一种用于机床主轴热误差的在线测试装置及测试方法与流程

本发明涉及机床主轴性能测试领域，具体是一种用于机床主轴热误差的在线测试装置及测试方法。

背景技术：

机床热误差是指在加工过程中机床部件由于受到摩擦热、切削热和环境温度等因素的影响形成的非均匀温度场，致使各个部件发生不同程度的热变形，这将引起工件和刀具之间产生相对位移，对工件加工精度产生影响。文献表明，热误差占机床总误差的40％～70％左右，一般热误差模型中包含机床温度敏感点的温升和热变形。主轴系统作为机床的关键部件之一，由于受轴承摩擦热、电动机发热及切削热的影响产生热误差，其热误差严重影响着机床整体的加工精度，所以如何在实际加工过程中准确、快速、高效地获得机床主轴热误差，提高机床的加工精度具有重要意义。

目前对机床热误差的测试中，主要利用贴片式温度传感器测量机床温度敏感点的温度，利用电感式或者电涡流传感器测量机床的热变形。

申请号201511020629.3公开了一种精密数控机床热误差测量及温度补偿系统，该热误差测量系统包括若干电感式位移传感器和若干温度传感器，每个电感式位移传感器和每个温度传感器均通过磁吸附件吸附在数控机床上，该热误差测量系统通过温度传感器和电感式位移传感器获取机床各位置的实际热位移量和温度差。但是该系统利用温度传感器测量机床各位置的温度，忽略了在实际测量中传感器布线繁琐、安装固定比较困难。

申请号201510781183.X公开了一种电主轴温度与热变形试验装置，它包括依次连接的工业PC机与主轴驱动装置，测试加载装置，电主轴上安装有测试棒，冷却水循环装置和油气润滑装置分别与电主轴的两端连接，温度检测装置沿轴向布置在电主轴的轴体一侧，热位移检测装置布置在测试棒的端部和周向。但该发明利用数据采集卡控制位移传感器采集热变形信号，忽略了数据采集卡实时处理能力弱、实时响应度慢的问题。

申请号200510094543.5公开了一种数控机床热机阶段的热变形的测试方法，该发明通过运行试验G代码采集待补偿部件X轴、Y轴、Z轴和主轴在热机阶段的热变形量，找出热变形量与部件工作时间和停止时间的关系后，分别建立基于时间和所述变形量之间的关系模型，从而实现对热机阶段的热变形的预测。该方法能够实现对热机阶段的热变形的时间预测，但是该建立预测模型方法的智能化程度较低，不能够实时科学的反应机床的热变形。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种用于机床主轴热误差的在线测试装置及测试方法。该测试方法通过电涡流传感器和热像仪实时测量机床在实际工况下主轴温度敏感点的温度和主轴前端轴向和径向的热变形，然后分别通过热像仪、PLC将温度和热变形数据传送到计算机，经热误差测试软件的数据处理部分得到温度敏感点温升-时间曲线、主轴轴向热变形-时间曲线、主轴径向热变形-时间曲线，最后经过计算得到主轴热误差模型。

本发明解决所述测试方法技术问题的技术方案是，提供一种用于机床主轴热误差的测试方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)启动并检查数控机床设备，使之处于正常状态；

2)安装测试装置，所述支架位于主轴的正前方；所述热像仪安装在支架上，用于采集主轴上的温度敏感点的温度信号；所述主轴前端安装有三个电涡流传感器，电涡流传感器用于测量主轴前端面轴向和两个径向的热变形；其中两个电涡流传感器分别安装在主轴前端的两个径向位置，两个电涡流传感器相互垂直；另一个电涡流传感器安装在主轴前端的轴向位置；三个电涡流传感器的探头都朝向主轴的前端面，0＜电涡流传感器的探头距离主轴前端面的距离＜1mm；所述电涡流传感器的输出端与传感器信号调理器的输入端连接；所述传感器信号调理器的输出端与PLC模拟量单元连接；所述PLC模拟量单元安装在PLC上；所述计算机分别与热像仪和PLC连接，计算机中安装有热误差测试软件；

