立卧式加工中心主轴温度补偿测定通用结构及测定方法

1.本发明立卧式加工中心主轴温度补偿测定通用结构及测定方法，涉及机床制造技术领域，尤其涉及立卧式加床加工中心主轴的温度补偿测定通用结构以及该结构的测定使用方法。


背景技术：

2.在机床加工制造过程中，提高精密机床的精度，主要从两个方面采取措施。一方面是提高机床的“硬件”水平，另一方面是提高机床软件水平。
[0003]“硬件”水是机床部件加工、制造、装配等方面的水平，提高到一定程度，再想提高，需要付出较大的经济上的代价。软件水平是运用plc等软件手段，将加工中心机床的某些方面的误差，根据总结的规律给与补偿，是加工中心机床的加工精度达到理想状态。
[0004]
加工中心是中高档机床，对精度要求较高，而加工中心的误差源中，由机床本身制造、装配缺陷造成几何误差、由机床温度变化而引起热变形造成的热误差及由机床切削力引起力变形造成切削力误差是影响加工精度的关键因素，这3项误差可占总加工误差的80％左右。研究表明，在所有的机床误差源中，热误差的比例高达60％～70％，主轴高速旋转产生的热量很大，加工切削热也容易影响到主轴，主轴受温度的影响比较明显，因此研究温度对主轴影响有十分重要意义。
[0005]
随着，日益激烈的市场竞争，对国产加工中心的精度提出更高要求，就目前而言，加工中心主轴温度补偿技术，可以在成本增加不大的情况下，将机床本身精度提高较为明显，加工中心主轴温度补偿技术的研究有十分重要的实用价值。
[0006]
针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的立卧式加工中心主轴温度补偿测定通用结构及测定方法，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。


技术实现要素：

[0007]
根据上述现有技术提出的由主轴高速旋转产生的热量以及加工切削热也容易影响到主轴，主轴受温度的影响比较明显，影响加工精度的技术问题，而提供一种立卧式加工中心主轴温度补偿测定通用结构及测定方法。本发明主要通过设置的加工中心主轴温度补偿测定通用结构以及加工方法对加工中心主轴温度进行测定和补偿，从而达到提高加工精度的目的。
[0008]
本发明采用的技术手段如下：
[0009]
一种立卧式加工中心主轴温度补偿测定通用结构包括：支撑部件、温度传感器、精准距离侧头和数据采集系统；
[0010]
进一步地，支撑部件为3个，装于工作台上，分别位于检棒的自由端部以及检棒的相邻两侧部；
[0011]
进一步地，温度传感器为15个，分布埋于主轴箱表面以内的主轴箱埋深测温点内，位于主轴轴线对应位置及其两侧；根据灰色关联度方法对测温和变形采集数据进行相关性
分析，考虑避免增大数控机床的系统占有资源因素，最终选择其中1处最佳测温点(温度变化和变形变化相关性好的点)作为实际温度补偿的测温点。
[0012]
进一步地，精准距离侧头为5个，装于3个支撑部件上；
[0013]
进一步地，数据采集系统包括：多通道数据采集卡、工控计算机和数据线；设置于工作台外部，与温度传感器及精准距离侧头相连接，采集相关数据，进行分析。
[0014]
进一步地，通过数据采集系统进行现场采集数据，将采集的温度、位移数据进行相关性分析，根据尽量减少占用数控机床资源原则，将最终采用温度关键点(1个)，建立起该温度点于热变形位移之间的数学模型，即热误差模型。
[0015]
进一步地，支撑部件包括：支撑架a、支撑架b和支撑架c；
[0016]
进一步地，支撑架a和支撑架b固定装于工作台上，支撑架a和支撑架b上各加工有一个水平设置的条形孔，条形孔的中心线与检棒的轴线平行；每个条形孔上各装有两个可沿条形孔水平移动的精准距离侧头，四个精准距离侧头测定垂直轴向变形位移；
[0017]
进一步地，支撑架c固定装于工作台上，其上加工有一个垂直设置的条形孔，条形孔的中心线位于检棒的轴线延长线上，并与轴线垂直设置；条形孔上装有一个可沿条形孔垂直移动的精准距离侧头，该精准距离侧头测定轴向变形位移；
[0018]
