CN114296396A - 一种数控车床主轴热误差测量装置及建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数控车床主轴热误差测量装置及建模方法，所述测量装置包括床身测量支架、地面测量支架、电涡流位移传感器、温度传感器及数据采集装置；电涡流位移传感器通过固定在床身测量支架和地面测量支架来测量主轴相对床身及主轴相对地面的热误差；温度传感器用于测量机床热关键点温度值；根据两种支架测得的误差值，分离出主轴和床身各自相对地面的绝对热误差；利用主轴和床身各自的绝对热误差及对应的关键点温度值，分别建立主轴和床身的解耦热误差多元线性回归模型；将两个模型进行线性叠加，获得主轴综合热误差模型。本发明解决了数控车床在测量主轴热误差时主轴和床身热误差耦合的问题，能够提高主轴热误差模型的预测精度和鲁棒性。
Description
技术领域
本发明属于数控机床技术领域，尤其涉及一种数控车床主轴热误差测量装置及建模方法。
背景技术
影响精密数控机床加工精度的误差因素有很多，根据误差来源可分为几何误差、力误差、刀具磨损误差、热误差、控制误差及其他误差。随着制造和装配技术的不断提高，使得传统意义上的机床几何误差等静态误差得到了有效的控制和改善，然而机床在实际加工过程中各零部件不可避免地会产生温度变化，使得热误差成为影响机床精度的关键因素，其占比可达机床总加工误差的40％～70％。通过分析，发现数控车床的加工热误差是由多个部分的热误差耦合在一起形成的，最终表现在刀尖点与工件之间发生的相对位移。主轴作为车床的核心部件，其结构复杂、发热量大且热源分布不均，使得主轴热误差占车床整个热误差的80％，因此研究车床主轴热误差对于减小车床整体热误差具有重要意义。
目前对主轴热误差开展了大量研究，存在一些问题：首先，对于车床主轴热误差的检测主要还是依据国际标准ISO0230-3：2007中的建议进行，将检测装置固定在刀塔上采用“五点法”对检棒进行测量，但该标准中的“五点法”检测到的热误差是最后刀尖点与工件的相对位移，是车床主轴热误差和车床其他部分热误差耦合后的综合热误差，而非主轴自身的实际热误差，因此其只能作为评判主轴热误差大小的标准而不能直接用此数据来对主轴热误差进行建模；其次，在对主轴热误差建模时只考虑主轴和主轴箱附近的温度值，忽略车床其他部件的温度对主轴热误差的影响，即便考虑了车床其他部分温度值的影响，在用“五点法”测得的耦合热误差进行建模时也很难得到同时具备高精度和强鲁棒性的主轴热误差模型，其根本原因在于建模过程中未考虑车床各部分热误差产生和耦合的过程，使得最终的模型不具有实际物理意义，只是通过计算获得针对某一段数据的最优解，因此其预测精度和鲁棒性都存在一定问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种数控车床主轴热误差测量装置及建模方法，解决由于主轴热误差和床身热误差耦合导致的传统测量方法中主轴热误差测量值不准确、主轴热误差模型精度不高、鲁棒性不强等问题。
为达到上述目的，本发明提出以下技术方案：
一种数控车床主轴热误差测量装置，包括床身测量支架、地面测量支架和数据采集装置；所述床身测量支架固定在车床刀塔处，地面测量支架固定在机床安装的地面上；在床身测量支架上安装有电涡流位移传感器，用于测量主轴相对床身的热误差；在地面测量支架上也安装有电涡流位移传感器，用于测量主轴相对实际地面的热误差以及床身相对实际地面的热误差；在机床的热关键点处布置有温度传感器，用于测量机床热关键点的温度值；所述数据采集装置与电涡流位移传感器和温度传感器相连，用于转换和采集电涡流位移传感器测量的热误差值，以及温度传感器测量的温度值。
进一步地，床身测量支架为L型支架，包括床身测量支架底板、床身测量支架侧板以及床身测量支架固定端；所述床身测量支架底板与床身测量支架侧板紧固连接，且垂直设置；所述床身测量支架底板与床身测量支架固定端的一端紧固连接，且垂直设置，床身测量支架固定端的另一端固定在车床刀塔上；地面测量支架为L型支架，包括地面测量支架底板、地面测量支架侧板、地面测量支架固定端以及地面测量支架底座；所述地面测量支架底板与地面测量支架侧板紧固连接，且相垂直；所述地面测量支架底板与地面测量支架固定端的一端紧固连接，且相垂直，所述地面测量支架固定端的另一端固定在地面测量支架底座上，所述地面测量支架底座固定在地面上。
