机床主轴实际切削状态下热力耦合变形监测系统和方法与流程

本发明涉及一种机床主轴实际切削状态下热力耦合变形监测系统和方法。

背景技术：

数控机床是工业制造的重要基础，机床加工精度是机床的关键技术之一。在数控机床加工过程中，机床各部件不均衡温升引起的热变形使得刀具和工件之间的相对位置发生了变化；切削力作用下主轴发生力变形，造成让刀。据统计，数控机床热误差约占总误差的50％～70％，力误差约占总误差的10％～15％。对机床主轴实际切削状态下的热力耦合误差进行研究尤其是实现对机床主轴实际切削状态下热力耦合变形的精确、安全监测，能够有效提高机床加工精度，产生较大的经济效益。

目前对机床主轴加工误差的研究成果很多，但存在以下不足：1.大多数误差研究是在机床主轴空转条件下进行的，只考虑了主轴热变形的影响，没有考虑到切削力的影响，研究成果难以应用到实际生产中；2.针对机床主轴实际切削状态下的加工误差研究中，常采用基于加工工件误差测量结果进行误差解耦的方法，这种方法计算复杂，可靠性低。因此亟需设计开发一种机床主轴实际切削状态下热力耦合变形监测系统，有效提高工业生产水平。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种机床主轴实际切削状态下热力耦合变形监测系统和方法,解决现有技术中没有考虑到主轴切削力变形，实际切削状态下主轴热力耦合变形测量困难的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种机床主轴实际切削状态下热力耦合变形监测系统，包括支撑架、固定机构、平移支架、平移驱动机构、旋转支架、旋转驱动机构、位移传感器以及控制装置，所述位移传感器优选为LVDT(Linear Variable Differential Transformer，线性可变差动变压器)位移传感器，所述固定机构、所述平移支架、所述平移驱动机构、所述旋转支架和所述旋转驱动机构安装在所述支撑架上，所述控制装置与所述平移驱动机构、所述旋转驱动机构、所述位移传感器通过线路连接，所述固定机构用于将所述监测系统固定安装在机床上，优选地，所述固定机构还隔离床身振动，所述平移驱动机构耦合到所述平移支架以驱动所述平移支架作平移运动，所述旋转支架安装在所述平移支架上，所述位移传感器安装在所述旋转支架上，所述旋转驱动机构耦合到所述旋转支架以驱动所述旋转支架作旋转运动。

进一步地：

所述支撑架包括主横梁和从主横梁上延伸出来的分支臂，所述分支臂与所述主横梁形成夹角，优选地，所述支撑架由碳纤维杆组成。

所述固定机构包括设置在所述分支臂上的第一磁力座、第一隔振器以及设置在所述主横梁上的第二磁力座、第二隔振器和第三磁力座、第三隔振器，所述第一磁力座、所述第二磁力座和所述第三磁力座用于吸附机床床身，所述第一隔振器、所述第二隔振器、所述第三隔振器用于隔离床身振动。

所述平移驱动机构包括第一舵机、齿轮齿条机构、第一直线导轨以及第二直线导轨，所述齿轮齿条机构包括齿轮和与所述齿条啮合的齿条，所述第一舵机的转轴与所述齿轮同轴线过盈配合以驱动所述齿轮转动，所述齿条安装在所述平移支架上，所述平移支架通过滑块安装在所述第一直线导轨和所述第二直线导轨上，所述第一舵机轮通过所述齿轮齿条机构驱动所述平移支架沿所述第一直线导轨和所述第二直线导轨作平移运动。

所述旋转驱动机构包括第二舵机和转轴，所述第二舵机与所述转轴通过联轴器连接，所述转轴与所述旋转支架相连，所述第二舵机通过所述转轴驱动所述旋转支架作旋转运动。

所述控制装置包括安装在所述支撑架上的主控板，所述主控板控制所述平移驱动机构和所述旋转驱动机构以调整所述位移传感器的位置和姿态，接收所述位移传感器的测量数据，并对机床异常状况进行预警。

