CN114594726B - 一种数控机床主轴热伸长量检测方法及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及数控机床加工航空结构件的检测领域，特别是一种数控机床主轴热伸长量检测方法及电子设备。本发明提出了一种数控机床主轴热伸长量检测方法，该方法在保证操作简单、成本低的基本特点上，还极大的缩小了测量误差，能更精确的检测出数控机床的主轴热伸长量。相对比使用传感器检测主轴热伸长量的方式，本发明不需要数控机床专业技术人员完成数控系统PLC的数据处理程序，技术要求更低。而相对比采用主轴热伸长检测补偿的机械装置的方式，本发明不需要借助任何其他的检测补偿装置，成本更低。且本发明可以适应多种机床，更具备普适性和实用性。

Description

一种数控机床主轴热伸长量检测方法及电子设备
技术领域
本发明涉及数控机床加工航空结构件的检测领域，特别是一种数控机床主轴热伸长量检测方法及电子设备。
背景技术
在航空领域，对航空结构件的加工精度有很高的要求，因此对加工航空结构件的数控机床的精度也提出了更高的要求。主轴是数控机床的关键部件之一，因此，主轴热伸长量是影响机床精度的重要因素之一，快速、准确地检测出主轴的热伸长量对提高零件的加工精度具有重要意义。
通过查阅相关专利以及论文文献发现，检测主轴的热伸长量的方法已经开展了多种的研究，主要包括两个方面，一方面是通过传感器采集主轴热伸长的位移量或者主轴转速下的热关键点温度，然后通过数控系统的PLC处理完成补偿，这种方式需要数控机床专业技术人员完成数控系统PLC的数据处理程序，技术要求较高，并且容易发生传感器安装位置不合理导致测试结果不准确，如专利CN113043061A公开了一种获取数控机床工作台热温升误差补偿量的方法；另一方面是主轴热伸长检测补偿的机械装置，但是这种装置对伸长量的检测范围有限并且不能明确伸长量的具体值。此外，以上两种方式对现场操作工的技术要求较高，不易操作，并且成本较高。现在常用标准对刀块的方式来检测主轴热伸长量，主轴热伸长前后分别使用同一标准对刀块对刀，并记录两次对刀的Z值，两次Z值的差值即为主轴热伸长量。这种方式操作简单，成本较低，但对刀误差较大，0.03mm左右的误差很常见，对于粗加工或公差较大的零件来说，可以满足工程要求。但对于精度要求较高的零件，过大的误差会导致主轴热伸长量的补偿错误，进而影响到零件加工精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的精度高的方法操作复杂、成本较高，常用方法精度不高的问题，提供一种数控机床主轴热伸长量检测方法及电子设备。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种数控机床主轴热伸长量检测方法，包括以下步骤：
S1：冷启动机床，并在所述机床上装夹试件；
S2：通过所述机床的刀具在所述试件上沿所述试件的长度方向加工一条水平槽，并以所述水平槽上表面为基准面；其中，所述水平槽在所述基准面上的起点和终点分别为B点和C点；
S3：所述机床抬起所述刀具，其主轴进行高速空转；所述主轴的空转时间根据被测试机床的主轴达到热平衡所需时间的经验值设定；
S4：设定斜坡终点J点，所述J点位于基准面上所述C点正上方；
S5：将所述刀具移动到所述B点，由于所述主轴热伸长，此时所述刀具与所述试件交于B’点；将所述刀具从所述B’点移至所述J点，所述试件被加工出一条斜坡槽，所述斜坡槽与基准面相交与P点；
S6：获取所述B点和所述P点之间的水平距离，所述B点与所述C点的水平距离以及所述J点与所述C点的垂直距离；
S7：根据相似三角形对应边成比例的原则，计算得出所述主轴的热伸长量。本发明提出了一种数控机床主轴热伸长量检测方法，该方法在保证操作简单、成本低的基本特点上，还极大的缩小了测量误差，能更精确的检测出数控机床的主轴热伸长量。相对比使用传感器检测主轴热伸长量的方式，本发明不需要数控机床专业技术人员完成数控系统PLC的数据处理程序，技术要求更低。而相对比采用主轴热伸长检测补偿的机械装置的方式，本发明不需要借助任何其他的检测补偿装置，成本更低。且本发明可以适应多种机床，更具备普适性和实用性。
作为本发明的优选方案，所述步骤S7中所述主轴的热伸长量H1的计算式为：
H1＝SX*H2/Lx，
其中，SX为所述B点和所述P点之间的水平距离，H2为所述J点与所述C点的垂直距离，Lx为所述B点与所述C点的水平距离。
作为本发明的优选方案，所述H2小于所述LX。
作为本发明的优选方案，所述水平距离LX大于50倍所述垂直距离H2。
作为本发明的优选方案，所述试件包括至少一组平行面，所述一组平行面，一面用于装夹定位，另一面用于加工。
作为本发明的优选方案，所述步骤S5中，所述机床为五坐标机床时，加工所述斜坡槽时的主轴矢量方向与加工所述水平槽时主轴矢量方向保持一致。
