數(shù)控機(jī)床刀尖動(dòng)態(tài)特性精度檢測(cè)裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于數(shù)控機(jī)床技術(shù)領(lǐng)域，涉及的是機(jī)床刀尖動(dòng)態(tài)特性綜合精度的檢測(cè)，具體的說(shuō)，是涉及一種數(shù)控機(jī)床刀尖動(dòng)態(tài)特性精度綜合檢測(cè)裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)控機(jī)床在加工的過(guò)程中，各種誤差源均會(huì)通過(guò)各種機(jī)電環(huán)節(jié)傳遞至刀具刀尖點(diǎn)，使得刀尖點(diǎn)偏移理論位置，從而產(chǎn)生實(shí)際加工誤差。隨著數(shù)控技術(shù)朝著高速度、高精度及多軸化的方向發(fā)展，數(shù)控機(jī)床熱變形誤差、加工動(dòng)態(tài)特性誤差的檢測(cè)需求日益突現(xiàn)。數(shù)控機(jī)床在加工的過(guò)程中，在各種熱源:如軸承發(fā)熱、電機(jī)發(fā)熱、滾珠絲桿與螺母發(fā)熱、導(dǎo)軌發(fā)熱與日照、地?zé)?、空氣流?dòng)等環(huán)境熱源的共同作用下，會(huì)導(dǎo)致機(jī)床上的部件發(fā)生不同程度的熱脹冷縮，在這些熱變形的疊加傳遞作用下，導(dǎo)致機(jī)床刀尖處的位置精度遭到破壞，由此導(dǎo)致的誤差稱為熱誤差。一般說(shuō)來(lái)，數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中由于熱變形引起的加工誤差占機(jī)床全部誤差的40?70%，國(guó)內(nèi)外盡管對(duì)機(jī)床熱變形誤差研究較多，但目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的數(shù)控機(jī)床熱特性誤差檢測(cè)手段。
[0003]對(duì)于四軸或五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，由于引入了 I或2個(gè)擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)軸導(dǎo)致引入了更多的刀尖誤差源，加之多軸加工技術(shù)本身也較為復(fù)雜，導(dǎo)致用戶掌握使用及設(shè)備維護(hù)過(guò)程中的精度檢測(cè)中產(chǎn)生了諸多困難。機(jī)床四軸聯(lián)動(dòng)加工精度目前沒(méi)有成熟的檢測(cè)方法。機(jī)床五軸聯(lián)動(dòng)加工精度的檢測(cè)一般采取NAS979圓錐試件或者S形試件切削加工的方法實(shí)施檢驗(yàn)，不僅試件材料及刀具消耗大，而且受編程水平、刀具、工藝參數(shù)等影響較大，還需對(duì)試件拆卸并搬移至三坐標(biāo)機(jī)上進(jìn)行最終檢測(cè)，精度損失環(huán)節(jié)較多，檢測(cè)成本頗高，較難直接地反映聯(lián)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)加工精度。
[0004]另外，針對(duì)刀尖運(yùn)動(dòng)誤差的檢測(cè)，傳統(tǒng)用千分表直接架表進(jìn)行測(cè)量，導(dǎo)致架表精度對(duì)操作技術(shù)水平要求不僅較高，而且完全依靠肉眼觀察表頭指針偏移并手工記錄及計(jì)算，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)各瞬態(tài)刀尖位姿和溫度信息的完整數(shù)據(jù)過(guò)程記錄，且出錯(cuò)環(huán)節(jié)較多，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化準(zhǔn)確分析和高精度計(jì)算；現(xiàn)代精度檢測(cè)儀器如激光干涉儀、激光跟蹤儀等在多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的聯(lián)動(dòng)動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)方面的局限性逐步顯現(xiàn)，例如激光干涉儀適合直線軸精度檢測(cè)且無(wú)法直接滿足大擺角范圍測(cè)量，而采用動(dòng)則單臺(tái)達(dá)數(shù)百萬(wàn)元價(jià)格的激光跟蹤儀則在成本、便捷性和易用性與等方面還無(wú)法被廣大機(jī)床用戶接受和認(rèn)可。采用更科學(xué)合理、高性價(jià)比的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床加工精度檢測(cè)，已經(jīng)成為數(shù)控機(jī)床安裝調(diào)試人員、特別是五軸機(jī)床用戶提高生產(chǎn)率和機(jī)床利用率，改進(jìn)和提高產(chǎn)品加工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床裝備優(yōu)化運(yùn)行的關(guān)鍵制約因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可綜合地實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工過(guò)程刀尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性和熱變形等動(dòng)態(tài)特性相關(guān)參數(shù)自動(dòng)化檢測(cè)裝置及其方法。