CN207164572U - 基于在机检测的数控机床综合误差测量系统 - Google Patents

Abstract

一种基于在机检测的数控机床综合误差测量系统。系统包括数控机床、接触式测温装置、定位测量装置、计算机、温度测量装置；本实用新型优点：第一，对数控机床误差和加工误差做到实时在机检测，解决了数控机床误差测量繁琐、测量数据单一的问题，误差测量数据为最终误差。第二，在测量加工误差前，对数控机床误差进行测量修正，解决了在机误差测量由于数控机床误差所造成的测量误差。第三，与售价高昂的三坐标测量机、全套机床误差测量设备相比本测量系统简单、高效、经济。第四，机床误差数据与温度、数控机床运动参数相关联，加工误差数据与温度、加工参数相关联，实时记录得到更加精准的数据，为误差补偿提供了很好的依据。

Description

基于在机检测的数控机床综合误差测量系统

技术领域

本实用新型属于数控机床误差测量技术领域，尤其是涉及一种基于在机检测的数控机床综合误差测量系统。

背景技术

高精度制造在航天、汽车、船舶等领域有着广泛的需求，零部件高效加工及其快速精准检测是这些行业所追求的目标。

目前工业中最常使用的检测装置有以下几种：三坐标测量机：由于该装置是离线测量，因此需要二次定位，所以加工基准难以保持与上次一致，从而导致检测耗时长。激光检测装置：检测过程繁琐，安装过程复杂。因此上述装置均无法满足日益增长的快速精准检测需求。

在机检测系统可省去零件搬运、多次装卡的过程，减少机床的对刀误差与等待时间。

目前，在机检测仅能测量加工误差，方法是首先利用数控机床进行样件加工，然后再检测加工后样件表面的一些标定点，以此来得到数控机床的加工误差数据，但这仅仅能补偿当前工件的误差。由于数控机床是一个时变非线性系统，在不同温度、加工参数下误差不同，因此无法做到精确补偿。另外，由于在机检测的测头是装卡在数控机床上的，因此数控机床的误差会影响到测量的精度，所以需要对数控机床的几何误差进行测量和补偿，对于加工误差，不仅要考虑工件的几何误差，还需要考虑数控机床的内部热源、环境温度、加工参数以及运动伺服参数。但目前尚缺少相应的装置。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种基于在机检测的数控机床综合误差测量系统。

为了达到上述目的，本实用新型提供的基于在机检测的数控机床综合误差测量系统包括数控机床、接触式测温装置、定位测量装置、计算机、温度测量装置；其中定位测量装置以可拆卸的方式固定在数控机床的工作台上；接触式测温装置由安装在数控机床上各个转动轴上的多个温度传感器和单片机组成；温度测量装置由设置在数控机床外侧四周的多个红外测温仪和USB传送模块组成；计算机的内部设有误差数据处理模块，分别与数控机床的控制器、接触式测温装置和温度测量装置电连接。

所述的多个红外测温仪为分别设置在数控机床两侧的第一红外测温仪和第三红外测温仪以及设置在数控机床前方的第二红外测温仪。

所述的定位测量装置包括定位框架、多个标准球、多个量块支架、多个夹紧装置、多根连接杆和多个量块；其中定位框架为水平设置的矩形框架，表面的四个角部分别与一根连接杆的下端螺纹连接，每根连接杆的上端安装一个上半球面为测量面的标准球；定位框架的四条侧边表面分别安装两个量块支架，每个量块支架的上端通过夹紧装置安装一个量块；量块为长方体形结构，长度方向与其所在的定位框架的侧边长度方向一致，多个量块分别为第一至第八量块，其中第一、第二量块位于定位框架的前端侧边上，第三、第四量块位于定位框架的后端侧边上，第五、第六量块位于定位框架的左侧边上，第七、第八量块位于定位框架的右侧边上。

所述的量块的外侧面中部沿长度方向设有一条外侧面轨迹线，外侧面轨迹 线的中部间隔设有第一、第二、第三测点；上表面中部沿长度方向设有一条上表面轨迹线；左、右端面中心处分别设有一个第四测点和第五测点；内侧面上设有与上述第一、第二、第三测点相对应的第六至第八测点；量块左右端面上的测点记为DPij＝(x,y,z),i＝1,2,3,4,5,6,7,8；j＝1,2；第一、第二、第三测点记为WPij＝(x,y,z),i＝1,2,3,4,5,6,7,8；j＝1,2,3……；外侧面轨迹线(41)记为WTi,i＝1,2,3,4,5,6,7,8；上表面轨迹线记为STi,i＝1,2,3,4,5,6,7,8；第六至第八测点记为NPij＝(x,y,z),i＝1,2,3,4,5,6,7,8；j＝1,2,3……；其中i表示量块的序号,j表示测点的序号。