所述主控板将测量数据存储在所述主控板上插接的SD卡中。

所述位移传感器的位置和姿态经控制以使监测过程中测量方向正对且垂直于机床主轴轴心线。

所述支撑架为可调组装方式的组装式结构，优选各部分通过螺栓连接，通过不同的组装方式实现对机床主轴实际切削状态下x、y、z三个方向的热力耦合变形的测量，优选地，所述支撑架设置有多个加强筋。

一种机床主轴实际切削状态下热力耦合变形监测方法，使用所述监测系统对机床主轴实际切削状态下热力耦合变形进行监测。

本发明的有益效果：

本发明的机床主轴实际切削状态下热力耦合变形监测系统采用机电一体化方式，通过控制装置如主控板实时接收位移传感器优选LVDT位移传感器的测量数据，并据此控制平移驱动机构和旋转驱动机构，对LVDT位移传感器的姿态和位置进行精确调整，使所测数据精确可靠；优选通过隔振器将床身振动隔离，提高了系统稳定性和测量精度；优选调整LVDT位移传感器使测量方向正对且垂直于机床主轴轴心线，提高所测数据精确性与可靠性；本发明的监测系统能够对机床异常状况及时预警，提高生产过程智能化与安全水平；存储测量数据，为机床主轴热力耦合误差补偿研究积累实验数据优选将测量数据存储在主控板上插接的SD卡中。本发明解决了机床主轴实际切削状态下热力耦合变形难以测量的难题，对机床误差补偿技术走向工业生产具有实际意义。

本发明的一个优选方案具有如下优点：采用主控板对LVDT位移传感器的姿态和位置进行控制，对测量数据进行预警、存储等响应，提高了生产过程自动化、智能化水平；采用LVDT位移传感器对实际切削状态下的热力耦合变形进行测量，在有切屑和切削液的恶劣环境中仍能够正常工作。

本发明的另一优选方案还进一步具有如下优点：支撑架各个组成零部件由碳纤维杆组成，由于碳纤维杆的热膨胀系数小，密度小，强度高，因此支撑架热变形和力变形均很小；均通过螺栓连接，安装、拆卸灵活方便；能够通过不同的组装方式，分别实现对机床主轴实际切削状态下x、y、z三个方向的热力耦合变形的精确测量，经济高效。

本发明能够实现对机床主轴实际切削状态下x、y、z三个方向的热力耦合变形的精确测量，为热力耦合误差补偿研究积累实验数据，并对加工过程中的异常状况及时预警，从而有助于有效提高机床加工精度，提高生产过程智能化与安全水平。

附图说明

图1为本发明监测系统实施例的结构示意图；

图2为本发明监测系统实施例在机床上的安装示意图；

图3为本发明监测系统实施例的工作流程图；

图4为本发明监测系统实施例的测量原理图。

附图中标号说明：1-第一磁力座、2-第一隔振器、3-第二磁力座、4-第二隔振器、5-第三磁力座、6-第三隔振器、7-支撑架、8-第一舵机、9-转轴、10-旋转支架、11-夹具、12-LVDT位移传感器、13-第一直线导轨、14-第二直线导轨、15-平移支架、16-第二舵机、17-齿轮齿条机构、18-主控板、19-监测系统、20-机床工作台、21-机床主轴。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图1所示，一种机床主轴实际切削状态下热力耦合变形监测系统，包括第一磁力座1、第一隔振器2、第二磁力座3、第二隔振器4、第三磁力座5、第三隔振器6、支撑架7、第一舵机8、转轴9、旋转支架10、夹具11、LVDT位移传感器12、第一直线导轨13、第二直线导轨14、平移支架15、第二舵机16、齿轮齿条机构17、主控板18。监测系统所有零部件均安装在支撑架7上；磁力座1、3、5用于吸附机床床身，将监测系统牢固安装在机床上(如床身立柱等固定结构上)；隔振器2、4、6分别设置在磁力座1、3、5与支撑架7之间，用于隔离床身振动；主控板18与第一舵机8、第二舵机16、LVDT位移传感器12通过线路连接；第二舵机16转轴与齿轮齿条机构17的齿轮同轴线过盈配合，驱动齿轮齿条运动；齿轮齿条机构17的齿条安装在平移支架15上，带动平移支架15做平移运动；平移支架15通过滑块安装在直线导轨13、14上；旋转支架10安装在平移支架15上，与转轴9固连；LVDT位移传感器12通过夹具11安装在旋转支架10上；第一舵机8与转轴9通过联轴器连接，驱动旋转支架10做旋转运动。