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0007]數(shù)控機(jī)床刀尖動(dòng)態(tài)特性精度檢測(cè)裝置及其方法，包括可安裝在數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)的支座，通過(guò)設(shè)置在支座頂部的連接板，與L形支持壁板構(gòu)成整體組件結(jié)構(gòu)，在支持板和連接板通過(guò)孔方式設(shè)置有呈兩兩垂直布置的位移傳感器，通過(guò)位移傳感器與芯棒上的球頭表面相對(duì)距離的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)在主軸擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)刀尖動(dòng)態(tài)位姿信息的實(shí)時(shí)獲取，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器將上述刀尖多傳感器融合信息高速發(fā)送輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)記錄及分析，快速計(jì)算出數(shù)控機(jī)床刀尖點(diǎn)動(dòng)態(tài)特性的各項(xiàng)精度指標(biāo)和修正補(bǔ)償參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)測(cè)試分析數(shù)據(jù)的圖形化顯示及打印測(cè)試報(bào)告。
[0008]所述的連接板平行于支座頂部水平端面布置固定，連接板內(nèi)部設(shè)置有螺紋通孔以便于位移傳感器沿著豎直方向進(jìn)行貫穿式安裝。
[0009]所述的L形支持壁板的兩個(gè)壁面呈直角90°布置，L形支持壁板的兩個(gè)壁面均垂直于支座頂部水平端面布置，并與L形支持壁板的兩個(gè)壁面內(nèi)部設(shè)置有螺紋通孔以便于位移傳感器貫穿式安裝。
[0010]所述的位移傳感器包括3個(gè)呈兩兩垂直布置的位移傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)球頭各位姿運(yùn)動(dòng)位移進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。
[0011]所述的溫度傳感器組包括多套熱敏電阻傳感器構(gòu)成，通過(guò)磁鐵或者膠布貼附方式靈活布置在機(jī)床主要熱源附近。
[0012]所述的計(jì)算機(jī)包括用于RTCP(旋轉(zhuǎn)刀具中心點(diǎn))精度測(cè)試模塊、主軸徑向傾斜度測(cè)試模塊、主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試模塊、主軸熱變形測(cè)試模塊，用于擺動(dòng)軸補(bǔ)償值數(shù)據(jù)生成模塊、刀尖點(diǎn)受熱發(fā)生熱偏移修正數(shù)據(jù)生成模塊，以及由動(dòng)態(tài)精度預(yù)警模塊和歷史數(shù)據(jù)跟蹤模塊組成的數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。
[0013]在上述基于結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還提供了其實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟:
[0014](I)設(shè)定數(shù)控機(jī)床的各工作參數(shù)，在機(jī)床工作臺(tái)上架設(shè)數(shù)控機(jī)床刀尖動(dòng)態(tài)特性精度檢測(cè)裝置，對(duì)位移傳感器、溫度傳感器組、放大器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)進(jìn)行初始化，完成檢測(cè)裝置工作參數(shù)的設(shè)定值；
[0015](2)按照數(shù)控機(jī)床刀尖動(dòng)態(tài)特性各項(xiàng)指標(biāo)要求開(kāi)啟計(jì)算機(jī)中各項(xiàng)測(cè)試功能模塊，通過(guò)位移傳感器或溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)下的刀尖動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量，并將測(cè)量的動(dòng)態(tài)信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器傳輸至計(jì)算機(jī)，完成數(shù)控機(jī)床刀檢點(diǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集處理；
[0016](3)根據(jù)測(cè)試要求由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)該項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將機(jī)床刀尖動(dòng)態(tài)特性的測(cè)量值與設(shè)定值或歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；
