CN117681037A - 基于位移传感器的高精度主轴热伸长闭环补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于位移传感器的高精度主轴热伸长闭环补偿方法，装置包括主轴、支架、位移传感器和线缆，所述支架上端与主轴上端面盖连接，支架底端横杆顶部靠近主轴下端面，所述横杆顶部与主轴下端面之间设置有位移传感器，所述横杆内部设有管道，所述管道内布置有线缆，所述线缆一端经管道与位移传感器连接，另一端与机床数控系统通信连接。本发明基于位移传感器的高精度数控机床主轴热伸长闭环补偿装置可实现主轴热伸长的直接测量，补偿方法采用滤波算法可以补充测量基准面形状和安装误差，并根据滤波后的结果，对主轴下端面的位置进行补偿调整，从而有效降低因主轴受热形变对高精度数控机床加工精度和稳定性的影响。
Description
技术领域
本发明涉及精密数控机床加工技术领域，具体涉及一种基于位移传感器的高精度主轴热伸长闭环补偿方法。
背景技术
数控机床主轴高速旋转加工过程中，在主轴轴承处产生的热量和电机运行的电流产生的热量会使主轴温度升高，导致主轴长度沿刀具轴向伸长，而主轴长度的变化会影响数控机床加工零件的精度，特别在微米级精度的零件加工，主轴热伸长误差不可忽略。
现有主轴精密热伸长误差补偿常采用误差预防方法，通过在主轴中通入冷却介质，带走主轴轴承摩擦发热及电流引起的热量，按恒温模式控制冷却介质的温度，或根据转速和功率来调整设置的冷却介质的温度，该方法无法直接控制并补偿主轴的热伸长，热伸长误差控制精度低。另有主轴热误差的补偿方法，通过建立主轴特征温度与热伸长关系的误差补偿模型，利用温度传感器监测主轴温度变化来补偿主轴热伸长，由于主轴转速、切削材料、环境温度等因素的不确定性，该补偿模型通常精度较低，无法满足高精度加工的使用要求，在当前的高精度数控机床主轴中应用较少。
因此本发明拟采用高精度位移传感器直接测量主轴热伸长量，进而提出一种高精度数控机床主轴热伸长的补闭环补偿方法。
发明内容
本发明的目的在于，针对高精度数控机床主轴受热形变的问题，提出一种基于位移传感器的高精度数控机床主轴热伸长的闭环补偿方法，从而降低因主轴受热形变对高精度数控机床加工精度和稳定性的影响。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案。
一种基于位移传感器的高精度主轴热伸长的闭环补偿方法，闭环补偿装置包括主轴、支架、位移传感器和线缆，所述支架上端与主轴上端面盖连接，支架底端横杆顶部靠近主轴下端面，所述横杆顶部与主轴下端面之间设置有位移传感器，所述横杆内部设有管道，所述管道内布置有线缆，所述线缆一端经管道与位移传感器连接，另一端与机床数控系统通信连接；所述横杆顶部在位移传感器安装位置设有安装孔，所述安装孔贯通至管道内，安装孔尺寸与位移传感器底座尺寸相等。
进一步地，所述闭环补偿装置的补偿方法，包括以下步骤：
步骤S1、位移传感器实时采集主轴热伸长的位移数据，并通过线缆将采集到的位移数据发送至机床数控系统；
步骤S2、机床数控系统对采集的位移数据进行限幅滤波处理，剔除无效采样值；
步骤S3、机床数控系统对剔除无效采样值后的位移数据进行均值滤波处理，去除噪声；
步骤S4、机床数控系统对去除噪声后的位移数据进行高斯滤波处理，得到主轴实际的补偿值，进而对主轴下端面位置进行调整。
具体的，步骤S1中所述位移传感器实时采集主轴热伸长的位移数据，采集的位移数据中除实际的热伸长量外，还包含被测基准面的平面度误差和安装误差。
具体的，步骤S2中所述限幅滤波处理过程如下：
设位移传感器两次相邻时刻的采样值分别为Xn和Xn-1，求出Xn与Xn-1间的差值，以绝对值表示，然后将该值与两次采样允许的最大偏差值比较，如果两次采样值差的绝对值超过了允许的最大偏差值范围，则认为最后一次采样值Xn非法，予以剔除，并用Xn-1代替Xn；若未超过允许的最大偏差值范围，则认为最后一次采样值Xn有效；具体计算公式为：
当时，
；
当时，
；
其中，，/>为权重值；/>为相邻两次采样所允许的最大偏差值范围，即前n个数据的平均值±权重值×前n个数据的标准差。
具体的，步骤S3所述均值滤波处理过程如下：
将当前位移传感器（3）检测的位移值设置为前面n-1个值和本次位移值的平均值，即：
当时，
；
当时，
。
具体的，步骤S4所述高斯滤波处理的高斯核函数为：
；
对高斯滤波处理后的数据进行对称扩展以处理边缘数据，得到主轴（1）实际的补偿值：
；
