CN111215967B - 数控机床动态精度检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种数控机床动态精度检测装置及方法，包括数控系统、机床主轴、标准球棒、位移传感器、传感器支架、紧固件以及底座，所述标准球棒连接机床主轴，传感器支架通过紧固件安装在底座上，所述传感器支架以及底座上分别通过紧固件安装有位移传感器；所述机床主轴连接数控系统；所述标准球棒包括两个标准球，所述传感器支架上的位移传感器和底座上的位移传感器分别采集两个标准球的位移数据。本发明通过采用多传感器同时测量刀尖点位置与刀轴方向，解决了分开测量刀尖点位置与刀轴方向产生的精度标定问题，增加了机床主轴检测的精度与可靠性。

Description

数控机床动态精度检测装置及方法
技术领域
本发明涉及数控机床技术领域，具体地，涉及一种数控机床动态精度检测装置及方法。
背景技术
主轴回转误差分析系统通过5个位移传感器，检测带有偏心的主轴旋转过程中的主轴径向跳动、主轴轴向窜动、温升热变形、及切削刚性误差。主轴回转误差分析系统的主要优点是商品化、可靠性高、操作方便等。但是主轴回转误差分析系统的缺点在于只能分析径向跳动、轴向窜动、热变形等误差，识别范围小，无法有效识别主轴的动态误差，如伺服不匹配，非线性误差、间隙误差等。
五轴机床精度检测系统“R-test”采用三个正交排列的位移传感器采集机床主轴刀尖点的位移，进而对机床的动静态精度进行检测。“R-test”系统的主要优点是商品化，原理简单，操作方便。但“R-test”系统仅能测量刀尖点一个点的位置信息，无法同时检测刀轴方向的误差，无法完全反映机床的误差情况。
由于“S”形试件切削试验法可以有效反映机床的诸多动态特性，因此作为检测五轴机床精度的有效手段，例如ISO10791.7已经将“S”形试件切削实验法作为检测五轴机床精度的国际标准。但“S”形试件切削实验法过程复杂，操作不便，加工过程中会产生大量切屑，且对加工后的“S”形试件的检测仍十分复杂和困难。
公开号为CN105269404A的专利文献公开了一种数控机床刀尖动态特性精度检测装置及其方法，主要解决了现有数控机床刀尖动态特性检测性能指标不全面、不精准以及仪器及切削试件检测成本较高等问题。该数控机床刀尖动态特性精度检测装置包括支座、连接板与L形支持壁板，通过孔以贯穿方式在支座顶部安装有呈两两垂直布置的位移传感器，同时通过集成机床各主要热源处的温度数据采集，实现主轴摆动或旋转运动过程中对刀尖点位姿实时信息获取，通过数据采集器自动获取融合的数据信息高速传输进入计算机实施记录及分析，完成精度相关计算和补偿数据生成。但是，此方案近能够测量刀尖点一个点的位置信息，无法同时检测刀轴方向的误差，无法完全反映机床的误差情况。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种数控机床动态精度检测装置及方法。
根据本发明的一个方面，提供一种数控机床动态精度检测装置，包括数控系统，还包括机床主轴、标准球棒、位移传感器、传感器支架、紧固件以及底座，所述标准球棒连接机床主轴，传感器支架通过紧固件安装在底座上，所述传感器支架以及底座上分别通过紧固件安装有位移传感器；所述机床主轴连接数控系统；
所述标准球棒包括两个标准球，所述传感器支架上的位移传感器和底座上的位移传感器分别采集两个标准球的位移数据。
优选地，所述标准球棒还包括球杆，一个标准球设置在球杆的一端，另一个标准球设置在球杆的中部；球杆的另一端连接机床主轴，所述标准球棒与机床主轴同轴连接。
优选地，所述传感器支架上的位移传感器能够采集标准球棒中部标准球的位移数据，所述底座上的位移传感器能够采集标准球棒一端的标准球的位移数据。
优选地，所述传感器支架上设置有两个相互垂直的位移传感器，且两个位移传感器所在的面与机床主轴的运动方向垂直。
优选地，所述底座上设置有三个位移传感器，所述三个位移传感器沿底座的周向均匀分布。
优选地，还包括数据处理系统，所述数据处理系统连接位移传感器、数控系统。
根据本发明的另一个方面，提供一种数控机床动态精度检测方法，包括如下步骤：
步骤1：在机床主轴上装夹标准球棒，在机床工作台上安装底座，并在底座上安装传感器支架，在传感器支架以及底座上安装位移传感器，安装完成后进行位置校正；
步骤2：编写数控程序，使得标准球棒能够在空间按照设定轨迹运动，将数控程序导入数控系统；
步骤3：通过数控系统控制标准球棒运动，在运行过程中，通过传感器支架上的位移传感器对标准球棒中部标准球的位移数据进行实时采集；通过底座上的位移传感器对标准球棒一端的标准球的位移数据进行实时采集；
