CN114012505B - 一种机床主轴的校正方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机床主轴的校正方法及系统，包括：获取机床坐标系设定的某时刻主轴中心轴线的下端中心点理想位置；利用若干位移传感器实时测量对应时刻的主轴中心轴线的下端中心点实际位置；利用极坐标分析法分析所述实时测量主轴中心轴线的下端中心点实际位置，结合主轴中心轴线的下端中心点理想位置计算出主轴中心轴线的下端中心点位置的补偿值；根据主轴中心轴线的下端中心点位置的补偿值修正主轴中心点位置。优点：使得主轴中心轴线的下端中心点在理想位置上从而提高加工精度。

Description

一种机床主轴的校正方法及系统
技术领域
本发明涉及一种机床主轴的校正方法及系统，属于机床精度控制技术领域。
背景技术
数控机床主轴的定位精度是机床加工精度的重要因素。机床在实际加工过程中主轴会受到外力的作用，比如弯曲、扭转、冲击力、交变应力，切削力等，使得主轴的中心点偏离理想位置。加强主轴支承刚度，减小主轴的径向跳动和轴向窜动，减小装配过程中的安装和校准误差是提高主轴定位精度的常规方法。而这些方法所花费的代价大且收效甚微。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种机床主轴的校正方法及系统，使得主轴中心轴线的下端中心点在理想位置上从而提高加工精度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种机床主轴的校正方法，包括：
获取机床坐标系设定的某时刻主轴中心轴线的下端中心点理想位置；
利用若干位移传感器实时测量对应时刻的主轴中心轴线的下端中心点实际位置；
利用极坐标分析法分析所述实时测量主轴中心轴线的下端中心点实际位置，结合主轴中心轴线的下端中心点理想位置计算出主轴中心轴线的下端中心点位置的补偿值；
根据主轴中心轴线的下端中心点位置的补偿值修正主轴中心点位置。
进一步的，所述利用若干位移传感器实时测量主轴中心轴线的下端中心点实际位置，包括：
将四个角度传感器均匀布置在垂直于主轴下端的水平面上，当电机驱动主轴旋转时，利用每个角度传感器测得机床主轴中心轴线的下端中心点实际位置相对主轴中心轴线的下端中心点理想位置的实际角度，分别为第一传感器测得的角度αM1、第二传感器测得的角度αM2、第三传感器测得的角度αM3以及第四传感器测得的角度αM4，其中，第一传感器和第三传感器之间的连线与第二传感器和第四传感器之间的连线相垂直。
进一步的，所述利用极坐标分析法分析所述实时测量主轴中心轴线的下端中心点实际位置，结合主轴中心轴线的下端中心点理想位置计算出主轴中心轴线的下端中心点位置的补偿值，包括：
利用第一传感器和第三传感器测得的角度计算，当机床主轴旋转α的角度后，机床主轴偏离水平方向的实际角度误差，表示为：
Figure GDA0003450435740000021
利用第二传感器和第四传感器测得的角度计算，当机床主轴旋转α的角度后，机床主轴偏离竖直方向的实际角度误差，表示为：
Figure GDA0003450435740000022
利用δX(α)和δY(α)分别计算得到机床主轴偏离竖直方向和水平方向的位移误差，表示为：
Figure GDA0003450435740000023
Figure GDA0003450435740000024
其中，YO′(α)表示机床主轴偏离竖直方向的位移误差，XO′(α)表示机床主轴偏离水平方向的位移误差，r表示主轴的旋转半径；
主轴中心轴线的下端中心点在空间上的位置误差在复平面上的表示如下：
Figure GDA0003450435740000025
Figure GDA0003450435740000026
这里，
Figure GDA0003450435740000027
是通过n次傅里叶变换计算而得，如下式，
Figure GDA0003450435740000028
Figure GDA0003450435740000029
表示主轴在水平方向的误差的在复平面上的表示形式，
Figure GDA00034504357400000210
表示主轴在水平方向的误差的在复平面上的表示形式，j表示复数的虚部，
Figure GDA0003450435740000031
和
Figure GDA0003450435740000032
表示主轴在X方向和Y方向的误差在复平面上的误差值；
Figure GDA0003450435740000033