上式中，k为一个正整数，表示高斯核的大小。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明基于位移传感器的高精度数控机床主轴热伸长闭环补偿装置可实现主轴热伸长的直接测量，补偿方法采用滤波算法可以补充测量基准面形状和安装误差，并根据滤波后的结果，对主轴下端面的位置进行补偿调整，从而有效降低因主轴受热形变对高精度数控机床加工精度和稳定性的影响。
附图说明
图1是本发明闭环补偿装置的结构示意图；
图2是本发明基于位移传感器的高精度主轴热伸长闭环补偿方法的流程图；
图3是支架的结构示意图；
图4是实施例1中位移传感器采集的原始数据图；
图5是实施例1中对原始数据进行限幅滤波处理后的数据图；
图6是实施例1中对数据作进一步均值滤波处理后的数据图；
图7是实施例2中补偿前后主轴热伸长量位移数据的对比图；
图8是实施例3中补偿前后主轴加工工件的加工误差对比图；
图9是实施例4中补偿后主轴加工平面的平面误差结果图。
图中，1、主轴；2、支架；3、位移传感器；4、线缆；5、主轴上端面盖；6、横杆；7、主轴下端面；8、管道；9、安装孔。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面对本发明提出方法的各个步骤进行详细说明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
本发明提供了一种基于位移传感器的高精度主轴热伸长的闭环补偿方法，如图1所示，闭环补偿装置包括主轴1、支架2、位移传感器3和线缆4，所述支架2上端与主轴上端面盖5连接，支架2底端横杆6顶部靠近主轴下端面7，所述横杆6顶部与主轴下端面7之间设置有位移传感器3，所述横杆6内部设有管道8，所述管道8内布置有线缆4，所述线缆4一端经管道8与位移传感器3连接，另一端与机床数控系统通信连接。
具体的，如图2所示，所述横杆6顶部在位移传感器3安装位置设有安装孔9，所述安装孔9贯通至管道8内，安装孔9尺寸与位移传感器3底座尺寸相等。
本实施例中，如图3所示，具体给出了基于位移传感器的高精度主轴热伸长闭环补偿方法，包括以下步骤：
步骤S1、位移传感器3实时采集主轴1热伸长的位移数据，并通过线缆4将采集到的位移数据发送至机床数控系统，如图4所示，采集的位移数据中除实际的热伸长量外，还包含被测基准面的平面度误差和安装误差；
步骤S2、机床数控系统对采集的位移数据进行限幅滤波处理：
设位移传感器3两次相邻时刻的采样值分别为Xn和Xn-1，求出Xn与Xn-1间的差值，以绝对值表示，然后将该值与两次采样允许的最大偏差值比较，如果两次采样值差的绝对值超过了允许的最大偏差值范围，则认为最后一次采样值Xn非法，予以剔除，并用Xn-1代替Xn；若未超过允许的最大偏差值范围，则认为最后一次采样值Xn有效；具体计算公式为：
当时，
；
当时，
；
其中，，/>为权重值；/>为相邻两次采样所允许的最大偏差值范围，即前n个数据的平均值±权重值×前n个数据的标准差，本实施例中，所允许的最大偏差值范围为±0.5微米之间；
步骤S3、经过步骤S2限幅滤波后的主轴热伸长位移数据如图5所示，随后机床数控系统对剔除无效采样值后的位移数据进行均值滤波处理：
将当前位移传感器3检测的位移值设置为前面n-1个值和本次位移值的平均值，即：
当时，
；
当时，
；
本实施例中，由于采用的位移传感器频率为50Hz，故根据经验取n值为100；
步骤S4、经过步骤S3均值滤波后的主轴热伸长位移数据如图6所示，之后机床数控系统对去除噪声后的位移数据进行高斯滤波处理，所用的高斯核函数为：
；
对高斯滤波处理后的数据进行对称扩展以处理边缘数据，得到主轴1实际的补偿值：
；
上式中，k为一个正整数，表示高斯核的大小；
机床数控系统根据最终所得补偿值，对主轴下端面7位置进行调整。
实施例2
对本发明的主轴热伸长闭环补偿效果进行验证，在实施例1的基础上，设置数控机床主轴转速分别为2000，5000，10000，20000RPM，每隔两分钟读取一次位移传感器检测热伸长量和对刀仪检测热伸长量，在读取完这两项数据以后，采用本发明基于位移传感器的主轴热伸长闭环补偿方法，根据计算得到的主轴1热伸长补偿值对主轴下端面7位置进行调整，然后再次读取补偿后对刀仪检测热伸长量，统计于下表1中，以对比采用闭环补偿前后的主轴热伸长量变化；
表1、主轴经位移传感器和对刀仪分别在2000，5000，10000，20000RPM下
每隔2分钟采集的热伸长量（单位：mm）
对表1中数据作进一步处理得到如图7所示的补偿前后主轴热伸长量变化的对比图，由图中结果可知，位移传感器检测热伸长量和对刀仪检测热伸长量最大差值在4.9μm左右，由此可以得出本发明基于位移传感器的高精度主轴热伸长的闭环补偿装置能够正确检测出主轴的热伸长量变化。
而通过对比对刀仪检测热伸长量和系统补偿后对刀仪测量热伸长量，可以看出补偿效果明显，且在补偿以后，主轴的热伸长量不超过3μm，由此可以得出本发明基于位移传感器的高精度主轴热伸长的闭环补偿方法的有效性。