进一步地，温度传感器设置点的选择原则为：
[0019]
1、该点处的温度近似主轴及主轴箱平均温度与床身平均温度之差
△
t与主轴热变形
△
l接近同步且呈比较精确线性关系；
[0020]
2、该点处在升温过程中
△
t
‑△
l曲线与降温过程中的
△
t
‑△
l曲线基本重合。
[0021]
进一步地，温度传感器最佳测温点的选择条件为：
[0022]
1、根据测量数据计算温度差变化和热变形位移之间的相关系数，去掉相关系数小的温度测点，以及计算各主轴测温点与床身测温点的温差之间的相关系数，有选择的去掉相关系数较大的两点之间的一个点；
[0023]
2、分析温度变化曲线，剔除提供重复信息和温度变化不明显的测温点。
[0024]
进一步地，立卧式加工中心主轴温度补偿测定方法，其特征在于，所述的测定方法包括如下步骤：
[0025]
1、通过热成像仪，观察主轴箱各部分温度变化情况，找出温度变化明显区域，根据采用红外成像仪采集主轴箱的温度场；为了提高采集数据效率，降低时间及其他成本。用红外成像仪采集主轴多个工作状态下的温度场，同时测量主轴热变形引起的误差情况，初步粗略对温度变化和变形之间的相关性分析；对主轴及主轴箱结构进行分析；结合以上情况，对测温点进行初步优化布置。
[0026]
根据红外成像仪采集数据及主轴箱热对称结构，实际测试采用基于主轴箱中心线的分布方式，主要在主轴箱的前面、上面沿轴线分布布置测温点，而在主轴箱所示左右两侧面较少布置测温点，大约14个测温点；由于环境等因素变化势必引起加工中心的主要部件变形，所以这里我们不是采用温度来标定温度变化，而是采用温差来表达，在加工中心床身不易受其他热源影响位置放置一个测温点。
[0027]
2、测量主轴热变形量；
[0028]
3、对机床主轴箱结构进行分析；
[0029]
4、初步选定温度传感器测定位置，在除电机附近外的温度变化明显各区域，设定
主轴箱埋深测温点，为了防止丢失好的测温点，设置15个主轴箱埋深测温点，放置共15个温度传感器；
[0030]
5、在主轴外部的检棒周围的支撑部件上设置5个精准距离侧头，在测温的同时测得加工中心主轴温度引起的位移变形数据；
[0031]
6、测定工作完成后，根据温度传感器和位移传感器所采集的数据，通过数据采集系统传送到计算机分析系统，进行相关性分析获得1个个最佳测温点，作为后续加工中心主轴温度补偿实现的测温点。
[0032]
进一步地，测定方法的测定原则为：
[0033]
1、测量环境要求，要求按照机床加工实际情况进行测试，不能因为机床外部分防护不安装方便测试就不安装，按照机床使用热机流程进行等情况必须按照加工实际情况进行，否则测试结果和实际相比会有较大出入；
[0034]
2、精准距离侧头选择电涡流位移传感器，通过支架固定在工作台上，工作台在测量过程中不运动，在测量时采用以下技术保证测量的准确并避免引入其他误差：
[0035]
21、采用停机测量的方式实现静态测量，避免由于运动造成的误差；
[0036]
22、采用主轴转角回零的方法，使每次停机时电涡流传感器测量的均为检棒的同一位置，避免了回转等造成的几何误差影响；
[0037]
23、在测定过程中，忽略检棒的变形，把检棒视为是一个刚体，在测量过程中不发生形变，为空间一条线段，其位置变化即可反映由于各种热源导致机床变形所产生的误差变化；利用5个精准距离侧头测量主轴中心线在两个平面内的位置变化和轴向的变化，通过转换可获得除主轴转角误差外的5项误差：
[0038]
θx＝(x1‑
x2)/d；
[0039]
θy＝(y2‑
y1)/d；
[0040]
δx＝x2+300*θx；
[0041]
δy＝y2‑
300*θy；
[0042]
δz＝δz
[0043]
式中：d为位移传感器x1、y1所在平面与x2、y2所在平面之间的距离，300为标准检棒的长度，通过换算获得加工中心的热误差。
[0044]
进一步地，热误差的模型建立采用最小二乘支持向量机法建模；经多元线性回归法、神经网络法、最小二乘支持向量机法模拟结果和实际结果对比发现，最小二乘支持向量机法模拟模型效果最好；