进一步地，固定在床身测量支架上的电涡流位移传感器有三个，分别为第一电涡流位移传感器、第二电涡流位移传感器和第三电涡流位移传感器；第一电涡流位移传感器和第二电涡流位移传感器固定在床身测量支架底板上，第三电涡流位移传感器固定在床身测量支架侧板上；其中，第一电涡流位移传感器和第二电涡流位移传感器固定在床身测量支架底板上，且二者间隔布置在数控机床XZ轴平面内且有相同的X向和Y向坐标值，并与检棒中心轴线垂直；第三电涡流位移传感器固定在床身测量支架侧板的后面并与检棒末端平面垂直。
进一步地，固定在地面测量支架上的电涡流位移传感器有三个，分别为第四电涡流传感器、第五电涡流传感器和第六电涡流传感器；其中，第四电涡流传感器和第五电涡流传感器固定在地面测量支架底板上，且二者间隔布置在数控机床XZ轴平面内且有相同的X向和Y向坐标值，并与检棒中心轴线垂直；第六电涡流传感器布置在地面测量支架侧板的后面并与地面测量支架侧板垂直。
进一步地，机床的热关键点包括主轴箱的温度测点和床身的温度测点，在主轴箱温度测点处以及床身温度测点处均固定有温度传感器；其中，主轴箱的温度测点包括：主轴箱上部前侧，主轴箱上部中侧，主轴箱上部后侧，主轴箱下部前侧，主轴箱下部中侧和主轴箱下部后侧；床身温度测点包括：床身Z向后侧，床身Z向中后侧，床身Z向中前侧，床身Z向前侧，床身X向后侧，床身X向中后侧，床身X向中前侧和床身X向前侧。
上述数控车床主轴热误差测量装置的建模方法，包括以下步骤：
S1:机床上电，进给轴不运行，主轴以一定的转速旋转，利用电涡流位移传感器采集主轴相对床身在X、Z方向上的热误差值、主轴相对地面在X方向上的热误差值以及床身相对地面在Z方向上的热误差值，并同时利用温度传感器采集主轴箱部分和床身部分温度测点的温度值；
S2:根据装在床身测量支架和地面测量支架上的电涡流位移传感器测得的热误差数据，同时考虑机床主轴与床身的热误差耦合关系，通过计算获得主轴相对地面的绝对热误差数据及床身相对地面的绝对热误差数据；
S3:分别对主轴相对地面的绝对热误差数据和主轴箱上温度测点的温度值，以及床身相对地面的绝对热误差数据和床身上温度测点的温度值两组数据进行分析，获得拟合主轴热误差和床身热误差的最佳温度测点，建立主轴和床身的解耦热误差多元线性回归模型；
S4:将主轴和床身热误差解耦模型进行线性叠加获得机床主轴的综合热误差模型。
进一步地，主轴相对床身在X方向上的热误差值对应第一电涡流位移传感器和第二电涡流位移传感器测得实际值相对第一个测点的变化量，Z方向上的热误差值对应第三电涡流位移传感器所测实际值相对第一个测点的变化量；主轴相对地面在X方向上的热误差值对应第四电涡流位移传感器和第五电涡流位移传感器测得实际值相对第一个测点的变化量；所述床身相对地面在Z方向上的热误差值对应第六电涡流位移传感器测得实际值相对第一个测点的变化量；
具体计算过程如下：
ΔSM1(i)＝SM1(i)-SM1(1) ①
ΔSM2(i)＝SM2(i)-SM2(1) ②
ΔSM3(i)＝SM3(i)-SM3(1) ③
ΔSE1(i)＝SE1(i)-SE1(1) ④
ΔSE2(i)＝Se2(i)-SE2(1) ⑤
ΔSE3(i)＝SE3(i)-SE3(1) ⑥
式中，i＝2，3…n，为测点数；SM1(1)、SM2(1)、SM3(1)、SE1(1)、SE2(1)分别对应第一电涡流位移传感器、第二电涡流位移传感器、第三电涡流位移传感器、第四电涡流位移传感器、第五电涡流位移传感器与检棒的初始距离，SE3(1)对应第六电涡流位移传感器与床身测量支架侧板的初始距离；SM1(i)、SM2(i)、Sm3(I)、Se1(I)、Se2(i)分别对应机床发生热变形后第一电涡流位移传感器、第二电涡流位移传感器、第三电涡流位移传感器、第四电涡流位移传感器和第五电涡流位移传感器与检棒的距离，SE3(i)对应机床发生热变形后第六电涡流位移传感器与床身测量支架侧板的距离；ΔSM1(i)、ΔSM2(i)、ΔSM3(i)分别代表主轴相对床身在X方向上的近端、远端以及相对Z方向上的热误差值，ΔSE1(i)、ΔSE2(i)分别代表主轴相对地面在X方向上的近端和远端上的热误差值，ΔSE3(i)代表床身相对地面在Z方向上的热误差值。