Figure GDA0003450435740000034
获取设定的某时刻主轴中心轴线的下端中心点理想位置A，此时刻的主轴中心轴线的下端中心点实际位置为B，得到：
Figure GDA0003450435740000035
Figure GDA0003450435740000036
表示中心点理想位置A相对中心点实际位置点B产生角度为α值的位置矢量值，
Figure GDA0003450435740000037
表示误差角度为α值时实际位置点B的位置矢量值；
Figure GDA0003450435740000038
表示误差角度为α值时坐标系O'的原点与A之间的位置矢量值；
主轴中心轴线的下端中心点实际位置B的误差分解为水平方向、竖直方向的分项误差，根据
Figure GDA0003450435740000039
得到所述补偿值，表示为EAX(α)、EAY(α)；
Figure GDA00034504357400000310
Figure GDA00034504357400000311
进一步的，所述根据主轴中心轴线的下端中心点位置的补偿值修正主轴中心点位置，包括：
将所述补偿值传入到数控系统的补偿模块中进行补偿，完成主轴误差校正。
一种机床主轴的校正系统，包括：
获取模块，用于获取机床坐标系设定的某时刻主轴中心轴线的下端中心点理想位置；
测量模块，用于利用若干位移传感器实时测量对应时刻的主轴中心轴线的下端中心点实际位置；
计算模块，用于利用极坐标分析法分析所述实时测量主轴中心轴线的下端中心点实际位置，结合主轴中心轴线的下端中心点理想位置计算出主轴中心轴线的下端中心点位置的补偿值；
修正模块，用于根据主轴中心轴线的下端中心点位置的补偿值修正主轴中心点位置。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
一种计算设备，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
本发明所达到的有益效果：
本发明首先确定机床主轴中心轴线的下端中心点的理想位置，该点位置为机床坐标系设定位置，然后应用安装在主轴的多个位移传感器测量主轴中心轴线的下端点实际位置，采用极坐标分析法求出补偿值，数控系统根据补偿数据修正主轴的空间位置，使得主轴中心轴线的下端中心点在理想位置上从而提高加工精度。
附图说明
图1机床主轴的定位精度测量；
图2机床主轴的实际偏离；
图3机床主轴的轨迹分析；
图4机床主轴的定位误差补偿。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图4所示，一种新的方法补偿机床的加工误差，包括：
首先确定机床主轴中心轴线的下端中心点的理想位置，该点位置为机床坐标系设定位置，然后应用安装在主轴的多个位移传感器测量主轴中心轴线的下端点实际位置，采用极坐标分析法求出补偿值，数控系统根据补偿数据修正主轴的空间位置。
主轴的测量方式采用直接测量，四个位移传感器的安装位置如附图1所示，四个传感器均匀布置在垂直于主轴下端的水平面上，当电机驱动主轴旋转时，主轴的几何误差使得主轴中心轴的下端点理想位置和实际位置不重合，如附图2所示。O点为主轴端点的理想位置，O’为主轴端点的实际位置，四个传感器所测量出的位移误差值转换为角度误差分别为ξM1(α)、ξM2(α)、ξM3(α)、ξM4(α)，这里，
αM1＝α+ξM1(α) (1)
αM3＝α-ξM3(α) (2)
ξM1(α)，ξM3(α)表示传感器1和传感器3所测量的机床主轴相对于机床主轴的中心位置点在空间上的角度误差，αM1,αM3表示传感器1和传感器3所测量出机床主轴相对于机床主轴的中心位置点的实际角度位置。
Figure GDA0003450435740000051
α表示机床主轴实际旋转的角度。
Figure GDA0003450435740000052
δM1(α)和δM3(α)表示机床主轴偏离X方向的实际角度误差，主轴中心点的理想位置在O点上，当机床主轴旋转α的角度后，实际的位置在O’点上，如图2所示，主轴的中心位置点偏离了理想位置在X轴方向的角度误差为实际位置O’点到X轴的距离与主轴的旋转半径之比。
Figure GDA0003450435740000053
r表示主轴的旋转半径如图1所示，在机床坐标系中，主轴的中心位置点为O点，主轴沿着该点进行旋转，r为主轴的半径r＝d/2，YO′(α)表示主轴在Y方向的位移误差。
同理，
Figure GDA0003450435740000054
