在机测量系统测温装置及基于该装置的测量热误差补偿方法

本发明属于精密测量，特别涉及在机测量系统测温装置及基于该装置的测量热误差补偿方法。

背景技术：

1、在机测量是以数控机床为载体，通过安装在主轴上的测头识别工件加工特征的形位尺寸，并根据测量结果调整后续加工的一种检测方式。在机测量具有加工后在机床原位进行测量、避免工件二次装夹引入误差的优点，在精密加工领域有广阔的应用前景。

2、在机测量系统由数控机床本体、数控系统、伺服系统和测量系统等部分组成，其测量结果的精度受到诸多因素影响，导致在机测量技术尚未得到广泛使用，为了提高在机测量结果的精度，有必要对在机测量系统的误差进行分析和补偿。

3、数控机床本体是在机测量系统的硬件组成部分，在实际加工过程中易受到切削热、运动副的摩擦热、动力源发热和环境温度等因素的影响不可避免地会产生温度变化，有研究表明其误差源中热误差占40％～70％，主轴和进给轴作为数控机床的关键部件，其结构复杂、发热量大且热源分布不均，由温度变化引入的机床结构变形会改变数控机床零部件之间的相对位置，使实际测量过程中测头偏离理论位置，降低了在机测量结果精度，在机测量过程中由于上述温度变化引起的误差称为在机测量的热误差。

4、综上所述，设计一种方法补偿在机测量中的热误差，显得尤为必要。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：为了补偿在机测量中的热误差，本发明提出一种在机测量系统测温装置及基于该装置的测量热误差补偿方法。

2、本发明的技术方案是：在机测量系统测温装置，包括若干热电阻温度传感器、单片机和蓝牙发送模块、热电阻变送器、供电电路和接收客户端；

3、所述若干热电阻温度传感器布置在测温点用于采集信号；信号经过热电阻变送器进行信号调理得到温度值；温度值通过单片机和蓝牙发送模块传入接收客户端，实现对监测对象温度的监测。

4、基于测温装置的在机测量热误差补偿方法，包括以下步骤：

5、步骤1：构建在机测量系统的热误差模型，包括以下子步骤：

6、步骤1.1：利用测温装置中的温度传感器对温度数据进行采集，其中采集数控机床主轴温度和其对应的环境温度，包括初始温度和温度数据集合，初始温度为：

7、

8、式中，为主轴所有测温点初始状态下的温度，为主轴第q1个测温点初始状态下的温度值；

9、温度数据集合为：

10、

11、式中，为主轴所有测温点的第m1次温度，为主轴第q1个测温点第m1次的温度值；

12、采集数控机床进给轴温度和其对应的环境温度，包括初始温度和温度数据集合，初始温度为：

13、

14、式中，为进给轴所有测温点初始状态下的温度，为进给轴第q2个测温点初始状态下的温度值；

15、温度数据集合为：

16、

17、式中，为进给轴所有测温点的第m2次温度，为进给轴第q2个测温点第m2次的温度值；

18、步骤1.2：标定数控机床主轴误差和进给轴误差，

19、主轴误差包括初始误差和误差数据集合，初始误差为：

20、

21、式中，为主轴所有待标定点的初始误差，为第n1个待标定点的初始误差值；

22、误差数据集合为：

23、

24、式中，为主轴所有待标定点的第m1次误差，为第n1个待标定点的第m1次误差值；

25、标定进给轴误差，包括初始误差和误差数据集合，初始误差为

26、

27、式中，为进给轴所有待标定点的初始误差，为第n2个待标定点的初始误差值；

28、进给轴误差数据集合为：

29、

30、式中，为进给轴所有待标定点的第m2次误差，为第n2个待标定点的第m2次误差值；

31、步骤1.3：对步骤1.1中的温度数据集合ts、tf进行分类，分析步骤1.2中误差数据和各测温点的相关性，结合聚类结果，分别筛选出主轴、进给轴的关键测温点，主轴关键测温点个数为1，进给轴关键测温点个数为k(k≥1)；

32、步骤1.4：根据关键测温点的温度数据与误差数据建立热误差模型；

33、主轴热误差模型为：

34、

35、式中，为所有待标定点的第m1次热误差，为第n1个待标定点第m1次的热误差值；

36、进给轴热误差模型为：

37、

38、式中，为所有待标定点的第m2次热误差，为第n2个待标定点第m2次的热误差值。其中，式(11)中第m2次的温升对应式(12)中第m2次的热误差；

39、步骤1.5：建立进给轴定位误差模型，分别为：

40、几何误差

41、

42、式中，为进给轴初始定位误差px为步距规上待标定点的位置，a0为常数项，a1、a2、…、ar为系数，r为多项式的次数

43、热误差

44、

45、式中，为热误差α为进给轴定位误差的一次拟合斜率，b0为常数项，b1、b2、…、bk为系数，k为进给轴关键测温点的个数，为第k个关键测温点的第m2次温升值；

46、步骤2：构建误差补偿模型，包括主轴误差补偿模型和进给轴误差补偿模型，其中主轴误差补偿模型中包括主轴初始误差补偿量和主轴热误差补偿量进给轴误差补偿模型包括进给轴几何误差补偿量和热误差补偿量