所述的第二测点位于外侧面轨迹线的中点处，第一和第三测点分别位于第二测点的两侧且与第二测点间的距离为80mm。

本实用新型提供的基于在机检测的数控机床综合误差测量系统具有如下优点：第一，对数控机床误差和加工误差做到实时在机检测，解决了数控机床误差测量繁琐、测量数据单一的问题，误差测量数据为最终误差。第二，在测量加工误差前，对数控机床误差进行测量修正，解决了在机误差测量由于数控机床误差所造成的测量误差。第三，与售价高昂的三坐标测量机、全套机床误差测量设备相比本测量系统简单、高效、经济。第四，机床误差数据与温度、数控机床运动参数相关联，加工误差数据与温度、加工参数相关联，实时记录得到更加精准的数据，为误差补偿提供了很好的依据。

附图说明

图1为本实用新型提供的基于在机检测的数控机床综合误差测量系统结构示意图。

图2为本实用新型提供的基于在机检测的数控机床综合误差测量系统中定 位测量装置结构示意图。

图3为从正面观察时图2示出的定位测量装置中量块及夹紧装置示意图。

图4为从背面观察时图2示出的定位测量装置中量块及夹紧装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型提供的基于在机检测的数控机床综合误差测量系统进行详细的说明。

如图1—图4所示，本实用新型提供的基于在机检测的数控机床综合误差测量系统包括数控机床1、接触式测温装置2、定位测量装置3、计算机4、温度测量装置；其中定位测量装置3以可拆卸的方式固定在数控机床1的工作台上；接触式测温装置2由安装在数控机床1上各个转动轴上的多个温度传感器和单片机组成；温度测量装置由设置在数控机床1外侧四周的多个红外测温仪和USB传送模块组成；计算机4的内部设有误差数据处理模块，分别与数控机床1的控制器、接触式测温装置2和温度测量装置电连接。

所述的多个红外测温仪为分别设置在数控机床1两侧的第一红外测温仪5.1和第三红外测温仪5.3以及设置在数控机床1前方的第二红外测温仪5.2。

所述的定位测量装置3包括定位框架21、多个标准球22、多个量块支架23、多个夹紧装置24、多根连接杆25和多个量块；其中定位框架21为水平设置的矩形框架，表面的四个角部分别与一根连接杆25的下端螺纹连接，每根连接杆25的上端安装一个上半球面为测量面的标准球22；定位框架21的四条侧边表面分别安装两个量块支架23，每个量块支架23的上端通过夹紧装置24安装一个量块；量块为长方体形结构，长度方向与其所在的定位框架21的侧边长度方向一致，多个量块分别为第一至第八量块11-18，其中第一、第二量块11，12位于定位框架21的前端侧边上，第三、第四量块13、14位于定位框架21的后端侧边上，第五、第六量块15，16位于定位框架21的左侧边上，第七、第八量块17，18位于定位框架21的右侧边上。

所述的量块的外侧面中部沿长度方向设有一条外侧面轨迹线41，外侧面轨迹线41的中部间隔设有第一、第二、第三测点31,32,33；上表面中部沿长度方向设有一条上表面轨迹线35；左、右端面中心处分别设有一个第四测点39和第五测点34；内侧面上设有与上述第一、第二、第三测点31,32,33相对应的第六至第八测点36-38；量块左右端面上的测点34、39记为DPij＝(x,y,z),i＝1,2,3,4,5,6,7,8；j＝1,2；第一、第二、第三测点31,32,33记为WPij＝(x,y,z),i＝1,2,3,4,5,6,7,8；j＝1,2,3……；外侧面轨迹线41记为WTi,i＝1,2,3,4,5,6,7,8；上表面轨迹线35记为STi,i＝1,2,3,4,5,6,7,8；第六至第八测点36-38记为NPij＝(x,y,z),i＝1,2,3,4,5,6,7,8；j＝1,2,3……；其中i表示量块的序号,j表示测点的序号。