δM2(α)和δM4(α)表示机床主轴偏离Y方向的实际角度误差，主轴中心点的理想位置在O点上，当机床主轴旋转α的角度后，实际的位置在O’点上，如图2所示，主轴的中心位置点偏离了理想位置在Y轴方向的角度误差为实际位置O’点到Y轴的距离与主轴的旋转半径之比)
Figure GDA0003450435740000061
XO′(α)表示主轴在X方向的位移误差。主轴下端点在空间上的位置误差在复平面上的表示如下：
Figure GDA0003450435740000062
这里，
Figure GDA0003450435740000063
可转换为复指数函数，如下式：
Figure GDA0003450435740000064
这里，
Figure GDA0003450435740000065
是通过n次傅里叶变换计算而得，如下式，
Figure GDA0003450435740000066
主轴端点旋转的轨迹线如图3所示。取理论轨迹线上的一点A，则在实际位置上为B，所述理论轨迹线是用户设定的轨迹线，也可以理解为理想轨迹线，即主轴绕着中心线O点开始旋转，旋转半径为r，所形成的轨迹线,由此可得：
Figure GDA0003450435740000067
主轴中心轴线的下端中心点实际位置B的误差分解为水平方向、竖直方向的分项误差，根据
Figure GDA0003450435740000068
得到所述补偿值，表示为EAX(α)、EAY(α)为：
Figure GDA0003450435740000069
Figure GDA00034504357400000610
由以上的分析过程，根据各个测量点所测量的误差数据进行计算，所得出的处理后的误差数据EAX(α)、EAY(α)传入到数控系统的补偿模块中进行补偿，从而提高机床主轴的定位精度。
本发明所提供的方法为测量、分析机床主轴的定位误差然后进行补偿，实际的运用过程所采取的方法主要包含以下几个步骤:
步骤1:机床主轴的转速为3000r/s，主轴半径为30mm，在某一瞬时，机床主轴转过相对于初始位置的α为30°的角度。此时安装在主轴下端平面的四个位移传感器测量出主轴偏离理想位置的误差值。
步骤2:根据位移传感器的显示值测出主轴下端面的位移值，转换为四个角度误差分别为0.003°、0.002°、0.004°和0.001°。
步骤3:依据X轴作为基准，机床主轴实际旋转的角度为
Figure GDA0003450435740000071
Figure GDA0003450435740000072
此时机床主轴偏离X方向的实际角度误差0.0035°；同理依据Y轴作为基准，机床主轴实际旋转的角度为30.0005°，此时机床主轴偏离Y方向的实际角度误差0.0015°。在此偏离基础上取其中主轴下端的外表面上的点作为分析对象。
步骤4：为了分析问题方便，分别测量主轴下端表面上均匀分布的四个点为一组测量数据。取其中一点A作为分析对象，代入公式(8)可得该点在X方向的误差为0.001mm，在Y方向的误差为0.000086mm。
步骤5：将所计算的误差数据送入到数控系统实现误差补偿，保证机床的加工精度。
相应的本发明还提供一种机床主轴的校正系统，包括：
获取模块，用于获取机床坐标系设定的某时刻主轴中心轴线的下端中心点理想位置；
测量模块，用于利用若干位移传感器实时测量对应时刻的主轴中心轴线的下端中心点实际位置；
计算模块，用于利用极坐标分析法分析所述实时测量主轴中心轴线的下端中心点实际位置，结合主轴中心轴线的下端中心点理想位置计算出主轴中心轴线的下端中心点位置的补偿值；
修正模块，用于根据主轴中心轴线的下端中心点位置的补偿值修正主轴中心点位置。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
一种计算设备，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种机床主轴的校正方法，其特征在于，包括：
获取机床坐标系设定的某时刻主轴中心轴线的下端中心点理想位置；
利用若干位移传感器实时测量对应时刻的主轴中心轴线的下端中心点实际位置；
利用极坐标分析法分析所述实时测量主轴中心轴线的下端中心点实际位置，结合主轴中心轴线的下端中心点理想位置计算出主轴中心轴线的下端中心点位置的补偿值；
根据主轴中心轴线的下端中心点位置的补偿值修正主轴中心点位置；
所述利用若干位移传感器实时测量主轴中心轴线的下端中心点实际位置，包括：
