一种数控车床主轴热误差测量装置及建模方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种数控车床主轴热误差测量装置及建模方法，所述测量装置包括床身测量支架、地面测量支架、电涡流位移传感器、温度传感器及数据采集装置；电涡流位移传感器通过固定在床身测量支架和地面测量支架来测量主轴相对床身及主轴相对地面的热误差；温度传感器用于测量机床热关键点温度值；根据两种支架测得的误差值，分离出主轴和床身各自相对地面的绝对热误差；利用主轴和床身各自的绝对热误差及对应的关键点温度值，分别建立主轴和床身的解耦热误差多元线性回归模型；将两个模型进行线性叠加，获得主轴综合热误差模型。本发明专利技术解决了数控车床在测量主轴热误差时主轴和床身热误差耦合的问题，能够提高主轴热误差模型的预测精度和鲁棒性。预测精度和鲁棒性。预测精度和鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种数控车床主轴热误差测量装置及建模方法


[0001]本专利技术属于数控机床
，尤其涉及一种数控车床主轴热误差测量装置及建模方法。

技术介绍

[0002]影响精密数控机床加工精度的误差因素有很多，根据误差来源可分为几何误差、力误差、刀具磨损误差、热误差、控制误差及其他误差。随着制造和装配技术的不断提高，使得传统意义上的机床几何误差等静态误差得到了有效的控制和改善，然而机床在实际加工过程中各零部件不可避免地会产生温度变化，使得热误差成为影响机床精度的关键因素，其占比可达机床总加工误差的40％～70％。通过分析，发现数控车床的加工热误差是由多个部分的热误差耦合在一起形成的，最终表现在刀尖点与工件之间发生的相对位移。主轴作为车床的核心部件，其结构复杂、发热量大且热源分布不均，使得主轴热误差占车床整个热误差的80％，因此研究车床主轴热误差对于减小车床整体热误差具有重要意义。
[0003]目前对主轴热误差开展了大量研究，存在一些问题：首先，对于车床主轴热误差的检测主要还是依据国际标准ISO0230
‑
3：2007中的建议进行，将检测装置固定在刀塔上采用“五点法”对检棒进行测量，但该标准中的“五点法”检测到的热误差是最后刀尖点与工件的相对位移，是车床主轴热误差和车床其他部分热误差耦合后的综合热误差，而非主轴自身的实际热误差，因此其只能作为评判主轴热误差大小的标准而不能直接用此数据来对主轴热误差进行建模；其次，在对主轴热误差建模时只考虑主轴和主轴箱附近的温度值，忽略车床其他部件的温度对主轴热误差的影响，即便考虑了车床其他部分温度值的影响，在用“五点法”测得的耦合热误差进行建模时也很难得到同时具备高精度和强鲁棒性的主轴热误差模型，其根本原因在于建模过程中未考虑车床各部分热误差产生和耦合的过程，使得最终的模型不具有实际物理意义，只是通过计算获得针对某一段数据的最优解，因此其预测精度和鲁棒性都存在一定问题。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种数控车床主轴热误差测量装置及建模方法，解决由于主轴热误差和床身热误差耦合导致的传统测量方法中主轴热误差测量值不准确、主轴热误差模型精度不高、鲁棒性不强等问题。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提出以下技术方案：
[0006]一种数控车床主轴热误差测量装置，包括床身测量支架、地面测量支架和数据采集装置；所述床身测量支架固定在车床刀塔处，地面测量支架固定在机床安装的地面上；在床身测量支架上安装有电涡流位移传感器，用于测量主轴相对床身的热误差；在地面测量支架上也安装有电涡流位移传感器，用于测量主轴相对实际地面的热误差以及床身相对实际地面的热误差；在机床的热关键点处布置有温度传感器，用于测量机床热关键点的温度值；所述数据采集装置与电涡流位移传感器和温度传感器相连，用于转换和采集电涡流位
移传感器测量的热误差值，以及温度传感器测量的温度值。
[0007]进一步地，床身测量支架为L型支架，包括床身测量支架底板、床身测量支架侧板以及床身测量支架固定端；所述床身测量支架底板与床身测量支架侧板紧固连接，且垂直设置；所述床身测量支架底板与床身测量支架固定端的一端紧固连接，且垂直设置，床身测量支架固定端的另一端固定在车床刀塔上；地面测量支架为L型支架，包括地面测量支架底板、地面测量支架侧板、地面测量支架固定端以及地面测量支架底座；所述地面测量支架底板与地面测量支架侧板紧固连接，且相垂直；所述地面测量支架底板与地面测量支架固定端的一端紧固连接，且相垂直，所述地面测量支架固定端的另一端固定在地面测量支架底座上，所述地面测量支架底座固定在地面上。
