CN112902848B - 三轴数控机床的z向线性位移与误差测量方法及系统 - Google Patents

三轴数控机床的z向线性位移与误差测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及三轴数控机床的Z向线性位移与误差测量方法及系统，安装芯棒与光学位移传感器等测量装置：初始化光学位移传感器，至少测量两组数据，并且每组数据按如下方式测量：控制机床主轴带动芯棒按设定位移量进行Z向移动后，控制机床主轴带动芯棒以转速S进行旋转，旋转周期n>3；在芯棒旋转过程中，光学位移传感器测量自身到所述测量面的距离，每个旋转周期内测量x个数据，每组数据的数据量为n×x个；根据每组数据的周期性波动特征，采用平均法消除每组数据的测量误差，从而计算出误差消除后的光学位移传感器到测量面之间的距离，即修正距离；采用两组数据分别对应的两个修正距离作差以计算出芯棒的运动位移量，以运动位移量作为Z向线性位移测量值。

Description

三轴数控机床的Z向线性位移与误差测量方法及系统
技术领域
本发明涉及三轴数控Z向线性位移测量技术领域。
背景技术
三轴数控加工中心，即三轴数控机床在长时间运行后由于磨损、老化等原因，其位移精度会下降，因此需要重新测量各轴位移以进行精度校核。
对于Z向线性位移的测量，芯棒轴向端面的平面度和测量过程中因主轴旋转而导致的周期性端面跳动和主轴倾斜，这些误差因素对芯棒Z向线性运动精度有一定的影响。
目前传统的测量方法是主轴不进行旋转运动，只进行Z向的线性运动，测量其位移数据，然而，在实际测量中主轴难以保证绝对不发生角度偏移，所以常常会导致较大的测量误差出现。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种三轴数控加工中心Z向线性位移测量方法，解决由于测量过程中主轴发生偏转导致Z向线性位移误差较大的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种三轴数控机床Z向线性位移测量方法，包括以下步骤：
安装测量装置：
将芯棒上端安装在机床主轴上，芯棒下端面作为测量面；
在工作台上安装光学位移传感器并位于芯棒下方，调节光学位移传感器使其发射的光线能够位于所述测量面上；
数据采集：
控制芯棒运动到光学位移传感器的测量范围内；
初始化光学位移传感器，至少测量两组数据，并且每组数据按如下方式测量：控制机床主轴带动芯棒按设定位移量进行Z向移动后，控制机床主轴带动芯棒以转速S进行旋转，旋转周期n>3；在芯棒旋转过程中，光学位移传感器测量自身到所述测量面的距离，每个旋转周期内测量x个数据，每组数据的数据量为n×x个；
数据处理：
在以测量点数为横坐标，并以光学位移传感器到测量面之间的距离为纵坐标的平面直角坐标系中统计各组数据，从而获取每组数据的周期性波动特征；
根据每组数据的周期性波动特征，采用平均法消除每组数据的测量误差，从而计算出误差消除后的光学位移传感器到测量面之间的距离，即修正距离；
采用两组数据分别对应的两个修正距离作差以计算出芯棒的运动位移量，以所述运动位移量作为Z向线性位移测量值。
进一步的，首先采用平均法对单个周期内的数据进行处理，按如下公式：
Figure BDA0002905942970000021
式中，i表示第i组数据，j表示第j个周期，x表示一个周期的数据量；
再次采用平均法计算出所述修正距离，按如下公式：
Figure BDA0002905942970000022
式中，
Figure BDA0002905942970000023
表示第i组数据所对应的修正距离，r表示从第i组数据中所选取的周期总数，r≥3。
本发明还提供一种三轴数控机床的Z向线性位移误差测量方法，包括以下步骤：
根据光学位移传感器的测量范围确定设定位移量，使得
Figure BDA0002905942970000024
其中，k表示测量组数，Lm表示第m次测量所采用的设定位移量，LM表示光学位移传感器的最大量程；
采用权利要求1或2所述三轴数控机床的Z向线性位移测量方法测量出芯棒每次按设定位移量持续向下或向上Z向移动后的k组数据，并相应计算出k个修正距离；
根据两两相邻的修正距离计算出芯棒的k-1个运动位移量，即芯棒的k-1个Z向线性位移测量；
将各个Z向线性位移测量与相应的设定位移量Lm进行比较，从而得到k-1个单次测量误差，从而能够根据单次测量误差分析三轴数控机床在不同行程范围内的Z向线性位移误差。
进一步的，累加每个单次测量误差，从而得到全行程范围内的Z向线性位移误差。
本发明还提供三轴数控机床的Z向线性位移测量系统，包括用于安装到机床主轴上的芯棒，所述芯棒一端的端面作为测量面；
还包括配置有Z向线性位移修正程序的计算机与用于将光学传感器固定安装到机床工作台上的夹具；
所述计算机通过光学位移传感器获取多组测量数据，每组测量数据按如下方式测量得到：控制机床主轴带动芯棒按设定位移量进行Z向移动后，控制机床主轴带动芯棒以转速S进行慢速旋转，旋转周期n>3；在芯棒旋转过程中，光学位移传感器测量自身到所述测量面的距离，每个旋转周期内测量x个数据，每组数据的数据量为n×x个；
所述Z向线性位移修正程序用于通过平均法消除每组数据的测量误差，从而计算出误差消除后的光学位移传感器到测量面之间的距离，即修正距离，再采用两组数据分别对应的两个修正距离作差以计算出芯棒的运动位移量，以所述运动位移量作为Z向线性位移测量值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明突破了传统测量方法中“定点测量”的理想化方案，而是顺应机床主轴不可避免偏转的特性，在主轴旋转状态下进行多点测量，获取大量数据，再根据数据的周期性波动特征，采用平均法即可消除测量误差，从而提高测量精度。
2、本发明采用二次平均法先后消除周期内数据误差与组内数据误差，进一步提高测量精度。
3、本发明由于能够消除偏转误差，因此对测量装置的安装要求较低，无需像现有技术中那样去调节传感器的垂直度或平行度。
4、本发明的误差测量方法既能够根据单次测量误差分析三轴数控机床在不同行程范围内的Z向线性位移误差，还能够累加每个单次测量误差，从而得到全行程范围内的Z向线性位移误差。