47、步骤3：数控系统内补偿在机测量结果：

48、最终的误差补偿量为：

49、对于在机测量结果的补偿如下：

50、mlast＝mmeas+δ

51、式中，mmeas为数控系统中获得的测量点坐标，mlast为经过误差补偿的最终测量点坐标。

52、进一步的，所述步骤1.1中，采集数控机床主轴温度和其对应环境温度包括以下步骤：

53、(1)对数控机床利用若干温度传感器进行接触式测量，在距离数控机床w1米处均匀布置温度传感器，且两处布置的温度传感器总数为q1，q1＞0；

54、(2)初始状态下，采集q1个温度传感器的温度数据；

55、(3)主轴在设定范围速度内进行运动，间隔固定时间采集m1次q1个温度传感器的温度数据，直至达到热平衡状态，采集结束，得到温度数据的集合。

56、进一步的，所述温度传感器分别布置在数控机床沿主轴线对称两侧、主轴端部和主轴箱壁上。

57、进一步的，所述步骤1.1中，采集数控机床进给轴温度和其对应环境温度包括以下步骤：

58、(1)对数控机床进给轴利用温度传感器进行接触式测量，在距离数控机床w2米处均匀布置若干温度传感器，且两处布置的温度传感器总数为q2，q2＞0；

59、(2)初始状态下，采集q2个温度传感器的温度数据；

60、(3)进给轴在设定范围速度内进行运动，间隔固定时间采集m2次q1个温度传感器的温度数据，直至达到热平衡状态，采集结束，得到温度数据的集合。

61、进一步的，所述温度传感器布置在数控机床进给轴的螺母、进给轴丝杠前后轴承以及左右导轨处。

62、进一步的，所述步骤1.2中，得到主轴误差数据包括以下步骤：

63、(1)初始状态下，测量标准球北极点以及标准球赤道均布的n1个待标定点，且n1≥5；

64、(2)通过每个点的测量值与该点在标准球上的理论位置之差得到主轴的初始误差数据；

65、(3)主轴在设定速度下转动，每间隔w3时间测量一次标准球的待标定点，直至达热平衡状态；共测量m1次，得到主轴误差数据，其中m1＞5。

66、进一步的，所述步骤1.2中，得到进给轴的误差数据包括以下步骤：

67、(1)初始状态下，测量步距规量块中心位置的点，共测量n2个待标定点，且n2＞10；

68、(2)通过每个点的测量值与该点在步距规上的理论位置之差得到进给轴的初始定位误差数据；

69、(3)进给轴在设定速度下转动，每间隔w4时间测量一次标准球的待标定点，直至达热平衡状态；共测量m2次，得到主轴误差数据，其中m2＞5。

70、进一步的，所述步骤2中：主轴误差补偿模型内容包括：

71、主轴初始误差计算如下：建立主轴初始误差补偿表，该补偿表包括标准球待标定点位置和其对应的误差。通过数控系统获取测量点位置，将测量点位置代入补偿表使用线性插值法计算得到主轴初始误差的补偿量

72、主轴热误差计算如下：建立主轴热误差补偿表，该补偿表包括标准球待标定点位置、温升值和二者对应的误差。通过数控系统获取测量点位置，由测温装置获取关键测温点的温度，计算关键测温点的温度与环境温度的差值得到温升值将测量点位置、温升值代入补偿表使用双线性插值法计算得到主轴热误差补偿量

73、进一步的，所述步骤2中，进给轴误差补偿模型内容包括：

74、进给轴几何误差计算如下：通过数控系统获取步距规上待标定点的位置px，将其代入几何误差计算得到进给轴几何误差即补偿量

75、进给轴热误差计算如下：获取步距规上待标定点的位置px，由测温装置获取关键测温点的温度，计算关键测温点的温度与环境温度的差值得到温升值将位置px、温升值代入热误差公式计算得到进给轴热误差即补偿量发明效果

76、本发明的技术效果在于：本发明针对在机测量中存在的热误差，提出了在机测量系统测温装置及基于该装置的测量热误差补偿方法。本发明使用温度传感器获取主轴、进给轴温度和环境温度，借助标准装置标定主轴、进给轴由温度变化引起的误差，建立在机测量系统的热误差模型和补偿模型，在零件的实际测量过程中，根据建立的补偿模型计算出补偿量，将其补偿到在机测量结果中，以抵消数控机床主轴和进给轴温度变化引入的误差。该方法以在测量中减少主轴和进给轴热误差引入、提高在机测量精度为目的，在步骤3中对零件在机测量结果进行主轴和进给轴的热误差补偿，克服了现有在机测量技术精度低的缺陷，本发明的误差补偿方法简单、可靠，可推广应用于其他多轴机床的在机测量中，提高在机测量结果的精度，具有一定的工程应用价值。