CN110076627A - 一种数控机床主轴单元热力耦合误差测量系统 - Google Patents

一种数控机床主轴单元热力耦合误差测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种数控机床主轴单元热力耦合误差测量系统，属于精密机床加工技术领域，具体包括：数控机床主轴、温度传感器、数控机床主轴壳体、工件夹具、虎钳、三向力传感器、激光位移传感器夹具、延长刀柄、挡光盘、激光位移传感器、信号数据采集系统和PC机。所述温度传感器、三向力传感器、激光位移传感器分别与信号数据采集系统相连接，信号数据采集系统与PC机相连接；本发明解决了数控机床主轴单元热力耦合误差数据测量问题，传感器布置简单，可移植性强，激光位移传感器测量精度较高，可靠性强，为后续能够实现对热力耦合误差模型的建立，实现误差实时补偿，提高数控机床的加工精度奠定了基础。

Description

一种数控机床主轴单元热力耦合误差测量系统
技术领域
本发明属于精密机床加工技术领域，具体涉及一种数控机床主轴单元热力耦合误差测量系统。
背景技术
对数控机床主轴单元误差的测量是进行误差模型建立和实时补偿的前提与基础。在实际生产加工过程中，数控机床的误差大致可分为几何误差、热变形误差、力变形误差、控制误差、定位误差等，其中，几何误差和控制误差是机床的原始误差，热变形误差和力变形误差为加工过程产生的误差，被称为加工误差。机床主轴的原始误差与加工误差是影响机床生产加工精度的主要因素，而机床主轴单元的热变形误差与力变形误差约占机床总误差的50％以上。综上所述，对负载铣削下的主轴单元热变形误差和力变形误差的测量是十分必要的。
发明内容
针对现有数控机床所存在的上述问题，提供一种旨在解决数控机床主轴单元热力耦合误差实时补偿前期数据信号采集及分析的数控机床主轴单元热力耦合误差测量系统。
一种数控机床主轴单元热力耦合误差测量系统，具体包括：数控机床主轴、温度传感器、数控机床主轴壳体、工件夹具、虎钳、三向力传感器、激光位移传感器夹具、延长刀柄、挡光盘、激光位移传感器、信号数据采集系统和PC机。
所述数控机床主轴位于控机床主轴壳体之内，数控机床主轴壳体外表面放置温度传感器，待加工工件通过螺钉固定在工件夹具之上，工件夹具与三向力传感器相连接，三向力传感器通过虎钳固定，数控机床主轴与激光位移传感器夹具相连接，激光位移传感器通过螺栓固定在激光位移传感器夹具上，激光位移传感器夹具与延长刀柄相连接，延长刀柄穿过挡光盘中心孔；
所述温度传感器、三向力传感器、激光位移传感器分别与信号数据采集系统相连接，信号数据采集系统与PC机相连接；
所述温度传感器，用于检测数控机床主轴单元工作时温度变化信号，并将温度变化信号传递给数据采集系统；
所述温度传感器，为磁吸式温度传感器，吸附在数控机床主轴及数控机床主轴壳体上；
所述温度传感器放置位置，具体为：通过热成像仪呈现的数控机床主轴及数控机床主轴壳体在机床工作时温度场的分布，选取热成像仪显示颜色为红色区域安放温度传感器；
所述三向力传感器，用于实时测量机床负载加工时工件受力情况，并将受力信号传递给数据采集系统；
所述待加工工件通过螺钉固定在工件夹具之上，具体为：在数控机床Y向的正负方向各有10个对待加工工件起到紧固作用的螺钉，起到调节待加工工件位置的作用。
所述激光位移传感器，安装位置为选取数控机床的X向布置位移传感器S1和S2，通过对延长刀柄径向误差的测定间接反映数控机床主轴的径向偏移，布置位移传感器S3，使其激光射线指向Z轴负方向，并通过延长刀柄与挡光盘辅助测量主轴偏移量；并将传感器S1、S2和S3测量的距离数据传递到数据采集系统；
