專(zhuān)利名稱(chēng)：一種機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)床測(cè)試系統(tǒng)，尤其是一種機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
機(jī)床工作時(shí)，在內(nèi)、外熱源的作用下，主軸系統(tǒng)的各個(gè)部分都會(huì)產(chǎn)生不同程度的溫升。升溫后，主軸和機(jī)床其他部件的空間相對(duì)位置和尺寸都將與溫升前不同，形成不同的溫 度場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生不同程度的熱變形，導(dǎo)致加工精度誤差。據(jù)統(tǒng)計(jì)，主軸單元的熱變形已經(jīng)成為影響加工精度的主要因素。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有機(jī)床所存在的上述問(wèn)題，提供一種旨在解決機(jī)床主軸熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償前期數(shù)據(jù)采集及分析的機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法。具體通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)，其中，包括數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)顯示單元以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元；
所述數(shù)據(jù)處理單元與所述數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)顯示單元以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元分別連接；所述數(shù)據(jù)采集單元主要由設(shè)于機(jī)床主軸箱上多個(gè)溫度傳感器與設(shè)于機(jī)床主軸端部周?chē)靡圆杉瘷C(jī)床主軸中軸線(xiàn)方向變形量信號(hào)和機(jī)床主軸徑向變形量信號(hào)的多個(gè)距離傳感器形成，多個(gè)所述距離傳感器的傳感端與所述機(jī)床主軸有預(yù)設(shè)距離；
所述數(shù)據(jù)處理單元用以接收所述數(shù)據(jù)采集單元采集的溫度信號(hào)以及床主軸中軸線(xiàn)方向變形量信號(hào)和機(jī)床主軸徑向變形量信號(hào)，并將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)值后擬合生成曲線(xiàn).
所述數(shù)據(jù)顯示單元用以顯示所述數(shù)據(jù)處理單元的接收到的信號(hào)和/或處理生成的曲線(xiàn).
所述數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元用以?xún)?chǔ)存所述數(shù)據(jù)處理單元利用接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成的數(shù)值。優(yōu)選的，多個(gè)所述溫度傳感器以相等的距離間隔布設(shè)于所述機(jī)床主軸箱上與機(jī)床主軸對(duì)應(yīng)的位置上。優(yōu)選的，多個(gè)所述距離傳感器中包括一個(gè)縱向距離傳感器，所述縱向距離傳感器縱向設(shè)置于所述機(jī)床主軸中軸線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)上。優(yōu)選的，多個(gè)所述距離傳感器中包括兩個(gè)橫向距離傳感器，所述橫向距離傳感器以中軸線(xiàn)相互垂直且分別垂直于所述機(jī)床主軸中軸線(xiàn)的形態(tài)布設(shè)與使所述機(jī)床主軸端部周?chē)?br> 兩個(gè)所述橫向距離傳感器的中軸線(xiàn)處于同一平面內(nèi)且分別與所述機(jī)床主軸的中軸線(xiàn)相交。優(yōu)選的，多個(gè)所述距離傳感器分別通過(guò)帶有距離調(diào)整裝置的連接結(jié)構(gòu)布設(shè)于所述機(jī)床主軸端部周?chē)?，所述距離調(diào)整裝置與一控制器連接，所述控制器控制所述距離調(diào)整裝置調(diào)整多個(gè)所述距離傳感器與所述機(jī)床主軸端部的距離。優(yōu)選的，所述溫度傳感器通過(guò)磁吸式連接結(jié)構(gòu)吸附與所述機(jī)床主軸箱上。優(yōu)選的，所述溫度傳感器有4個(gè)。優(yōu)選的，所述溫度傳感器為熱電阻溫度傳感器。優(yōu)選的，所述距離傳感器為渦流位移傳感器。一種機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試方法，其中，以相等間隔布設(shè)多個(gè)溫度傳感器于機(jī)床主軸箱上于所述機(jī)床主軸對(duì)應(yīng)的位置，采集所述機(jī)床主軸箱不同部位的溫度值；