进一步地，温度传感器采集到的主轴箱部分和床身部分温度测点的温度值分别用TM(j)(i)和TE(k)(i)表示，i＝1，2…n，j＝1，2…6，k＝1，2…8，其中TM(j)(i)为布置在主轴箱上的第j个温度测点在时刻i的温度值，TE(k)(i)为布置在床身上的第k个温度测点在时刻i的温度值；所述主轴相对地面的热误差数据及床身相对地面的热误差数据可以分别表示为SAX1(i)、SAX2(i)、SAZ(i)以及SBX1(i)、SBX2(i)、SBZ(i),其计算过程如下：
SAX1(i)＝ΔSE1(i) ⑦
SAX2(i)＝ΔSE2(i) ⑧
SAX(i)＝(SAX1(i)+SAX2(i))/2 ⑨
SAZ(i)＝ΔSM3(i)+ΔSE3(i) ⑩
式中，i＝2，3…n，为测点数；SAX(i)、SBX(i)分别对应主轴相对地面在X方向上的平均热误差以及床身相对地面在X方向上的平均热误差。
进一步地，S3中获得拟合主轴绝对热误差和床身绝对热误差的最佳温度测点是分别通过对主轴箱部分温度测点TM(j)和床身部分温度测点TE(k)通过模糊聚类理论、灰色关联度理论以及实际工程经验分析挑选出适合主轴绝对热误差和床身绝对热误差建模的温度测点，并建立主轴绝对热误差和床身绝对热误差的多元线性回归模型，模型表示为：
式中，a0、b0、c0、d0为常数项，a1、a2…aj为SAX的温度系数，b1、b2…bj为SAZ的温度系数,c1、c2…cj为SBX的温度系数，d1、d2…dj为SBZ的温度系数，SAX、SAZ分别为主轴相对地面在X、Z方向上的热误差模型，SBX、SBZ分别为床身相对地面在X、Z方向上的热误差模型。
进一步地，S4中，最终的主轴综合热误差模型包含机床主轴在X向的综合热误差模型SX和在Z向的综合热误差模型SZ，其计算过程如下：
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的一种数控车床主轴热误差测量装置，包括床身测量支架、地面测量支架、电涡流位移传感器、温度传感器以及数据采集装置；床身测量支架固定在机床刀塔处，用于测量主轴相对床身的热误差；地面测量支架固定在机床安装的地面上，用于测量主轴相对实际地面的热误差以及床身相对地面的热误差；电涡流位移传感器固定在所述床身测量支架和地面测量支架上；温度传感器布置在机床热关键点处，用于测量机床热关键点的温度值；数据采集装置与电涡流位移传感器和温度传感器相连，用于转换和采集所述电涡流位移传感器和温度传感器测量的热误差值和温度值；整个测量装置通过安装在床身测量支架以及地面测量支架上的电涡流位移传感器获得主轴相对床身的热误差、主轴相对地面的绝对热误差以及床身相对地面的热误差，进而分离出主轴和床身各自相对地面的绝对热误差。相比于现有技术中使用“五点法”测量机床最终反映在主轴与刀尖点上的整体热误差，本发明公开的测量方法考虑了车床结构对热误差产生和传递的影响，能够将整体热误差分离到机床的不同部件中，实现了主轴与床身耦合热误差的分离，达到了同时测量主轴实际热误差和床身实际热误差的目的。本发明中测得的解耦后的热误差值能够直接用于建立主轴及床身热误差解耦模型，且该测量和建模方法适用于平床身和斜床身车床。
本发明公开数控车床主轴热误差测量装置的建模方法，机床热关键点包括主轴箱温度测点和床身温度测点，因此在对机床主轴进行整体建模的过程中除使用主轴附近的温度外还使用了床身附近的温度。由于分别用主轴附近的温度以及床身附近的温度来拟合主轴实际热误差和床身实际热误差，其获得的主轴以及床身解耦热误差模型有更高的鲁棒性，再将两个模型进行线性叠加获得主轴的综合热误差模型，相较于传统线性回归模型，本发明公开的建模方法考虑了主轴与床身的热误差特性以及耦合机理，使得最终建立的综合热误差模型具有实际物理意义以及更高的预测精度和鲁棒性。
附图说明
图1为安装测试装置后的机床结构示意图；
图2为测试装置具体安装结构示意图；
图3为电涡流位移传感器安装位置示意图。
