一种检测与主轴热变形有关的热敏感点是否存在的方法
【专利摘要】一种检测与主轴热变形有关的热敏感点是否存在的方法，通过改变加热元件的温度来改变主轴的温度场分布，热敏电阻和涡流传感器把所采集到的信息发送给计算机，然后利用Labview软件对信息进行分析处理，再采用模糊聚类和线性回归的方法进行处理。本方法提供的测试方法可在不同的半径处放置热敏电阻，因此如果能够在不同半径处的温度与主轴变形量之间建立起函数关系，则说明热敏感点存在；若不能建立起函数关系，则说明热敏感点不存在。本发明中若得出主轴上存在热敏感点，则根据热敏感点可以更精确地得到主轴在不同工艺条件下的变形量，进而可以在不同工况下根据主轴变形量更改误差补偿控制系统的控制量，从而提高主轴的工作精度。
【专利说明】一种检测与主轴热变形有关的热敏感点是否存在的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及对机床主轴热变形检测方法，具体涉及一种检测与主轴热变形有关的热敏感点是否存在的方法。
【背景技术】
[0002]伴随着一次又一次的技术革命，高精尖已经日益成为各类加工生产的方向与目标。但是由于机床在工作状态下产生的温度变化引起主轴变形造成的加工误差一直都是制约加工制造业发展的重要因素，有数据表明，由于机床热变形引起的加工误差占整个加工误差的30%?70%。利用补偿系统通过对机床主轴热变形的测量进行反馈调节，则可以达到对主轴变形量的控制，从而可以从源头上减小甚至消除主轴热变形及其带来的加工误差。通常建立的机床热误差模型与工艺参数密切相关，导致根据某种工艺参数建立的热误差模型鲁棒性很差，难以应用于机床热误差补偿。是否存在与工艺无关而只与测点温度相关的热误差模型，或者是热敏感点是否存在，如果存在其分布规律如何尚未见到完整的方案。为此，找到与设备或工艺无关的一种测量方法或与热变形有直接关系的热敏感点的分布规律一直是悬而未解的问题。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术中的问题，提供一种检测与主轴热变形有关的热敏感点是否存在的方法，其可以测出主轴上是否存在热敏感点，并且便捷可靠、通用性强、适用范围广。
[0004]为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的:
[0005]I)在主轴的中心孔内设置用于改变主轴温度的加热元件，加热元件穿过中心孔与功率控制系统相连；
[0006]2)在主轴的轴向上开设若干孔，每个孔到主轴中心线的距离不同，在每个孔底部设置用于测定温度的热敏电阻；
[0007]3)在主轴上设置若干用于测定主轴变形量的涡流传感器；
[0008]4)通过控制功率控制系统使加热元件以不同功率输出，从而控制主轴的温度，热敏电阻和涡流传感器将所采集到的信息发送给计算机，然后用模糊聚类和线性回归的方法对所采集的信息进行分析以确定不同半径处的温度与主轴变形量之间是否能够建立函数关系，若能够建立函数关系并且不同温度场下的函数关系保持不变，则说明热敏感点存在；若不能建立函数关系，则说明热敏感点不存在。
[0009]所述热敏电阻和涡流传感器通过调理模块与计算机相连接。
[0010]所述涡流传感器设置于主轴的两端面及侧壁的两端。
[0011]相对于现有技术，本发明具有的有益效果:本发明通过在主轴内部设置加热元件，模拟机床主轴各类工况下温度的变化，在主轴内不同半径处设置热敏电阻，用以测量不同半径处主轴的温度，在主轴上设置涡流传感器，热敏电阻和涡流传感器将所测得的信息发送给计算机，通过Labview软件以及模糊聚类方法得出可以进行检测与主轴热变形有关的热敏感点是否存在。本发明原理简单，易于实现。
[0012]由于不同的工况对应不同的主轴变形量，主轴变形量对应不同的主轴补偿参数，本发明中若得出主轴上存在热敏感点，则根据热敏感点可以更精确地得到主轴在不同温度下的变形量，进而可以在不同工况下根据主轴变形量更改误差补偿控制系统的控制量，从而提高主轴的加工精度，同时为主轴热误差补偿提供了精确可靠的分析方法。与传统热误差补偿相比，本发明便捷可靠、通用性强、适用范围广，对于提高机床主轴精度有明显的改善，极大的提高了所加工产品的质量，降低废品率，从而降低生产成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明的功率控制系统示意图。
[0014]图2是本发明的机械系统、测量系统图。
[0015]图3是涡流传感器在主轴上的布置图，其中，图3 Ca)为在主轴端面上的设置图，图3 (b)为在主轴侧壁两端上的布置图。
[0016]图4是本发明的数据采集系统示意图。
[0017]图5是本发明的检测流程图。
[0018]其中:1-主轴；2_涡流传感器；3_热敏电阻，4为计算机，5为第一研华PC1-1723模拟量输出卡，6为第一接线端口，7为调理模块，8为第二接线端口，9为第二研华PC1-172332路模拟量输出卡。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明做详细描述。
