專利名稱：一種機(jī)床主軸熱誤差的測試系統(tǒng)及測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)床測試系統(tǒng)，尤其是一種機(jī)床主軸熱誤差的測試系統(tǒng)及測試方法。
背景技術(shù)：
機(jī)床工作時，在內(nèi)、外熱源的作用下，主軸系統(tǒng)的各個部分都會產(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位置和尺寸都將與溫升前不同，形成不同的溫 度場，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，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
針對現(xiàn)有機(jī)床所存在的上述問題，提供一種旨在解決機(jī)床主軸熱誤差實(shí)時補(bǔ)償前期數(shù)據(jù)采集及分析的機(jī)床主軸熱誤差的測試系統(tǒng)及測試方法。具體通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種機(jī)床主軸熱誤差的測試系統(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)床主軸箱上多個溫度傳感器與設(shè)于機(jī)床主軸端部周圍用以采集機(jī)床主軸中軸線方向變形量信號和機(jī)床主軸徑向變形量信號的多個距離傳感器形成，多個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以及床主軸中軸線方向變形量信號和機(jī)床主軸徑向變形量信號，并將采集到的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)值后擬合生成曲線.
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和/或處理生成的曲線.
所述數(shù)據(jù)儲存單元用以儲存所述數(shù)據(jù)處理單元利用接收到的信號轉(zhuǎn)換成的數(shù)值。優(yōu)選的，多個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)床主軸對應(yīng)的位置上。優(yōu)選的，多個所述距離傳感器中包括一個縱向距離傳感器，所述縱向距離傳感器縱向設(shè)置于所述機(jī)床主軸中軸線的延長線上。優(yōu)選的，多個所述距離傳感器中包括兩個橫向距離傳感器，所述橫向距離傳感器以中軸線相互垂直且分別垂直于所述機(jī)床主軸中軸線的形態(tài)布設(shè)與使所述機(jī)床主軸端部周圍；
兩個所述橫向距離傳感器的中軸線處于同一平面內(nèi)且分別與所述機(jī)床主軸的中軸線相交。優(yōu)選的，多個所述距離傳感器分別通過帶有距離調(diào)整裝置的連接結(jié)構(gòu)布設(shè)于所述機(jī)床主軸端部周圍，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。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)床主軸熱誤差的測試方法，其中，以相等間隔布設(shè)多個溫度傳感器于機(jī)床主軸箱上于所述機(jī)床主軸對應(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)多個距離傳感器于所述機(jī)床主軸端部周圍，采集所述機(jī)床主軸中軸線方向變形量 以及所述機(jī)床主軸徑向變形量；
于所述機(jī)床啟動前調(diào)整多個所述距離傳感器的位置使采集到的述機(jī)床主軸中軸線方向變形量以及所述機(jī)床主軸徑向變形量為O ;
開啟所述機(jī)床后同時采集所述機(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)床主軸中軸線方向變形量與所述機(jī)床主軸徑向變形量通過換算得到所述熱誤差值，并以所述熱誤差值分別于各個所述溫度傳感器采集到的溫度值擬合成多條曲線；
比較多條所述曲線，選取溫度值與熱誤差值最具線性關(guān)系的曲線確定最佳測溫點(diǎn)。上述技術(shù)方案的有益效果為
(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通過磁吸式連接結(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)驗驗證的方法確定最佳測溫點(diǎn)的位置，采用最佳測溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)建立線性函數(shù)，可以精確預(yù)報主軸的伸長量，為建立熱誤差數(shù)學(xué)模型及實(shí)現(xiàn)實(shí)時熱誤差補(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)床主軸熱誤差的測試系統(tǒng)實(shí)施例的4個溫度傳感器的實(shí)施方式下生成的溫度與熱誤差值的擬合曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