其中，1-温度传感器，2-主轴箱，3-电涡流位移传感器，4-地面测量支架，5-床身测量支架，6-刀塔，7-X向导轨，8-滑台，9-床鞍，10-Z向导轨，11-床身；12-检棒，13-地面，14-床身测量支架固定端，15-床身测量支架底板，16-床身测量支架侧板，17-地面测量支架侧板，18-地面测量支架底板，19-地面测量支架固定端，20-地面测量支架底座；T1-主轴箱上部前侧，T2-主轴箱上部中侧，T3-主轴箱上部后侧，T4-主轴箱下部前侧，T5-主轴箱下部中侧，T6-主轴箱下部后侧，T7-床身Z向后侧，T8-床身Z向中后侧，T9-床身Z向中前侧，T10-床身Z向前侧，T11-床身X向后侧，T12-床身X向中后侧，T13-床身X向中前侧，T14-床身X向前侧；SM1-第一电涡流位移传感器，SM2-第二电涡流位移传感器，SM3-第三电涡流位移传感器，SE1-第四电涡流传感器，SE2-第五电涡流传感器，SE3-第六电涡流传感器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面以CK50斜床身车床为例，并结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，一种数控车床主轴热误差测量装置，包括床身测量支架5、地面测量支架4、电涡流位移传感器3、温度传感器1以及数据采集装置；床身测量支架5固定在机床刀塔6处，用于测量主轴相对床身的热误差；地面测量支架4固定在机床安装的地面13上，用于测量主轴相对实际地面的热误差以及床身相对地面的热误差；电涡流位移传感器3固定在所述床身测量支架5和地面测量支架4上，用于测量主轴热变形；温度传感器1布置在机床热关键点处，用于测量机床热关键点的温度值；数据采集装置与电涡流位移传感器3和温度传感器1相连，用于转换和采集所述电涡流位移传感器3和温度传感器1测量的热误差值和温度值；整个测量装置通过安装在床身测量支架5以及安装在地面测量支架4上的电涡流位移传感器3获得主轴相对床身11的热误差以及主轴相对地面13的绝对热误差，进而分离出主轴和床身11各自相对地面13的绝对热误差。
优选地，所述温度传感器1为磁吸式铂电阻温度传感器，所述机床热关键点包括主轴箱2温度测点和床身11温度测点，其中，主轴箱2温度测点包括：T1-主轴箱上部前侧，T2-主轴箱上部中侧，T3-主轴箱上部后侧，T4-主轴箱下部前侧，T5-主轴箱下部中侧，T6-主轴箱下部后侧；床身11温度测点包括：T7-床身Z向后侧，T8-床身Z向中后侧，T9-床身Z向中前侧，T10-床身Z向前侧，T11-床身X向后侧，T12-床身X向中后侧，T13-床身X向中前侧，T14-床身X向前侧。在这些温度测点处均设置有温度传感器。
参见图2，所述床身测量支架5为L型支架，床身测量支架5包括床身测量支架底板15、床身测量支架侧板16以及床身测量支架固定端14，所述床身测量支架底板15与床身测量支架侧板16通过紧固螺栓连接，所述床身测量支架底板15与床身测量支架侧板16垂直，所述床身测量支架底板15与床身测量支架固定端14通过紧固螺栓连接，所述床身测量支架底板15与床身测量支架固定端14垂直，所述床身测量支架固定端14的另一端固定在机床刀塔6上，所述电涡流位移传感器3固定在床身测量支架底板15和床身测量支架侧板16上。
所述地面测量支架4为L型支架，所述地面测量支架4包括地面测量支架底板18、地面测量支架侧板17、地面测量支架固定端19以及地面测量支架底座20组成，所述地面测量支架底板18与地面测量支架侧板17通过紧固螺栓连接，所述地面测量支架底板18与地面测量支架侧板17垂直，所述地面测量支架底板18与地面测量支架固定端19通过紧固螺栓连接，所述地面测量支架底板18与地面测量支架固定端19垂直，所述地面测量支架固定端19的另一端固定在地面测量支架底座20上，所述地面测量支架底座20固定在地面13上，所述电涡流位移传感固3定在地面测量支架底板18和地面测量支架侧板17上。