实施例3
对本发明的实际加工效果进行验证，在某高精密加工中心E50规格电主轴上安装实施例1中所提供的补偿装置后对7075铝合金平面进行加工，以刀具直径10mm单刃球刀加工测试主轴热伸长补偿前后加工平面度误差，加工长度180mm（热补偿前后各90mm），宽度40mm的小平面，转速设置为22000转，步距为0.05mm，进给速度为4000mm/min；最终加工误差对比结果如图8所示，由图中结果可明显看出，未进行主轴热伸长补偿的平面误差显著大于补偿后的平面误差，且补偿后加工的平面误差最大不超过6μm，表明本发明提供的主轴热伸长闭环补偿方法在实际加工时能有效提高加工精度和稳定性。
实施例4
对本发明的实际加工效果进行验证，在某高精密加工中心上E40规格电主轴安装实施例1中所提供的补偿装置后对7075铝合金平面进行加工，以刀具直径10mm单刃球刀加工测试主轴热伸长补偿前后加工平面度误差，加工长度180mm（热补偿前后各90mm），宽度40mm的小平面，转速设置为22000转，步距为0.05mm，进给速度为4000mm/min；每隔10mm利用千万表测量加工平面的平面度，一共测量18个点，最终的平面度结果如图9所示。由图9可知，进行补偿后加工平面的平面误差在2μm内，这表示主轴热伸长闭环补偿方法展现出显著的补偿效果，能够有效地抵消主轴在加工过程中由热变形引起的误差，从而显著提高了加工精度和稳定性。同时，这项技术的补偿稳定性也表现出色，能够持续稳定地保持补偿效果，在长时间的加工过程中始终保持高精度的加工结果。本发明所提供的主轴热伸长闭环补偿方法经过实际加工验证，可显著提高加工精度和稳定性，具有实用价值。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容 ,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于位移传感器的高精度主轴热伸长闭环补偿方法，其特征在于，闭环补偿装置包括主轴（1）、支架（2）、位移传感器（3）和线缆（4），所述支架（2）上端与主轴上端面盖（5）连接，支架（2）底端横杆（6）顶部靠近主轴下端面（7），所述横杆（6）顶部与主轴下端面（7）之间设置有位移传感器（3），所述横杆（6）内部设有管道（8），所述管道（8）内布置有线缆（4），所述线缆（4）一端经管道（8）与位移传感器（3）连接，另一端与机床数控系统通信连接；所述横杆（6）顶部在位移传感器（3）安装位置设有安装孔（9），所述安装孔（9）贯通至管道（8）内，安装孔（9）尺寸与位移传感器（3）底座尺寸相等；
所述闭环补偿装置的补偿方法，包括以下步骤：
步骤S1、位移传感器（3）实时采集主轴（1）热伸长的位移数据，并通过线缆（4）将采集到的位移数据发送至机床数控系统；
步骤S2、机床数控系统对采集的位移数据进行限幅滤波处理，剔除无效采样值；
步骤S3、机床数控系统对剔除无效采样值后的位移数据进行均值滤波处理，去除噪声；
步骤S4、机床数控系统对去除噪声后的位移数据进行高斯滤波处理，得到主轴（1）实际的补偿值，进而对主轴下端面（7）位置进行调整。
2.根据权利要求1所述基于位移传感器的高精度主轴热伸长闭环补偿方法，其特征在于，步骤S1中所述位移传感器（3）实时采集主轴（1）热伸长的位移数据，采集的位移数据中除实际的热伸长量外，还包含被测基准面的平面度误差和安装误差。
3.根据权利要求1所述基于位移传感器的高精度主轴热伸长闭环补偿方法，其特征在于，步骤S2中所述限幅滤波处理过程如下：
设位移传感器（3）两次相邻时刻的采样值分别为Xn和Xn-1，求出Xn与Xn-1间的差值，以绝对值表示，然后将该值与两次采样允许的最大偏差值比较，如果两次采样值差的绝对值超过了允许的最大偏差值范围，则认为最后一次采样值Xn非法，予以剔除，并用Xn-1代替Xn；若未超过允许的最大偏差值范围，则认为最后一次采样值Xn有效；具体计算公式为：
当时，
；
当时，
；
其中，，/>为权重值；/>为相邻两次采样所允许的最大偏差值范围，即前n个数据的平均值±权重值×前n个数据的标准差。
4.根据权利要求1所述基于位移传感器的高精度主轴热伸长闭环补偿方法，其特征在于，步骤S3所述均值滤波处理过程如下：
将当前位移传感器（3）检测的位移值设置为前面n-1个值和本次位移值的平均值，即：
当时，
；
当时，
。
5.根据权利要求1所述基于位移传感器的高精度主轴热伸长闭环补偿方法，其特征在于，步骤S4所述高斯滤波处理的高斯核函数为：
；
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