3)启动与调整热像仪、电涡流传感器、传感器信号调理器、PLC、PLC模拟量单元和计算机中的热误差测试软件，使测试装置处于正常工作状态；

4)设定机床运行工况参数和输入机床运行工况程序代码，在热误差测试软件中设定PLC的采集模式、采集通道和采样频率与热像仪的工作模式、采样频率、温度范围以及实验采集数据的存储位置和存储文件的格式；

5)进行工况运转加工，采集初始时刻主轴各个温度敏感点的温度值(X₁，X₂，…，X_k)、主轴前端轴向的变形值Y(1)与主轴前端两个径向的变形值Y(2)和Y(3)，并在热误差测试软件界面中显示；

6)机床运行过程中，实时采集各个时刻主轴各个温度敏感点的温度值(X_i1,X_i2,…,X_ik)、主轴前端轴向的变形值Y_i(1)与主轴前端两个径向的变形值Y_i(2)和Y_i(3)，直至机床主轴达到热平衡，并在热误差测试软件界面中实时显示；

7)数据采集完毕后，利用热误差测试软件对采集的温度敏感点的温度数据和热变形数据进行后处理，绘制温度敏感点温升-时间曲线、主轴轴向热变形-时间曲线和主轴径向热变形-时间曲线，并得到主轴轴向热变形信号、主轴径向热变形信号与温度敏感点温升信号的热误差模型；再用机床运行过程中的各个时刻采集的主轴各个温度敏感点的温度值(X_i1,X_i2,…,X_ik)、主轴前端轴向的变形值Y_i(1)与主轴前端两个径向的变形值Y_i(2)和Y_i(3)分别对应减去初始时刻采集的主轴各个温度敏感点的温度值(X₁，X₂，…，X_k)、主轴前端轴向的变形值Y(1)与主轴前端两个径向的变形值Y(2)和Y(3)，得到主轴各个温度敏感点的温升值(x_i1,x_i2,…,x_ik)、主轴前端轴向的热变形值y_i(1)与主轴前端两个径向的热变形值y_i(2)和y_i(3)；然后通过改进的多元线性分析法建立的热误差模型为公式(1)：

式中：(x_i1,x_i2,…,x_ik)为温度敏感点温升，b_n(n＝1,2,.……k)为温度变量系数，b_pq(p,q∈I,p≠q，I＝{1,2……k})为温度变量的耦合系数，y_i为热变形变量，e_i是与实际测量值y_i存在的偏差。

本发明解决所述测试装置技术问题的技术方案是，提供一种用于机床主轴热误差的在线测试装置，其特征在于该测试装置包括热像仪、电涡流传感器、传感器信号调理器、PLC、PLC模拟量单元、计算机和支架；所述支架放置于水平面上，位于主轴的正前方；所述热像仪安装在支架上，用于采集主轴上的温度敏感点的温度信号；所述主轴前端安装有三个电涡流传感器；其中两个电涡流传感器分别安装在主轴前端的两个径向位置，两个电涡流传感器相互垂直；另一个电涡流传感器安装在主轴前端的轴向位置；三个电涡流传感器的探头都朝向主轴的前端面，0＜电涡流传感器的探头距离主轴前端面的距离＜1mm；所述电涡流传感器的输出端与传感器信号调理器的输入端连接；所述传感器信号调理器的输出端与PLC模拟量单元连接，PLC模拟量单元用于接收传感器信号调理器的热变形信号；所述PLC模拟量单元安装在PLC上；所述计算机分别与热像仪和PLC连接，计算机中安装有热误差测试软件。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)该测试装置利用热像仪代替温度传感器测量主轴温度敏感点的温度数据，热像仪不仅测量精度高，而且实现了非接触、在机测量主轴温度敏感点的温度，解决了在实际测量中温度传感器数目较多、布线繁琐、安装困难的问题；

