CN116061000A - 一种主轴热伸长变化检测及补偿的方法 - Google Patents

Abstract

一种主轴热伸长变化检测及补偿的方法，包括以下步骤：1）冷机状态检测主轴刀长，记为l ₀ ；2）使用主轴热伸长变化补偿前，需要先进行主轴热平衡标定；通过“主轴热平衡标定程序”进行主轴热身变化规律的标定，获得补偿函数参数值；在使用前必须进行主轴热伸长变化规律的标定；3）在加工完成后，根据测量时长判断是否进行主轴的热伸长补偿。本发明提高了在机测量的检测效率与结果准确性。

Description

一种主轴热伸长变化检测及补偿的方法

技术领域

本发明属于测量与补偿技术领域，特别涉及一种主轴热伸长变化检测及补偿的方法。

背景技术

主轴热伸长变化是数控加工中不可避免的应用难题，随着在机测量技术在数控加工中的不断应用，主轴热伸长变化的影响更需要进行准确的检测及补偿，以保证测量数据的真实性，并指导数控加工应用准确、稳定、高效。

在机测量应用时常与加工过程频繁交替工作。加工过程中由于主轴的旋转和机床运动使机床部件发热，尤其主轴温度会发生明显的变化，加工开始主轴温度逐渐升高并随着时间推移最终趋于稳定；而在测量过程中，主轴停止转动，制冷机继续工作，主轴温度开始下降并慢慢趋于稳定。因此主轴的温度在加工与测量中不断的发生变化，而由于其温度的变化引起主轴的伸长，对加工质量及测量数据产生了一定的影响。

目前，机床使用前暖机方法，在加工中，可以通过暖机的方式，使得主轴温度达到平稳，获得良好的机床状态；而在测量过程中，无法通过暖机获得稳定的机床状态，暖机时间较长，影响加工效率；在机测量使用工况多为加工之后，机床主轴处于冷却的快速变化阶段，工况复杂难以使用暖机实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主轴热伸长变化检测及补偿的方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种主轴热伸长变化检测及补偿的方法，包括以下步骤：

1）冷机状态检测主轴刀长，记为 l ₀ ；

2）使用主轴热伸长变化补偿前，需要先进行主轴热平衡标定；通过“主轴热平衡标定程序”进行主轴热身变化规律的标定，获得补偿函数参数值；在使用前必须进行主轴热伸长变化规律的标定；

3）在加工完成后，根据测量时长判断是否进行主轴的热伸长补偿；根据实验经验得出以下一般规律：

①测量时间在5min以内时，不补偿（主轴伸长量变化在2μm以内）。

测量开始，先检测测头刀长，并保存当前刀长为 l ₁ ，然后执行测量程序，测量完成。

②测量时间大5min以上时，需进行补偿（主轴伸长量变化超出2μm）。

测量时先检测测头刀长，并保存当前刀长为 l ₁ ，然后执行测量程序，测量完成后再次检测测头刀长，并保存当前刀长为 l ^’ ₁ 中；手动导出测量数据及对应测量时间，按规定形式保存为TXT文档；运行“热平衡补偿程序”，按照提示打开测量数据文档并确认，完成补偿并保存。

③测量在冷却30min后进行时，不补偿。

测量开始，先检测测头刀长，保存当前刀长为 l ₁ ，然后执行测量程序，测量完成。

本发明还具有以下附加技术特征：

作为本发明技术方案进一步具体优化的：所述的“主轴热平衡标定程序”为专用标定宏程序，其主要目的是获得补偿函数的参数值，程序的主要逻辑为：

001、程序开始；

002、检测刀长为 l ₀ ；

003、主轴开启转速进行暖机，并连续检测刀长为 l _i ；

004、判断稳定暖机是否达到稳定。判断方法：连续检测刀长5次，相邻两次刀长误差不大于0.2μm，连续5次总误差不大于0.3μm；

005、最大标定时长不超过60min，若在60min时还未达到稳定，记录此时刀长 l ^’ _∞ ，并弹框报警提示；

006、程序结束。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：所述的“补偿函数”是主轴热伸长特性的规律变化函数，其公式及参数计算公式如下：