布設(shè)多個(gè)距離傳感器于所述機(jī)床主軸端部周?chē)?，采集所述機(jī)床主軸中軸線(xiàn)方向變形量 以及所述機(jī)床主軸徑向變形量；
于所述機(jī)床啟動(dòng)前調(diào)整多個(gè)所述距離傳感器的位置使采集到的述機(jī)床主軸中軸線(xiàn)方向變形量以及所述機(jī)床主軸徑向變形量為O ;
開(kāi)啟所述機(jī)床后同時(shí)采集所述機(jī)床主軸箱不同部位的溫度變化值、所述機(jī)床主軸中軸線(xiàn)方向變形量以及所述機(jī)床主軸徑向變形量，將所述機(jī)床主軸中軸線(xiàn)方向變形量與所述機(jī)床主軸徑向變形量通過(guò)換算得到所述熱誤差值，并以所述熱誤差值分別于各個(gè)所述溫度傳感器采集到的溫度值擬合成多條曲線(xiàn)；
比較多條所述曲線(xiàn)，選取溫度值與熱誤差值最具線(xiàn)性關(guān)系的曲線(xiàn)確定最佳測(cè)溫點(diǎn)。上述技術(shù)方案的有益效果為
(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)磁吸式連接結(jié)構(gòu)可適應(yīng)各種不同的機(jī)床主軸箱，采用渦流位移傳感器精度較高，具有良好的可靠性；
(2)采用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法確定最佳測(cè)溫點(diǎn)的位置，采用最佳測(cè)溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)建立線(xiàn)性函數(shù)，可以精確預(yù)報(bào)主軸的伸長(zhǎng)量，為建立熱誤差數(shù)學(xué)模型及實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)熱誤差補(bǔ)償?shù)於ɑA(chǔ)。


圖I為本發(fā)明一種機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)實(shí)施例的邏輯結(jié)構(gòu) 圖2為本發(fā)明一種機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)實(shí)施例的溫度傳感器以及距離傳感器布設(shè)結(jié)構(gòu)示意 圖3為本發(fā)明一種機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)實(shí)施例的4個(gè)溫度傳感器的實(shí)施方式下生成的溫度與熱誤差值的擬合曲線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不作為本發(fā)明的限定。如圖I和圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)，其中，包括數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)顯示單元以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元；數(shù)據(jù)處理單元與數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)顯示單元以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元分別連接；數(shù)據(jù)采集單元主要由設(shè)于機(jī)床主軸箱10上的多個(gè)溫度傳感器I與設(shè)于機(jī)床主軸20端部周?chē)靡圆杉瘷C(jī)床主軸20中軸線(xiàn)方向變形量信號(hào)和機(jī)床主軸20徑向變形量信號(hào)的多個(gè)距離傳感器形成，多個(gè)距離傳感器的傳感端與機(jī)床主軸20有預(yù)設(shè)距離；數(shù)據(jù)處理單元用以接收數(shù)據(jù)采集單元采集的溫度信號(hào)以及床主軸20中軸線(xiàn)方向變形量信號(hào)和機(jī)床主軸20徑向變形量信號(hào)，并將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)值后擬合生成曲線(xiàn)；數(shù)據(jù)顯示單元用以顯示數(shù)據(jù)處理單元的接收到的信號(hào)和/或處理生成的曲線(xiàn)；數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元用以?xún)?chǔ)存數(shù)據(jù)處理單元利用接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成的數(shù)值。