(2)该测试装置用PLC代替数据采集卡控制电涡流传感器采集热变形数据，PLC与数据采集卡相比实时处理能力强、实时响应度快。

(3)该测试方法通过电涡流传感器和热像仪实时测量机床在实际工况下主轴温度敏感点的温度和主轴前端轴向和径向的热变形，然后分别通过热像仪、PLC将温度和热变形数据传送到计算机，经热误差测试软件的数据处理部分得到温度敏感点温度增量-时间曲线、主轴轴向热变形-时间曲线、主轴径向热变形-时间曲线，最后经过计算得到主轴热误差模型。

(4)该测试方法是在机床实际加工过程中，利用热误差测试软件直接在机测试加工过程中的主轴温度敏感点温度信号及主轴前端的轴向与径向热变形信号，并利用改进的多元线性回归法对实验数据进行分析得到热误差模型，该方法解决了普通测试方法不能够实时、科学的反应机床的热变形和温度问题且利用一般方法建立预测模型智能化程度较低的问题，不仅智能化程度高，而且还能够真实反映主轴在实际加工过程中机床的热误差，所以通过本装置及方法测得的热误差比在静态加载状态下测得的数据更能科学地反映主轴的热误差。

附图说明

图1为本发明用于机床主轴热误差的在线测试装置及测试方法一种实施例的测试装置的整体结构主视示意图；

图2为本发明用于机床主轴热误差的在线测试装置及测试方法一种实施例的测试装置的整体结构右视示意图；(图中：1、主轴；2、热像仪；3、电涡流传感器；4、传感器信号调理器；5、PLC；6、PLC模拟量单元；7、计算机；8、支架)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种用于机床主轴热误差的在线测试装置(简称测试装置，参见图1-2)，包括热像仪2、电涡流传感器3、传感器信号调理器4、PLC5、PLC模拟量单元6、计算机7和支架8；所述支架8放置于水平面上，位于主轴1的正前方；所述热像仪2安装在支架8上，热像仪2能够拍摄到主轴1的全景，同时采集主轴1上的温度敏感点的温度信号；所述主轴1前端安装有三个电涡流传感器3，电涡流传感器3用于测量主轴前端面轴向和两个径向的热变形；其中两个电涡流传感器3安装在主轴1前端的两个径向位置，即分别安装在主轴1前端的X方向和Y方向，且两个电涡流传感器相互垂直；另一个电涡流传感器3安装在主轴1前端的轴向位置，即主轴1前端的Z方向；三个电涡流传感器3的探头都朝向主轴的前端面，0＜电涡流传感器3的探头距离主轴前端面的距离＜1mm；所述电涡流传感器3的输出端与传感器信号调理器4的输入端连接，传感器信号调理器4用于对电涡流位移传感器3采集的信号分别进行调理；所述传感器信号调理器4的输出端与PLC模拟量单元6连接，PLC模拟量单元6用于接收传感器信号调理器4的热变形信号，并把信号传输给PLC5；所述PLC模拟量单元6安装在PLC5上；所述计算机7通过数据线分别与热像仪2和PLC5连接，PLC5把热变形信号传输给计算机7，且计算机7中安装有热误差测试软件。

所述热误差测试软件的界面包括数据采集部分、数据回放部分和数据处理部分；

所述数据采集部分接收热像仪2所输出的温度敏感点的温度信号和PLC5中输出的电涡流传感器3中的热变形信号，并将采集的热变形数据和温度数据进行保存；数据采集部分包括采集参数设置界面、波形显示界面和数据存储界面；采集参数设置界面中可以分别设置PLC5的采集模式、采集通道、采样频率、和热像仪2的工作模式、采样频率、温度范围等；波形显示界面用于显示实时采集的热变形数据和温度数据，即分别热变形数据和温度数据随时间的变化；数据存储界面用于设置热变形数据和温度数据的存储位置和存储文件的格式；

数据回放部分用来读取已存储的数据文件，将数据以波形形式或数组形式显示给用户查看，供用户后期离线统计分析；

数据处理部分中主要是对采集的温度敏感点的温度数据和热变形数据进行后处理，此处的后处理主要包括两部分：一是绘制并显示温度敏感点温升-时间曲线、主轴轴向热变形-时间曲线和主轴径向热变形-时间曲线；二是采用改进的多元线性分析法分别建立主轴轴向热变形信号、主轴径向热变形信号与温度敏感点温升信号的热误差模型，并显示最终的热误差模型。

