热源，并且随着运动部件的位置不同，这些热源的位置也会产生一定的变化，最终造成机床主轴上刀具和工作台上工件的加工点之间的不一致，这就是机床空间的热误差。这种不一致最终会造成加工工件部位的精度和表面粗糙度的降低。因此在机床行业，必须考虑空间热误差的测量，了解机床的空间热误差情况，并在可能的情况下，采用不同的方式予以补偿。从而提高机床加工零件的加工精度。

目前，常用的空间热变形误差测试方式有：

i)平尺、角尺和指示器，可用于测量主轴和工作台之间在单一直线方向的误差变化；

i i)方箱和指示器，可用于测量主轴和工作台之间在垂直方向产生的误差；

i i i)标准机床测头，测头安装与机床主轴上，可用于接触式测量工作台上固定点的误差情况，可根据需要测量感兴趣的点的某一热误差。由于采用接触方式来测量点的误差情况，测头需接触所需测试的部位，从空间上对测试点有所局限，同时测头在某个点只能测试一个直线方向的误差。

对于前两种采用的平尺、角尺以及方箱和指示器结合的方式来进行测量，运行过程中测试仪器无法固定在机床上随机床运动，运动停止后调整测试仪器需要比较长的时间，效率低，影响测量结果。后一种采用标准测头测试的方式，其测头安装在机床主轴上，采用接触方式来测量点的误差情况，测头需接触所需测试的部位，从空间上对测试点有所局限，同时测头在某个点只能测试一个直线方向的误差。故综上所述的各方法均不实用。

发明内容

本发明的主要目的之一是提供一种测量镗铣床空间热变形误差的快速测量规，利用其可实现对测量镗铣床空间热变形误差的测量。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种测量镗铣床空间热变形误差的快速测量规，其包括有：

一安装板；

一组高度互不相同的支柱，各支柱顶端固定有标准球；工作时选取五个支柱分别固定在安装板平面上的四个角位及该四个角所围平面的中心区域，将五个支柱中处于中间高度的支柱固定在所述的中心位置；

一个用于测量各标准球位置的测头；

将安装板固定在机床的工作台面上，并使安装板的大面与机床的主轴垂直；测头固定在机床的主轴上，两者均可随机床运动轴进行运动。

所述量镗铣床空间热变形误差的快速测量规中，所述四个角位上的支柱高度排布的次序随机布设。

所述量镗铣床空间热变形误差的快速测量规中，所述安装板平面上的四个角位所围面积大于或等于测量空间所对应的XY向平面的面积。

所述量镗铣床空间热变形误差的快速测量规中，所述安装板平面上的四个角位所围面呈矩形。

所述量镗铣床空间热变形误差的快速测量规中，还至少具有如下特征之一：

1)所述一组高度互不相同的支柱中，工作时选取的最高支柱的高度大于或等于测量空间Z向所对应的高度尺寸；

2)所述一组高度互不相同的支柱中，最低的支柱高度不高于100mm；

3)所述中高支柱高度的设置应保证测头靠近测量时固定测头的主轴部件与最高支柱的距离不小于安全距离，该安全距离大于等于10mm。

所述量镗铣床空间热变形误差的快速测量规中，所述各支柱的主体为圆柱状，其顶端带有一段细圆柱，该细圆柱直径小于标准球的直径。

所述量镗铣床空间热变形误差的快速测量规中，还至少具有如下特征之一：

a)标准球的球度误差小于0.6μm；

b)所述快速测量规中的各零件采用热膨胀系数低的材料制作；

c)所述测头为三维非接触式。

本发明的另一目的是提供一种测量镗铣床空间热变形误差的快速测量方法，利用其可方便的获得热变形的误差，具有快速检测的效果。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种测量镗铣床空间热变形误差的快速测量方法，包括有如上述任一种测量规；其方法步骤如下：

1)划定镗铣床机床待测空间热变形误差的测量空间，依据测量空间的尺寸选取五个支柱，备安装板，选五个支柱中中间高度的支柱固定在所述的中心位置；其余四个支柱分别固定在安装板平面的四个角位，在各支柱上分别固定标准球；将安装板固定在机床的工作台面上，测头固定在机床的主轴上；