参见图3，固定在床身测量支架5上的电涡流位移传感器3有三个：第一电涡流位移传感器SM1、第二电涡流位移传感器SM2和第三电涡流位移传感器SM3，第一电涡流位移传感器SM1和第二电涡流位移传感器SM2固定在所述床身测量支架底板15上，第三电涡流位移传感器SM3固定在所述床身测量支架侧板16上，所述固定在床身测量支架底板15上的两个传感器第一电涡流位移传感器SM1和第二电涡流位移传感器SM2间隔一定距离布置在数控机床XZ轴平面内并与检棒12中心轴线垂直，所述固定在床身测量支架侧板16上的传感器第三电涡流位移传感器SM3布置在所述检棒12末端的的后面并与检棒末端平面垂直。其中：第一电涡流位移传感器SM1测量检棒X向前端相对床身的热变形，第二电涡流位移传感器SM2测量检棒X向后端相对床身的热变形，第三电涡流位移传感器SM3测量检棒相对床身在Z向的热变形；安装在地面测量支架上的电涡流位移传感器3用于测量主轴相对地面以及床身相对地面的热变形，其中：第四电涡流位移传感器SE1测量检棒X向前端相对地面的热变形，第五电涡流位移传感器SE2测量检棒X向后端相对地面的热变形，第六电涡流位移传感器SE3测量床身相对地面在Z向的热变形。
所述固定在地面测量支架4上的电涡流位移传感器3有三个：第四电涡流位移传感器SE1、第五电涡流位移传感器SE2和第六电涡流位移传感器SE3，第四电涡流位移传感器SE1和第五电涡流位移传感器SE2固定在所述地面测量支架底板18上，第六电涡流位移传感器SE3固定在所述地面测量支架侧板17上，所述固定在地面测量支架底板18上的两个传感器第四电涡流位移传感器SE1和第五电涡流位移传感器SE2间隔一定距离布置在数控机床XZ轴平面内并与检棒12中心轴线垂直，所述固定在地面测量支架侧板17上的传感器第六电涡流位移传感器SE3布置在所述地面测量支架侧板17的后面并与地面测量支架侧板17垂直。
优选地，所述固定在床身测量支架5上的两个电涡流位移传感器3的第一电涡流位移传感器SM1和第二电涡流位移传感器SM2与固定在地面测量支架4上的两个传感器第四电涡流位移传感器SE1和第五电涡流位移传感器SE2在机床XZ轴平面内分别有相同的Z向坐标值。
参考图1至图3，一种数控车床主轴热误差建模方法，包括以下步骤：
S1:布置好电涡流位移传感器3和温度传感器1，机床上电，进给轴不运行，主轴以一定的转速旋转，利用电涡流位移传感器3采集主轴相对床身11在X、Z方向上的热误差值、主轴相对地面13在X方向上的热误差值以及床身11相对地面13在Z方向上的热误差值，并同时利用温度传感器1采集主轴箱2部分和床身11部分温度测点的温度值；
S2:根据装在床身测量支架5和地面测量支架4上的电涡流位移传感器3测得的热误差数据，同时考虑机床主轴与床身11的热误差耦合关系，通过计算获得主轴相对地面13的绝对热误差数据及床身11相对地面13的绝对热误差数据；
S3:分别对主轴相对地面13的绝对热误差数据和主轴箱2上温度测点的温度值以及床身11相对地面13的绝对热误差数据和床身11上温度测点的温度值两组数据进行分析，获得拟合主轴热误差和床身11热误差的最佳温度测点，分别建立主轴和床身11的解耦热误差多元线性回归模型；
S4:将两个解耦后的模型进行线性叠加，获得机床主轴的综合热误差模型。
进一步地，所述主轴相对床身11在X方向上的热误差值对应第一电涡流位移传感器SM1和第二电涡流位移传感器SM2测得实际值相对第一个测点的变化量，Z方向上的热误差值对应第三电涡流位移传感器SM3所测实际值相对第一个测点的变化量；所述主轴相对地面13在X方向上的热误差值对应第四电涡流位移传感器SE1和第五电涡流位移传感器SE2测得实际值相对第一个测点的变化量；所述床身11相对地面13在Z方向上的热误差值对应第六电涡流位移传感器SE3测得实际值相对第一个测点的变化量，其计算过程如下：
ΔSM1(i)＝SM1(i)-SM1(1) ①
ΔSM2(i)＝SM2(i)-SM2(1) ②
ΔSM3(i)＝SM3(i)-SM3(1) ③
ΔSE1(i)＝Se1(i)-SE1(1) ④
ΔSE2(i)＝SE2(i)-SE2(1) ⑤
ΔSE3(i)＝SE3(i)-SE3(1) ⑥