将四个角度传感器均匀布置在垂直于主轴下端的水平面上，当电机驱动主轴旋转时，利用每个角度传感器测得机床主轴中心轴线的下端中心点实际位置相对主轴中心轴线的下端中心点理想位置的实际角度，分别为第一传感器测得的角度αM1、第二传感器测得的角度αM2、第三传感器测得的角度αM3以及第四传感器测得的角度αM4，其中，第一传感器和第三传感器之间的连线与第二传感器和第四传感器之间的连线相垂直；
所述利用极坐标分析法分析所述实时测量主轴中心轴线的下端中心点实际位置，结合主轴中心轴线的下端中心点理想位置计算出主轴中心轴线的下端中心点位置的补偿值，包括：
利用第一传感器和第三传感器测得的角度计算，当机床主轴旋转α的角度后，机床主轴偏离水平方向的实际角度误差，表示为：
Figure FDA0003817184240000011
利用第二传感器和第四传感器测得的角度计算，当机床主轴旋转α的角度后，机床主轴偏离竖直方向的实际角度误差，表示为：
Figure FDA0003817184240000021
利用δX(α)和δY(α)分别计算得到机床主轴偏离竖直方向和水平方向的位移误差，表示为：
Figure FDA0003817184240000022
Figure FDA0003817184240000023
其中，YO′(α)表示机床主轴偏离竖直方向的位移误差，XO′(α)表示机床主轴偏离水平方向的位移误差，r表示主轴的旋转半径；
主轴中心轴线的下端中心点在空间上的位置误差在复平面上的表示如下：
Figure FDA0003817184240000024
Figure FDA0003817184240000025
这里，
Figure FDA0003817184240000026
是通过n次傅里叶变换计算而得，如下式，
Figure FDA0003817184240000027
j表示复数的虚部，
Figure FDA0003817184240000028
和
Figure FDA0003817184240000029
分别表示主轴在X方向和Y方向的误差在复平面上的误差值；
Figure FDA00038171842400000210
Figure FDA00038171842400000211
获取设定的某时刻主轴中心轴线的下端中心点理想位置A，此时刻的主轴中心轴线的下端中心点实际位置为B，得到：
Figure FDA00038171842400000212
Figure FDA00038171842400000213
表示中心点理想位置A相对中心点实际位置点B产生角度为α值的位置矢量值，
Figure FDA00038171842400000214
表示误差角度为α值时实际位置点B的位置矢量值；
Figure FDA0003817184240000031
表示误差角度为α值时坐标系O'的原点与A之间的位置矢量值；
主轴中心轴线的下端中心点实际位置B的误差分解为水平方向、竖直方向的分项误差，根据
Figure FDA0003817184240000032
得到所述补偿值，表示为EAX(α)、EAY(α)；
Figure FDA0003817184240000033
Figure FDA0003817184240000034
2.根据权利要求1所述的机床主轴的校正方法，其特征在于，所述根据主轴中心轴线的下端中心点位置的补偿值修正主轴中心点位置，包括：
将所述补偿值传入到数控系统的补偿模块中进行补偿，完成主轴误差校正。
3.一种基于权利要求1所述的机床主轴的校正方法的系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取机床坐标系设定的某时刻主轴中心轴线的下端中心点理想位置；
测量模块，用于利用若干位移传感器实时测量对应时刻的主轴中心轴线的下端中心点实际位置；
计算模块，用于利用极坐标分析法分析所述实时测量主轴中心轴线的下端中心点实际位置，结合主轴中心轴线的下端中心点理想位置计算出主轴中心轴线的下端中心点位置的补偿值；
修正模块，用于根据主轴中心轴线的下端中心点位置的补偿值修正主轴中心点位置。
4.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至2所述的方法中的任一方法。
5.一种计算设备，其特征在于，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至2所述的方法中的任一方法的指令。
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