[0045]
各种方法的模拟效果对比，见表1。
[0046]
表1各种建模方法补偿效果分析
[0047][0048]
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0049]
1、本发明提供的立卧式加工中心主轴温度补偿测定通用结构及测定方法，通过设计了立卧式通用结构，减少了部件的复杂性，统一了测试系统；
[0050]
2、本发明提供的立卧式加工中心主轴温度补偿测定通用结构及测定方法，通过热成像仪，结构分析，确定了温度传感器的减少了测试成本和测试时间，便于准确的找到最佳测温点；
[0051]
3、本发明提供的立卧式加工中心主轴温度补偿测定通用结构及测定方法，通过通过数据的相关性初步分析，采用最佳测温点和床身测温点(代表环境温度)做差建立温差和变形关系的热误差模型，有效考虑了加工中心主要部件随温度变化所引起的综合热效应。有效避免了数据模型的失真情况，和建模的复杂性；
[0052]
4、本发明提供的立卧式加工中心主轴温度补偿测定通用结构及测定方法，测试实现过程中采用停机测量，避免引入运动误差，每次停机，要主轴转角回零，保证电涡流传感器测量检棒位置不变，避免引入回转因素带来的误差；
[0053]
5、本发明提供的立卧式加工中心主轴温度补偿测定通用结构及测定方法，通过对温度差和变形位移的灰色综合关联度分析，可以高效准确的找到最佳关键点；
[0054]
6、本发明提供的立卧式加工中心主轴温度补偿测定通用结构及测定方法，通过最大可能的模拟真实情况，要严格按照加工中心的加工状态下进行测试，测试前严格按照暖机等规范要求程序进行；这样避免了一些在非加工状态下的情况，有效避免热误差模型建立的复杂性。
[0055]
综上，应用本发明的技术方案解决了现有技术中的由主轴高速旋转产生的热量以及加工切削热也容易影响到主轴，主轴受温度的影响比较明显，影响加工精度的问题。
附图说明
[0056]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0057]
图1为本发明立式加工中心主轴温度补偿测定通用结构示意图；
[0058]
图2为本发明卧式加工中心主轴温度补偿测定通用结构示意图；
[0059]
图3为本发明加工中心主轴温度补偿整体方案框图；
[0060]
图4为本发明实验测试具体化方案示意图。
[0061]
图中：1、工作台 2、支撑架c 3、检棒 4、支撑架a 5、支撑架b 6、温度传感器 7、主轴箱 8、精准距离侧头。
具体实施方式
[0062]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0063]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0064]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0065]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0066]
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0067]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0068]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本
发明保护范围的限制。
[0069]
如图1、2所示，本发明提供了一种立卧式加工中心主轴温度补偿测定通用结构包括：支撑部件、温度传感器6、精准距离侧头8和数据采集系统；支撑部件为3个，装于工作台1上，分别位于检棒3的自由端部以及检棒3的相邻两侧部；温度传感器6为15个，分布埋于主轴箱7表面以内的主轴箱埋深测温点内，位于主轴轴线对应位置及其两侧；精准距离侧头8为5个，装于3个支撑部件上；数据采集系统包括：多通道数据采集卡、工控计算机和数据线；设置于工作台1外部，与温度传感器6及精准距离侧头8相连接，采集相关数据，进行分析。