上述數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)顯示單元以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元可以由專(zhuān)用的電子設(shè)備形成，也可以由一安裝有對(duì)應(yīng)功能軟件的PC (Personal Computer)機(jī)形成,采用PC機(jī)形成數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)顯示單元以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元的實(shí)施方式下，溫度傳感器和距離傳感器可通過(guò)USB(Universal Serial Bus)總線(xiàn)接口的數(shù)據(jù)采集卡與PC機(jī)進(jìn)行連接。于上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，多個(gè)溫度傳感器I以相等的距離間隔布設(shè)于機(jī)床主軸箱10上與機(jī)床主軸20對(duì)應(yīng)的位置上，用以確定多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，由于溫度傳感器I以相等的距離間隔布設(shè)使各測(cè)溫點(diǎn)之間溫度變化并不同步，為最佳測(cè)溫點(diǎn)的選擇提供的便利。進(jìn)一步的多個(gè)溫度傳感器I可通過(guò)磁吸式連接結(jié)構(gòu)吸附與機(jī)床主軸箱10上，采用磁吸的連接方式使本發(fā)明實(shí)施例中的機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)可適應(yīng)各種不同結(jié)構(gòu)的機(jī)床主軸箱，且不必制作專(zhuān)用的溫度傳感器夾具。優(yōu)選的，可設(shè)置4個(gè)溫度傳感器，使數(shù)據(jù)采集單元不必配備過(guò)多的采集通道，以降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，同時(shí)也可提供較多的候選測(cè)溫點(diǎn)，當(dāng)然也可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置2個(gè)、3個(gè)、5個(gè)或者5個(gè)以上的溫度傳感器。本發(fā)明實(shí)施例選擇熱電阻溫度傳 感器作為溫度傳感器，并通過(guò)與熱電阻溫度傳感器連接的變送器連接數(shù)據(jù)處理單元。于上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，本發(fā)明實(shí)施例中的多個(gè)距離傳感器2中包括一個(gè)縱向距離傳感器21，縱向距離傳感器21縱向設(shè)置于機(jī)床主軸20中軸線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)上。進(jìn)一步的多個(gè)距離傳感器2中還包括兩個(gè)橫向距離傳感器22，橫向距離傳感器22以中軸線(xiàn)相互垂直且分別垂直于機(jī)床主軸20中軸線(xiàn)的形態(tài)布設(shè)與使機(jī)床主軸20端部周?chē)?；兩個(gè)橫向距離傳感器22的中軸線(xiàn)處于同一平面內(nèi)且分別與機(jī)床主軸20的中軸線(xiàn)相交?？v向距離傳感器21與兩個(gè)橫向距離傳感器22確定了 3條相互垂直且相交的軸線(xiàn)，使本發(fā)明實(shí)施例中的多個(gè)距離傳感器可返回一組三維坐標(biāo)值以反映機(jī)床主軸20的熱誤差值。也可以設(shè)置更多的橫向距離傳感器22，使多個(gè)橫向距離傳感器22呈放射狀布設(shè)于機(jī)床主軸20周?chē)叶鄠€(gè)橫向距離傳感器22的中軸線(xiàn)處于同一平面內(nèi)，并使該平面垂直于機(jī)床主軸20的中軸線(xiàn)，設(shè)置多個(gè)橫向距離傳感器22可更精確的獲得機(jī)床主軸20的徑向變形量，同時(shí)由于設(shè)置多個(gè)橫向距離傳感器22獲得了冗余，可實(shí)現(xiàn)對(duì)橫向距離傳感器22的校驗(yàn)。本發(fā)明實(shí)施例選用渦流位移傳感器作為距離傳感器，選用渦流位移傳感器可獲得更高的精度。由于渦流位移傳感器的傳感距離限制，在選用渦流位移傳感器的實(shí)施方式下距離傳感器的傳感端與機(jī)床主軸20的預(yù)設(shè)距離可設(shè)置為2mm。同時(shí)還可以為渦流位移傳感器配設(shè)信號(hào)調(diào)理裝置以獲得標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出至數(shù)據(jù)處理單元。進(jìn)一步的，多個(gè)距離傳感器分別通過(guò)帶有距離調(diào)整裝置的連接結(jié)構(gòu)3布設(shè)與機(jī)床主軸20端部周?chē)嚯x調(diào)整裝置與一控制器(未在圖中繪出)連接，控制器控制距離調(diào)整裝置調(diào)整多個(gè)距離傳感器與機(jī)床主軸端部20的距離。于測(cè)試開(kāi)始前需要使距離傳感器的讀數(shù)歸零，通過(guò)調(diào)整帶有距離調(diào)整裝置的連接結(jié)構(gòu)3上的距離調(diào)整裝置，進(jìn)而調(diào)整距離傳感器與機(jī)床主軸20端部的距離使距離傳感器的讀數(shù)歸零。