CN106990756A - 一种数控机床几何精度在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种数控机床几何精度在线监测方法属于数控机床技术领域，涉及一种数控机床几何精度在线监测方法。该方法中，首先在机床基础件表面粘贴应变片；通过搭建的无线应变监测系统，采集并远程传输各离散测点应变数据；将离散应变数据作为边界条件，求解满足双调和函数的应力方程，预测机床基础件表面应变场分布，通过积分得到机床基础件变形状态；再通过端点连线法求出机床基础件直线度。该方法具有测量精度高、适应性好的特点，实现了测量—加工无干扰同步进行。应变数据通过无线检测系统进行数据传输，具有占用空间小，为机床维护、故障预紧与自主维修提供了重要数据支持。

Description

一种数控机床几何精度在线监测方法

技术领域

本发明属于数控机床技术领域，特别涉及一种数控机床几何精度在线监测方法。

背景技术

数控机床基础件(如床身、立柱等)的几何精度是机床各项精度基础，例如床身导轨安装面的直线度。在数控机床长期服役过程中，由于受振动、热等因素影响，机床基础件的内部残余内应力和装配应力释放、重平衡显著，进而造成基础件产生复杂的应力变形，导致机床几何精度不可避免地恶化、衰退。机床几何精度变化规律的获取，不仅对于机床精度保持能力评价，而且对于机床在使用中的精度维护和保障措施的施加具有重要意义。实际生产中，机床厂家和用户单位大多采用几何精度精密测量仪器(例如激光干涉仪)定期、间歇式地实施测量。这种检测方法比较复杂、耗时，且需要停机测量，势必给正常生产带来很大压力。特别对于生产线，需要坚决杜绝频繁停机。为此，寻求一种数控机床几何精度在线监测方法，迫在眉睫。

研究表明，多因素影响下的数控机床几何精度在线监测，需满足数据处理能力强、预估精度高、系统抗干扰能力强、不影响机床正常运行等基本条件，具有极大的工程挑战性。通过检测基础件上特征点的应变状态，反算结构变形，完成几何精度预估，为数控机床几何精度在线监测提供了可行性。

四川普什宁江机床有限公司在专利CN104483896A中公开了《数控机床丝杠热补偿的实现方法》，结合热补偿数据库数据，利用热补偿控制器，进行丝杠热变形补偿。北京工研精机股份有限公司在专利CN104400563A中公开了《一种机床加工过程变形的在线补偿方法》，通过布置在大型结构内侧的低膨胀系数的测量框架测量机床特征点位置变化，按照机床的结构模型得知整个机床的变形情况以及主轴刀具中心点变化，最后通过修调刀具位置完成变形补偿。

然而，上述方法均未提及一种数控机床几何精度在线监测方法。

发明内容

本发明目的在于克服现有方法不足，针对服役过程的数控机床几何精度长期、在线监测的问题，发明了一种数控机床几何精度在线监测方法。通过建立参数自适应化几何精度反算算法，覆盖任意复杂测点分布形式应力场函数拟合，实用性强；建立应力函数满足双调和方程，防止拟合场微元出现“裂缝”、“嵌入”现象，提高应力场预测精度，实现直线度精确反算；监测系统采用多应变片分布测量形式，占用空间小，便于组装，实现测量—加工无干扰同步进行，工况适应性强；应变数据进行无线、实时传输与分析，为机床远程智能维护、故障预警与自主维修提供重要数据依据。

本发明采用的技术方案是一种数控机床几何精度在线监测方法，该方法首先在机床基础件表面粘贴应变片；通过搭建的无线应变监测系统，采集并远程传输各离散测点应变数据；将离散应变数据作为边界条件，求解满足双调和函数的应力方程，预测机床基础件表面应变场分布，通过积分得到机床基础件变形状态；再通过端点连线法求出机床基础件直线度。方法的具体步骤如下：

