多轴机床热误差的可视化测量系统及方法

1.本发明涉及机床热误差测量的技术领域，具体地，涉及一种多轴机床热误差的可视化测量系统及方法。


背景技术：

2.在精密与超精密加工制造中，五轴机床的应用十分广泛，加工精度直接受到机床定位误差的影响。环境温度变化引起的热误差和机床运行过程中产生的热量会影响机床的定位精度，而且在运动学误差、热机械误差、载荷、动力、运动控制系统等典型的误差源中，高达75％的加工工件整体几何误差是由温度影响引起的。因此对于机床热误差的预测、测量、分析以及补偿对于提高五轴机床的运动精度具有显著意义，而热误差的测量方法对于评估热误差影响更是至关重要。
3.目前有关机床热误差的测量方法可以分为非机械加工测量和机械加工测量两大类。非机械加工测试方法主要利用r测试设备、球杆仪、光学测量设备等来测量线性轴和旋转轴的热变形和热误差。其中光学测量设备被广泛应用于非机械加工测量方法中的热误差识别，激光干涉仪可用于测量线性轴的热致定位误差，非接触式激光光栅系统可用于评估热误差对于旋转轴位置误差的影响，激光跟踪仪可用于评估热误差对机床在整个工作空间中运动轨迹误差的影响。机械加工测量是在实际加工过程中测量评估机床热误差的方法。该测量方法通过千分表或坐标测量机等设备完成被加工工件的测量，从而能够定量反映机床热误差对工件几何形状的影响，但往往较难目视得到温度对机床定位精度的影响。
4.经过对现有技术的文献检索发现，公开号为cn104999342a的中国发明专利文献公开了一种数控机床实切状态下热误差自动测量系统及其测量方法，包括用于测量数控机床温度敏感点的温度值的温度传感器，其输出端与温度采集单元的输入端相连；用于对标准件进行测量的在线检测系统分两路输出触发信号，一路发送至数控机床的数控系统，另一路发送至用于提取数控机床空间坐标的坐标采集单元，数控机床的数控系统的输出端与坐标采集单元的输入端相连，坐标采集单元、温度采集单元的输出端均与pc机的输入端相连。其利用接触式测头分别在机床冷机状态下与运行一段时间后测量长方体标准块的预设点位，能够得到机床x、y、z三个方向上的热误差数据，但未涉及旋转轴热误差的测量方法，且结果为数值形式，不够直观。
5.公开号为cn111168469a的中国发明专利文献公开了一种五轴数控机床空间热误差测量系统，定义空间内垂直相交的三个方向分别为x方向、y方向和z方向，五轴数控机床空间热误差测量系统包括用于固定于数控机床的工作台上的测量标准件，还包括用于固定于数控机床的主轴刀具位置处的测头，所述测量标准件包括标准球头，标准球头具有用于被所述测头测量的标准球面。本发明解决了现有技术中，长方体测量标准件在应用于五轴数控机床的热误差测量时，如果测量标准件产生转动角度，存在单方向热误差影响其他方向热误差值较大的技术问题。其通过电涡流传感器分别在机床冷机状态下与运行一段时间后测量多个标准球到传感器的距离来得到机床的热误差数据，解决了因倾角而导致的不同
方向间所测得热误差互相影响的问题，但其结果同样不够直观，可视化效果不佳。
6.针对上述中的相关技术，发明人认为上述方法结果不够直观，可视效果不佳。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多轴机床热误差的可视测量系统及方法。
8.根据本发明提供的一种多轴机床热误差的可视化测量系统，包括热误差测试工件和对热误差测试工件进行加工的多轴机床；所述热误差测试工件设置在多轴机床上；所述热误差测试工件包括多个线性轴测试面、多个旋转轴测试面、设置在线性轴测试面上的参考槽和设置在旋转轴测试面上的参考槽；所述线性轴测试面的法向和对应的线性轴方向同向，旋转轴测试面的轴线方向和对应的旋转轴轴向同向。