[0070]
支撑部件包括：支撑架a4、支撑架b5和支撑架c2；支撑架a4和支撑架b5固定装于工作台1上，支撑架a4和支撑架b5上各加工有一个水平设置的条形孔，条形孔的中心线与检棒3的轴线平行；每个条形孔上各装有两个可沿条形孔水平移动的精准距离侧头8，四个精准距离侧头8测定垂直轴向变形位移；支撑架c2固定装于工作台1上，其上加工有一个垂直设置的条形孔，条形孔的中心线位于检棒3的轴线延长线上，并与轴线垂直设置；条形孔上装有一个可沿条形孔垂直移动的精准距离侧头8，该精准距离侧头8测定轴向变形位移，该精准距离侧头8测定轴向变形位移；
[0071]
温度传感器6设置点的选择原则为：
[0072]
1、该点处的温度近似主轴及主轴箱平均温度与床身平均温度之差
△
t与主轴热变形
△
l接近同步且呈比较精确线性关系；
[0073]
2、该点处在升温过程中
△
t
‑△
l曲线与降温过程中的
△
t
‑△
l曲线基本重合。
[0074]
温度传感器6最佳测温点的选择条件为：
[0075]
1、根据测量数据计算温度差变化和热变形位移之间的相关系数，去掉相关系数小的温度测点，以及计算各主轴测温点与床身测温点的温差之间的相关系数，有选择的去掉相关系数较大的两点之间的一个点；
[0076]
2、分析温度变化曲线，剔除提供重复信息和温度变化不明显的测温点。
[0077]
立卧式加工中心主轴温度补偿测定方法包括如下步骤：
[0078]
1、通过热成像仪，观察主轴箱7各部分温度变化情况，找出温度变化明显区域，根据采用红外成像仪采集主轴箱7的温度场；
[0079]
2、测量主轴热变形量；
[0080]
3、对机床主轴箱结构进行分析；
[0081]
4、初步选定温度传感器测定位置，在除电机附近外的温度变化明显各区域，设定主轴箱埋深测温点，为了防止丢失好的测温点，设置15个主轴箱埋深测温点，放置共15个温度传感器；
[0082]
5、在主轴外部的检棒周围的支撑部件上设置5个精准距离侧头8，在测温的同时测得加工中心主轴温度引起的位移变形数据；
[0083]
6、测定工作完成后，根据温度传感器和位移传感器所采集的数据，通过数据采集系统传送到计算机分析系统，进行相关性分析获得1个个最佳测温点，作为后续加工中心主轴温度补偿实现的测温点。
[0084]
立卧式加工中心主轴温度补偿测定方法的测定原则为：
[0085]
1、测量环境要求，要求按照机床加工实际情况进行测试，不能因为机床外部分防护不安装方便测试就不安装，按照机床使用热机流程进行等情况必须按照加工实际情况进
行，否则测试结果和实际相比会有较大出入；
[0086]
2、精准距离侧头8选择电涡流位移传感器，通过支架固定在工作台上，工作台在测量过程中不运动，在测量时采用以下技术保证测量的准确并避免引入其他误差：
[0087]
21、采用停机测量的方式实现静态测量，避免由于运动造成的误差；
[0088]
22、采用主轴转角回零的方法，使每次停机时电涡流传感器测量的均为检棒的同一位置，避免了回转等造成的几何误差影响；
[0089]
23、在测定过程中，忽略检棒的变形，把检棒视为是一个刚体，在测量过程中不发生形变，为空间一条线段，其位置变化即可反映由于各种热源导致机床变形所产生的误差变化；利用5个精准距离侧头8测量主轴中心线在两个平面内的位置变化和轴向的变化，通过转换可获得除主轴转角误差外的5项误差：
[0090]
θx＝(x1‑
x2)/d；
[0091]
θy＝(y2‑
y1)/d；
[0092]
δx＝x2+300*θx；
[0093]
δy＝y2‑
300*θy；
[0094]
δz＝δz
[0095]
式中：d为位移传感器x1、y1所在平面与x2、y2所在平面之间的距离，300为标准检棒的长度，通过换算获得加工中心的热误差。
[0096]
热误差的模型建立采用最小二乘支持向量机法建模。
[0097]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。