本發(fā)明還包括一種機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試方法，其中，以相等間隔布設(shè)多個(gè)溫度傳感器于機(jī)床主軸箱上于機(jī)床主軸對(duì)應(yīng)的位置，米集機(jī)床主軸箱不同部位的溫度值；布設(shè)多個(gè)距離傳感器于機(jī)床主軸端部周?chē)?采集機(jī)床主軸中軸線(xiàn)方向變形量以及機(jī)床主軸徑向變形量；于機(jī)床啟動(dòng)前調(diào)整多個(gè)距離傳感器的位置使采集到的述機(jī)床主軸中軸線(xiàn)方向變形量以及機(jī)床主軸徑向變形量為O ;開(kāi)啟機(jī)床后同時(shí)采集機(jī)床主軸箱不同部位的溫度變化值、機(jī)床主軸中軸線(xiàn)方向變形量以及機(jī)床主軸徑向變形量,將機(jī)床主軸中軸線(xiàn)方向變形量與機(jī)床主軸徑向變形量通過(guò)換算得到熱誤差值，并以熱誤差值分別于各個(gè)溫度傳感器采集到的溫度值擬合成多條曲線(xiàn)；比較多條曲線(xiàn)，選取溫度值與熱誤差值最具線(xiàn)性關(guān)系的曲線(xiàn)確定最佳測(cè)溫點(diǎn)。于布設(shè)4個(gè)溫度傳感器的實(shí)施方式下獲得的擬合曲線(xiàn)如圖3所示，通過(guò)選擇其中溫度值與熱誤差值線(xiàn)性關(guān)系較好的曲線(xiàn)做確定的測(cè)溫點(diǎn)可建立較為準(zhǔn)確的熱誤差數(shù)學(xué)模型，從而為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)熱誤差補(bǔ)償?shù)於ɑA(chǔ)。以上所述僅為本發(fā)明較佳的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的申請(qǐng)專(zhuān)利范圍，所以凡運(yùn)用本發(fā)明說(shuō)明書(shū)及圖示內(nèi)容所作出的等效結(jié)構(gòu)變化或者以本領(lǐng)域技術(shù)人員慣用的技 術(shù)手段進(jìn)行替換，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，包括數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)顯示單元以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元； 所述數(shù)據(jù)處理單元與所述數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)顯示單元以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元分別連接；所述數(shù)據(jù)采集單元主要由設(shè)于機(jī)床主軸箱上多個(gè)溫度傳感器與設(shè)于機(jī)床主軸端部周?chē)靡圆杉瘷C(jī)床主軸中軸線(xiàn)方向變形量信號(hào)和機(jī)床主軸徑向變形量信號(hào)的多個(gè)距離傳感器形成，多個(gè)所述距離傳感器的傳感端與所述機(jī)床主軸有預(yù)設(shè)距離； 所述數(shù)據(jù)處理單元用以接收所述數(shù)據(jù)采集單元采集的溫度信號(hào)以及床主軸中軸線(xiàn)方向變形量信號(hào)和機(jī)床主軸徑向變形量信號(hào)，并將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)值后擬合生成曲線(xiàn). 所述數(shù)據(jù)顯示單元用以顯示所述數(shù)據(jù)處理單元的接收到的信號(hào)和/或處理生成的曲線(xiàn). 所述數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元用以?xún)?chǔ)存所述數(shù)據(jù)處理單元利用接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成的數(shù)值。
2.如權(quán)利要求I所述機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，多個(gè)所述溫度傳感器以相等的距離間隔布設(shè)于所述機(jī)床主軸箱上與機(jī)床主軸對(duì)應(yīng)的位置上。
3.如權(quán)利要求I所述機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，多個(gè)所述距離傳感器中包括一個(gè)縱向距離傳感器，所述縱向距離傳感器縱向設(shè)置于所述機(jī)床主軸中軸線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)上。