9.优选的，所述线性轴测试面上的参考槽为平行且等距的沟槽，线性轴测试面上的参考槽的方向为水平或竖直。
10.优选的，所述旋转轴测试面上的参考槽为平行且等弧长间距的沟槽，旋转轴测试面上的参考槽的方向和对应的旋转轴测试面轴线方向同向。
11.根据本发明提供的一种多轴机床热误差的可视化测量方法，包括如下步骤：
12.步骤1：根据多轴机床构型，定义多个方向，并设计热误差测试工件的模型；
13.步骤2：加工制造热误差测试工件；
14.步骤3：规划多轴机床上的刀具在各个运动轴所对应的测试面上的路径；
15.步骤4：操作多轴机床从冷机状态开始，每隔固定时间根据规划的路径加工热误差测试工件并记录加工时的温度；
16.步骤5：根据加工槽的痕迹得到不同温度条件下，多轴机床各个运动轴的热误差。
17.优选的，所述步骤2中加工热误差测试工件时，要求多轴机床充分预热，通过铣削加工得到热误差测试工件，进而在多轴机床每个轴所对应的热误差测试工件测试面上加工等距且平行的参考槽。
18.优选的，所述步骤3中规划刀具在各个运动轴所对应测试面上的路径，包括测量线性轴热误差的刀具轨迹规划和测量旋转轴热误差的刀具轨迹规划。
19.优选的，所述测量线性轴热误差时的刀具轨迹为直线且与测试面上参考槽垂直；刀具的切深从初始位置开始，沿着刀具运动方向逐渐减少，最终刀具与测试面在预定的参考轴处脱离接触。
20.优选的，所述测量旋转轴热误差时的刀具轨迹为圆弧，且其切线方向与在测试面上参考槽垂直；设置刀具的切深从初始位置开始，沿着刀具运动方向逐渐减少，最终刀具与测试面在预定的参考轴处脱离接触。
21.优选的，所述步骤4中加工热误差测试工件的线性轴测试面时，线性轴测试面的法向和其对应的线性轴轴向相同；加工热误差测试工件的旋转轴测试面时，旋转轴测试面的轴线方向和其对应的旋转轴轴向相同，规划刀具轨迹的圆弧中心在旋转轴轴线上，而旋转轴测试面的轴线相对旋转轴轴线偏移一段距离。
22.优选的，所述步骤5中，从刀具初始位置起，沿着刀具运动方向从小到大依次对参考槽进行编号，设无热误差影响时，刀具与测试面的理论脱离接触位置位于编号为n0的参
考槽，则运动轴的热误差表示为
23.ε＝d(n
‑
n0)
24.其中，d为相邻两参考槽之间的理论刀具轨迹在切深方向上的投影长度，n为加工槽与测试面的实际脱离接触位置处所对应的参考槽的编号；ε为运动轴的热误差。
25.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
26.1、根据机床构型设计热误差测试工件，本发明提出的测量方法及系统可以用于所有构型的五轴机床，且能够得出五轴机床所有运动轴的热误差数据；
27.2、本发明通过对热误差测试工件表面加工槽，并根据加工槽的痕迹直接目视得到热误差，可视化效果高；
28.3、本发明采用机械加工方法测量热误差，刀具轨迹简单，不依赖多余的测量设备，不需要加工大量微结构，效率高且节约成本，减少了切削力对测量结果的影响。
附图说明
29.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
30.图1为五轴机床示意图；
31.图2为热误差测试工件模型示意图；
32.图3为线性轴热误差测量方法示意图；
33.图4为c轴热误差测量方法示意图；
34.图5为a轴热误差测量方法示意图；
35.图6为不倾斜刀具情况下线性轴热误差测量方法示意图；
36.图7为不倾斜刀具情况下c轴热误差测量方法第一示意图；
37.图8为不倾斜刀具情况下c轴热误差测量方法第二示意图。
38.附图标记：
39.五轴机床1
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z轴测试面5