一种电子设备，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述任一项所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提出了一种数控机床主轴热伸长量检测方法，该方法在保证操作简单、成本低的基本特点上，还极大的缩小了测量误差，能更精确的检测出数控机床的主轴热伸长量。相对比使用传感器检测主轴热伸长量的方式，本发明不需要数控机床专业技术人员完成数控系统PLC的数据处理程序，技术要求更低。而相对比采用主轴热伸长检测补偿的机械装置的方式，本发明不需要借助任何其他的检测补偿装置，成本更低。且本发明可以适应多种机床，更具备普适性和实用性。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的一种数控机床主轴热伸长量检测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例1所述的一种数控机床主轴热伸长量检测方法中所述步骤S5的轴测图；
图3为本发明实施例1所述的一种数控机床主轴热伸长量检测方法中所述步骤S5的俯视图；
图4为本发明实施例2所述的一种数控机床主轴热伸长量检测方法中所述图3的N-N剖视图；
图5为本发明实施例6所述的一种数控机床主轴热伸长量检测方法的刀具轨迹示意图；
图6为本发明实施例7所述的一种利用了实施例1-5中任一所述的一种数控机床主轴热伸长量检测方法的一种电子设备；
图中标记：1-刀具，2-试件，3-基准面。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种数控机床主轴热伸长量检测方法，包括以下步骤：
S1：冷启动机床，并在所述机床上装夹试件2；
S2：通过所述机床的刀具1在所述试件2上沿所述试件2的长度方向加工一条水平槽，并以所述水平槽上表面为基准面3；其中，所述水平槽在所述基准面3上的起点和终点分别为B点和C点；
S3：所述机床抬起所述刀具1，其主轴进行高速空转；所述主轴的空转时间根据被测试机床的主轴达到热平衡所需时间的经验值设定；
S4：设定斜坡终点J点，所述J点位于基准面3上所述C点正上方；
S5：如图2-4所示，将所述刀具1移动到所述B点，由于所述主轴热伸长，此时所述刀具1与所述试件2交于B’点；将所述刀具1从所述B’点移至所述J’点(在实际应用中，难以直接将所述刀具1从所述B’点移至所述J点，所述刀具1的实际运行终点为J’点，即BJ为主轴未热伸长时刀具1的理论运动轨迹，B’J’为主轴热伸长后刀具1的实际运动轨迹)，所述试件2被加工出一条斜坡槽，所述斜坡槽与基准面3相交与P点；
S6：获取所述B点和所述P点之间的水平距离，所述B点与所述C点的水平距离以及所述J点与所述C点的垂直距离；
S7：根据相似三角形对应边成比例的原则，计算得出所述主轴的热伸长量。
其中，所述主轴的热伸长量H1的计算式为：
H1＝SX*H2/Lx，
SX为所述B点和所述P点之间的水平距离，H2为所述J点与所述C点的垂直距离，Lx为所述B点与所述C点的水平距离。其中，所述H2优选小于所述LX；所述水平距离LX优选大于50倍所述垂直距离H2。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，所述机床为五坐标机床时，所述步骤S5中，加工所述斜坡槽时的主轴矢量方向与加工所述水平槽时主轴矢量方向保持一致。
实施例3
本实施例与上述实施例的区别在于，所述试件2包括至少一组平行面，所述一组平行面，一面用于装夹定位，另一面用于加工。
实施例4
如图5所示，本实施例为实施例1的实际应用例，包括以下步骤：
S1：机床冷启动状态下，装夹试件2。
如图5所示，试件2长Lx＝400mm，试件2上下表面为一组平行面，底面与工作台上表面贴合，上表面为待加工面。
S2：建立基准面3。
如图5所示，按刀具轨迹①，刀具1从安全平面沿Z轴负方向移动到A点，按刀具轨迹②，刀具1沿X轴正方向经过B点，移动至C点。切深Z0＝0.5mm。切削后的上表面即为基准面3。
S3：抬刀后主轴高速空转。
如图5所示，按刀具轨迹③，刀具1从C点沿Z轴正方向移动到安全平面D点，再按刀具轨迹④，从D点移动至E点；
如图5所示⑤，在E点处，主轴高速空转，刀具1不移动。根据被测试机床主轴达到的热平衡的经验时间，设定主轴空转时间为60分钟。
S4：设定斜坡终点J。
设定J点相对于基准面3的抬高距离H2＝0.2mm，可以保证斜坡槽会与基准面3形成交点。
S5：加工出斜坡槽。
如图5所示，从理论上来说，按刀具轨迹⑥，刀具1从E点沿Z轴负方向移动至A点，但因为主轴经过高速旋转后热伸长的原因，实际刀具轨迹是从E点沿Z轴负方向移动到了A’点，主轴热伸长量H1即为BB’两点间的距离。
如图5所示，按刀具轨迹⑦，刀具1从A’点沿X轴正方向移动至B’点，假设刀具1直径为则A’点与B’点间的距离>/>
如图5所示，按刀具轨迹⑧，刀具1从B’点沿X轴正向与Z轴正方向移动至J点，刀具1在试件2上形成一条斜坡槽。
如图5所示，按刀具轨迹⑨，刀具1从J点沿Z轴正方向抬刀至安全平面。
如图5所示，斜坡槽与基准面3形相交形成一条曲线，曲线的最大切点为P点。
S6：测量测量起点B点和交点P点之间的水平距离SX。
用游标卡尺测量SX＝147.64mm。
S7：计算主轴热伸长量H1。
如图3、图5所示，根据△B B’P～△CJP相似三角形边长等比例原则：