所述激光位移传感器夹具与数控机床主轴间添加橡胶垫片，后用螺栓拧紧固定。
所述的激光位移传感器S1和S2与延长刀柄的距离分别是l1和l2，S3到挡光盘的距离为l3，S1和S2之间的距离为L，设延长刀柄在数控机床X方向上的偏转角为θ，故测得主轴径向偏移误差l1和l2，主轴偏移误差l3及偏转角θ。
使用延长刀柄和挡光盘进行辅助测量，挡光盘安装在延长刀柄一端，与激光位移传感器S3处于有效测量范围内；
所述的信号数据采集系统，采用LabView软件实现，包括屏蔽接线盒、数据采集卡、24V直流稳压电源，并将已经采集的数据传递给PC机；
所述已经采集的数据，包括从温度传感器、三向力传感器、激光位移传感器分别传递给信号数据采集系统的数据；
所述屏蔽接线盒PC机相连接，用于与PC机传递数据；
所述数据采集卡，用于采集所有传感器数据；
所述24V直流稳压电源，为所有传感器供电；
所述PC机，用来存储和显示从信号数据采集系统中传递过来的数据。
有益技术效果：
本发明提供的一种数控机床主轴单元热力耦合误差测量系统，解决了数控机床主轴单元热力耦合误差数据测量问题，传感器布置简单，可移植性强，激光位移传感器测量精度较高，可靠性强，为后续能够实现对热力耦合误差模型的建立，实现误差实时补偿，提高数控机床的加工精度奠定了基础。
附图说明
图1：为本发明实施例的温度传感器布置示意图；
图2：为本发明实施例的三向力传感器布置示意图；
图3：为本发明实施例的激光位移传感器布置示意图；
图中，1-数控机床主轴、2-温度传感器、3-数控机床主轴壳体、4-待加工工件、5-螺钉、6-工件夹具、7-虎钳、8-三向力传感器、9-激光位移传感器夹具、10-延长刀柄、11-挡光盘、12-激光位移传感器S1、13-激光位移传感器S2、14-激光位移传感器S3。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明：一种数控机床主轴单元热力耦合误差测量系统，如图1、图2、图3所示，具体包括：数控机床主轴1、温度传感器2、数控机床主轴壳体3、工件夹具6、虎钳7、三向力传感器8、激光位移传感器夹具9、延长刀柄10、挡光盘11、激光位移传感器、信号数据采集系统和PC机。
所述数控机床主轴1位于数控机床主轴壳体3之内，数控机床主轴壳体3外表面放置温度传感器2，待加工工件4通过螺钉5固定在工件夹具6之上，工件夹具6与三向力传感器8相连接，三向力传感器8通过虎钳7固定，数控机床主轴1与激光位移传感器夹具9相连接，激光位移传感器通过螺栓固定在激光位移传感器夹具9上，激光位移传感器夹具9与延长刀柄10相连接，延长刀柄10穿过挡光盘11中心孔；
所述温度传感器2、三向力传感器8、激光位移传感器分别与信号数据采集系统相连接，信号数据采集系统与PC机相连接；
所述温度传感器2，用于检测数控机床主轴1单元工作时温度变化信号，并将温度变化信号传递给数据采集系统；
所述温度传感器2，为磁吸式温度传感器，吸附在数控机床主轴1及数控机床主轴壳体3上；
所述温度传感器放置位置，具体为：通过热成像仪呈现的数控机床主轴1及数控机床主轴壳体3在机床工作时温度场的分布，选取热成像仪显示颜色为红色区域安放温度传感器；
在本实施例中，在数控机床主轴1及数控机床主轴壳体3上共布置温度传感器27个，温度传感器2为磁吸式温度传感器，吸附在数控机床主轴及主轴壳体上，温度传感器布置示意图如图1所示；
进一步，所述的温度传感器2与信号数据采集系统相连接，用于实时输入测温点温度变化信号，在本实施例中，以主轴转速n为1200r/min、每齿进给量fz为0.08mm/z、轴向切深ap为0.5mm进行数控机床负载铣削试验对误差数据的测量进行说明，数控机床初始温度为12.3℃，27个温度传感器测量的温升平衡数值如表1所示；