主控板可以采用ARM920T，用于接收LVDT位移传感器的测量数据，控制第一舵机、第二舵机运动，对LVDT位移传感器的姿态和位置进行精确调整，使测量方向正对且垂直于机床主轴轴心线，对机床异常状况及时预警，并将测量数据存储在主控板上插接的SD卡中。

隔振器可以采用弹簧隔振器。

第一舵机、第二舵机可以采用M0300舵机。

LVDT位移传感器可以采用PETER HIRT GmbH公司的851ST301F位移传感器。

在优选实施例中，支撑架各个组成零部件由热膨胀系数小、密度小、强度高的碳纤维杆组成，支撑架热变形和力变形均很小；均通过螺栓连接，安装、拆卸灵活方便；能够通过不同的组装方式，分别实现对机床主轴实际切削状态下x、y、z三个方向的热力耦合变形的精确测量；优选地，具有多个加强筋，用于提高支撑架结构强度和刚度。

工作之前，先对监测系统的支撑架7进行组装。通过不同的组装方式，能够分别实现对机床主轴实际切削状态下x、y、z三个方向的热力耦合变形的测量。

在一个实施例中，采用的组装方式用于测量机床主轴y方向的热力耦合变形，如图2所示。

工作时的流程如图3所示。第一步是准备阶段，给主控机18上电，接收LVDT位移传感器12的反馈信号，根据反馈信号驱动第一舵机8、第二舵机16转动。初始时LVDT位移传感器测量方向为位姿P1，如图4所示。此时测量方向未与主轴轴心线A对齐，也未垂直于主轴轴心线A。首先主控机18驱动第二舵机16转动，第二舵机16通过齿轮齿条机构17带动平移支架15在第一直线导轨13、第二直线导轨14上沿x轴做平移运动，直到反馈的测量数据最小，此时LVDT位移传感器测量方向正对机床主轴轴心线A，如图4中位姿P2所示；然后主控机18驱动第一舵机8转动，第一舵机8通过转轴9带动旋转支架10做旋转运动，直到反馈的测量数据最小，此时LVDT位移传感器测量方向正对且垂直于机床主轴轴心线A，如图4中位姿P3所示。本实施例中第一隔振器2、第二隔振器4、第三隔振器6采用弹簧隔振器，能够有效隔离床身高频振动；第一舵机8、第二舵机16采用M0300舵机，结构轻巧，安装方便，位置分辨率达0.09°，控制精度高；LVDT位移传感器可以采用PETER HIRT GmbH公司的851ST301F位移传感器，测量行程为±2.0mm，分辨率为0.06μm，重复性为0.01μm，能够在有切屑和切削液的恶劣环境中正常工作。第二步是工作阶段，将加工程序拷入数控机床控制系统，启动机床后机床工作台20按照加工程序动作，机床主轴21只做旋转运动，对试件进行切削试验。LVDT位移传感器12实时将测量信号反馈给主控机18，当机床主轴热力耦合变形超过某个危险阈值时，主控机18将发出警报，通知实验人员对异常工况及时处理。当测量信号处于安全范围内时，主控机18将所测数据存储至其上所插接的SD卡中，为机床主轴实际切削状态下的热力耦合误差补偿研究积累实验数据。

本发明实施例已经经过严格的测试和验证，功能都全部实现，具有性能可靠，准确度高、成本低的特点。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。