[0008]进一步地，固定在床身测量支架上的电涡流位移传感器有三个，分别为第一电涡流位移传感器、第二电涡流位移传感器和第三电涡流位移传感器；第一电涡流位移传感器和第二电涡流位移传感器固定在床身测量支架底板上，第三电涡流位移传感器固定在床身测量支架侧板上；其中，第一电涡流位移传感器和第二电涡流位移传感器固定在床身测量支架底板上，且二者间隔布置在数控机床XZ轴平面内且有相同的X向和Y向坐标值，并与检棒中心轴线垂直；第三电涡流位移传感器固定在床身测量支架侧板的后面并与检棒末端平面垂直。
[0009]进一步地，固定在地面测量支架上的电涡流位移传感器有三个，分别为第四电涡流传感器、第五电涡流传感器和第六电涡流传感器；其中，第四电涡流传感器和第五电涡流传感器固定在地面测量支架底板上，且二者间隔布置在数控机床XZ轴平面内且有相同的X向和Y向坐标值，并与检棒中心轴线垂直；第六电涡流传感器布置在地面测量支架侧板的后面并与地面测量支架侧板垂直。
[0010]进一步地，机床的热关键点包括主轴箱的温度测点和床身的温度测点，在主轴箱温度测点处以及床身温度测点处均固定有温度传感器；其中，主轴箱的温度测点包括：主轴箱上部前侧，主轴箱上部中侧，主轴箱上部后侧，主轴箱下部前侧，主轴箱下部中侧和主轴箱下部后侧；床身温度测点包括：床身Z向后侧，床身Z向中后侧，床身Z向中前侧，床身Z向前侧，床身X向后侧，床身X向中后侧，床身X向中前侧和床身X向前侧。
[0011]上述数控车床主轴热误差测量装置的建模方法，包括以下步骤：
[0012]S1:机床上电，进给轴不运行，主轴以一定的转速旋转，利用电涡流位移传感器采集主轴相对床身在X、Z方向上的热误差值、主轴相对地面在X方向上的热误差值以及床身相对地面在Z方向上的热误差值，并同时利用温度传感器采集主轴箱部分和床身部分温度测点的温度值；
[0013]S2:根据装在床身测量支架和地面测量支架上的电涡流位移传感器测得的热误差数据，同时考虑机床主轴与床身的热误差耦合关系，通过计算获得主轴相对地面的绝对热误差数据及床身相对地面的绝对热误差数据；
[0014]S3:分别对主轴相对地面的绝对热误差数据和主轴箱上温度测点的温度值，以及床身相对地面的绝对热误差数据和床身上温度测点的温度值两组数据进行分析，获得拟合主轴热误差和床身热误差的最佳温度测点，建立主轴和床身的解耦热误差多元线性回归模型；
[0015]S4:将主轴和床身热误差解耦模型进行线性叠加获得机床主轴的综合热误差模
型。
[0016]进一步地，主轴相对床身在X方向上的热误差值对应第一电涡流位移传感器和第二电涡流位移传感器测得实际值相对第一个测点的变化量，Z方向上的热误差值对应第三电涡流位移传感器所测实际值相对第一个测点的变化量；主轴相对地面在X方向上的热误差值对应第四电涡流位移传感器和第五电涡流位移传感器测得实际值相对第一个测点的变化量；所述床身相对地面在Z方向上的热误差值对应第六电涡流位移传感器测得实际值相对第一个测点的变化量；
[0017]具体计算过程如下：
[0018]ΔS
M1(i)
＝S
M1(i)
‑
S
M1(1)
ꢀꢀꢀꢀ①
[0019]ΔS
M2(i)
＝S...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种数控车床主轴热误差测量装置，其特征在于，包括床身测量支架(5)、地面测量支架(4)和数据采集装置；所述床身测量支架(5)固定在车床刀塔(6)处，地面测量支架(4)固定在机床安装的地面(13)上；在床身测量支架(5)上安装有电涡流位移传感器(3)，用于测量主轴相对床身的热误差；在地面测量支架(4)上安装有电涡流位移传感器(3)，用于测量主轴相对实际地面的热误差以及床身相对地面的热误差；在机床的热关键点处布置有温度传感器(1)，用于测量机床热关键点的温度值；所述数据采集装置与电涡流位移传感器(3)和温度传感器(1)相连，用于转换和采集电涡流位移传感器(3)测量的热误差值，以及温度传感器(1)温度值。2.根据权利要求1所述的数控车床主轴热误差测量装置，其特征在于，所述床身测量支架(5)为L型支架，包括床身测量支架底板(15)、床身测量支架侧板(16)以及床身测量支架固定端(14)；所述床身测量支架底板(15)与床身测量支架侧板(16)紧固连接，且垂直设置；所述床身测量支架底板(15)与床身测量支架固定端(14)的一端紧固连接，且垂直设置，床身测量支架固定端(14)的另一端固定在车床刀塔(6)上；所述地面测量支架(4)为L型支架，包括地面测量支架底板(18)、地面测量支架侧板(17)、地面测量支架固定端(19)以及地面测量支架底座(20)；所述地面测量支架底板(18)与地面测量支架侧板(17)紧固连接，且相垂直；所述地面测量支架底板(18)与地面测量支架固定端(19)的一端紧固连接，且相垂直，所述地面测量支架固定端(19)的另一端固定在地面测量支架底座(20)上，所述地面测量支架底座(20)固定在地面(13)上。3.根据权利要求2所述的一种数控车床主轴热误差测量装置，其特征在于，固定在床身测量支架(5)上的电涡流位移传感器(3)有三个，分别为第一电涡流位移传感器(S
