CN108723894B - 一种数控机床分离主轴末端热变形的测量系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床分离主轴末端热变形的测量方法，本方法对检验棒自身热变形、主轴箱和立柱等结构件热变形及热倾斜的测量，测量中采用热膨胀系数较低的碳纤维管、铟钢材料作为位移传感器的固定装置和辅助测量装置。并通过对测量数据处理、计算，能够分离出主轴前端面自身热变形和热倾斜及结构件自身热伸长和热倾斜，可以到主轴与结构件热特性之间的关系。该方法使得测量计算值更加准确，精度更高，可更加全面分析主轴热变形的影响因素。满足了简单、高精度的检测要求，适合中高档数控机床的几何精度检测。

Description

一种数控机床分离主轴末端热变形的测量系统及其方法

技术领域

本发明属于数控机床技术领域，涉及一种测量系统及其测量方法，尤其是一种数控机床分离主轴末端热变形的测量系统及其方法。

背景技术

随着基础制造业和精密加工技术的不断发展，对数控机床的加工精度有了更高的要求，因此如何快速准确的检测出机床各项误差并进行相关项误差的补偿，对于提高数控机床的加工精度起到了非常重要的作用。机床的主轴、导轨、丝杠、刀具等部件都会在运动中因负载和摩擦作用而升温变形，但热变形误差链中最终影响加工精度的却是主轴相对工作台的位移。因此，准确检测主轴结构变形对解决数控机床热态精度，提高数控机床性能和加工精度至关重要。目前，国内外用于检测数控机床主轴结构热变形的方法，主要是基于国际标准ISO0230-3:2007《Test code for machine tools-Part3:Determinationofthermal effects》，采用五点法进行实验测量。然而，五点法测量得到的主轴末端变形并非主轴自身的变形，而是受机床结构件变形影响的综合末端变形量。

综上所述，针对于目前数控机床主轴结构热变形测量方法的不足，有必要提出一种新的测量方法，可通过测量的方法直接分离机床主轴热变形。以实现数控机床主轴结构热变形的高精度检测。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种数控机床分离主轴末端热变形的测量系统及其方法，本方法在机床整机热源及热敏感位置布置温度传感器检测整机温升情况，在五点法的基础上，同时测量检验棒根部、主轴箱、立柱等结构件的热变形，利用分离计算可以从五点法检测到的主轴末端热伸长中分离出主轴自身热变形，并得到结构件的热变形对主轴末端热变形的影响。该方法具有简单、精度高、可对机床主轴热误差进行分离的优点，适合中高档数控机床的精度检测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种数控机床分离主轴末端热变形的测量系统，包括温度测量装置、五点法装置、主轴末端热变形测量装置、测量辅助架以及信号采集装置；

其中，所述数控机床包括立柱、主轴箱、检验棒、工作台、滑台和床身，在床身上设置可沿其水平移动的滑台，滑台上设置有工作台，在床身一侧垂直设置立柱，立柱上设置可沿其上下移动的主轴箱，主轴箱上设置有检验棒；

其中，所述温度测量装置包括分别设置于机床以下各位置处的温度传感器：Y轴电机、Y轴电机座、Y轴电机座与结构件结合面、Y轴导轨、X轴上导轨、X轴电机、X轴电机座、X轴电机座与结构件结合面、Y轴轴承座、X轴轴承座、X轴下导轨、X轴下导轨、Z轴轴承座、Z轴电机座、Z轴电机、Z轴电机座与结构件结合面、Z轴导轨、主轴前轴承、主轴后轴承、X减速箱、主轴电机前、主轴电机左侧、主轴电机右侧和主轴电机下；

其中，所述五点法装置参照国际标准ISO0230-3:2007，包括分别设置于以下位置处的电涡流位移传感器：检验棒末端、检验棒末端侧面、检验棒中部侧面、检验棒末端下面和检验棒中部下面；