[0017](4)生成供數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整的修正或補(bǔ)償數(shù)據(jù)與機(jī)床刀尖動(dòng)態(tài)特性各項(xiàng)指標(biāo)分析報(bào)告。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0019](I)本發(fā)明采用在數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)上安裝集成傳感器支座方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)行主軸芯棒球頭刀尖點(diǎn)位姿動(dòng)態(tài)誤差和熱誤差的檢測(cè)，與采購(gòu)?fù)ㄓ眉す飧缮鎯x或者激光跟蹤儀等昂貴復(fù)雜儀器相比不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可維修性較好，而且裝置成本較為低廉，測(cè)試工藝靈活，通用性較強(qiáng)，大大降低了機(jī)床安裝調(diào)試及后續(xù)維護(hù)成本；
[0020](2)本發(fā)明采用多類傳感器集成的自動(dòng)化測(cè)試方法與傳統(tǒng)用千分表直接架表測(cè)量方式相比不僅方式更靈活簡(jiǎn)便，特別是支座上位移傳感器布置方式大大降低了架設(shè)千分表的難度，縮短了輔助時(shí)間，還能實(shí)現(xiàn)了連續(xù)各瞬態(tài)刀尖位姿和溫度信息的完整數(shù)據(jù)過(guò)程記錄和高精度計(jì)算，大大提高了機(jī)床動(dòng)態(tài)精度的測(cè)量效率和精度；
[0021](3)本發(fā)明對(duì)能夠全面實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床刀尖動(dòng)態(tài)特性參數(shù)指標(biāo)測(cè)量、數(shù)控系統(tǒng)補(bǔ)償修正值數(shù)據(jù)生成、精度預(yù)警和歷史數(shù)據(jù)跟蹤及追溯等綜合功能，具有參數(shù)齊全，功能實(shí)用，性價(jià)比高，具有在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用前景；
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明的機(jī)械結(jié)構(gòu)主視圖。
[0023]圖2為本發(fā)明的機(jī)械結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0024]圖3為本發(fā)明的機(jī)械結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
[0025]圖4為本發(fā)明中刀尖動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)的原理框圖。
[0026]圖5為數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系構(gòu)成示意圖。
[0027]圖6為本發(fā)明的檢測(cè)方法實(shí)施工作流程圖。
[0028]圖7為本發(fā)明應(yīng)用在主軸熱態(tài)特性測(cè)試的工作示意圖。
[0029]圖8為本發(fā)明應(yīng)用在主軸傾斜度測(cè)試的工作示意圖。
[0030]圖9為本發(fā)明應(yīng)用在主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試的工作示意圖。
[0031]圖10為本發(fā)明應(yīng)用在刀尖點(diǎn)C軸動(dòng)態(tài)精度測(cè)試的工作示意圖。
[0032]圖11為本發(fā)明應(yīng)用在刀尖點(diǎn)B軸動(dòng)態(tài)精度測(cè)試的工作示意圖。
[0033]圖12為本發(fā)明應(yīng)用在刀尖點(diǎn)A軸動(dòng)態(tài)精度測(cè)試的工作示意圖。
[0034]其中，附圖標(biāo)記所對(duì)應(yīng)的名稱:1_支座，2-連接板，3-L形支持壁板，4-第一位移傳感器，5-第二位移傳感器，6-第三位移傳感器，7-熱敏電阻傳感器，8-計(jì)算機(jī)，9-位移信號(hào)放大器，10-接線端子板，11-溫度信號(hào)放大器，12-數(shù)據(jù)采集器，13-球頭芯棒，14-標(biāo)準(zhǔn)芯棒。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不限于下列實(shí)施例。
[0036]如圖1、圖2、圖3所示，為本發(fā)明數(shù)控機(jī)床刀尖動(dòng)態(tài)特性精度檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)例的主視、俯視及側(cè)視圖。其主要包括安裝在數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)上的包括安裝在數(shù)控機(jī)床工作平臺(tái)的支座1，設(shè)置在支座頂部的連接板2，連接板2內(nèi)部設(shè)置有螺紋通孔以便于