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初始位置9
40.热误差测试工件2
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c轴测试面6
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加工槽10
41.x轴测试面3
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a轴测试面7
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理论脱离接触位置11
42.y轴测试面4
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参考槽8
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实际脱离接触位置12
具体实施方式
43.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
44.本发明实施例公开了一种多轴机床热误差的可视化测量系统，如图1和图2所示，包括热误差测试工件2和对热误差测试工件2进行加工的多轴机床；所述热误差测试工件2设置在多轴机床上；所述热误差测试工件2包括多个线性轴测试面、多个旋转轴测试面、设置在线性轴测试面上的参考槽8和设置在旋转轴测试面上的参考槽8；所述线性轴测试面的法向和对应的线性轴方向同向，旋转轴测试面的轴线方向和对应的旋转轴轴向同向。线性
轴测试面上的参考槽8为平行且等距的沟槽，线性轴测试面上的参考槽8的方向为水平或竖直。旋转轴测试面上的参考槽8为平行且等弧长间距的沟槽，旋转轴测试面上的参考槽8的方向和对应的旋转轴测试面轴线方向同向。
45.一种五轴机床1热误差的可视化测量方法可以用于所有构型的五轴机床1热误差测量，因此本实施例选择图1所示的主轴侧和工件侧都有转轴的五轴机床1对本发明内容详细说明，热误差测试工件2的设计：根据五轴机床1的构型，定义空间中三个两两正交的方向为x方向、y方向、z方向，如图1所示，其对应五轴机床1中x轴、y轴和z轴的运动方向。机床a轴与c轴的轴向分别对应x方向与z方向。所设计的热误差测试工件2，如图2所示，包括三个线性轴测试面，两个旋转轴测试面以及各个测试面上的参考槽8。线性轴测试面为x轴测试面3、y轴测试面4、z轴测试面5，其为三个两两正交的平面。在实际加工测试中，线性轴测试面的法向应调整到其对应的线性轴方向同向，线性轴测试面上的参考槽8为一系列平行且等间距的沟槽，方向一般为水平或竖直。旋转轴测试面为c轴测试面6、a轴测试面7，为两个柱面。在实际加工测试中，旋转轴测试面的轴线方向应调整到与其对应的旋转轴轴向同向，旋转轴测试面上的参考槽8为一系列平行且等弧长间距的沟槽，其方向与其对应的测试面轴线方向同向。特别地，a轴测试面7的半径应等于刀具刀尖点到a轴旋转轴的距离。
46.本发明实施例还公开了一种多轴机床热误差的可视化测量方法，如图1和图2所示，包括如下步骤：
47.步骤1：根据多轴机床构型，定义多个方向，并设计热误差测试工件2的模型。根据五轴机床1构型，定义x方向、y方向和z方向，并设计热误差测试工件2的模型。热误差测试工件2包括三个线性轴测试面，两个旋转轴测试面以及各个测试面上的参考槽8。线性轴测试面为x轴测试面3、y轴测试面4、z轴测试面5，其为三个两两正交的平面。线性轴测试面上的参考槽8为一系列平行且等间距的沟槽，方向一般为水平或竖直。旋转轴测试面为c轴测试面6、a轴测试面7，为两个柱面。旋转轴测试面上的参考槽8为一系列平行且等弧长间距的沟槽，其方向与其对应的测试面轴线方向同向。特别地，a轴测试面7的半径应等于刀具刀尖点到a轴旋转轴的距离。
