一种机床主轴一维最佳温度测点的确定方法技术

本发明专利技术提供一种机床一维最佳温度测点的确定方法。首先在测量轴上沿轴线方向布置若干个温度测点，开动机床，使机床主轴高速转动，等机床温度达到热平衡后，停机降温，以上过程中分别对测量轴各个温度测点进行温度采样，并分别制成温度与时间的关系曲线及镜像曲线，选取温度上升与下降过程中温度均随时间呈近似线性变化的温度测点，并用最小二乘法分别拟合其升温与降温线性方程，运用一元线性回归效果的显著性检验其是否满足线性关系，从而确定该温度测量点是否为机床一维最佳温度测量点。本发明专利技术在机床主轴热误差建模时，只需要在主轴上布置一个温度传感器测点，用该温度测点建立的误差补偿模型，应用方便，精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种机床主轴一维最佳温度测点的确定方法
本专利技术涉及机床误差测量的
，更具体地，涉及一种机床主轴一维最佳温度测点的确定方法。
技术介绍
热误差现已占机床总误差的40％-70％，而选择合理的温度测点是进行热误差补偿的前提条件。目前，对于一种普通的三轴立式机床主轴来说，运用有限元分析的方法，就能仿真出机床各点的动态与静态温度。然而，有限元分析的精度浮动性比较大，基于建模水平和边界条件、载荷工况的模拟的不确定性以及材料的刚度系数等误差对有限元分析的结果影响较大，且不能自身调节，同时，机床不同部件的安装间隙对于机床热源传导也有一定影响，运用有限元分析的方法来确定机床温度的最佳测点，需要的时间较长，且难度较大。目前对于机床主轴上测点选取的方法，大部分运用的是聚类分析或者是统计学的方法，优化后往往至少需要布置3-4个测点，特别是不同布点的温度特性是不一样的，根据温度势场分布特性，大多数布点处温度呈现非线性特征，而且温度上升与下降时候的变化不一致，在热误差建模时候，布局点温度上升与下降时分别对应两个不同的误差值，这就造成了建立热误差模型的不方便。但根据温度势场变化特性，至少可以找到有一个布点的温度变化呈现线性规律，如果用该点去建立误差模型，将会大大提高建模的便捷性与准确性。因此，亟需一种方法来准确找到机床主轴上温度变化呈现线性规律的布局点。
技术实现思路
本专利技术提供一种机床主轴一维温度线性变化点的寻找方法，以解决现有技术中存在的热误差补偿时温度测量布局点选取的问题，此测点的温度与运行时间具有较强的线性关系，其温度变化较为平稳，在用于热误差补偿建模时，能简化误差补偿模型，提高误差补偿精度。本专利技术提供的技术方案具体如下：一种机床主轴一维最佳温度测点的确定方法，包括以下步骤：S1、选取机床的测量主轴，在主轴上沿轴线方向均匀布置n个温度测点；S2、开动机床，使主轴高速转动，待机床温度与外界环境达到热平衡后，停机，使机床自然降温，在此机床主轴温度升高与下降过程中，分别测量且获得测量主轴上各温度测点的温度与时间的关系曲线，同时绘制镜像曲线，从而定性判断出温度上升与下降过程中温度与时间呈近似线性关系的温度测点；S3、利用最小二乘法分别拟合温度上升与下降过程中步骤S2选取的温度测点的温度随时间变化的线性方程，并运用一元线性回归效果的显著性检验其是否满足线性关系，从而确定该温度测点是否为机床主轴一维最佳温度测点。所述步骤S2中：每隔Δt采集各温度测点的温度数据﹛yi(1)，yi(2)，……，yi(n)﹜，将各温度测点的温度数据分别绘制成与时间t相关的曲线，比较后温度上升与下降过程中温度T均与时间t呈近似线性关系的温度测点；其中：yi为温度的数据点；yi(n)为第n个温度测点在时间点xi测得的温度；xi为时间t的数据点；i＝1,2，…，N；N为步骤S2选取的温度测点的升温或降温数据组数；Δt为相邻两次温度信号采集的间隔时间。所述步骤S3包括以下步骤：利用最小二乘法拟合温度上升或下降过程中步骤S2选取的温度测点的温度T随时间t变化的线性方程：T＝a+bt(1)其中：a为截距，b为斜率；其判别式为：其中：为拟合残差平方和。对a、b分别求偏导，并令结果为零，得：由式(3)、式(4)整理后得到方程组：aN+b∑xi＝∑yi(5)解上述方程组，即可求得a和b的最佳估计值和求最小二乘法的相关系数r：其中：r表示x、y两个变量之间的函数关系与线性的符合程度，r∈[-1，1]；若|r|→1，x、y间线性关系好；若|r|→0，x、y间无线性关系，拟合无意义。Δt＝0.1-1.0s。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：在机床主轴热误差建模时，只需要在一个温度测点布置一个温度传感器，用该温度测点建立的误差补偿模型，应用方便，精度高。附图说明图1为主轴热误差测点分布图。图2为测点1的温度变化图。图3为测点2的温度变化图。图4为测点3的温度变化图。图5为测点4的温度变化图。图6为测点5的温度变化图。图7为测点6的温度变化图。图8为测点7的温度变化图。图9为测点8的温度变化图。图10为测点9的温度变化图。图11为测点10的温度变化图。具体实施方式下面结合附图1，以湖北江山华科数字化设备有限公司生产的一立式XHK-715机床测量主轴热误差为例，对本专利技术的技术方案作进一步的详细说明。