[0020]参照图1-4，一种检测与主轴热变形有关的热敏感点是否存在的装置，包括机械系统、功率控制系统、测量系统以及数据处理系统四大部分，所述机械系统包括主轴1，功率控制系统包括用于控制加热元件输出功率并安装有Labview软件的计算机4、第一研华PC1-1723模拟量输出卡5、第一接线端口 6以及加热元件，如图1所示。测量系统包括热敏电阻3、涡流传感器2、调理模块7、第二接线端口 8、第二研华PC1-1712 32路模拟量输出卡9，如图4所示。其中，通过在主轴中心沿轴向钻孔得到主轴中心孔，加热元件设置在主轴中心孔内并从主轴中心孔穿出，模拟机床工作时主轴由于工况的变化而引起的温度的变化，加热元件连接有计算机，计算机通过研华PC1-1723模拟量输出卡连接有接线端口，接线端口连接有加热元件。通过对计算机的操作可以达到对加热元件的输出功率的控制，即可以改变加热元件的加热温度。计算机可以控制加热元件的输出功率，从而达到改变加热元件的温度，同时改变主轴的温度，来模拟机床工作时主轴由于工况的变化而弓I起的温度的变化。
[0021 ] 参见图2，在主轴I轴身内部不同半径处有热敏电阻3，用以检测在加热元件不同功率输出时，不同半径处的温度。热敏电阻3在主轴内部径向分布于不同半径处，轴向沿螺旋线分布，如图2所示。
[0022]参见图3，在主轴I的两端面以及主轴I侧壁的两端上均设置有涡流传感器3，用以检测温度变化时对应部位主轴的径向和轴向的变形量。如图3 (a)所示，涡流传感器3在主轴的两端面上沿周向均匀布置，同样的，在侧壁的两端上沿主轴周向均匀设置，如图3(b)所示。
[0023]热敏电阻3、涡流传感器2均和调理模块相连接，调理模块通过第二接线端口、第二研华PC1-1723模拟量数据采集卡与计算机相连接。
[0024]参见图5，一种基于上述装置的检测与主轴热变形有关的热敏感点是否存在的方法，包括以下步骤:
[0025]I)沿主轴I的中心线钻通孔，此通孔为主轴的中心孔，在主轴的中心孔内设置用于改变主轴温度的加热元件，加热元件穿过主轴中心孔；
[0026]2)在主轴I的轴向上开设有若干孔，每个孔到主轴中心线的距离不同，在每个孔底部设置有用于测定温度变化时的主轴变形量的热敏电阻3 ；
[0027]3)在主轴的两端面上沿周向设置若干用于测定主轴变形量的涡流传感器2，在主轴侧壁的两端上沿周向设置若干涡流传感器2 ；
[0028]4)通过计算机控制加热元件的输出功率，改变加热元件的温度进而来改变主轴的温度，模拟机床工作时主轴由于工况的变化而引起的温度的变化，热敏电阻3和涡流传感器2通过调理模块、研华PC1-1712 32路模拟量数据采集卡把所采集到的数据发送给计算机，调理模块用来对热敏电阻3、涡流传感器2的信号进行增益、衰减、隔离、放大、滤波等处理，如此可方便地被研华PC1-1712 32路模拟量数据采集卡采集；研华PC1-1712 32路模拟量数据采集卡通过接线端口接收由调理模块处理过的模拟电流、电压信号；然后利用Labview软件对信号信息进行分析处理，然后再采用模糊聚类和线性回归的方法对Labview软件的分析处理结果处理得到主轴上不同半径处的温度值与主轴的变形量之间能够建立函数关系，若对于与变形量可以建立直接函数关系的主轴上的点，即为热敏感点，同时得到热敏感点的分布位置；若不能建立起函数关系，则说明热敏感点的不存在。
[0029]本发明提供一种检测与主轴热变形有直接关系的热敏感点是否存在及其分布规律的方法，与传统热误差补偿相比，根据热敏感点可以更精确地得到主轴在不同温度下的变形量，进而可以在不同工况下根据主轴变形量更改误差补偿控制系统的控制量，不同的工况对应不同的主轴变形，与之相对应不同的主轴补偿参数，从而为主轴热误差补偿提供了精确可靠的分析方法。本方法便捷可靠、通用性强、适用范围广，对于提高机床主轴精度有明显的改善，极大的提高了所加工产品的质量，降低废品率，从而降低生产成本。同时对于加工制造业整体水平的提高都会有促进作用。
【权利要求】
1.一种检测与主轴热变形有关的热敏感点是否存在的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)在主轴(I)的中心孔内设置用于改变主轴温度场分布的加热元件，加热元件穿过中心孔与功率控制系统相连； 2)在主轴(I)的轴向上开设若干孔，每个孔到主轴中心线的距离不同，在每个孔底部设置用于测定温度的热敏电阻(3)； 3 )在主轴(I)上设置若干用于测定主轴变形量的涡流传感器(2 ); 4)通过改变加热元件的温度来控制主轴(I)的温度，热敏电阻(3)和涡流传感器(2)将所采集到的信息发送给计算机，然后用模糊聚类和线性回归的方法对所采集的信息进行分析以确定不同半径处的温度与主轴变形量之间是否能够建立函数关系，若能够建立函数关系并且不同温度场下的函数关系保持不变，则说明热敏感点存在；若不能建立函数关系，则说明热敏感点不存在。
2.根据权利要求1所述的一种检测与主轴热变形有关的热敏感点是否存在的方法，其特征在于，所述热敏电阻(3)和涡流传感器(2)分别通过调理模块与计算机相连接。
3.根据权利要求1所述的一种检测与主轴热变形有关的热敏感点是否存在的方法，其特征在于，所述涡流传感器(2)设置于主轴的两端面及侧壁的两端上。
【文档编号】G05B19/404GK103713578SQ201310648621
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】张东升, 李泽州, 梅雪松, 张政, 田爱芬 申请人:西安交通大学