其中，所述主轴末端热变形测量装置，包括2组电涡流位移传感器，第一组安装在工作台上，用于测量相对于工作台的的变形量，安装位置分别为：检验棒根部端面、主轴箱法兰盘，第二组安装在测量辅助架上，用于测量相对于地面的变形量，安装位置分别为：主轴箱侧边上端面、主轴箱侧边下端面、立柱导轨上部、立柱导轨中部和立柱导轨下部；

其中，所述测量辅助架设置于立柱的一侧，包括支撑架以及可沿其上下调整位置的电涡流位移传感器放置平台；

其中，所述信号采集装置与温度测量装置的温度传感器、五点法装置的电涡流位移传感器以及主轴末端热变形测量装置的电涡流位移传感器相连，并与PC机相连。

在上述技术方案中，所述测量辅助架采用碳纤维管和铟钢制成。

在上述技术方案中，所述PC机采用LABVIEW软件采集位移信号并实时显示各位置位移变化曲线。

一种数控机床分离主轴末端热变形的测量方法，包括如下步骤：

步骤一，在检验棒末端及根部、法兰盘端面、主轴箱侧边上下端面、立柱导轨上中下端布置电涡流位移传感器；

步骤二，开始测试，使主轴持续空转后停止运转，采用信号采集装置检测记录各位移传感器布置点热变形量变化数据；处理数据，对数据进行小波变换，提取每个测量位置稳态时前后10个数据求平均值；

步骤三，通过误差分离计算，分离综合末端热变形中检验棒自身轴向热变形量z_BT、立柱由倾斜导致的轴向变形量z_C、主轴箱由倾斜导致的轴向变形量z_H以及主轴轴向热变形量z。

在上述技术方案中，在步骤一中，所述电涡流位移传感器按照安装的位置及测量变形量的参照物不同分为两组，第一组电涡流位移传感器安装在工作台上，用于测量相对于工作台的的变形量z₁、z₂、z₃；第二组电涡流位移传感器安装在测量辅助架上，用于测量相对于地面的变形量的z₄、z₅、z₆、z₇、z₈；

其中，z₁为检验棒末端轴向热变形量；

z₂为检验棒根部端面轴向热变形量；

z₃为主轴箱法兰盘轴向热变形量；

z₄为主轴箱侧边上端面Z向测量点的变形量；

z₅为主轴箱侧边下端面Z向测量点的变形量；

z₆为立柱导轨上部Z向测量点的变形量；

z₇为立柱导轨中部Z向测量点的变形量；

z₈为立柱导轨下部Z向测量点的变形量；

在上述技术方案中，在步骤二中，所述在主轴空转前待机2-4h，主轴转速范围为3000-5000rpm，主轴空转持续时间为2-4h，关机后持续测试10-15h。

在上述技术方案中，在步骤三中，所述检验棒自身轴向热变形量z_BT、立柱由倾斜导致的轴向变形量z_C、主轴箱由倾斜导致的轴向变形量z_H以及主轴轴向热变形量z按照下列步骤计算得出：

(1)经测量得出：l₁为主轴箱上下滑块间距，l₂为主轴箱下滑块与主轴中心点位置垂直间距，l₃、l₄、l₅为立柱导轨z₆、z₇、z₈测量点与导轨最低端距离，l₆、l₇为主轴箱上下滑块与立柱最低端距离，l₈、l₉为主轴箱z₅、z₄测量点与主轴箱底面距离，l₁₀、l₁₁为主轴箱上下滑块与主轴箱底面距离；

(2)根据设置于立柱导轨上中下端的电涡流位移传感器采集数据z₆、z₇、z₈、l₃、l₄、l₅、l₆、l₇，绘制立柱导轨Z向变形曲线图，得到曲线上主轴箱滑块位置处的变形量z₇′、z₈′；