5、本发明的测量系统软硬件相结合，不需要复杂昂贵的仪器设备，降低成本，易于推广。
附图说明
图1是本具体实施方式中测量系统的结构示意图；
图2是本具体实施方式中的测量方法流程示意图；
图3是本具体实施方式中每组z向位移测量数据的变化趋势图；
图4是采用本实施例获得的测量结果与传统方法测量结果的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。
一)测量系统
参考图1所示，一种数控机床的Z向线性位移测量系统，包括用于安装到机床主轴1上的芯棒2，所述芯棒一端的端面作为测量面；还包括配置有Z向线性位移修正程序的计算机7与用于将光学传感器3固定安装到机床工作台上的夹具4，所述光学位移传感器3通过连接件5安装在夹具4上。
夹具4包括L形板与紧固装置，所述L形板包括相互垂直的底板与立板，所述底板用于通过紧固装置(包括压板、T型螺栓与三角齿形压板定位夹)固定在机床工作台上，所述立板用于安装光学位移传感器。立板上设有用于安装光学位移传感器的定位安装孔，连接件5为螺栓，并至少包括两个连线平行于工作台的定位安装孔，保证了光学位移传感器发射的光线与主轴中心线平行。不过，由于本发明能够消除偏转误差，因此对测量装置的安装要求较低，光线与主轴中心线也可以不平行。
计算机通过光学位移传感器获取多组测量数据，每组测量数据按如下方式测量得到：控制机床主轴带动芯棒按设定位移量进行Z向移动后，控制机床主轴带动芯棒以转速S进行慢速旋转，旋转周期n>3；在芯棒旋转过程中，光学位移传感器测量自身到所述测量面的距离，每个旋转周期内测量x个数据，每组数据的数据量为n×x个；
所述Z向线性位移修正程序用于通过平均法消除每组数据的测量误差，从而计算出误差消除后的光学位移传感器到测量面之间的距离，即修正距离，再采用两组数据分别对应的两个修正距离作差以计算出芯棒的运动位移量，以所述运动位移量作为Z向线性位移测量值。
二)测量方法
参考图2所示，一种三轴数控机床Z向线性位移测量方法，包括以下步骤：
安装测量装置：
将芯棒上端安装在机床主轴上，芯棒下端面作为测量面；
在工作台上安装光学位移传感器并位于芯棒下方，调节光学位移传感器使其发射的光线平行于机床主轴的轴线；
数据采集：
控制芯棒运动到光学位移传感器的测量范围内；
初始化光学位移传感器，至少测量两组数据，并且每组数据按如下方式测量：控制机床主轴带动芯棒按设定位移量进行Z向移动后，控制机床主轴带动芯棒以转速S进行旋转，旋转周期n>3；在芯棒旋转过程中，光学位移传感器测量自身到所述测量面的距离，每个旋转周期内测量x个数据，每组数据的数据量为n×x个；
数据处理：
参考图3所示，在以测量点数为横坐标，并以光学位移传感器到测量面之间的距离为纵坐标的平面直角坐标系中统计各组数据，从而获取每组数据的周期性波动特征；
根据每组数据的周期性波动特征，采用平均法消除每组数据的测量误差，从而计算出误差消除后的光学位移传感器到测量面之间的距离，即修正距离；
采用两组数据分别对应的两个修正距离作差以计算出芯棒的运动位移量，以所述运动位移量作为Z向线性位移测量值。
平均法消除每组数据的测量误差具体如下：
首先采用平均法对单个周期内的数据进行处理，按如下公式：
Figure BDA0002905942970000061
式中，i表示第i组数据，j表示第j个周期，x表示一个周期的数据量；
再次采用平均法计算出所述修正距离，按如下公式：
Figure BDA0002905942970000062
式中，
Figure BDA0002905942970000063
表示第i组数据所对应的修正距离，r表示从第i组数据中所选取的周期总数，r≥3。
三)、实施例
本实施例基于三轴数控机床Z向线性位移测量方法，来进一步测量Z向线性位移误差，包括以下步骤：
根据光学位移传感器的测量范围确定设定位移量，使得
Figure BDA0002905942970000064
其中，k表示测量组数，Lm表示第m次测量所采用的设定位移量，LM表示光学位移传感器的最大量程；
采用权利要求1或2所述三轴数控机床的Z向线性位移测量方法测量出芯棒每次按设定位移量持续向下或向上Z向移动后的k组数据，并相应计算出k个修正距离；
根据两两相邻的修正距离计算出芯棒的k-1个运动位移量，即芯棒的k-1个Z向线性位移测量；
将各个Z向线性位移测量与相应的设定位移量Lm进行比较，从而得到k-1个单次测量误差，从而能够根据单次测量误差分析三轴数控机床在不同行程范围内的Z向线性位移误差；累加每个单次测量误差，从而得到全行程范围内的Z向线性位移误差。
各次测量中采用的设定位移量相等或不相等，本实施例中设置为相等。
本实例中，通过操作高精度三轴数控加工中心控制机床主轴在测量起始点往Z负方向移动30μm，机床主轴停止，设定机床主轴以30rpm空转15个周期，同时通过激光位移传感器LCD2300-10采集芯棒2测量端z向位移量数据；机床主轴1停转，往Z负方向继续移动30μm后机床主轴1以30rpm转速空转15个周期。共重复此操作五次。
分别采用平均法和传统测量法计算出运动位移量，并与理论位移量进行对比。此实施例中高精度三轴数控加工中心的精度很高，因此其真实运动位移量可视为理论位移量30μm。对比数据如下表1所示，并绘制平均法测量值、传统方法测量值与理论位移量对比图，如图4所示。
表1运动位移量(μm)
Figure BDA0002905942970000071
Figure BDA0002905942970000081
通过表1和参考图4，可以看出，采用平均法处理三轴数控加工中心Z向线性运动误差得到的每组测量值与理论位移值30μm的最大误差不超过1μm，全行程测量值与全行程理论位移量120μm的最大误差不超过1.1μm；采用传统方法处理三轴数控加工中心Z向线性运动精度得到的每组测量值与理论位移值的误差最大接近10μm，全行程测量值与全行程理论位移量120μm的误差达到了26.7μm。说明采用平均法处理数据后能够精确的测量出三轴数控加工中心Z向线性运动位移变化量，不会因为在实际加工状况下因主轴旋转导致的误差因素对测量Z向线性运动精度产生影响。