第一步布置应变测点

在机床基础件1的第一侧表面S1、第二侧表面S2的上、下边缘，上表面S3的导轨内侧处的边缘位置粘贴三轴应变片，各表面应变片数量均为k，

其中，[]为取整符号，即[x]为不超过x的最大整数。l为导轨长度。各表面沿导轨方向s相邻应变片间距为d，

第二步采集应变数据

利用数控机床几何精度无线监测系统进行应变数据采集。该系统是一个分布式的数据采集系统，符合“控制中心-分布式采集节点”的构架模式，主要包括应变片组2、无线应变节点3、无线网关4、数据中心服务器5、上位机6组成。无线应变节点3内置电桥电阻与放大调理电路，无线应变节点3采集应变片组2的应变值，并将其无线传输至无线网关4；通过通用无线分组业务GPRS将无线网关4实时监测的测点应变数据传送到数据中心服务器5；上位机6利用数据中心服务器5中的应变数据进行几何精度计算。

第三步反算机床基础件变形

首先，设定平面Si(i＝1,2,3)表示为第i个表面，即第一侧表面S1、第二侧表面S2或上表面S3。在平面Si建立的直角坐标系为x_Si-o_Si-y_Si。坐标轴x_S1、x_S2、x_S3正方向沿导轨方向s，坐标轴y_S1、y_S2正方向沿导轨安装底面法向n，坐标轴y_S3正方向沿导轨L1安装侧面法向t。那么，各应变片的坐标集合为 为等效平面Si上编号w的应变片坐标。平面Si沿坐标轴y_Si方向变形曲线为：

其中，p按如下公式取值，

其中，E为基础件材料的杨氏模量；ν为泊松比；为坐标集合中最小与最大的纵坐标；x_Si为沿着坐标轴x_Si方向自变量；为m/n幂系数，组成幂系数数组为零的m/n幂系数组成0元素数组为，

非零的m/n幂系数通过联立求解(5-1)，(5-2)，(5-3)，(5-4)计算：

其中，分别为平面Si上编号w应变片采集的沿x_Si方向、y_Si方向正应变；为等效平面Si上编号w应变片采集的切应变。

第四步直线度评估

采用端点连线法计算第一侧表面S1、第二侧表面S2与上表面S3变形曲线的平面直线度分别为因此，沿导轨安装底面法向n基础件直线度为：

沿导轨L1安装侧面法向t基础件直线度为：

通过监测系统第N(N＝1,2,…,+∞)次采集各测点应变值并通过上述方法计算得到的沿导轨安装底面法向n与沿导轨L1安装侧面法向t的基础件直线度为fⁿ(N)、f^t(N)。

第五步直线度归一化处理

采用直线度测量仪器测量基础件沿导轨安装底面法向n、沿导轨L1安装侧面法向t直线度测量过程中使监测系统中所有应变片平衡清零。一个月后，采用直线度测量仪器再次测量直线度同时，通过监测系统首次采集测点应变值并通过计算得到基础件的直线度fⁿ(1)、f^t(1)。因此，归一化处理下通过监测系统第N次监测的基础件沿导轨安装底面法向n与沿导轨L₁安装侧面法向t的修正直线度Fⁿ、F^t为：

通过以上步骤完成数控机床几何精度在线监测。

本发明的有益效果为采用了基于分布式应变片测量方法，实现了不影响正常加工情况下，对数控机床基础件几何精度的实时测量。通过无线信号实现了数据传输，方便对数控机床床身几何精度的远程、长期监控。具有测量精度高、适应性好的特点，实现了测量—加工无干扰同步进行。应变数据通过无线检测系统进行数据传输，具有占用空间小，为机床维护、故障预紧与自主维修提供了重要数据支持。

附图说明

附图1-数控机床床身示意图，其中，1-数控机床床身，S1为数控机床床身1的第一侧表面，S2为数控机床床身1的第二侧表面，S3为数控机床床身1的上表面，L1为第一侧表面S1侧导轨，L2为二侧表面S2侧导轨，n方向为导轨L1、L2底部安装面的法向，t方向为导轨L1侧向安装面法向，s为导轨方向，2-应变片组，x_S1、y_S1、o_S1分别为第一侧表面S1的x_S1坐标轴、y_S2坐标轴与坐标原点，x_S2、y_S2与o_S2分别为第二侧表面S2的x_S2坐标轴、y_S2坐标轴与坐标原点，x_S3、y_S3与o_S3分别为上表面S3的x_S3坐标轴、y_S3坐标轴与坐标原点。