(3)根据主轴箱的采集数据z₄、z₅、l₈、l₉、l₁₀、l₁₁，绘制主轴箱Z向变形曲线图，得到曲线上主轴箱滑块位置处的变形量z₄′、z₅′；

(4)所述检验棒自身轴向热变形量z_BT按照下列计算公式计算得出：

z_BT＝z₁-z₂；

所述立柱由倾斜导致的轴向变形量z_C按照下列计算公式计算得出：

所述主轴箱由倾斜导致的轴向变形量z_H按照下列计算公式计算得出：

所述主轴轴向热变形量z按照下列计算公式计算得出：

z＝z₁-z_BT-z_C-z_H。

本发明具有以下有益效果:本发明的数控机床分离主轴末端热变形的测量方法，其测量过程中在五点法的基础上，测量了检验棒根部及法兰盘的Z向热变形，通过计算可以得到检验棒自身的热伸长及主轴箱的Z向热变形；测量了立柱导轨Z箱向热变形，可得到立柱的热倾斜及热变形情况；测量了主轴箱Z向的热变形，可以得到主轴箱热倾斜情况。该方法与五点法相比，考虑到了检验棒自身热伸长和主轴箱、立柱对主轴末端综合热变形量的影响，可以准确测量计算出主轴自身热伸长，这使得测量计算值更加准确，精度更高，可更加全面分析主轴热变形的影响因素。满足了简单、高精度的检测要求，适合中高档数控机床的几何精度检测。

附图说明

图1为分离主轴热变形测量方法流程图；

图2为误差分离计算流程图；

图3为机床结构示意图；其中，1为立柱，2为测量辅助架，2-1为支撑架2-2为电涡流位移传感器放置平台，3为主轴箱，4为主轴箱法兰盘，5为检验棒，6-1为Z1位移传感器，6-2为Y1位移传感器，6-3为X1位移传感器，6-4为Y2位移传感器，6-5为X2位移传感器，7-1为Z3位移传感器，7-2为Z2位移传感器，7-3为Z6位移传感器，7-4为Z7位移传感器，7-5为Z4位移传感器，7-6为Z5位移传感器，7-7为Z8位移传感器，8为工作台，9为滑台，10为床身。

图4为温度传感器布置位置示意图；

图5为图4中I位置处局部温度传感器布置位置示意图；

其中：T1为Y轴电机，T2为Y轴电机座，T3为Y轴电机座与结构件结合面，T4为Y轴导轨，T5为X轴上导轨，T6为X轴电机，T7为X轴电机座，T8为X轴电机座与结构件结合面，T9为Y轴轴承座，T10为X轴轴承座，T11为X轴下导轨，T11为X轴下导轨，T12为Z轴轴承座，T13为Z轴电机座，T14为Z轴电机，T15为Z轴电机座与结构件结合面，T16为Z轴导轨，T17为主轴前轴承，T18为主轴后轴承，T19为X减速箱，T20为主轴电机前，T21为主轴电机左侧，T22为主轴电机右侧，T23为主轴电机下。

图6为电涡流位移传感器安装位置示意图，第一组电涡流位移传感器安装在工作台上，用于测量相对于工作台的的变形量，包括：Z1为检验棒末端，Z2为检验棒根部端面，Z3为主轴箱法兰盘，X1为检验棒末端侧面，X2为检验棒中部侧面，Y1为检验棒末端下面，Y2检验棒中部下面；第二组电涡流位移传感器安装在测量辅助架上，用于测量相对于地面的变形量，包括：Z4为主轴箱侧边上端面，Z5为主轴箱侧边下端面，Z6为立柱导轨上部，Z7为立柱导轨中部，Z8为立柱导轨下部。

图7为实验时间-工况图；

图8为采集温度及变形曲线图；

图中，(a)主轴电机、减速器温度场，(b)X轴热源温度场，(c)Y轴热源温度场，(d)Z轴热源温度场，(e)为五点法测量结果，(f)为立柱导轨位置测量结果，(g)主轴、主轴箱测量结果。