，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上的多個溫度傳感器I與設(shè)于機(jī)床主軸20端部周圍用以采集機(jī)床主軸20中軸線方向變形量信號和機(jī)床主軸20徑向變形量信號的多個距離傳感器形成，多個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以及床主軸20中軸線方向變形量信號和機(jī)床主軸20徑向變形量信號，并將采集到的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)值后擬合生成曲線；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和/或處理生成的曲線；數(shù)據(jù)儲存單元用以儲存數(shù)據(jù)處理單元利用接收到的信號轉(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)儲存單元可以由專用的電子設(shè)備形成，也可以由一安裝有對應(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)儲存單元的實(shí)施方式下，溫度傳感器和距離傳感器可通過USB(Universal Serial Bus)總線接口的數(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對應(yīng)的位置上，用以確定多個測溫點(diǎn)，由于溫度傳感器I以相等的距離間隔布設(shè)使各測溫點(diǎn)之間溫度變化并不同步，為最佳測溫點(diǎn)的選擇提供的便利。進(jìn)一步的多個溫度傳感器I可通過磁吸式連接結(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，且不必制作專用的溫度傳感器夾具。優(yōu)選的，可設(shè)置4個溫度傳感器，使數(shù)據(jù)采集單元不必配備過多的采集通道，以降低整個系統(tǒng)的成本，同時也可提供較多的候選測溫點(diǎn)，當(dāng)然也可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置2個、3個、5個或者5個以上的溫度傳感器。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)施例中的多個距離傳感器2中包括一個縱向距離傳感器21，縱向距離傳感器21縱向設(shè)置于機(jī)床主軸20中軸線的延長線上。進(jìn)一步的多個距離傳感器2中還包括兩個橫向距離傳感器22，橫向距離傳感器22以中軸線相互垂直且分別垂直于機(jī)床主軸20中軸線的形態(tài)布設(shè)與使機(jī)床主軸20端部周圍；兩個橫向距離傳感器22的中軸線處于同一平面內(nèi)且分別與機(jī)床主軸20的中軸線相交?？v向距離傳感器21與兩個橫向距離傳感器22確定了 3條相互垂直且相交的軸線，使本發(fā)明實(shí)施例中的多個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，使多個橫向距離傳感器22呈放射狀布設(shè)于機(jī)床主軸20周圍，且多個橫向距離傳感器22的中軸線處于同一平面內(nèi)，并使該平面垂直于機(jī)床主軸20的中軸線，設(shè)置多個橫向距離傳感器22可更精確的獲得機(jī)床主軸20的徑向變形量，同時由于設(shè)置多個橫向距離傳感器22獲得了冗余，可實(shí)現(xiàn)對橫向距離傳感器22的校驗。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。同時還可以為渦流位移傳感器配設(shè)信號調(diào)理裝置以獲得標(biāo)準(zhǔn)信號輸出至數(shù)據(jù)處理單元。進(jìn)一步的，多個距離傳感器分別通過帶有距離調(diào)整裝置的連接結(jié)構(gòu)3布設(shè)與機(jī)床主軸20端部周圍，距離調(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)整多個距離傳感器與機(jī)床主軸端部20的距離。于測試開始前需要使距離傳感器的讀數(shù)歸零，通過調(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)床主軸熱誤差的測試方法，其中，以相等間隔布設(shè)多個溫度傳感器于機(jī)床主軸箱上于機(jī)床主軸對應(yīng)的位置，米集機(jī)床主軸箱不同部位的溫度值；布設(shè)多個距離傳感器于機(jī)床主軸端部周圍,采集機(jī)床主軸中軸線方向變形量以及機(jī)床主軸徑向變形量；于機(jī)床啟動前調(diào)整多個距離傳感器的位置使采集到的述機(jī)床主軸中軸線方向變形量以及機(jī)床主軸徑向變形量為O ;開啟機(jī)床后同時采集機(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)床主軸中軸線方向變形量與機(jī)床主軸徑向變形量通過換算得到熱誤差值，并以熱誤差值分別于各個溫度傳感器采集到的溫度值擬合成多條曲線；比較多條曲線，選取溫度值與熱誤差值最具線性關(guān)系的曲線確定最佳測溫點(diǎn)。