2)在机床未工作前，控制测头按照规划的路径以规定顺序靠近每个支柱上的标准球，测各标准球的即时位置，将该即时位置设定为基准位置；

3)启动机床完成工作，在机床运动轴停止运动后，控制测头再次按照上述同样的路径、同样的顺序靠近每个标准球，从而得出各标准球变形后新位置；

4)将变形后新位置和原基准位置比较，得到该空间热变形误差。

本发明提出的测量镗铣床空间热变形误差的快速测量规，在机床运动中可固定在机床的工作台面上，测头固定在主轴上，均可随机床运动轴进行运动，运动停止后，让测头快速接近测量规，并迅速完成测量，获得空间三个方向的误差数据。测量规可涵盖足够大的测量空间，可表述机床整个空间不同三维位置点的误差情况，这些点覆盖机床各直线轴的不同位置，具有代表性。

本发明的优点是：利用本发明测量规和测量方法，不需要严格控制各支柱和标准球的位置尺寸，通过比较的方法获得热变形的误差，具有快速检测的效果，非常便于工程适用。

附图说明

图1为本发明测量镗铣床空间热变形误差的快速测量规一较佳实施例结构组成示意图。

图2为本发明测量时测头与支柱相对位置状态示意图。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明。

图中：1-中高支柱；2-最高支柱；3-标准球；4-中间支柱；5-安装板；6-中间支柱；7-最低支柱；8-测头。

具体实施方式

参见图1所示，本发明测量镗铣床空间热变形误差的快速测量规由一组顶端固定有高精度标准球3的支柱(本实施例中包括中高支柱1、高支柱2、标准球3、中间支柱4和中间支柱支柱6)安装在安装板5上组成。

所述的安装板5尽可能覆盖所需测量空间的一个平面的尺寸，该测量空间可以根据镗铣床加工行程来预先划分，该安装板5的形状以方形为佳。

所述的一组支柱中，各支柱的高度尺寸均互不相同。工作时，至少要选取五个支柱分别固定在安装板平面的四个角位及四个角位的中心区域为佳，以可以有效的代表所选定的机床测量空间。所述五个支柱固定在安装板上，最高支柱4的高度尽可能覆盖测量空间除安装板平面的另一个维度(亦即大于或等于测量空间所对应的Z向高度尺寸)，最低支柱7的高度尽可能靠近安装板(不高于100mm)，中高支柱1的高度与镗铣床主轴轴伸尺寸有关，其尺寸应保证三维测头可以靠近，但又不会影响测头的行进(如果中高支柱1过低，安装有三维测头的机床主轴测试时靠近该支柱，可能会和四角位置的支柱干涉)。故所述中高支柱1高度的设置应保证测头靠近测量时固定测头的主轴部件与最高支柱的距离不小于安全距离，所述的安全距离是指：测头测中高支柱1的时候其可以运动的轨迹是有限的，也就是说Z向是有限的，只能运动到距安装板一定的高度。例如：如果这个高度是200mm(200mm主轴部件与支柱正好不干涉)，那么中高支柱1如果低于200mm，测头无法感应到标准球就无法检测到数据，此时中高支柱1高度就必须高于200mm，如果高度为220mm，则还有20mm才会与最高的支柱干涉，此值即为安全距离，该安全距离应为10mm～25mm。常规情况下，中高支柱1的高度应为最高支柱高度与最低支柱高度之差的1/2，亦可根据实际情况调整该数值。所述置于四角位置的四个支柱按随机的高度次序排布。

本实施例中，所述的五个标准球3分别固定在五个支柱上，各支柱与标准球3固定侧为相对直径很小的一段细圆柱，本实施例中，所述各支柱的主体为圆柱状，顶端带有的细圆柱直径要大大小于标准球的直径；标准球3的球度误差应小于0.6μm为佳。