图9为立柱导轨Z向变形曲线图；

图10为主轴箱Z向变形曲线图；

图11为主轴末端热变形分离结果图。

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：

实施例1

一种数控机床分离主轴末端热变形的测量系统，包括五点法装置、测量辅助架装置以及信号采集装置，所述五点法装置部分可测量主轴检验棒前端面的热伸长和热倾斜，所述测量辅助架装置用于放置电涡流位移传感器，辅助测量机床主轴箱、立柱等结构件热伸长及热倾斜，所述测量辅助架装置由碳纤维管和铟钢组成，所述测量辅助架上可固定电涡流位移传感器，辅助在工作台上难以布置位移传感器及直接测量变形量的位置。所述测量辅助架装置采用热膨胀系数较小的碳纤维管和铟钢，可保证测量数据的高精度。所述信号采集装置部分包括设置在所述位移传感器、温度传感器、信号采集系统和PC机。所述信号采集装置包括布置的电涡流位移传感器和温度传感器，所述传感器都与信号采集系统相连，所述信号采集系统与PC机相连，所述PC机采用LABVIEW软件采集位移信号并实时显示各位置位移变化曲线。

实施例2

一种数控机床主轴结构热变形的测量方法，包括如下步骤：

步骤一，参照图4、5所示位置在机床整机热源及热敏感位置布置温度传感器；整机热源及热敏感位置包括Y轴电机、Y轴电机座、Y轴电机座与结构件结合面、Y轴导轨、X轴上导轨、X轴电机、X轴电机座、X轴电机座与结构件结合面、Y轴轴承座、X轴轴承座、X轴下导轨、X轴下导轨、Z轴轴承座、Z轴电机座、Z轴电机、Z轴电机座与结构件结合面、Z轴导轨、主轴前轴承、主轴后轴承、X减速箱、主轴电机前、主轴电机左侧、主轴电机右侧和主轴电机下。

步骤二，参照图6所示位置，依据国标中五点法布置电涡流位移传感器，其位置是图6中z₁、x₁、x₂、y₁、y₂所示位置；

步骤三，在检验棒根部端面布置Z向电涡流位移传感器，其位置参照图6中z₂所示位置；主轴法兰盘端面布置Z向电涡流位移传感器，其位置参照图6中z₃所示位置；在主轴箱侧边上下端面分别布置一个Z向位移传感器，其位置参照图6中z₄、z₅所示位置；在动柱左侧导轨上中下端面分别布置一个Z向位移传感器，其位置参照图6中z₆、z₇、z₈所示位置；并测量并记录间距l₁-l₁₂：

l₁为主轴箱上下滑块间距，l₂为主轴箱下滑块与主轴中心点位置垂直间距，l₃、l₄、l₅为立柱导轨z₆、z₇、z₈测量点与导轨最低端距离，l₆、l₇为主轴箱上下滑块与立柱最低端距离，l₈、l₉为主轴箱z₅、z₄测量点与主轴箱底面距离，l₁₀、l₁₁为主轴箱上下滑块与主轴箱底面距离，l₁₂为检验棒X、Y向两测量点间距离；

步骤四，测试开始待机3小时，主轴以转速4000rpm空转5小时后待机3小时，关机13小时测试结束，工况与时间关系参照图7。在测量过程中可采用位移检测装置检测上述各位置处的位移变化量，并观察位移量变化的趋势，在达到稳态的情况下停止测量，保存并记录测量得到的数据，各位置温度及热变形曲线参照图8。

步骤五，对步骤三中采集数据进行处理，对数据进行小波变换，并提取停转前每个测量位置前后10个数据求平均值，结构如下表1所示；

位置	Z<sub>1</sub>	Z<sub>2</sub>	Z<sub>3</sub>	Z<sub>4</sub>	Z<sub>5</sub>	Z<sub>6</sub>	Z<sub>7</sub>	Z<sub>8</sub>	X<sub>1</sub>	X<sub>2</sub>	Y<sub>1</sub>	Y<sub>2</sub>
													变形量(μm)	131.35	125.15	99.45	48.27	31.25	-8.46	26.80	8.77	5.73	4.71	0.83	-4.47

(a)

(b)

表1

步骤六，床身与工作台热源较小，故不考虑床身与工作台热变形对主轴末端综合热变形的影响。由于结构件对主轴末端X、Y方向的变形影响很小，故参照图2中流程图对轴向热变形进行误差分离计算。