所述的第二测点32位于外侧面轨迹线41的中点处，第一和第三测点31，33分别位于第二测点32的两侧且与第二测点32间的距离为80mm。

利用上述基于在机检测的数控机床综合误差测量系统的测量方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1)利用第一、第二、第三红外测温仪5.1，5.2，5.3实时采集数控机床1上移动部件周围的温度数据，用于监测移动部件温度场的变化，然后通过USB传送模块传送给计算机4；同时利用温度传感器实时采集各个转动轴的温度数据，然后通过单片机处理后传送给计算机4；

步骤2)将定位测量装置3固定在数控机床1的工作台上，并在数控机床1 上换装测量头，然后开始进行机床误差测量和加工误差测量；

步骤3)利用测量头对第一量块11、第二量块12外侧面、内侧面上的测点进行测量，然后对第五量块15、第六量块16左右端面上的测点进行测量，并扫掠测量轨迹线，之后对第三量块13、第四量块14外侧面、内侧面上的测点进行测量，然后再对第七量块17、第八量块18左右端面上的测点进行测量，并扫掠测量轨迹线；

WP11-NP11＝W；WP12-NP12＝W；WP13-NP13＝W；

WP21-NP21＝W；WP22-NP22＝W；WP23-NP23＝W；

DP51-DP52＝L；DP61-DP62＝L；

WT5、WT6为偏离一条直线的曲线；

WP31-NP31＝W；WP32-NP32＝W；WP33-NP33＝W；

WP41-NP41＝W；WP42-NP42＝W；WP43-NP43＝W；

DP71-DP72＝L；DP81-DP82＝L；

WT7、WT8为一条曲线,在无误差时为一条直线；由上述误差数据得到数控机床1上X轴的定位误差、几何误差；计算机4中的误差处理模块将误差补偿数据传送给数控机床1，进行X轴的定位误差、几何误差的补偿；

步骤4)利用测量头对第五量块15、第六量块16外侧面、内侧面的测点进行测量，然后对第三量块13、第四量块14左右端面上的测点进行测量，并扫掠测量轨迹线，之后对第七量块17、第八量块18外侧面、内侧面上的测点进行测量,然后再对第一量块11、第二量块12左右端面上的测点进行测量，并扫掠测量轨迹线；

WP51-NP51＝W；WP52-NP52＝W；WP53-NP53＝W；

WP61-NP61＝W；WP62-NP62＝W；WP63-NP63＝W；

DP31-DP32＝L；DP41-DP42＝L；

WT3、WT4为偏离一条直线的曲线；

WP71-NP71＝W；WP72-NP72＝W；WP73-NP73＝W；

WP81-NP81＝W；WP82-NP82＝W；WP83-NP83＝W；

DP71-DP72＝L；DP81-DP82＝L；

WT1、WT2为一条曲线，在无误差时为一条直线；由上述误差数据得到数控机床1上Y轴的定位误差、几何误差；计算机4中的误差处理模块将误差补偿数据传送给数控机床1，进行Y轴的定位误差、几何误差的补偿；

步骤5)利用测量头扫掠测量第一至第八量块11-18上表面上的轨迹线，ST1-ST8为八条曲线,在无误差时为一条直线，且轨迹点Z坐标相同，求得定位误差、几何误差，对第一量块11上表面的中心测点进行测量，数控机床1上Z轴的电机每次旋转36°，再进行测量，一共旋转360°，共测出10个测点并记为Pi＝(x,y,z),其中i＝1-10,表示测点序号，P1-P10在无旋转误差时应为同一坐标，在有旋转误差时，所测点的坐标应该为斜圆锥被水平面所截取的椭圆截面上的点，从而求出旋转误差；计算机4中的误差处理模块将误差补偿数据传送给数控机床1，进行Z轴的定位误差、几何误差的补偿、对旋转轴进行旋转误差补偿；

步骤6)利用测量头对标准球22上半球纬度为0°、30°、60°的圆周进行测量，每组10个测点，所测得的每组测点应该为Z坐标相同且在同一圆周上的点，由此得到机床插补误差；计算机4中的误差处理模块将误差补偿数据传送给数控机床1，进行机床插补误差的补偿；