48.根据五轴机床1构型，定义空间中三个两两正交的方向为x方向、y方向、z方向，并设计热误差测试工件2的模型。
49.步骤2：加工制造热误差测试工件2。加工热误差测试工件2时，要求多轴机床充分预热，通过铣削加工得到热误差测试工件2，进而在多轴机床每个轴所对应的热误差测试工件2测试面上加工等距且平行的参考槽8。加工热误差测试工件2时，要求机床充分预热，以消除预热过程中热量对测试工件几何精度的影响。先通过铣削加工得到测试工件，再在机床每个轴所对应的工件测试面上加工一系列等距的平行参考槽8。
50.热误差测试工件2的加工制造。要求机床充分预热，以消除预热过程中热量对测试工件几何精度的影响。然后将铝合金坯料夹在工作台上进行铣削加工得到测试工件，并在机床每个轴所对应的工件测试面上加工一系列等距的平行参考槽8。
51.步骤3：规划多轴机床上的刀具在各个运动轴所对应的测试面上的路径，即规划刀具在各个运动轴所对应测试面上的运动轨迹。规划刀具在各个运动轴所对应测试面上的路径，包括测量线性轴热误差的刀具轨迹规划和测量旋转轴热误差的刀具轨迹规划。测量线性轴热误差时的刀具轨迹为直线且应与测试面上参考槽8垂直；刀具的切深从初始位置9开
始，沿着刀具运动方向逐渐减少，最终刀具与测试面在预定的参考轴处脱离接触。测量旋转轴热误差时的刀具轨迹为圆弧，且其切线方向应与在测试面上参考槽8垂直；设置刀具的切深从初始位置9开始，沿着刀具运动方向逐渐减少，最终刀具与测试面在预定的参考槽8处脱离接触。规划刀具在各个运动轴所对应测试面上的路径。
52.规划刀具在不同测试面上的运动轨迹。刀具运动方向与参考槽8的方向垂直，在运动方向上，刀具的切削深度逐渐减弱，直至与工件分离。测试工件的表面将会留下由深至浅的加工槽10痕迹。
53.步骤4：操作机床从冷机状态开始，每隔固定时间根据规划轨迹加工测试工件并记录加工时的温度。操作多轴机床从冷机状态开始，每隔固定时间根据规划的路径加工热误差测试工件2并记录加工时的温度。
54.加工热误差测试工件2的线性轴测试面时，应使得线性轴测试面的法向和其对应的线性轴轴向相同；加工热误差测试工件2的旋转轴测试面时，旋转轴测试面的轴线方向应和其对应的旋转轴轴向相同，规划刀具轨迹的圆弧中心应与旋转轴轴线上，而旋转轴测试面的轴线应该相对旋转轴轴线偏移一段距离，该距离应当满足刀具轨迹对于切深的要求。
55.加工测试面上的加工槽10时，刀轴方向需要倾斜一定角度，一定角度包括45度。对于构型为工作台侧有两个回转轴的五轴机床1而言，不能直接倾斜刀具轴方向，测量方法可进行拓展。在不倾斜刀具的情况下测量线性轴的热误差时，应在倾斜的平面上加工测试面上的加工槽10。在不倾斜刀具的情况下测量c轴热误差时，有2种选择：用圆锥面代替圆柱面作为c轴热误差测试面，或控制机床a(或b)轴运动使c轴倾斜。
56.步骤5：根据加工槽10的痕迹得到不同温度条件下，多轴机床各个运动轴的热误差。根据加工槽10的痕迹，可直接通过目视得到不同温度条件下，五轴机床1各个运动轴的热误差。从刀具初始位置9起，沿着刀具运动方向从小到大依次对参考槽8进行编号，设无热误差影响时，刀具与测试面的理论脱离接触位置11所对应的参考槽8的编号为n0，则运动轴的热误差表示为
57.ε＝d(n
‑
n0)
58.其中，d为相邻两参考槽8之间的理论刀具轨迹在切深方向上的投影长度，n为加工槽10与测试面的实际脱离接触位置12所对应的参考槽8的编号；ε为运动轴的热误差。