本发明同时提供了一种用于机床主轴热误差的测试方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)启动并检查数控机床设备，使之处于正常状态；

2)安装测试装置，所述支架8位于主轴1的正前方；所述热像仪2安装在支架8上，用于采集主轴1上的温度敏感点的温度信号；所述主轴1前端安装有三个电涡流传感器3，电涡流传感器3用于测量主轴前端面轴向和两个径向的热变形；其中两个电涡流传感器3分别安装在主轴1前端的两个径向位置，两个电涡流传感器相互垂直；另一个电涡流传感器3安装在主轴1前端的轴向位置；三个电涡流传感器3的探头都朝向主轴的前端面，0＜电涡流传感器3的探头距离主轴前端面的距离＜1mm；所述电涡流传感器3的输出端与传感器信号调理器4的输入端连接；所述传感器信号调理器4的输出端与PLC模拟量单元6连接；所述PLC模拟量单元6安装在PLC5上；所述计算机7分别与热像仪2和PLC5连接，计算机7中安装有热误差测试软件；

3)启动与调整热像仪2、电涡流传感器3、传感器信号调理器4、PLC5、PLC模拟量单元6和计算机7中的热误差测试软件，使测试装置处于正常工作状态；

4)设定机床运行工况参数和输入机床运行工况程序代码，在热误差测试软件中设定PLC5的采集模式、采集通道和采样频率与热像仪2的工作模式、采样频率、温度范围以及实验采集数据的存储位置和存储文件的格式；

5)进行工况运转加工，采集初始时刻主轴各个温度敏感点的温度值(X₁，X₂，…，X_k)、主轴前端轴向的变形值Y(1)与主轴前端两个径向的变形值Y(2)和Y(3)，并在热误差测试软件界面中显示；

6)机床运行过程中，实时采集各个时刻主轴各个温度敏感点的温度值(X_i1,X_i2,…,X_ik)、主轴前端轴向的变形值Y_i(1)与主轴前端两个径向的变形值Y_i(2)和Y_i(3)，直至机床主轴达到热平衡，并在热误差测试软件界面中实时显示；

7)数据采集完毕后，利用热误差测试软件对采集的温度敏感点的温度数据和热变形数据进行后处理，绘制温度敏感点温升-时间曲线、主轴轴向热变形-时间曲线和主轴径向热变形-时间曲线，并得到主轴轴向热变形信号、主轴径向热变形信号与温度敏感点温升信号的热误差模型；再用机床运行过程中的各个时刻采集的主轴各个温度敏感点的温度值(X_i1,X_i2,…,X_ik)、主轴前端轴向的变形值Y_i(1)与主轴前端两个径向的变形值Y_i(2)和Y_i(3)分别对应减去初始时刻采集的主轴各个温度敏感点的温度值(X₁，X₂，…，X_k)、主轴前端轴向的变形值Y(1)与主轴前端两个径向的变形值Y(2)和Y(3)，得到主轴各个温度敏感点的温升值(x_i1,x_i2,…,x_ik)、主轴前端轴向的热变形值y_i(1)与主轴前端两个径向的热变形值y_i(2)和y_i(3)；然后通过改进的多元线性分析法建立的热误差模型为公式(1)：

式中：(x_i1,x_i2,…,x_ik)为温度敏感点温升，b_n(n＝1,2,.……k)为温度变量系数，b_pq(p,q∈I,p≠q，I＝{1,2……k})为温度变量的耦合系数，y_i为热变形变量，e_i是与实际测量值y_i存在的偏差。

本发明借助热像仪和电涡流传感器提出了一种用于机床主轴热误差的在线测试装置及测试方法。热像仪和电涡流传感器都是高精度的测量仪器，已广泛应用于各种精密测量中，不仅灵敏度和准确度较高，而且测量数据的采集和处理均由计算机完成，方便快捷。经实例证明，该装置及测试方法对于在线测量机床主轴热误差有着高效、快速、高精度的优点。

本发明未述及之处适用于现有技术。