表1温度传感器温升平衡数值
温度传感器 温升数值 温度传感器 温升数值 温度传感器 温升数值
△T<sub>1</sub> 2.5 △T<sub>10</sub> 2.2 △T<sub>19</sub> 2.7
△T<sub>2</sub> 2.2 △T<sub>11</sub> 3.0 △T<sub>20</sub> 3.0
△T<sub>3</sub> 2.2 △T<sub>12</sub> 2.9 △T<sub>21</sub> 3.5
△T<sub>4</sub> 2.2 △T<sub>13</sub> 2.5 △T<sub>22</sub> 2.9
△T<sub>5</sub> 2.2 △T<sub>14</sub> 2.9 △T<sub>23</sub> 3.5
△T<sub>6</sub> 2.8 △T<sub>15</sub> 2.8 △T<sub>24</sub> 3.2
△T<sub>7</sub> 2.9 △T<sub>16</sub> 3.0 △T<sub>25</sub> 3.2
△T<sub>8</sub> 2.2 △T<sub>17</sub> 2.8 △T<sub>26</sub> 3.2
△T<sub>9</sub> 2.7 △T<sub>18</sub> 2.9 △T<sub>27</sub> 1.0
所述三向力传感器8，用于实时测量机床负载加工时工件受力情况，并将受力信号传递给数据采集系统；
所述待加工工件4通过螺钉5固定在工件夹具之上，具体为：在数控机床Y向的正负方向各有10个对待加工工件4起到紧固作用的螺钉5，起到调节待加工工件4位置的作用。
进一步的，三向力传感器8与信号数据采集系统相连接，用于实时测量机床负载加工时工件受力情况，在本实施例中，三向力传感器布置示意图如图2所示，三向力平衡数值如表2所示；
表2三向力平衡数值
X向受力 Y向受力 Z向受力
-54.43N 63.19N -7.05N
所述激光位移传感器，安装位置为选取数控机床的X向布置位移传感器S112和S213，通过对延长刀柄10径向误差的测定间接反映数控机床主轴1的径向偏移，布置位移传感器S314，如图3所示，使其激光射线指向Z轴负方向，并通过延长刀柄10与挡光盘11辅助测量主轴偏移量；并将传感器S112、S213和S314测量的距离数据传递到数据采集系统；
所述激光位移传感器夹具9与数控机床主轴1间添加橡胶垫片，后用螺栓拧紧固定。
所述的激光位移传感器S112和S213与延长刀柄10的距离分别是l1和l2，S314到挡光盘11的距离为l3，S1和S2之间的距离为L，在本实施例中，L为200mm，设延长刀柄10在数控机床X方向上的偏转角为θ，由于数控机床的偏转角θ较小趋近于0，则tanθ≈θ，故测得主轴径向偏移误差l1和l2，主轴偏移误差l3及偏转角θ，如表3所示。
使用延长刀柄10和挡光盘11进行辅助测量，挡光盘11安装在延长刀柄10一端，与激光位移传感器S3处于有效测量范围内；
表3数控机床主轴偏移误差值
径向误差l<sub>1</sub> 径向误差l<sub>2</sub> 误差l<sub>3</sub> 偏转角θ
-19.87μm -23.82μm 1.44μm 1.975×10<sup>-4</sup>
所述的信号数据采集系统，采用LabView软件实现，包括屏蔽接线盒、数据采集卡、24V直流稳压电源，并将已经采集的数据传递给PC机；
所述已经采集的数据，包括从温度传感器、三向力传感器、激光位移传感器分别传递给信号数据采集系统的数据；