L=a·e ^(b·t)  + c（1）

其中： a为热伸长系数； a= l ₀  -  l _∞ ， l _∞ 取平衡状态刀长， l ₀ 取测量前刀长。

b为热伸长时间系数； b=ln(( l _i -  l _∞ )/( l ₀  -  l _∞ ))/∆ t，∆ t=t _i -  t ₀ ；标定时，取30mm时间的刀长计算 b参数值。

c为平衡状态刀长； c= l _∞ 。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：所述的“测量程序”是由程序编写软件输出或手写完成的用于工件特征、尺寸、余量等测量的NC程序；测量中需同时记录数据的测量时间。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：所述的“热平衡补偿程序”是对测量数据进行补偿处理的专用宏程序。其补偿方法是根据公式（1）确定的“补偿函数”，计算得出不同测量时间下对应的热伸长补偿值，并将该补偿值加在原测量值上完成补偿。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：采用刀长检测仪器对主轴刀长进行连续测量，获得主轴热伸长量的连续变化规律；根据主轴热伸长量的变化规律对在机测量中探测点的测量结果进行补偿，获取更为准确的测量结果。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：主要针对机床加工后的主轴热伸长量的变化规律进行研究。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：其检测与补偿方法也同样适用于其他工况下主轴热伸长变化规律的研究。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：研究机床加工后的主轴热伸长变化规律，目的是对在机测量应用过程中主轴热伸长变化量对测量结果的影响进行补偿。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：采用的刀长检测仪器包括接触式对刀仪器和激光对刀仪。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：采用的刀长检测仪器能够对主轴刀长进行精准检测，重复精度可达0.1μm。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：为保证高精度的测量，要求车间环境温度区间为10℃~35℃，温度变化在±1℃以内，且远离其他热源、振源。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：通过拟合主轴热伸长量与时间的变化曲线，可对在机测量数据进行准确补偿。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：根据实际在机测量应用中各测量点的探测时间，获得对应主轴伸长量变化曲线上的补偿值完成测量结果的补偿。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：补偿时可根据探测时长、主轴变化曲线等因素决定是否需要进行结果补偿，并通过运行“热平衡补偿程序”完成一键补偿。

本发明和现有技术相比，其优点在于：

优点1：本发明提高了在机测量的检测效率与结果准确性。本发明实现主轴热伸长量变化的准确检测。结合精密刀长检测仪器，能够准确获得主轴刀长的变化情况，最高精度可达0.1μm；利用数学公式拟合获得主轴热伸长量随时间变化的关系曲线，该曲线准确反应了该机床主轴热伸长变化特性，

优点2：本发明实现在机测量结果的准确补偿。通过标定程序，可以获得拟合曲线中各参数值；在测量过程中，根据需要选择是否对测量结果进行补偿；补偿时，根据初始对刀长度 l ₁ 和结束对刀长度 l ^’ ₁ 校准拟合曲线参数值，并根据各探测点的时间对应曲线中的补偿量，实现在机测量结果的准确补偿。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明主轴热伸长的检测与补偿方法示意图；

图2是本发明主轴热伸长的检测与补偿方法主轴热伸长变化规律曲线图；

图3是本发明主轴热伸长的检测与补偿方法使用流程图。

附图标记说明：1、机床主轴；2、刀柄；3、刀具；4、刀具长度检测仪器。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施例，这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本发明公开的示例性实施例，然而应当理解，本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。

一种主轴热伸长的检测与补偿方法，硬件包括机床主轴1、刀柄2、刀具3和刀具长度检测仪器4等部件。使用刀柄2将刀具3安装在主轴1上，可进行零件产品的加工；刀具长度检测仪器4安装在机床工作台面上固定不动，且刀具长度检测仪器4具备自清洁功能，能够对检测仪器4和刀具3在检测过程中进行清洁，保证检测过程中无油污、废屑影响，确保主轴刀具长度检测的准确性。

主轴热伸长变化检测是通过对主轴刀具的长度变化检测而获得的。通过刀具长度检测仪器4连续检测主轴刀具3的长度，便可获得主轴热伸长的变化规律。检测过程中要求环境温度在10~35℃区间中，温度变化在±1℃以内，且要求检测机床远离其他热源、振源，防止其他热源、振源等因素对主轴热伸长变化检测的影响；检测过程中要求主轴Z向位移量尽可能小，去除丝杠、导轨运动而再次产生热变形对主轴刀具长度的检测引入误差；一般要求连续检测时长大于1h，检测结束时机床主轴恢复至冷机状态，确保检测过程的完整性。

使用以上所述方法，对主轴热伸长变化进行试验验证，获得主轴热伸长变化规律曲线图，如图2所示。由图可看出：主轴在加工结束后总体呈现回缩变化现象，回缩量将对测量结果产生较大误差；主轴热伸长在前30min变化较快，呈现大幅度快速回缩；后30min变换逐渐平缓，趋于稳定；且发现在刚开始的2min存在小幅度的主轴长度伸长变化，这是由于主轴温度对热伸长变化影响的滞后性导致的；在刚开始的5min内主轴热伸长变化较小，对在机测量数据影响较小。主轴的变化规律曲线图为在机测量结果的补偿提供充分的、可靠的依据。