4.如權(quán)利要求I所述機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，多個(gè)所述距離傳感器中包括兩個(gè)橫向距離傳感器，所述橫向距離傳感器以中軸線(xiàn)相互垂直且分別垂直于所述機(jī)床主軸中軸線(xiàn)的形態(tài)布設(shè)與使所述機(jī)床主軸端部周?chē)? 兩個(gè)所述橫向距離傳感器的中軸線(xiàn)處于同一平面內(nèi)且分別與所述機(jī)床主軸的中軸線(xiàn)相交。
5.如權(quán)利要求I所述機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，多個(gè)所述距離傳感器分別通過(guò)帶有距離調(diào)整裝置的連接結(jié)構(gòu)布設(shè)于所述機(jī)床主軸端部周?chē)鼍嚯x調(diào)整裝置與一控制器連接，所述控制器控制所述距離調(diào)整裝置調(diào)整多個(gè)所述距離傳感器與所述機(jī)床主軸端部的距離。
6.如權(quán)利要求I所述機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度傳感器通過(guò)磁吸式連接結(jié)構(gòu)吸附與所述機(jī)床主軸箱上。
7.如權(quán)利要求I所述機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度傳感器有4個(gè)。
8.如權(quán)利要求I所述機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度傳感器為熱電阻溫度傳感器。
9.如權(quán)利要求I所述機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述距離傳感器為渦流位移傳感器。
10.一種機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試方法，其特征在于，以相等間隔布設(shè)多個(gè)溫度傳感器于機(jī)床主軸箱上于所述機(jī)床主軸對(duì)應(yīng)的位置,采集所述機(jī)床主軸箱不同部位的溫度值； 布設(shè)多個(gè)距離傳感器于所述機(jī)床主軸端部周?chē)?，采集所述機(jī)床主軸中軸線(xiàn)方向變形量以及所述機(jī)床主軸徑向變形量； 于所述機(jī)床啟動(dòng)前調(diào)整多個(gè)所述距離傳感器的位置使采集到的述機(jī)床主軸中軸線(xiàn)方向變形量以及所述機(jī)床主軸徑向變形量為O ; 開(kāi)啟所述機(jī)床后同時(shí)采集所述機(jī)床主軸箱不同部位的溫度變化值、所述機(jī)床主軸中軸線(xiàn)方向變 形量以及所述機(jī)床主軸徑向變形量，將所述機(jī)床主軸中軸線(xiàn)方向變形量與所述機(jī)床主軸徑向變形量通過(guò)換算得到所述熱誤差值，并以所述熱誤差值分別于各個(gè)所述溫度傳感器采集到的溫度值擬合成多條曲線(xiàn)； 比較多條所述曲線(xiàn)，選取溫度值與熱誤差值最具線(xiàn)性關(guān)系的曲線(xiàn)確定最佳測(cè)溫點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種解決機(jī)床主軸熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償前期數(shù)據(jù)采集及分析的機(jī)床主軸熱誤差的測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法。包括數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)顯示單元以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元；數(shù)據(jù)處理單元與數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)顯示單元以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元分別連接；數(shù)據(jù)采集單元主要由設(shè)于機(jī)床主軸箱上多個(gè)溫度傳感器與設(shè)于機(jī)床主軸端部周?chē)靡圆杉瘷C(jī)床主軸中軸線(xiàn)方向變形量信號(hào)和機(jī)床主軸徑向變形量信號(hào)的多個(gè)距離傳感器形成，多個(gè)距離傳感器的傳感端與機(jī)床主軸有預(yù)設(shè)距離。本發(fā)明實(shí)施例的有益效果是可適應(yīng)各種不同的機(jī)床主軸箱，精度較高，具有良好的可靠性；通過(guò)確定最佳測(cè)溫點(diǎn)的位置建立線(xiàn)性函數(shù)，為建立熱誤差數(shù)學(xué)模型及實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)熱誤差補(bǔ)償?shù)於ɑA(chǔ)。
文檔編號(hào)G05B19/401GK102759900SQ201210219768
公開(kāi)日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者楊德順, 趙亮, 遲曉梅 申請(qǐng)人:上海三一精機(jī)有限公司