式中，i＝2，3…n，为测点数；SM1(1)、SM2(1)、SM3(1)、SE1(1)、SE2(1)分别对应第一电涡流位移传感器SM1、第二电涡流位移传感器SM2、第三电涡流位移传感器SM3、第四电涡流位移传感器SE1、第五电涡流位移传感器SE2与检棒12的初始距离，SE3(1)对应第六电涡流位移传感器SE3与所述床身测量支架侧板16的初始距离；SM1(i)、SM2(i)、SM3(i)、SE1(i)、SE2(i)分别对应机床发生热变形后第一电涡流位移传感器SM1、第二电涡流位移传感器SM2、第三电涡流位移传感器SM3、第四电涡流位移传感器SE1、第五电涡流位移传感器SE2与检棒12的距离，SE3(i)对应机床发生热变形后第六电涡流位移传感器SE3与所述床身测量支架侧板16的距离；ΔSM1(i)、ΔSM2(i)、ΔSM3(i)分别代表主轴相对床身11在X方向上的近端、远端以及相对Z方向上的热误差值，ΔSE1(i)、ΔSE2(i)分别代表主轴相对地面13在X方向上的近端和远端上的热误差值，ΔSE3(i)代表床身相对地面在Z方向上的热误差值。
进一步地，所述温度传感器1采集到的主轴箱2部分和床身11部分温度测点的温度值分别用TM(j)(i)和TE(k)(i)表示，i＝1，2…n，j＝1，2…6，k＝1，2…8，其中TM(j)(i)为布置在主轴箱上的第j个温度测点在时刻i的温度值，TE(k)(i)为布置在床身上的第k个温度测点在时刻i的温度值。
进一步地，所述主轴相对地面13的热误差数据及床身11相对地面13的热误差数据可以分别表示为SAX1(i)、SAX2(i)、SAZ(i)以及SBX1(i)、SBX2(i)、SBZ(i),其计算过程如下：
SAX1(i)＝ΔSE1(i) ⑦
SAX2(i)＝ΔSE2(i) ⑧
SAX(i)＝(SAX1(i)+SAX2(i))/2 ⑨
SAZ(i)＝ΔSM3(i)+ΔSE3(i) ⑩
式中，i＝2，3…n，为测点数；SAX(i)、SBX(i)分别对应主轴相对地面13在X方向上的平均热误差以及床身11相对地面13在X方向上的平均热误差。
进一步地，所述获得拟合主轴热误差和床身热误差的最佳温度测点是分别通过对主轴箱2部分温度测点TM(j)和床身11部分温度测点TE(k)通过模糊聚类理论、灰色关联度理论以及实际工程经验分析等挑选出适合主轴热误差和床身11热误差建模的温度测点，并建立主轴绝对热误差和床身11绝对热误差的多元线性回归模型，模型可表示为：
式中，a0、b0、c0、d0为常数项，a1、a2…aj为SAX的温度系数，b1、b2…bj为SAZ的温度系数,c1、c2…cj为SBX的温度系数，d1、d2…dj为SBZ的温度系数，SAX、SAZ分别为主轴相对地面13在X、Z方向上的热误差模型，SBX、SBZ分别为床身11相对地面13在X、Z方向上的热误差模型。
进一步地，所述最终的主轴热误差模型包含机床主轴在X向的综合热误差模型SX和在Z向的综合热误差模型SZ，其计算过程如下：
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种数控车床主轴热误差测量装置，其特征在于，包括床身测量支架(5)、地面测量支架(4)和数据采集装置；所述床身测量支架(5)固定在车床刀塔(6)处，地面测量支架(4)固定在机床安装的地面(13)上；
在床身测量支架(5)上安装有电涡流位移传感器(3)，用于测量主轴相对床身的热误差；在地面测量支架(4)上安装有电涡流位移传感器(3)，用于测量主轴相对实际地面的热误差以及床身相对地面的热误差；在机床的热关键点处布置有温度传感器(1)，用于测量机床热关键点的温度值；
所述数据采集装置与电涡流位移传感器(3)和温度传感器(1)相连，用于转换和采集电涡流位移传感器(3)测量的热误差值，以及温度传感器(1)温度值。
2.根据权利要求1所述的数控车床主轴热误差测量装置，其特征在于，所述床身测量支架(5)为L型支架，包括床身测量支架底板(15)、床身测量支架侧板(16)以及床身测量支架固定端(14)；所述床身测量支架底板(15)与床身测量支架侧板(16)紧固连接，且垂直设置；所述床身测量支架底板(15)与床身测量支架固定端(14)的一端紧固连接，且垂直设置，床身测量支架固定端(14)的另一端固定在车床刀塔(6)上；