M1
)、第二电涡流位移传感器(S
M2
)和第三电涡流位移传感器(S
M3
)；第一电涡流位移传感器(S
M1
)和第二电涡流位移传感器(S
M2
)固定在床身测量支架底板(15)上，第三电涡流位移传感器(S
M3
)固定在床身测量支架侧板(16)上；其中，第一电涡流位移传感器(S
M1
)和第二电涡流位移传感器(S
M2
)固定在床身测量支架底板(15)上，二者间隔布置在数控机床XZ轴平面内且有相同的X向和Y向坐标值，并与检棒(12)中心轴线垂直；第三电涡流位移传感器(S
M3
)固定在床身测量支架侧板(16)的后面并与检棒(12)末端平面垂直。4.根据权利要求2所述的数控车床主轴热误差测量装置，其特征在于，固定在地面测量支架(4)上的电涡流位移传感器(3)有三个，分别为第四电涡流传感器(S
E1
)、第五电涡流传感器(S
E2
)和第六电涡流传感器(S
E3
)；其中，第四电涡流传感器(S
E1
)和第五电涡流传感器(S
E2
)固定在地面测量支架底板(18)上，二者间隔布置在数控机床XZ轴平面内且有相同的X向和Y向坐标值，并与检棒(12)中心轴线垂直；第六电涡流传感器(S
E3
)布置在地面测量支架侧板(17)的后面并与地面测量支架侧板(17)垂直。5.根据权利要求1所述的数控车床主轴热误差测量装置，其特征在于，所述机床的热关键点包括主轴箱(2)的温度测点和床身(11)的温度测点，在主轴箱(2)温度测点处以及床身(11)温度测点处均固定有温度传感器(1)；其中，主轴箱(2)的温度测点包括：主轴箱上部前侧(T1)，主轴箱上部中侧(T2)，主轴箱
上部后侧(T3)，主轴箱下部前侧(T4)，主轴箱下部中侧(T5)和主轴箱下部后侧(T6)；床身(11)温度测点包括：床身Z向后侧(T7)，床身Z向中后侧(T8)，床身Z向中前侧(T9)，床身Z向前侧(T10)，床身X向后侧(T11)，床身X向中后侧(T12)，床身X向中前侧(T13)和床身X向前侧(T14)。6.权利要求1～5中任意一项所述的数控车床主轴热误差测量装置的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：机床上电，进给轴不运行，主轴以一定的转速旋转，利用电涡流位移传感器(3)采集主轴相对床身(11)在X、Z方向上的热误差值、主轴相对地面(13)在X方向上的热误差值以及床身(11)相对地面(13)在Z方向上的热误差值，并同时利用温度传感器(1)采集主轴箱(2)部分和床身(11)部分温度测点的温度值；S2：根据装在床身测量支架(5)和地面测量支架(4)上的电涡流位移传感器(3)测得的热误差数据，同时考虑机床主轴与床身(11)的热误差耦合关系，通过计算获得主轴相对地面(13)的绝对热误差数据及床身(11)相对地面(13)的绝对热误差数据；S3：分别对主轴相对地面(13)的绝对热误差数据和主轴箱(2)上温度测点的温度值，以及床身(11)相对地面(13)的绝对热误差数据和床身(11)上温度测点的温度值两组数据进行分析，获得拟合主轴热误差和床身(11)热误差的最佳温度测点，建立主轴和床身(11)的解耦热误差多元线性回归模型；S4：将主轴和床身(11)热误差解耦模型进行线性叠加获得机床主轴的综合热误差模型。7.根据权利要求6所述的数控车床主轴热误差测量装置的建模方法，其特征在于，主轴相对床身(11)在X方向上的热误差值对应第一电涡流位移传感器(S
M1
)和第二电涡流位移传感器(S
M2
)测得实际值相对第一个测点的变化量，Z方向上的热误差值对应第三电涡流位移传感器(S
M3
)所测实际值相对第一个测点的变化量；主轴相对地面(13)在X方向上的热误差值对应第四电涡流位移传感器(S
E1
)和第五电涡流位移传感器(S
E2
)测得实际值相对第一个测点的变化量；所述床身(11)相对地面(13)在Z方向上的热误差值对应第六电涡流位移传感器(S
E3
)测得实际值相对第一个测点的变化量；具体计算过程如下：ΔS
M1(i)
＝S
M1(i)
‑
S
M1(1)
ꢀꢀꢀꢀꢀ①
ΔS
M2(i)
＝S
M2(i)
‑
S
M2(1)
ꢀꢀꢀꢀ②
ΔS
M3(i)
＝S
...

【专利技术属性】
技术研发人员：施虎，肖瑶，陶涛，梅雪松，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：