则当水平距离SX＝147.64mm时，主轴热伸长量的理论计算量为：
考虑到SX的测量误差，假设测量误差为SX±1mm，
当SX＝147.64-1＝146.64mm时：
主轴热伸长量
主轴热伸长量误差ΔH’＝H1’-H1＝0.07332-0.07382＝-0.0005mm；
当SX＝147.64+1＝148.64mm时：
主轴热伸长量
主轴热伸长量误差ΔH’＝H1’-H1＝0.07432-0.07382＝0.0005mm；
通过以上实例可以看出，利用本发明实施例2所述方法，通过测量BP两点的水平距离SX来间接得到主轴热伸长量，当SX的测量误差为1mm时，主轴热伸长量计算差值最大仅有0.0005mm，缩小约2000倍(由于ΔH1＝ΔSX*H2/Lx，所以H1的误差缩小倍数与H2/Lx成正相关，误差缩小了ΔSX/ΔH1＝Lx/H2＝400/0.2＝2000)，因此，这种方式的误差更小，测量精度更高。
另外，本发明方案应用于数控机床时，还可采用NC程序控制刀具1。此图4中所示点的坐标为：
点位 X Y Z
A(A’) 10.000 30.000 19.500
B(B’) 25.000 30.000 19.500
C 425.000 30.000 19.500
D 425.000 30.000 100.000
E 10.000 30.000 100.000
J 425.000 30.000 19.700
以SIEMENS 840D系统为例，对应的NC程序为：
G71 G90 G40
T＝”D20R1”
M6
G54
D1
M03S5000
G0X10.000Y30.000Z200.000
G01Z19.500F1000 ；刀具轨迹①
X425.000 ；刀具轨迹②
Z100.000 ；刀具轨迹③
X10.000 ；刀具轨迹④
M03S20000 ；主轴高速旋转
G04F3600 ；刀具1不移动，暂停60分钟⑤
G01Z19.500 F1000 ；刀具轨迹⑥
X25.000 ；刀具轨迹⑦
X425.000Z19.700 ；刀具轨迹⑧
G0Z200.000 ；刀具轨迹⑨
M05
M02
实施例5
如图6所示，一种电子设备，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行前述实施例所述的一种数控机床主轴热伸长量检测方法。所述输入输出接口可以包括显示器、键盘、鼠标、以及USB接口，用于输入输出数据；电源用于为电子设备提供电能。
本领域技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
当本发明上述集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种数控机床主轴热伸长量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：冷启动机床，并在所述机床上装夹试件(2)；
S2：通过所述机床的刀具(1)在所述试件(2)上沿所述试件(2)的长度方向加工一条水平槽，并以所述水平槽上表面为基准面(3)；其中，所述水平槽在所述基准面(3)上的起点和终点分别为B点和C点；
S3：所述机床抬起所述刀具(1)，其主轴进行高速空转；所述主轴的空转时间根据被测试机床的主轴达到热平衡所需时间的经验值设定；
S4：设定斜坡终点J点，所述J点位于基准面(3)上所述C点正上方；
S5：将所述刀具(1)移动到所述B点，由于所述主轴热伸长，此时所述刀具(1)与所述试件(2)交于B’点；将所述刀具(1)从所述B’点移至所述J点，所述试件(2)被加工出一条斜坡槽，所述斜坡槽与基准面(3)相交与P点；
S6：获取所述B点和所述P点之间的水平距离，所述B点与所述C点的水平距离以及所述J点与所述C点的垂直距离；
S7：根据相似三角形对应边成比例的原则，计算得出所述主轴的热伸长量；
所述主轴的热伸长量H1的计算式为：
H1＝SX*H2/Lx，其中，SX为所述B点和所述P点之间的水平距离，H2为所述J点与所述C点的垂直距离，Lx为所述B点与所述C点的水平距离。
2.根据权利要求1所述的一种数控机床主轴热伸长量检测方法，其特征在于，所述H2小于所述LX。
3.根据权利要求2所述的一种数控机床主轴热伸长量检测方法，其特征在于，所述水平距离LX大于50倍所述垂直距离H2。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种数控机床主轴热伸长量检测方法，其特征在于，所述试件(2)包括至少一组平行面，所述一组平行面，一面用于装夹定位，另一面用于加工。
5.根据权利要求4所述的一种数控机床主轴热伸长量检测方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述机床为五坐标机床时，加工所述斜坡槽时的主轴矢量方向与加工所述水平槽时主轴矢量方向保持一致。
6.一种电子设备，其特征在于，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1至5中任一项所述的方法。
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