于布設(shè)4個溫度傳感器的實(shí)施方式下獲得的擬合曲線如圖3所示，通過選擇其中溫度值與熱誤差值線性關(guān)系較好的曲線做確定的測溫點(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)明的申請專利范圍，所以凡運(yùn)用本發(fā)明說明書及圖示內(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)床主軸箱上多個溫度傳感器與設(shè)于機(jī)床主軸端部周圍用以采集機(jī)床主軸中軸線方向變形量信號和機(jī)床主軸徑向變形量信號的多個距離傳感器形成，多個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以及床主軸中軸線方向變形量信號和機(jī)床主軸徑向變形量信號，并將采集到的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)值后擬合生成曲線. 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和/或處理生成的曲線. 所述數(shù)據(jù)儲存單元用以儲存所述數(shù)據(jù)處理單元利用接收到的信號轉(zhuǎn)換成的數(shù)值。
2.如權(quán)利要求I所述機(jī)床主軸熱誤差的測試系統(tǒng)，其特征在于，多個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)床主軸熱誤差的測試系統(tǒng)，其特征在于，多個所述距離傳感器中包括一個縱向距離傳感器，所述縱向距離傳感器縱向設(shè)置于所述機(jī)床主軸中軸線的延長線上。
4.如權(quán)利要求I所述機(jī)床主軸熱誤差的測試系統(tǒng)，其特征在于，多個所述距離傳感器中包括兩個橫向距離傳感器，所述橫向距離傳感器以中軸線相互垂直且分別垂直于所述機(jī)床主軸中軸線的形態(tài)布設(shè)與使所述機(jī)床主軸端部周圍； 兩個所述橫向距離傳感器的中軸線處于同一平面內(nèi)且分別與所述機(jī)床主軸的中軸線相交。
5.如權(quán)利要求I所述機(jī)床主軸熱誤差的測試系統(tǒng)，其特征在于，多個所述距離傳感器分別通過帶有距離調(diào)整裝置的連接結(jié)構(gòu)布設(shè)于所述機(jī)床主軸端部周圍，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)床主軸熱誤差的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度傳感器通過磁吸式連接結(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)床主軸熱誤差的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度傳感器有4個。
8.如權(quán)利要求I所述機(jī)床主軸熱誤差的測試系統(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)床主軸熱誤差的測試方法，其特征在于，以相等間隔布設(shè)多個溫度傳感器于機(jī)床主軸箱上于所述機(jī)床主軸對應(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)多個距離傳感器于所述機(jī)床主軸端部周圍，采集所述機(jī)床主軸中軸線方向變形量以及所述機(jī)床主軸徑向變形量； 于所述機(jī)床啟動前調(diào)整多個所述距離傳感器的位置使采集到的述機(jī)床主軸中軸線方向變形量以及所述機(jī)床主軸徑向變形量為O ; 開啟所述機(jī)床后同時采集所述機(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)床主軸中軸線方向變形量與所述機(jī)床主軸徑向變形量通過換算得到所述熱誤差值，并以所述熱誤差值分別于各個所述溫度傳感器采集到的溫度值擬合成多條曲線； 比較多條所述曲線，選取溫度值與熱誤差值最具線性關(guān)系的曲線確定最佳測溫點(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)床主軸熱誤差的測試系統(tǒng)及測試方法。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)床主軸箱上多個溫度傳感器與設(shè)于機(jī)床主軸端部周圍用以采集機(jī)床主軸中軸線方向變形量信號和機(jī)床主軸徑向變形量信號的多個距離傳感器形成，多個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；通過確定最佳測溫點(diǎn)的位置建立線性函數(shù)，為建立熱誤差數(shù)學(xué)模型及實(shí)現(xiàn)實(shí)時熱誤差補(bǔ)償?shù)於ɑA(chǔ)。
文檔編號G05B19/401GK102759900SQ201210219768
公開日2012年10月31日 申請日期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 申請人:上海三一精機(jī)有限公司