Claims (3)

1.一种三轴数控机床的Z向线性位移误差测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
根据光学位移传感器的测量范围确定设定位移量，使得
Figure FDA0003737146350000011
其中，k表示测量组数，Lm表示第m次测量所采用的设定位移量，LM表示光学位移传感器的最大量程；
采用三轴数控机床的Z向线性位移测量方法测量出芯棒每次按设定位移量持续向下或向上Z向移动后的k组数据，并相应计算出k个修正距离；
根据两两相邻的修正距离计算出芯棒的k-1个运动位移量，即芯棒的k-1个Z向线性位移测量；
将各个Z向线性位移测量与相应的设定位移量Lm进行比较，从而得到k-1个单次测量误差，从而能够根据单次测量误差分析三轴数控机床在不同行程范围内的Z向线性位移误差；
所述三轴数控机床Z向线性位移测量方法包括以下步骤：
安装测量装置：
将芯棒上端安装在机床主轴上，芯棒下端面作为测量面；
在工作台上安装光学位移传感器并位于芯棒下方，调节光学位移传感器使其发射的光线能够位于所述测量面上；
数据采集：
控制芯棒运动到光学位移传感器的测量范围内；
初始化光学位移传感器，至少测量两组数据，并且每组数据按如下方式测量：控制机床主轴带动芯棒按设定位移量进行Z向移动后，控制机床主轴带动芯棒以转速S进行旋转，旋转周期n>3；在芯棒旋转过程中，光学位移传感器测量自身到所述测量面的距离，每个旋转周期内测量x个数据，每组数据的数据量为n×x个；
数据处理：
在以测量点数为横坐标，并以光学位移传感器到测量面之间的距离为纵坐标的平面直角坐标系中统计各组数据，从而获取每组数据的周期性波动特征；
根据每组数据的周期性波动特征，采用平均法消除每组数据的测量误差，从而计算出误差消除后的光学位移传感器到测量面之间的距离，即修正距离；
采用两组数据分别对应的两个修正距离作差以计算出芯棒的运动位移量，以所述运动位移量作为Z向线性位移测量值。
2.根据权利要求1所述的三轴数控机床的Z向线性位移误差测量方法，其特征在于：累加每个单次测量误差，从而得到全行程范围内的Z向线性位移误差。
3.根据权利要求1所述的三轴数控机床的Z向线性位移误差测量方法，其特征在于：各次测量中采用的设定位移量相等或不相等。
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