附图2-数控机床床身几何精度的监测系统结构示意图，其中，1-数控机床床身，2-应变片组，3-无线应变节点，4-无线网关，5-数据中心服务器，6-PC端上位机。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明。

被测数控机床为立式加工中心床身，导轨L1、L2长1060mm，导轨L1、L2内侧间距770mm，床身高550mm。

第一步 应变测点布置

在数控机床床身1的第一侧表面S1、第二侧表面S2的上、下边缘，上表面S3的两导轨内侧处的边缘均匀粘贴应变片，各表面应变片数量，k＝[(1060/250)+3]＝3。第一侧表面S1、第二侧表面S2与上表面S3沿导轨方向s相邻应变片间距为，d＝(2×1060)/(6-2)＝530。第一侧表面S1、第二侧表面S2上粘贴的应变片中部敏感栅沿导轨安装底面法向n粘贴，其中沿导轨安装底面法向n相邻应变片间距500mm；上表面S3上粘贴的导轨L1、L2侧应变片中部敏感栅沿导轨L1安装侧面法向t粘贴，其中沿导轨L1安装侧面法向t相邻应变片间距770mm。

第二步 应变数据采集

应变片组2与无线应变节点3连接，每节点8通道，应变片桥路为1/4桥，架设数据中心服务器5，通过PC端上位机6的应变采集软件完成无线网关4数据目标端口设置与网关绑定，连接IP地址和端口完成PC端上位机6对各无线应变节点3数据的采集。

第三步 机床基础件变形反算

建立第一侧表面S1、第二侧表面S2与上表面S3上坐标系x_S1-o_S1-y_S1、x_S2-o_S2-y_S2、x_S3-o_S3-y_S3。其中坐标轴x_S1、x_S2、x_S3沿导轨方向s，坐标轴y_S1、y_S2沿导轨安装底面法向n，坐标轴y_S3沿导轨L1安装侧面法向t。使各面端部的应变片坐标为(0.01,0.01)，保证其余应变片坐标为正。采用激光干涉仪测量床身沿导轨安装底面法向n、沿导轨L1安装侧面法向t直线度测量过程中使监测系统中所有应变片平衡清零。机床服役一个月后，首次第一侧表面S1、第二侧表面S2与上表面S3采集应变片坐标及对应采集到的应变值分别为表1、表2、表3：

表1

表2

表3

床身为灰铸铁，弹性模量E为1.01×10¹¹Pa，泊松比v为0.28。k＝6，由公式3得p＝6。第一侧表面S1、第二侧表面S2与上表面S3变形曲线为：

其中，求得第一侧表面S1各m/n幂系数

第二侧表面S2各m/n幂系数

上表面S3各m/n幂系数

第四步 直线度评估

采用端点连线法得到变形曲线的平面直线度分别为：因此，沿导轨安装底面法向n与沿导轨L1安装侧面法向t的测量初始直线度分别：f^t(1)＝112.42μm/m。采用激光干涉仪测量再次测量床身直线度为

第五步 直线度归一化处理

对数控机床床身几何精度变化进行连续监测，数控机床服役3个月后，第二测量数控机床床身初始直线度为f^t(2)＝41.91μm/m、fⁿ(2)＝62.26μm/m。因此，归一化处理下的基础件沿导轨安装底面法向n与沿导轨L1安装侧面法向t的修正直线度：

本发明所述的数控机床床身几何精度在线监测方法，它基于数控机床床身上粘贴的应变片组采集实时应变数据，通过应变场预测并积分实现数控机床床身变形反算，再通过端点连线法求出机床基础件直线度，具有测量精度高、适应性好的优点，实现了测量—加工无干扰同步进行。应变数据通过无线检测系统进行数据传输，具有占用空间小，为机床只能维护、故障预紧与自主维修提供了重要的数据支持。

Claims (1)