所述地面测量支架(4)为L型支架，包括地面测量支架底板(18)、地面测量支架侧板(17)、地面测量支架固定端(19)以及地面测量支架底座(20)；所述地面测量支架底板(18)与地面测量支架侧板(17)紧固连接，且相垂直；所述地面测量支架底板(18)与地面测量支架固定端(19)的一端紧固连接，且相垂直，所述地面测量支架固定端(19)的另一端固定在地面测量支架底座(20)上，所述地面测量支架底座(20)固定在地面(13)上。
3.根据权利要求2所述的一种数控车床主轴热误差测量装置，其特征在于，固定在床身测量支架(5)上的电涡流位移传感器(3)有三个，分别为第一电涡流位移传感器(SM1)、第二电涡流位移传感器(SM2)和第三电涡流位移传感器(SM3)；第一电涡流位移传感器(SM1)和第二电涡流位移传感器(SM2)固定在床身测量支架底板(15)上，第三电涡流位移传感器(SM3)固定在床身测量支架侧板(16)上；
其中，第一电涡流位移传感器(SM1)和第二电涡流位移传感器(SM2)固定在床身测量支架底板(15)上，二者间隔布置在数控机床XZ轴平面内且有相同的X向和Y向坐标值，并与检棒(12)中心轴线垂直；第三电涡流位移传感器(SM3)固定在床身测量支架侧板(16)的后面并与检棒(12)末端平面垂直。
4.根据权利要求2所述的数控车床主轴热误差测量装置，其特征在于，固定在地面测量支架(4)上的电涡流位移传感器(3)有三个，分别为第四电涡流传感器(SE1)、第五电涡流传感器(SE2)和第六电涡流传感器(SE3)；
其中，第四电涡流传感器(SE1)和第五电涡流传感器(SE2)固定在地面测量支架底板(18)上，二者间隔布置在数控机床XZ轴平面内且有相同的X向和Y向坐标值，并与检棒(12)中心轴线垂直；第六电涡流传感器(SE3)布置在地面测量支架侧板(17)的后面并与地面测量支架侧板(17)垂直。
5.根据权利要求1所述的数控车床主轴热误差测量装置，其特征在于，所述机床的热关键点包括主轴箱(2)的温度测点和床身(11)的温度测点，在主轴箱(2)温度测点处以及床身(11)温度测点处均固定有温度传感器(1)；
其中，主轴箱(2)的温度测点包括：主轴箱上部前侧(T1)，主轴箱上部中侧(T2)，主轴箱上部后侧(T3)，主轴箱下部前侧(T4)，主轴箱下部中侧(T5)和主轴箱下部后侧(T6)；
床身(11)温度测点包括：床身Z向后侧(T7)，床身Z向中后侧(T8)，床身Z向中前侧(T9)，床身Z向前侧(T10)，床身X向后侧(T11)，床身X向中后侧(T12)，床身X向中前侧(T13)和床身X向前侧(T14)。
6.权利要求1～5中任意一项所述的数控车床主轴热误差测量装置的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：机床上电，进给轴不运行，主轴以一定的转速旋转，利用电涡流位移传感器(3)采集主轴相对床身(11)在X、Z方向上的热误差值、主轴相对地面(13)在X方向上的热误差值以及床身(11)相对地面(13)在Z方向上的热误差值，并同时利用温度传感器(1)采集主轴箱(2)部分和床身(11)部分温度测点的温度值；
S2：根据装在床身测量支架(5)和地面测量支架(4)上的电涡流位移传感器(3)测得的热误差数据，同时考虑机床主轴与床身(11)的热误差耦合关系，通过计算获得主轴相对地面(13)的绝对热误差数据及床身(11)相对地面(13)的绝对热误差数据；
S3：分别对主轴相对地面(13)的绝对热误差数据和主轴箱(2)上温度测点的温度值，以及床身(11)相对地面(13)的绝对热误差数据和床身(11)上温度测点的温度值两组数据进行分析，获得拟合主轴热误差和床身(11)热误差的最佳温度测点，建立主轴和床身(11)的解耦热误差多元线性回归模型；
S4：将主轴和床身(11)热误差解耦模型进行线性叠加获得机床主轴的综合热误差模型。
7.根据权利要求6所述的数控车床主轴热误差测量装置的建模方法，其特征在于，主轴相对床身(11)在X方向上的热误差值对应第一电涡流位移传感器(SM1)和第二电涡流位移传感器(SM2)测得实际值相对第一个测点的变化量，Z方向上的热误差值对应第三电涡流位移传感器(SM3)所测实际值相对第一个测点的变化量；