步骤7)在数控机床1上装卡待加工的工件，并换装刀具，然后对工件进行加工，加工完成后，换装测量头，重复步骤3)—步骤6)以检测和修正数控机床1的误差，然后沿着加工轨迹测量工件表面上的路径点，得到工件的加工误差；计算机4中的误差处理模块将误差补偿数据传送给数控机床1，进行机床加工误差的补偿；

步骤8)计算机4中的误差数据处理模块对每次测量的数控机床1的误差数据与第一、第二、第三红外测温仪5.1，5.2，5.3和温度传感器测量的温度、数控机床1的进给速度相关联并记录；将加工误差数据与第一、第二、第三红外测温仪5.1，5.2，5.3和温度传感器测量的温度、加工参数相关联并记录，经过连续的机床综合误差检测，得到在不同温度、进给速度、加工参数下的机床综合误差。

Claims (5)

1.一种基于在机检测的数控机床综合误差测量系统，其特征在于：所述的测量系统包括数控机床(1)、接触式测温装置(2)、定位测量装置(3)、计算机(4)、温度测量装置；其中定位测量装置(3)以可拆卸的方式固定在数控机床(1)的工作台上；接触式测温装置(2)由安装在数控机床(1)上各个转动轴上的多个温度传感器和单片机组成；温度测量装置由设置在数控机床(1)外侧四周的多个红外测温仪和USB传送模块组成；计算机(4)的内部设有误差数据处理模块，分别与数控机床(1)的控制器、接触式测温装置(2)和温度测量装置电连接。

2.根据权利要求1所述的基于在机检测的数控机床综合误差测量系统，其特征在于：所述的多个红外测温仪为分别设置在数控机床(1)两侧的第一红外测温仪(5.1)和第三红外测温仪(5.3)以及设置在数控机床(1)前方的第二红外测温仪(5.2)。

3.根据权利要求1所述的基于在机检测的数控机床综合误差测量系统，其特征在于：所述的定位测量装置(3)包括定位框架(21)、多个标准球(22)、多个量块支架(23)、多个夹紧装置(24)、多根连接杆(25)和多个量块；其中定位框架(21)为水平设置的矩形框架，表面的四个角部分别与一根连接杆(25)的下端螺纹连接，每根连接杆(25)的上端安装一个上半球面为测量面的标准球(22)；定位框架(21)的四条侧边表面分别安装两个量块支架(23)，每个量块支架(23)的上端通过夹紧装置(24)安装一个量块；量块为长方体形结构，长度方向与其所在的定位框架(21)的侧边长度方向一致，多个量块分别为第一至第八量块(11-18)，其中第一、第二量块(11，12)位于定位框架(21)的前端侧边上，第三、第四量块(13、14)位于定位框架(21)的后 端侧边上，第五、第六量块(15，16)位于定位框架(21)的左侧边上，第七、第八量块(17，18)位于定位框架(21)的右侧边上。

4.根据权利要求3所述的基于在机检测的数控机床综合误差测量系统，其特征在于：所述的量块的外侧面中部沿长度方向设有一条外侧面轨迹线(41)，外侧面轨迹线(41)的中部间隔设有第一、第二、第三测点(31,32,33)；上表面中部沿长度方向设有一条上表面轨迹线(35)；左、右端面中心处分别设有一个第四测点(39)和第五测点(34)；内侧面上设有与上述第一、第二、第三测点(31,32,33)相对应的第六至第八测点(36-38)；量块左右端面上的测点(34、39)记为DPij＝(x,y,z),i＝1,2,3,4,5,6,7,8；j＝1,2；第一、第二、第三测点(31,32,33)记为WPij＝(x,y,z),i＝1,2,3,4,5,6,7,8；j＝1,2,3……；外侧面轨迹线(41)记为WTi,i＝1,2,3,4,5,6,7,8；上表面轨迹线(35)记为STi,i＝1,2,3,4,5,6,7,8；第六至第八测点(36-38)记为NPij＝(x,y,z),i＝1,2,3,4,5,6,7,8；j＝1,2,3……；其中i表示量块的序号,j表示测点的序号。

5.根据权利要求4所述的基于在机检测的数控机床综合误差测量系统，其特征在于：所述的第二测点(32)位于外侧面轨迹线(41)的中点处，第一和第三测点(31，33)分别位于第二测点(32)的两侧且与第二测点(32)间的距离为80mm。