1.一种数控机床几何精度在线监测方法，其特征在于，该方法中，首先在机床基础件表面粘贴应变片；通过搭建的无线应变监测系统，采集并远程传输各离散测点应变数据；将离散应变数据作为边界条件，求解满足双调和函数的应力方程，预测机床基础件表面应变场分布，通过积分得到机床基础件变形状态；再通过端点连线法求出机床基础件直线度；方法的具体步骤如下：

第一步 布置应变测点

在机床基础件(1)的第一侧表面S1、第二侧表面S2的上、下边缘，上表面S3的导轨内侧处的边缘位置粘贴三轴应变片，各表面应变片数量均为k，

$k=\[\frac{l}{250}+2\]---\left(1\right)$

其中，[]为取整符号，即[x]为不超过x的最大整数；l为导轨长度；各表面沿导轨方向s相邻应变片间距为d，

$d=\frac{2l}{k-2}---\left(2\right)$

第二步 采集应变数据

利用数控机床几何精度无线监测系统进行应变数据采集；该系统是一个分布式的数据采集系统，符合“控制中心-分布式采集节点”的构架模式，主要包括应变片组(2)、无线应变节点(3)、无线网关(4)、数据中心服务器(5)、上位机(6)组成；无线应变节点(3)内置电桥电阻与放大调理电路，无线应变节点(3)采集应变片组(2)的应变值，并将其无线传输至无线网关(4)；通过通用无线分组业务GPRS将无线网关(4)实时监测的测点应变数据传送到数据中心服务器(5)；上位机(6)利用数据中心服务器(5)中的应变数据进行几何精度计算；

第三步 反算机床基础件变形

首先，设定平面Si(i＝1,2,3)表示为第i个表面，即第一侧表面S1、第二侧表面S2或上表面S3；在平面Si建立的直角坐标系为x_Si-o_Si-y_Si；坐标轴x_S1、x_S2、x_S3正方向沿导轨方向s，坐标轴y_S1、y_S2正方向沿导轨安装底面法向n，坐标轴y_S3正方向沿导轨L1安装侧面法向t；那么，各应变片的坐标集合为(w＝1,2,…,k)，为等效平面Si上编号w的应变片坐标；平面Si沿坐标轴y_Si方向变形曲线为：

$\begin{array}{c}{u}_{Si}^y\left(x_{Si}\right)=\frac{1}{E}{\mathrm{\Σ}}_{m=2}^p{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^4\frac{m\left(m-1\right)}{n+1}{A}_{m,n}^{Si}{\left(x_{Si}\right)}^{m-2}\left({\left(y_{\min }^{Si}\right)}^{n+1}-{\left(y_{\max }^{Si}\right)}^{n+1}\right)\\ -\frac{\mathrm{\ν}}{E}{\mathrm{\Σ}}_{m=0}^p{\mathrm{\Σ}}_{n=2}^4{\mathrm{nA}}_{m,n}^{Si}{\left(x_{Si}\right)}^m\left({\left(y_{\min }^{Si}\right)}^{n+1}-{\left(y_{\max }^{Si}\right)}^{n+1}\right)\end{array}---\left(3\right)$

其中，p按如下公式取值，

$p=\[\frac{7+12k}{4}\]---\left(4\right)$

其中，E为基础件材料的杨氏模量；ν为泊松比；为坐标集合中最小与最大的纵坐标；x_Si为沿着坐标轴x_Si方向自变量；(n＝0,1,…4；m＝0,1,…p；i＝1,2,3)为m/n幂系数，组成幂系数数组为零的m/n幂系数组成0元素数组为，

$\{A_{0,0}^{Si},A_{0,1}^{Si},A_{1,0}^{Si},A_{p,1}^{Si},A_{p,2}^{Si},A_{p,3}^{Si},A_{p,4}^{Si},A_{p-1,1}^{Si},A_{p-1,2}^{Si},A_{p-1,3}^{Si},A_{p-1,4}^{Si},A_{p-2,1}^{Si},A_{p-2,2}^{Si},A_{p-3,1}^{Si},A_{p-3,2}^{Si}\};$