具体包括如下步骤：(1)根据机床主轴的长度450mm，从轴承处开始设置测量起始点到主轴末端结束，确定测量间距ΔL＝50mm，机床主轴方向测点数为450÷50+1＝10个，如图1所示。温度传感器选用型号为CK-01A的红外线温度计，相邻两次温度信号采集的间隔时间Δt设置为0.5s，温度传感器的终端为LM-8052NET温度采集器，组成TCP/IP的温度采集网络。(2)对机床进行升温采样：本次实验的环境温度为15℃，设置机床主轴升温转速为5000r/min，启动机床，转动过程中机床主轴持续升温，升温过程中每隔0.5s采集一次主轴上各测点的温度，加热时间4个小时(具体根据每台机床的实际情况而定)，加热时间判断的标准为机床达到热平衡状态(机床温度不再上升即为机床的热平衡状态)，待机床达到热平衡状态就完成了机床的升温采样工作。(3)对机床进行降温采样：待机床温度与环境温度达到温度平衡后，使机床主轴停止转动，此时机床温度开始下降，降温过程中每隔0.5s采集一次主轴上各测点的温度，待机床温度降至环境温度后结束降温采样。(4)选择主要特征点作出主轴上各测点的温度与时间关系曲线及镜像，进行分析比较：如图2所示，测点1位于轴承处，温度随时间上升较快，由于温度较高，当机床停机时，其温度下降也较快，总体来看，测点1的温度上升速率变化与温度下降速率变化较大，不是最佳温度测点；如图3～图6所示，这几个测点的温度存在着“上升越来越缓慢，下降越来越缓慢”的特点，因测点2、测点3、测点4的平衡温度逐渐降低，与外部环境的温差越来越小，所以其散热也越来越小，总体来看，测点5的温度上升与下降的速率变化较小，从镜像定性判断测点5最符合线性关系；如图7所示，测点6温度上升较为缓慢，温度下降则较为迅速，总体来看，其温度上升速率与温度下降速率差别较大，不是一维最佳温度测点；如图7～图11所示，因为这几个测点离热源越来越远，均存在着“升温较慢，降温较快”的特点，无论是其温度上升速率与温度下降速率，变化都比较大，明显不符合一维最佳温度测点的标准。综上所述，测点5为机床主轴一维最佳温度测点。(5)将步骤(4)选出的测点5作为主轴一维最佳温度测点，运用最小二乘法算出其拟合方程。T＝a+bt(1)其中：T为温度，t为时间，a为截距，b为斜率；其判别式为：其中：xi为时间t的数据点；yi为温度的数据点；i＝1,2，…，N；N为步骤S2选取的温度测点的升温或降温数据组数；Δt为相邻两次温度信号采集的间隔时间；为拟合残差平方和对上式中的a、b分别求偏导，并令结果为零，得：整理后得到方程组：aN+b∑xi＝∑yi(5)解上述方程组，即可求得a和b的最佳估计值和带入数据算得：其线性回归方程为:T＝0.1t+15求最小二乘法的相关系数r：其中：r表示两变量之间的函数关系与线性的符合程度，r∈[-1，1]。|r|→1，x、y间线性关系好，|r|本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机床主轴一维最佳温度测点的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选取机床的测量主轴，在主轴上沿轴线方向均匀布置n个温度测点；S2、开动机床，使主轴高速转动，待机床温度与外界环境达到热平衡后，停机，使机床自然降温，在此机床主轴温度升高与下降过程中，分别测量且获得测量主轴上各温度测点的温度与时间的关系曲线，同时绘制镜像曲线，从而定性判断出温度上升与下降过程中温度与时间呈近似线性关系的温度测点；S3、利用最小二乘法分别拟合温度上升与下降过程中步骤S2选取的温度测点的温度随时间变化的线性方程，并运用一元线性回归效果的显著性检验其是否满足线性关系，从而确定该温度测点是否为机床主轴一维最佳温度测点。

【技术特征摘要】
1.一种机床主轴一维最佳温度测点的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选取机床的测量主轴，在主轴上沿轴线方向均匀布置n个温度测点；S2、开动机床，使主轴高速转动，待机床温度与外界环境达到热平衡后，停机，使机床自然降温，在此机床主轴温度升高与下降过程中，分别测量且获得测量主轴上各温度测点的温度与时间的关系曲线，同时绘制镜像曲线，从而定性判断出温度上升与下降过程中温度与时间呈近似线性关系的温度测点；S3、利用最小二乘法分别拟合温度上升与下降过程中步骤S2选取的温度测点的温度随时间变化的线性方程，并运用一元线性回归效果的显著性检验其是否满足线性关系，从而确定该温度测点是否为机床主轴一维最佳温度测点。2.根据权利要求1所述的机床主轴一维最佳温度测点的确定方法，其特征在于，所述步骤S2中：每隔Δt采集各温度测点的温度数据﹛yi(1)，yi(2)，……，yi(n)﹜，将各温度测点的温度数据分别绘制成与时间t相关的曲线，比较后温度上升与下降过程中温度T均与时间t呈近似线性关系的温度测点；其...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡海莹，陈国华，赵殿章，向华，李波，张俊，胡勇文，
申请(专利权)人：湖北文理学院，襄阳华中科技大学先进制造工程研究院，
类型：发明
国别省市：湖北,42