所述屏蔽接线盒PC机相连接，用于与PC机传递数据；
所述数据采集卡，用于采集所有传感器数据；
所述24V直流稳压电源，为所有传感器供电；
所述PC机，用来存储和显示从信号数据采集系统中传递过来的数据。

Claims (6)

1.一种数控机床主轴单元热力耦合误差测量系统，其特征在于，具体包括：数控机床主轴、温度传感器、数控机床主轴壳体、工件夹具、虎钳、三向力传感器、激光位移传感器夹具、延长刀柄、挡光盘、激光位移传感器、信号数据采集系统和PC机；
所述数控机床主轴位于控机床主轴壳体之内，数控机床主轴壳体外表面放置温度传感器，待加工工件通过螺钉固定在工件夹具之上，工件夹具与三向力传感器相连接，三向力传感器通过虎钳固定，数控机床主轴与激光位移传感器夹具相连接，激光位移传感器通过螺栓固定在激光位移传感器夹具上，激光位移传感器夹具与延长刀柄相连接，延长刀柄穿过挡光盘中心孔；
所述温度传感器、三向力传感器、激光位移传感器分别与信号数据采集系统相连接，信号数据采集系统与PC机相连接；
所述温度传感器，用于检测数控机床主轴单元工作时温度变化信号，并将温度变化信号传递给数据采集系统；
所述三向力传感器，用于实时测量机床负载加工时工件受力情况，并将受力信号传递给数据采集系统；
所述激光位移传感器，安装位置为选取数控机床的X向布置位移传感器S1和S2，通过对延长刀柄径向误差的测定间接反映数控机床主轴的径向偏移，布置位移传感器S3，使其激光射线指向Z轴负方向，并通过延长刀柄与挡光盘辅助测量主轴偏移量；并将传感器S1、S2和S3测量的距离数据传递到数据采集系统；
所述的信号数据采集系统，采用LabView软件实现，包括屏蔽接线盒、数据采集卡、24V直流稳压电源，并将已经采集的数据传递给PC机；
所述已经采集的数据，包括从温度传感器、三向力传感器、激光位移传感器分别传递给信号数据采集系统的数据；
所述屏蔽接线盒PC机相连接，用于与PC机传递数据；
所述数据采集卡，用于采集所有传感器数据；
所述24V直流稳压电源，为所有传感器供电；
所述PC机，用来存储和显示从信号数据采集系统中传递过来的数据。
2.根据权利要求1所述数控机床主轴单元热力耦合误差测量系统，其特征在于，所述温度传感器，为磁吸式温度传感器，吸附在数控机床主轴及数控机床主轴壳体上。
3.根据权利要求1所述数控机床主轴单元热力耦合误差测量系统，其特征在于，所述温度传感器放置位置，具体为：通过热成像仪呈现的数控机床主轴及数控机床主轴壳体在机床工作时温度场的分布，选取热成像仪显示颜色为红色区域安放温度传感器。
4.根据权利要求1所述数控机床主轴单元热力耦合误差测量系统，其特征在于，所述待加工工件通过螺钉固定在工件夹具之上，具体为：在数控机床Y向的正负方向各有10个对待加工工件起到紧固作用的螺钉，起到调节待加工工件位置的作用。
5.根据权利要求1所述数控机床主轴单元热力耦合误差测量系统，其特征在于，所述激光位移传感器夹具与数控机床主轴间添加橡胶垫片，后用螺栓拧紧固定。
6.根据权利要求1所述数控机床主轴单元热力耦合误差测量系统，其特征在于，所述的激光位移传感器S1和S2与延长刀柄的距离分别是l1和l2，S3到挡光盘的距离为l3，S1和S2之间的距离为L，设延长刀柄在数控机床X方向上的偏转角为θ，故测得主轴径向偏移误差l1和l2，主轴偏移误差l3及偏转角θ；
使用延长刀柄和挡光盘进行辅助测量，挡光盘安装在延长刀柄一端，与激光位移传感器S3处于有效测量范围内。
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