59.线性轴热误差的测量方法：本实施例选择z轴热误差测量方法，如图3所示，作详细说明。x轴和y轴的热误差测量方法与其相同。首先，使得z轴测试面5法向与z轴方向同向。其次，规划没有热误差影响的理论刀具轨迹。理论刀具轨迹为直线且应与参考槽8垂直，故选择z轴测试面5的参考槽8方向为x方向，刀具运动方向为y方向。因此刀具在运动中只涉及y轴和z轴两个轴的运动。设置刀具在初始位置9的切深，切深沿着刀具运动方向逐渐减少，最终刀具与z轴测试面5脱离接触。从初始位置9起，沿着刀具运动方向从小到大依次对参考槽8进行编号，设无热误差影响时，刀具与z轴测试面5的理论脱离接触位置11所对应的参考槽8的编号为n0。最后，每间隔一段时间操作五轴机床1按照预定理论刀具轨迹对z轴测试面5进行加工，可在z轴测试面5上得到一系列加工槽10。z轴方向上的热误差可以表示为：
60.ε
z
＝d(n
z
‑
n0)
61.其中，d为相邻两参考槽8之间的理论刀具轨迹在切深方向上的投影长度，n
z
为加工槽10与z轴测试面5的实际脱离接触位置12所对应的参考槽8的编号，ε
z
为z轴方向上的热
误差。
62.旋转轴热误差的测量方法：c轴热误差的测量方法如图4所示。首先，使得c轴测试面6的轴线方向为z方向，其上的参考槽8方向为z方向。其次，规划没有热误差影响的理论刀具轨迹。理论刀具轨迹为一段与c轴测试面6等半径的圆弧，其在参考轴8处的切线方向与参考轴8方向正交。设置刀具在初始位置9的切深，切深沿着刀具运动方向逐渐减少，并确定刀具与c轴测试面6的理论脱离接触位置11。最后，每间隔一段时间操作五轴机床1按照预定理论刀具轨迹对c轴测试面6进行加工，可在c轴测试面6上得到一系列加工槽10。实际加工中，五轴机床1只有c轴运动，通过等效车削操作来获得加工槽10，因此理论刀具轨迹的圆弧中心应在c轴轴线上，而c轴测试面6的轴线应该相对c轴轴线偏移一段距离以满足理论刀具轨迹对于切深的要求。借助参考槽8比较加工槽10与c轴测试面6的理论脱离位置11和实际脱离位置12，即可得到热影响下c轴径向的定位误差。
63.a轴热误差的测量方法如图5所示。在测量时，a轴测试面7的轴线方向为x方向，其上的参考槽8方向为x方向。其余的测量原理和步骤与c轴热误差的测量方法相似。
64.以上实施例中的热误差测量方法可以直接应用于任何结构的正交五轴机床1。需要注意的是，在加工测试面上的加工槽10时，刀轴方向需要倾斜45度。但对于构型为工作台侧有两个回转轴的五轴机床1而言，不能直接倾斜刀具轴方向，需要对实施例进行拓展。为了测量y方向上的热误差，测试应在倾斜的平面上进行，如图6所示。其结果受x和z方向热误差的影响，但原则上可以通过对z方向上的热误差进行测量而将其分离开。在不倾斜刀具的情况下测量c轴热误差时，有2种选择：用圆锥面代替圆柱面作为c轴热误差测试面，如图7所示，或控制机床a(或b)轴运动使c轴倾斜，如图8所示。
65.本发明无需借助其他测量设备或仪器，能够测量五轴机床1三个线性轴与两个旋转轴的热误差，且测量结果可视化效果好，肉眼观察即可评估温度对于机床定位精度的影响。
66.本发明根据五轴机床1构型设计相应的热误差测试工件2，使得本方法可以用于所有构型的五轴机床1热误差测量，且可以得到所有运动轴的热误差数据。通过在热误差测试工件2上预先加工参考槽8，使得热误差可直接目视得到，可视化效果好。通过机械加工测试的方法，比较实际加工路径与理论路径相对于加工表面理论脱离接触位置11来得到各个运动轴的热误差数据，不依赖昂贵测量设备，无需加工复杂微结构，提高了测量效率，节约了测量成本，且减少了切削力对测量结果的影响。
67.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
68.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。