本发明所述的用于测量标准球位置的测头8应采用三维非接触式。

本发明测量规中的各零件均应采用热膨胀系数低的材料制作，如铟钢，以尽量避免测量规中的各零件随机床运动轴进行运动时发生形变。

本发明的工作原理及工作过程是：

众所周知，三点决定一个平面，当我们设计多于三点，且三点不在同一平面上时，则可以组成空间的图形，因此在本发明中，我们采用五个不在同一平面的点来测量其位置变化，从而反应机床的空间热误差，这五个点位于安装板的四个角和中间位置，具有代表性。由于采用非接触式测量，具有快速测量的特点。我们采用的是这五点中每点的相对误差，因此各点之间不需要严格的尺寸要求，非常便于工程适用。使用时，固定在安装板上的五个支柱和标准球作为一个整体装置，在机床运动中可固定在机床的工作台面上，非接触式三维测头固定在主轴上，两者均可随机床运动轴进行运动，使用该测量规进行测量时，首先选择在运动前的初始状态，控制三维测头按照规划的路径，以规定顺序靠近每个标准球，从而得出各标准球的位置作为基准位置。当机床运动停止(亦即发生热变形)后，再次按照同样的路径、同样的顺序靠近每个标准球，从而得出各标准球变形后的位置。新位置和原位置的比较，即为该空间的热变形误差。测量规测量这五点中每点的相对误差，各点之间不需要严格的尺寸要求。

上述各实施例可在不脱离本发明的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含应视为例示性，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种测量镗铣床空间热变形误差的快速测量规，其特征在于包括有：

一安装板；

一组高度互不相同的支柱，各支柱顶端固定有标准球；工作时选取五个支柱分别固定在安装板平面上的四个角位及该四个角所围平面的中心区域，将五个支柱中处于中间高度的支柱固定在所述的中心位置；

一个用于测量各标准球位置的测头；

将安装板固定在机床的工作台面上，并使安装板的大面与机床的主轴垂直；测头固定在机床的主轴上，两者均可随机床运动轴进行运动。

2.如权利要求1所述的测量镗铣床空间热变形误差的快速测量规，其特征在于：所述四个角位上的支柱高度排布的次序随机布设。

3.如权利要求1或2所述的测量镗铣床空间热变形误差的快速测量规，其特征在于：所述安装板平面上的四个角位所围面积大于或等于测量空间所对应的XY向平面的面积。

4.如权利要求3所述的测量镗铣床空间热变形误差的快速测量规，其特征在于：所述安装板平面上的四个角位所围面呈矩形。

5.如权利要求1或2所述的测量镗铣床空间热变形误差的快速测量规，其特征在于还至少具有如下特征之一：

1)所述一组高度互不相同的支柱中，工作时选取的最高支柱的高度大于或等于测量空间Z向所对应的高度尺寸；

2)所述一组高度互不相同的支柱中，最低的支柱高度不高于100mm；

3)所述中高支柱的高度设置应保证测头靠近测量时固定测头的主轴部件与最高支柱的距离不小于安全距离，该安全距离大于等于10mm。

6.如权利要求1或2所述的测量镗铣床空间热变形误差的快速测量规，其特征在于：所述各支柱的主体为圆柱状，其顶端带有一段细圆柱，该细圆柱直径小于标准球的直径。

7.如权利要求1或2所述的测量镗铣床空间热变形误差的快速测量规，其特征在于还至少具有如下特征之一：

a)标准球的球度误差小于0.6μm；

b)所述快速测量规中的各零件采用热膨胀系数低的材料制作；

c)所述测头为三维非接触式。

8.一种测量镗铣床空间热变形误差的快速测量方法，包括有如权利要求1至7中任一种所述的测量规；其特征在于方法步骤如下：

1)划定镗铣床机床待测空间热变形误差的测量空间，依据测量空间的尺寸选取五个支柱，备安装板，选五个支柱中中间高度的支柱固定在所述的中心位置；其余四个支柱分别固定在安装板平面的四个角位，在各支柱上分别固定标准球；将安装板固定在机床的工作台面上，测头固定在机床的主轴上；

2)在机床未工作前，控制测头按照规划的路径以规定顺序靠近每个支柱上的标准球，测各标准球的即时位置，将该即时位置设定为基准位置；

3)启动机床完成工作，在机床运动轴停止运动后，控制测头再次按照上述同样的路径、同样的顺序靠近每个标准球，从而得出各标准球变形后新位置；

4)将变形后新位置和原基准位置比较，得到该空间热变形误差。