主轴相对地面(13)在X方向上的热误差值对应第四电涡流位移传感器(SE1)和第五电涡流位移传感器(SE2)测得实际值相对第一个测点的变化量；所述床身(11)相对地面(13)在Z方向上的热误差值对应第六电涡流位移传感器(SE3)测得实际值相对第一个测点的变化量；
具体计算过程如下：
ΔSM1(i)＝SM1(i)-SM1(1) ①
ΔSM2(i)＝SM2(i)-SM2(1) ②
ΔSM3(i)＝SM3(i)-SM3(1) ③
ΔSE1(i)＝SE1(i)-SE1(1) ④
ΔSE2(i)＝SE2(i)-SE2(1) ⑤
ΔSE3(i)＝SE3(i)-SE3(1) ⑥
式中，i＝2，3...n，为测点数；SM1(1)、SM2(1)、SM3(1)、SE1(1)、SE2(1)分别对应第一电涡流位移传感器(SM1)、第二电涡流位移传感器(SM2)、第三电涡流位移传感器(SM3)、第四电涡流位移传感器(SE1)、第五电涡流位移传感器(SE2)与检棒(12)的初始距离，SE3(1)对应第六电涡流位移传感器(SE3)与床身测量支架侧板(16)的初始距离；SM1(i)、SM2(i)、SM3(i)、SE1(i)、SE2(i)分别对应机床发生热变形后第一电涡流位移传感器(SM1)、第二电涡流位移传感器(SM2)、第三电涡流位移传感器(SM3)、第四电涡流位移传感器(SE1)和第五电涡流位移传感器(SE2)与检棒(12)的距离，SE3(i)对应机床发生热变形后第六电涡流位移传感器(SE3)与床身测量支架侧板(16)的距离；ΔSM1(i)、ΔSM2(i)、ΔSM3(i)分别代表主轴相对床身(11)在X方向上的近端、远端以及相对Z方向上的热误差值，ΔSE1(i)、ΔSE2(i)分别代表主轴相对地面(13)在X方向上的近端和远端上的热误差值，ΔSE3(i)代表床身(11)相对地面(13)在Z方向上的热误差值。
8.根据权利要求6所述的一种数控车床主轴热误差测量装置的建模方法，其特征在于，所述温度传感器(1)采集到的主轴箱(2)部分和床身(11)部分温度测点的温度值分别用TM(j)(i)和TE(k)(i)表示，i＝1，2...n，j＝1，2...6，k＝1，2...8，其中TM(j)(i)为布置在主轴箱上的第j个温度测点在时刻i的温度值，TE(k)(i)为布置在床身上的第k个温度测点在时刻i的温度值；
所述主轴相对地面(13)的热误差数据及床身(11)相对地面(13)的热误差数据可以分别表示为SAX1(i)、SAX(i)、SAZ(i)以及SBX(i)、SBX2(i)、SBZ(i)，其计算过程如下：
SAX1(i)＝ΔSE1(i) ⑦
SAX2(i)＝ΔSE2(i) ⑧
SAX(i)＝(SAX1(i)+SAX2(i))/2 ⑨
SAZ(i)＝ΔSM3(i)+ΔSE3(i) ⑩
式中，i＝2，3...n，为测点数；SAX(i)、SBX(i)分别对应主轴相对地面(13)在X方向上的平均热误差以及床身(11)相对地面(13)在X方向上的平均热误差。
9.根据权利要求6所述的一种数控车床主轴热误差测量装置的建模方法，其特征在于，S3中获得拟合主轴绝对热误差和床身(11)绝对热误差的最佳温度测点是分别通过对主轴箱(2)部分温度测点TM(j)和床身(11)部分温度测点TE(k)通过模糊聚类理论、灰色关联度理论以及实际工程经验分析挑选出适合主轴绝对热误差和床身(11)绝对热误差建模的温度测点，并建立主轴绝对热误差和床身(11)绝对热误差的多元线性回归模型，模型表示为：
式中，a0、b0、c0、d0为常数项，a1、a2...aj为SAX的温度系数，b1、b2...bj为SAZ的温度系数，c1、c2...cj为SBX的温度系数，d1、d2...dj为SBZ的温度系数，SAX、SAZ分别为主轴相对地面在(13)X、Z方向上的热误差模型，SBX、SBZ分别为床身(11)相对地面(13)在X、Z方向上的热误差模型。
10.根据权利要求9所述的一种数控车床主轴热误差测量装置的建模方法，其特征在于，S4中，最终的主轴综合热误差模型包含机床主轴在X向的综合热误差模型SX以及在Z向的综合热误差模型SZ，其计算过程如下：
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