根据立柱导轨三个位置采集数据绘制立柱导轨Z向变形曲线图9，并找到曲线上主轴箱滑块位置处的变形量z₇′、z₈′。根据主轴箱的采集数据绘制主轴箱Z向变形曲线图10，找到曲线上主轴箱滑块位置处的变形量z₄′、z₅′。

检验棒自身轴向热变形量z_BT按照下列计算公式计算得出：

z_BT＝z₁-z₂；

立柱由倾斜导致的轴向变形量z_C按照下列计算公式计算得出：

主轴箱由倾斜导致的轴向变形量z_H按照下列计算公式计算得出：

主轴轴向热变形量z按照下列计算公式计算得出：

z＝z₁-z_BT-z_C-z_H。

主轴X向的热倾斜α按照下列计算公式计算得出：

α＝(x₁-x₂)/l₁₂

主轴Y向的热倾斜β按照下列计算公式计算得出：

β＝(y₁-y₂)/l₁₂

α为主轴X向的热倾斜，β为主轴Y向的热倾斜，x₁、x₂为检验棒X向测量点的位移量，y₁、y₂为检验棒Y向测量点的位移量，l₁₂为检验棒X、Y向两测量点间距离。

通过图8中温度场分布图表明，在主轴空转过程中各结构件热源是影响整机温度场的，进而可说明各结构件的热变形是影响主轴末端热伸长的。又由误差计算公式可以主轴末端实际自身热变形为15.93μm。五点法测量的主轴末端热变形量131.35μm，X向热倾斜为4.43μm/m，Y向热倾斜为23.04μm/m。主轴末端综合热变形量是由立柱Z向热变形22.88μm、主轴箱Z向热变形86.34μm、主轴自身热伸长15.93μm和检验棒自身热伸长6.20μm叠加产生的，见图11所示。立柱热变形量对主轴末端热伸长贡献率为17.42％，主轴箱热变形量对主轴末端热伸长贡献率为65.73％，检验棒热变形量对主轴末端热伸长贡献率为4.72％，主轴自身热伸长对主轴末端热伸长贡献率为12.13％。

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 (6)

1.一种数控机床分离主轴末端热变形的测量系统，其特征在于：包括温度测量装置、五点法装置、主轴末端热变形测量装置、测量辅助架以及信号采集装置；

其中，所述数控机床包括立柱、主轴箱、检验棒、工作台、滑台和床身，在床身上设置可沿其水平移动的滑台，滑台上设置有工作台，在床身一侧垂直设置立柱，立柱上设置可沿其上下移动的主轴箱，主轴箱上设置有检验棒；

其中，所述温度测量装置包括分别设置于机床以下各位置处的温度传感器：Y轴电机、Y轴电机座、Y轴电机座与结构件结合面、Y轴导轨、X轴上导轨、X轴电机、X轴电机座、X轴电机座与结构件结合面、Y轴轴承座、X轴轴承座、X轴下导轨、X轴下导轨、Z轴轴承座、Z轴电机座、Z轴电机、Z轴电机座与结构件结合面、Z轴导轨、主轴前轴承、主轴后轴承、X减速箱、主轴电机前、主轴电机左侧、主轴电机右侧和主轴电机下；

其中，所述五点法装置参照国际标准ISO0230-3:2007，包括分别设置于以下位置处的电涡流位移传感器：检验棒末端、检验棒末端侧面、检验棒中部侧面、检验棒末端下面和检验棒中部下面；

其中，所述主轴末端热变形测量装置，包括2组电涡流位移传感器，第一组安装在工作台上，用于测量相对于工作台的的变形量，安装位置分别为：检验棒根部端面、主轴箱法兰盘，第二组安装在测量辅助架上，用于测量相对于地面的变形量，安装位置分别为：主轴箱侧边上端面、主轴箱侧边下端面、立柱导轨上部、立柱导轨中部和立柱导轨下部；