非零的m/n幂系数通过联立求解(5-1)，(5-2)，(5-3)，(5-4)计算：

$\underset{m=2}{\overset{p-1}{\Σ}}{\left(\right(m+2\left)\right(m+1\left)m\right(m-1)A_{m+2,0}^{Si}+4m(m-1)A_{m,2}^{Si}+24A_{m-2,4}^{Si})}^2=0---(5-1)$

$\underset{w=1}{\overset{k}{\Σ}}{\left(\begin{array}{c}\frac{1}{E}{\mathrm{\Σ}}_{m=0}^p{\mathrm{\Σ}}_{n=2}^{4}n(n-1)A_{m,n}^{Si}{\left(x_w^{S_i}\right)}^m{\left(y_w^{Si}\right)}^{n-2}-\\ \frac{\mathrm{\ν}}{E}{\mathrm{\Σ}}_{m=2}^p{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{4}m(m-1)A_{m,n}^{Si}{\left(x_w^{S_i}\right)}^{m-2}{\left(y_w^{Si}\right)}^n-{\mathrm{\ϵ}}_{Si}^x(x_w^{Si},y_w^{Si})\end{array}\right)}^2=0---(5-2)$

$\underset{w=1}{\overset{k}{\Σ}}{\left(\begin{array}{c}\frac{1}{E}{\mathrm{\Σ}}_{m=2}^p{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{4}m(m-1)A_{m,n}^{Si}{\left(x_w^{Si}\right)}^{m-2}{\left(y_w^{Si}\right)}^n-\\ \frac{\mathrm{\ν}}{E}{\mathrm{\Σ}}_{m=0}^p{\mathrm{\Σ}}_{n=2}^{4}n(n-1)A_{m,n}^{Si}{\left(x_w^{S_i}\right)}^m{\left(y_w^{Si}\right)}^{n-2}-{\mathrm{\ϵ}}_{Si}^y(x_w^{Si},y_w^{Si})\end{array}\right)}^2=0---(5-3)$

$\underset{w=1}{\overset{4p-2k-7}{\Σ}}{(\frac{2(1+v)}{E}{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^p{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^4{\mathrm{mnA}}_{m,n}^{Si}{\left(x_w^{S_i}\right)}^{m-1}{\left(y_w^{Si}\right)}^{n-1}+{\mathrm{\γ}}_{Si}^{xy}(x_w^{Si},y_w^{Si}\left)\right)}^2=0---(5-4)$

其中，分别为平面Si上编号w应变片采集的沿x_Si方向、y_Si方向正应变；为等效平面Si上编号w应变片采集的切应变；

第四步 评估直线度

采用端点连线法计算第一侧表面S1、第二侧表面S2与上表面S3变形曲线的平面直线度分别为因此，沿导轨安装底面法向n基础件直线度为：

$f^n=\frac{f_{S1}^n+f_{S2}^n}{2}---\left(6\right)$

沿导轨L1安装侧面法向t基础件直线度为：

$f^t=f_{S3}^t---\left(7\right)$

通过监测系统第N(N＝1,2,…,+∞)次采集各测点应变值并通过上述方法计算得到的沿导轨安装底面法向n与沿导轨L1安装侧面法向t的基础件直线度为fⁿ(N)、f^t(N)；

第五步直线度归一化处理

采用直线度测量仪器测量基础件沿导轨安装底面法向n、沿导轨L1安装侧面法向t直线度F₁ ⁿ、F₁ ^t；测量过程中使监测系统中所有应变片平衡清零；一个月后，采用直线度测量仪器再次测量直线度同时，通过监测系统首次采集测点应变值并通过计算得到基础件的直线度fⁿ(1)、f^t(1)；因此，归一化处理下通过监测系统第N次监测的基础件沿导轨安装底面法向n与沿导轨L₁安装侧面法向t的修正直线度Fⁿ、F^t为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}^n=\frac{F_2^n-F_1^n}{f^n\left(1\right)}{f}^n\left(N\right)\\ F^t=\frac{F_2^t-F_1^t}{f^t\left(1\right)}{f}^t\left(N\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

通过以上步骤完成数控机床几何精度在线监测。