根据以上所述过程，制定“主轴热平衡标定”程序和“主轴热平衡补偿”程序。应用标定程序能自动实现主轴刀长连续检测的过程，并根据检测获得的主轴刀长变化，运用数学公式进行曲线拟合，得出该检测机床主轴热伸长变化特性；将该特性曲线方程参数存放在数控系统对应变量中，可通过此方法为之后在机测量结果补偿提供准确的补偿量。需要补偿时，只需通过运行补偿程序便可快速完成测量结果的准确补偿。

使用流程如图3所示。

1）冷机状态检测主轴刀长，记为 l ₀ ；

2）使用“热平衡标定程序”进行标定，获得补偿函数参数值。在使用前必须进行主轴热伸长变化规律的标定。

3）在加工完成后，根据测量时长判断是否进行主轴的热伸长补偿。根据实验经验得出以下一般规律：

①测量时间在5min以内时，不补偿（主轴伸长量变化在2μm以内）。

测量开始，先检测测头刀长，并保存当前刀长为 l ₁ ，然后执行测量程序，测量完成。

②测量时间大5min以上时，需进行补偿（主轴伸长量变化超出2μm）。

测量时先检测测头刀长，并保存当前刀长为 l ₁ ，然后执行测量程序，测量完成后再次检测测头刀长，并保存当前刀长为 l ^’ ₁ 中；手动导出测量数据及对应测量时间，按规定形式保存为TXT文档；运行“热平衡补偿程序”，按照提示打开测量数据文档并确认，完成补偿并保存。

③测量在冷却30min后进行时，不补偿。

测量开始，先检测测头刀长，保存当前刀长为 l ₁ ，然后执行测量程序，测量完成。

优化的：所述的“主轴热平衡标定程序”为专用标定宏程序，其主要目的是获得补偿函数的参数值，程序的主要逻辑为：

001、程序开始；

002、检测刀长为 l ₀ ；

003、主轴开启转速进行暖机，并连续检测刀长为 l _i ；

004、判断稳定暖机是否达到稳定。判断方法：连续检测刀长5次，相邻两次刀长误差不大于0.2μm，连续5次总误差不大于0.3μm；

005、最大标定时长不超过60min，若在60min时还未达到稳定，记录此时刀长  l ^’ _∞ ，并弹框报警提示；

006、程序结束。

优化的：所述的“补偿函数”是主轴热伸长特性的规律变化函数，其公式及参数计算公式如下：

L=a· e ^(b·t)  + c（1）

其中： a为热伸长系数； a= l ₀  -  l _∞ ， l _∞ 取平衡状态刀长， l ₀ 取测量前刀长。

b为热伸长时间系数； b=ln(( l _i -  l _∞ )/( l ₀  -  l _∞ ))/∆ t，∆ t=t _i -  t ₀ ；标定时，取30mm时间的刀长计算 b参数值。

c为平衡状态刀长； c= l _∞ 。

优化的：所述的“测量程序”是由程序编写软件输出或手写完成的用于工件特征、尺寸、余量等测量的NC程序；测量中需同时记录数据的测量时间。

优化的：所述的“热平衡补偿程序”是对测量数据进行补偿处理的专用宏程序。其补偿方法是根据公式（1）确定的“补偿函数”，计算得出不同测量时间下对应的热伸长补偿值，并将该补偿值加在原测量值上完成补偿。

优化的：采用刀长检测仪器对主轴刀长进行连续测量，获得主轴热伸长量的连续变化规律；根据主轴热伸长量的变化规律对在机测量中探测点的测量结果进行补偿，获取更为准确的测量结果。

优化的：主要针对机床加工后的主轴热伸长量的变化规律进行研究。

优化的：其检测与补偿方法也同样适用于其他工况下主轴热伸长变化规律的研究。

优化的：研究机床加工后的主轴热伸长变化规律，目的是对在机测量应用过程中主轴热伸长变化量对测量结果的影响进行补偿。

优化的：采用的刀长检测仪器包括接触式对刀仪器和激光对刀仪。

优化的：采用的刀长检测仪器能够对主轴刀长进行精准检测，重复精度可达0.1μm。

优化的：为保证高精度的测量，要求车间环境温度区间为10℃~35℃，温度变化在±1℃以内，且远离其他热源、振源。

优化的：通过拟合主轴热伸长量与时间的变化曲线，可对在机测量数据进行准确补偿。

优化的：根据实际在机测量应用中各测量点的探测时间，获得对应主轴伸长量变化曲线上的补偿值完成测量结果的补偿。

优化的：补偿时可根据探测时长、主轴变化曲线等因素决定是否需要进行结果补偿，并通过运行“热平衡补偿程序”完成一键补偿。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面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了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (10)