步骤4：数据处理系统通过标准球棒上两个位置的标准球的位移数据求出标准球棒的姿态信息；
步骤5：数据处理系统通过将标准球棒的姿态信息与理论的标准球棒的运动轨迹信息对比，对机床动态精度进行分析，所述理论的标准球棒的运动轨迹信息即为数控系统导入的标准球棒设定的运动轨迹信息。
优选地，采用所述数控机床动态精度检测装置。
优选地，所述设定的标准球棒的运动轨迹为标准S形轨迹。
优选地，所述数据处理系统对底座上位移传感器采集的数据进行坐标变换得到刀尖点位置的X、Y、Z三方向坐标；对传感器支架上位移传感器采集的数据进行坐标变换并结合刀尖点位置数据计算得到运动过程中的刀轴方向数据；
数据处理系统根据刀尖点位置与刀轴方向数据，计算得到运动过程的实际S轨迹的空间形状，并与标准S轨迹对比，分析运动过程中的机床主轴的位姿偏差；
数据处理系统还包括机床误差辨识模块，通过对S轨迹下机床主轴位姿偏差进行特征提取与分析，获得机床主轴几何误差。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过采用多传感器同时测量刀尖点位置与刀轴方向，解决了分开测量刀尖点位置与刀轴方向产生的精度标定问题，增加了机床主轴检测的精度与可靠性。
2、本发明通过采用机床主轴走一个缩小版的标准S路径的方式，达到了仅需一次安装就可同时检测多项机床误差，解决了多次测量的重复安装和标定问题，极大简化了测量过程，提高了测量效率。
3、本发明通过采用传感器和标准球棒的检测方式，实现了非切削状态下的误差检测，解决了传统S试件检测时需要准备试验件，进行繁杂的切削实验的问题。
4、本发明通过采用刀轴方向增加传感器的结构，可以在测量刀尖点位置的同时测量刀轴方向的变化，解决了传统R-test仅能测量刀尖点位置，无法反映刀轴方向变化的问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一种数控机床动态精度检测装置的结构示意图。
图2为本发明一种数控机床动态精度检测方法的流程框图。
图中示出：
机床主轴1传感器支架4
标准球棒2紧固件5
位移传感器3底座6
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本发明提供的一种数控机床动态精度检测方法，通过控制机床主轴端按照一定空间轨迹运动，在运动过程中同时检测机床主轴上两个不同位置处的位移误差，实现机床主轴端的动态精度检测。本发明提供的一种数控机床动态精度检测装置，尤其是一种基于多传感器的机床刀尖点与刀轴方向精度同步检测装置，在机床运行过程中，使用标准双球棒与五个位移传感器对数控机床刀尖点与刀轴方向数据同时采集实现机床动态精度检测。
根据本发明提供的一种数控机床动态精度检测装置，包括数控系统，如图1所示，还包括机床主轴1、标准球棒2、位移传感器3、传感器支架4、紧固件5以及底座6，所述标准球棒2连接机床主轴1，传感器支架4通过紧固件5安装在底座上，所述传感器支架4以及底座6上分别通过紧固件5安装有位移传感器3；所述机床主轴1连接数控系统；所述标准球棒2包括两个标准球，两个标准球相隔一定距离，所述传感器支架4上的位移传感器3和底座6上的位移传感器3分别采集两个标准球的位移数据。所述标准球棒2还包括球杆，一个标准球设置在球杆的一端，另一个标准球设置在球杆的中部；球杆的另一端连接机床主轴1，所述标准球棒2与机床主轴1同轴连接。所述传感器支架4上的位移传感器3能够采集标准球棒2中部标准球的位移数据，所述底座6上的位移传感器3能够采集标准球棒2一端的标准球的位移数据。所述传感器支架4上设置有两个相互垂直的位移传感器3，且两个位移传感器3所在的面与机床主轴1的运动方向垂直。所述底座6上设置有三个位移传感器3，所述三个位移传感器3沿底座6的周向均匀分布。还包括数据处理系统，所述数据处理系统连接位移传感器3、数控系统。
根据本发明提供的一种数控机床动态精度检测方法，采用所述数控机床动态精度检测装置，如图2所示，包括如下步骤：
步骤1：在机床主轴1上装夹标准球棒2，在机床工作台上安装底座6，并在底座上安装传感器支架4，在传感器支架4以及底座6上安装位移传感器3，安装完成后进行位置校正；
步骤2：编写数控程序，使得标准球棒2能够在空间按照设定轨迹运动，将数控程序导入数控系统，所述设定的标准球棒2的运动轨迹为标准S形轨迹；由机床主轴1带动标准球棒2在位移传感器3行程内走一个微缩版的标准S形轨迹，S形轨迹由标准S试件通过比例缩小获得；