其中，所述测量辅助架设置于立柱的一侧，包括支撑架以及可沿其上下调整位置的电涡流位移传感器放置平台；

其中，所述信号采集装置与温度测量装置的温度传感器、五点法装置的电涡流位移传感器以及主轴末端热变形测量装置的电涡流位移传感器相连，并与PC机相连。

2.根据权利要求1所述的一种数控机床分离主轴末端热变形的测量系统，其特征在于：所述测量辅助架采用碳纤维管和铟钢制成。

3.根据权利要求1所述的一种数控机床分离主轴末端热变形的测量系统，其特征在于：所述PC机采用LABVIEW软件采集位移信号并实时显示各位置位移变化曲线。

4.一种数控机床分离主轴末端热变形的测量方法，其特征在于，按照下列步骤进行：

步骤一，在检验棒末端及根部、法兰盘端面、主轴箱侧边上下端面、立柱导轨上中下端布置电涡流位移传感器；

步骤二，开始测试，使主轴持续空转后停止运转，采用信号采集装置检测记录各位移传感器布置点热变形量变化数据后处理数据；

步骤三，通过误差分离计算，分离综合末端热变形中检验棒自身轴向热变形量z_BT、立柱由倾斜导致的轴向变形量z_C、主轴箱由倾斜导致的轴向变形量z_H以及主轴轴向热变形量z。

5.根据权利要求4所述的一种数控机床分离主轴末端热变形的测量方法，其特征在于：在步骤一中，所述电涡流位移传感器按照安装的位置及测量变形量的参照物不同分为两组，第一组电涡流位移传感器安装在工作台上，用于测量相对于工作台的的变形量z₁、z₂、z₃；第二组电涡流位移传感器安装在测量辅助架上，用于测量相对于地面的变形量的z₄、z₅、z₆、z₇、z₈；

其中，z₁为检验棒末端轴向热变形量；

z₂为检验棒根部端面轴向热变形量；

z₃为主轴箱法兰盘轴向热变形量；

z₄为主轴箱侧边上端面Z向测量点的变形量；

z₅为主轴箱侧边下端面Z向测量点的变形量；

z₆为立柱导轨上部Z向测量点的变形量；

z₇为立柱导轨中部Z向测量点的变形量；

z₈为立柱导轨下部Z向测量点的变形量。

6.根据权利要求4所述的一种数控机床分离主轴末端热变形的测量方法，其特征在于，在步骤三中，所述检验棒自身轴向热变形量z_BT、立柱由倾斜导致的轴向变形量z_C、主轴箱由倾斜导致的轴向变形量z_H以及主轴轴向热变形量z按照下列步骤计算得出：

(1)经测量得出：l₁为主轴箱上下滑块间距，l₂为主轴箱下滑块与主轴中心点位置垂直间距，l₃、l₄、l₅为立柱导轨z₆、z₇、z₈测量点与导轨最低端距离，l₆、l₇为主轴箱上下滑块与立柱最低端距离，l₈、l₉为主轴箱z₅、z₄测量点与主轴箱底面距离，l₁₀、l₁₁为主轴箱上下滑块与主轴箱底面距离；

(2)根据设置于立柱导轨上中下端的电涡流位移传感器采集数据z₆、z₇、z₈、l₃、l₄、l₅、l₆、l₇，绘制立柱导轨Z向变形曲线图，得到曲线上主轴箱滑块位置处的变形量z₇′、z₈′；

(3)根据主轴箱的采集数据z₄、z₅、l₈、l₉、l₁₀、l₁₁，绘制主轴箱Z向变形曲线图，得到曲线上主轴箱滑块位置处的变形量z₄′、z₅′；

(4)所述检验棒自身轴向热变形量z_BT按照下列计算公式计算得出：

z_BT＝z₁-z₂；

所述立柱由倾斜导致的轴向变形量z_C按照下列计算公式计算得出：

所述主轴箱由倾斜导致的轴向变形量z_H按照下列计算公式计算得出：

所述主轴轴向热变形量z按照下列计算公式计算得出：

z＝z₁-z_BT-z_C-z_H。

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