1.一种主轴热伸长变化检测及补偿的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）冷机状态检测主轴刀长，记为l ₀ ；

2）使用主轴热伸长变化补偿前，需要先进行主轴热平衡标定；通过“主轴热平衡标定程序”进行主轴热身变化规律的标定，获得补偿函数参数值；在使用前必须进行主轴热伸长变化规律的标定；

3）在加工完成后，根据测量时长判断是否进行主轴的热伸长补偿；根据实验经验得出以下一般规律：

①测量时间在5min以内时，不补偿；

测量开始，先检测测头刀长，并保存当前刀长为l ₁ ，然后执行测量程序，测量完成；

②测量时间大5min以上时，需进行补偿；

测量时先检测测头刀长，并保存当前刀长为l ₁ ，然后执行测量程序，测量完成后再次检测测头刀长，并保存当前刀长为l ^’ ₁ 中；手动导出测量数据及对应测量时间，按规定形式保存为TXT文档；运行“热平衡补偿程序”，按照提示打开测量数据文档并确认，完成补偿并保存；

③测量在冷却30min后进行时，不补偿；

测量开始，先检测测头刀长，保存当前刀长为l ₁ ，然后执行测量程序，测量完成。

2.根据权利要求1所述的主轴热伸长变化检测及补偿的方法，其特征在于，所述的“主轴热平衡标定程序”为专用标定宏程序，其主要目的是获得补偿函数的参数值，程序的主要逻辑为：

001、程序开始；

002、检测刀长为l ₀ ；

003、主轴开启转速进行暖机，并连续检测刀长为l _i ；

004、判断稳定暖机是否达到稳定，判断方法：连续检测刀长5次，相邻两次刀长误差不大于0.2μm，连续5次总误差不大于0.3μm；

005、最大标定时长不超过60min，若在60min时还未达到稳定，记录此时刀长l ^’ _∞ ，并弹框报警提示；

006、程序结束。

3.根据权利要求1所述的主轴热伸长变化检测及补偿的方法，其特征在于，所述的“补偿函数”是主轴热伸长特性的规律变化函数，其公式及参数计算公式如下：

L=a·e ^(b·t)  +c（1）

其中：a为热伸长系数；a=l ₀  - l _∞ ，l _∞ 取平衡状态刀长，l ₀ 取测量前刀长，b为热伸长时间系数；b=ln((l _i - l _∞ )/(l ₀  - l _∞ ))/∆t，∆t=t _i - t ₀ ；标定时，取30mm时间的刀长计算b参数值，c为平衡状态刀长；c=l _∞ 。

4.根据权利要求1所述的主轴热伸长变化检测及补偿的方法，其特征在于，所述的“测量程序”是由程序编写软件输出或手写完成的用于工件特征、尺寸、余量等测量的NC程序；测量中需同时记录数据的测量时间。

5.根据权利要求1所述的主轴热伸长变化检测及补偿的方法，其特征在于，所述的“热平衡补偿程序”是对测量数据进行补偿处理的专用宏程序，其补偿方法是根据公式（1）确定的“补偿函数”，计算得出不同测量时间下对应的热伸长补偿值，并将该补偿值加在原测量值上完成补偿。

6.根据权利要求1所述的主轴热伸长变化检测及补偿的方法，其特征在于，采用刀长检测仪器对主轴刀长进行连续测量，获得主轴热伸长量的连续变化规律；根据主轴热伸长量的变化规律对在机测量中探测点的测量结果进行补偿，获取更为准确的测量结果。

7.根据权利要求1所述的主轴热伸长变化检测及补偿的方法，其特征在于，采用的刀长检测仪器包括接触式对刀仪器和激光对刀仪。

8.根据权利要求1所述的主轴热伸长变化检测及补偿的方法，其特征在于，通过拟合主轴热伸长量与时间的变化曲线，可对在机测量数据进行准确补偿。

9.根据权利要求1所述的主轴热伸长变化检测及补偿的方法，其特征在于，根据实际在机测量应用中各测量点的探测时间，获得对应主轴伸长量变化曲线上的补偿值完成测量结果的补偿。

10.根据权利要求1所述的主轴热伸长变化检测及补偿的方法，其特征在于，补偿时可根据探测时长、主轴变化曲线等因素决定是否需要进行结果补偿，并通过运行“热平衡补偿程序”完成一键补偿。

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