步骤3：通过数控系统控制标准球棒2运动，在运行过程中，通过传感器支架4上的位移传感器3对标准球棒2中部标准球的位移数据进行实时采集；通过底座6上的位移传感器3对标准球棒2一端的标准球的位移数据进行实时采集；
步骤4：数据处理系统通过标准球棒2上两个位置的标准球的位移数据求出标准球棒2的姿态信息；
步骤5：数据处理系统通过将标准球棒2的姿态信息与理论的标准球棒2的运动轨迹信息对比，对机床动态精度进行分析，实现对机床动态误差的检测，所述理论的标准球棒2的运动轨迹信息即为数控系统导入的标准球棒2设定的运动轨迹信息；所述数据处理系统对底座6上位移传感器3采集的数据进行坐标变换得到刀尖点位置的X、Y、Z三方向坐标；对传感器支架4上位移传感器3采集的数据进行坐标变换并结合刀尖点位置数据计算得到运动过程中的刀轴方向数据；数据处理系统根据刀尖点位置与刀轴方向数据，计算得到运动过程的实际S轨迹的空间形状，并与标准S轨迹对比，分析运动过程中的机床主轴1的位姿偏差；数据处理系统还包括机床误差辨识模块，通过对S轨迹下机床主轴1位姿偏差进行特征提取与分析，获得机床主轴1几何误差，从而提高机床主轴1的检测效率。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种数控机床动态精度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在机床主轴（1）上装夹标准球棒（2），在机床工作台上安装底座（6），并在底座上安装传感器支架（4），在传感器支架（4）以及底座（6）上安装位移传感器（3），安装完成后进行位置校正；
步骤2：编写数控程序，使得标准球棒（2）能够在空间按照设定轨迹运动，将数控程序导入数控系统；
步骤3：通过数控系统控制标准球棒（2）运动，在运行过程中，通过传感器支架（4）上的位移传感器（3）对标准球棒（2）中部标准球的位移数据进行实时采集；通过底座（6）上的位移传感器（3）对标准球棒（2）一端的标准球的位移数据进行实时采集；
步骤4：数据处理系统通过标准球棒（2）上两个位置的标准球的位移数据求出标准球棒（2）的姿态信息；
步骤5：数据处理系统通过将标准球棒（2）的姿态信息与理论的标准球棒（2）的运动轨迹信息对比，对机床动态精度进行分析，所述理论的标准球棒（2）的运动轨迹信息即为数控系统导入的标准球棒（2）设定的运动轨迹信息；
所述设定的标准球棒（2）的运动轨迹为标准S形轨迹；
所述数据处理系统对底座（6）上位移传感器（3）采集的数据进行坐标变换得到刀尖点位置的X、Y、Z三方向坐标；对传感器支架（4）上位移传感器（3）采集的数据进行坐标变换并结合刀尖点位置数据计算得到运动过程中的刀轴方向数据；
数据处理系统根据刀尖点位置与刀轴方向数据，计算得到运动过程的实际S轨迹的空间形状，并与标准S轨迹对比，分析运动过程中的机床主轴（1）的位姿偏差；
数据处理系统还包括机床误差辨识模块，通过对S轨迹下机床主轴（1）位姿偏差进行特征提取与分析，获得机床主轴（1）几何误差；
还包括机床主轴（1）、标准球棒（2）、位移传感器（3）、传感器支架（4）、紧固件（5）以及底座（6），所述标准球棒（2）连接机床主轴（1），传感器支架（4）通过紧固件（5）安装在底座上，所述传感器支架（4）以及底座（6）上分别通过紧固件（5）安装有位移传感器（3）；所述机床主轴（1）连接数控系统；
所述标准球棒（2）包括两个标准球，所述传感器支架（4）上的位移传感器（3）和底座（6）上的位移传感器（3）分别采集两个标准球的位移数据；
所述标准球棒（2）还包括球杆，一个标准球设置在球杆的一端，另一个标准球设置在球杆的中部；球杆的另一端连接机床主轴（1），所述标准球棒（2）与机床主轴（1）同轴连接。
2.根据权利要求1所述的数控机床动态精度检测方法，其特征在于，所述传感器支架（4）上的位移传感器（3）能够采集标准球棒（2）中部标准球的位移数据，所述底座（6）上的位移传感器（3）能够采集标准球棒（2）一端的标准球的位移数据。
3.根据权利要求1所述的数控机床动态精度检测方法，其特征在于，所述传感器支架（4）上设置有两个相互垂直的位移传感器（3），且两个位移传感器（3）所在的面与机床主轴（1）的运动方向垂直。
4.根据权利要求1所述的数控机床动态精度检测方法，其特征在于，所述底座（6）上设置有三个位移传感器（3），所述三个位移传感器（3）沿底座（6）的周向均匀分布。
5.根据权利要求1所述的数控机床动态精度检测方法，其特征在于，还包括数据处理系统，所述数据处理系统连接位移传感器（3）、数控系统。
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