数控机床刀尖动态特性精度检测装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明属于数控机床技术领域，涉及的是机床刀尖动态特性综合精度的检测，具体的说，是涉及一种数控机床刀尖动态特性精度综合检测装置及其方法。
【背景技术】
[0002]数控机床在加工的过程中，各种误差源均会通过各种机电环节传递至刀具刀尖点，使得刀尖点偏移理论位置，从而产生实际加工误差。随着数控技术朝着高速度、高精度及多轴化的方向发展，数控机床热变形误差、加工动态特性误差的检测需求日益突现。数控机床在加工的过程中，在各种热源:如轴承发热、电机发热、滚珠丝杆与螺母发热、导轨发热与日照、地热、空气流动等环境热源的共同作用下，会导致机床上的部件发生不同程度的热胀冷缩，在这些热变形的叠加传递作用下，导致机床刀尖处的位置精度遭到破坏，由此导致的误差称为热误差。一般说来，数控机床在加工过程中由于热变形引起的加工误差占机床全部误差的40?70%，国内外尽管对机床热变形误差研究较多，但目前国内尚无成熟的数控机床热特性误差检测手段。
[0003]对于四轴或五轴联动数控机床来说，由于引入了 I或2个摆动或旋转轴导致引入了更多的刀尖误差源，加之多轴加工技术本身也较为复杂，导致用户掌握使用及设备维护过程中的精度检测中产生了诸多困难。机床四轴联动加工精度目前没有成熟的检测方法。机床五轴联动加工精度的检测一般采取NAS979圆锥试件或者S形试件切削加工的方法实施检验，不仅试件材料及刀具消耗大，而且受编程水平、刀具、工艺参数等影响较大，还需对试件拆卸并搬移至三坐标机上进行最终检测，精度损失环节较多，检测成本颇高，较难直接地反映联动过程中的动态加工精度。
[0004]另外，针对刀尖运动误差的检测，传统用千分表直接架表进行测量，导致架表精度对操作技术水平要求不仅较高，而且完全依靠肉眼观察表头指针偏移并手工记录及计算，无法实现连续各瞬态刀尖位姿和温度信息的完整数据过程记录，且出错环节较多，更无法实现自动化准确分析和高精度计算；现代精度检测仪器如激光干涉仪、激光跟踪仪等在多轴联动机床的联动动态精度检测方面的局限性逐步显现，例如激光干涉仪适合直线轴精度检测且无法直接满足大摆角范围测量，而采用动则单台达数百万元价格的激光跟踪仪则在成本、便捷性和易用性与等方面还无法被广大机床用户接受和认可。采用更科学合理、高性价比的方法来实现数控机床加工精度检测，已经成为数控机床安装调试人员、特别是五轴机床用户提高生产率和机床利用率，改进和提高产品加工质量，实现数控机床装备优化运行的关键制约因素。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种结构设计合理，可综合地实现数控加工过程刀尖点运动特性和热变形等动态特性相关参数自动化检测装置及其方法。
[0006]为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下:
[0007]数控机床刀尖动态特性精度检测装置及其方法，包括可安装在数控机床工作台的支座，通过设置在支座顶部的连接板，与L形支持壁板构成整体组件结构，在支持板和连接板通过孔方式设置有呈两两垂直布置的位移传感器，通过位移传感器与芯棒上的球头表面相对距离的检测，实现在主轴摆动运动过程中对刀尖动态位姿信息的实时获取，通过数据采集器将上述刀尖多传感器融合信息高速发送输入计算机进行自动记录及分析，快速计算出数控机床刀尖点动态特性的各项精度指标和修正补偿参数，并实现测试分析数据的图形化显示及打印测试报告。
[0008]所述的连接板平行于支座顶部水平端面布置固定，连接板内部设置有螺纹通孔以便于位移传感器沿着竖直方向进行贯穿式安装。
[0009]所述的L形支持壁板的两个壁面呈直角90°布置，L形支持壁板的两个壁面均垂直于支座顶部水平端面布置，并与L形支持壁板的两个壁面内部设置有螺纹通孔以便于位移传感器贯穿式安装。
[0010]所述的位移传感器包括3个呈两两垂直布置的位移传感器，实现对球头各位姿运动位移进行实时检测。
[0011]所述的温度传感器组包括多套热敏电阻传感器构成，通过磁铁或者胶布贴附方式灵活布置在机床主要热源附近。
[0012]所述的计算机包括用于RTCP(旋转刀具中心点)精度测试模块、主轴径向倾斜度测试模块、主轴回转精度测试模块、主轴热变形测试模块，用于摆动轴补偿值数据生成模块、刀尖点受热发生热偏移修正数据生成模块，以及由动态精度预警模块和历史数据跟踪模块组成的数据库模块。
[0013]在上述基于结构的基础上，本发明还提供了其实现方法，包括以下步骤:
[0014](I)设定数控机床的各工作参数，在机床工作台上架设数控机床刀尖动态特性精度检测装置，对位移传感器、温度传感器组、放大器、数据采集器和计算机进行初始化，完成检测装置工作参数的设定值；
[0015](2)按照数控机床刀尖动态特性各项指标要求开启计算机中各项测试功能模块，通过位移传感器或温度传感器实现对数控机床相关运行状态下的刀尖动态信号测量，并将测量的动态信号通过数据采集器传输至计算机，完成数控机床刀检点动态数据采集处理；
[0016](3)根据测试要求由计算机实现对该项指标测试数据进行分析处理，并将机床刀尖动态特性的测量值与设定值或历史数据进行对比；
[0017](4)生成供数控系统进行参数调整的修正或补偿数据与机床刀尖动态特性各项指标分析报告。
[0018]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0019](I)本发明采用在数控机床工作台上安装集成传感器支座方式实现进行主轴芯棒球头刀尖点位姿动态误差和热误差的检测，与采购通用激光干涉仪或者激光跟踪仪等昂贵复杂仪器相比不仅结构简单，可维修性较好，而且装置成本较为低廉，测试工艺灵活，通用性较强，大大降低了机床安装调试及后续维护成本；
[0020](2)本发明采用多类传感器集成的自动化测试方法与传统用千分表直接架表测量方式相比不仅方式更灵活简便，特别是支座上位移传感器布置方式大大降低了架设千分表的难度，缩短了辅助时间，还能实现了连续各瞬态刀尖位姿和温度信息的完整数据过程记录和高精度计算，大大提高了机床动态精度的测量效率和精度；
[0021](3)本发明对能够全面实现数控机床刀尖动态特性参数指标测量、数控系统补偿修正值数据生成、精度预警和历史数据跟踪及追溯等综合功能，具有参数齐全，功能实用，性价比高，具有在数控机床应用领域广泛的应用前景；
【附图说明】
[0022]图1为本发明的机械结构主视图。
[0023]图2为本发明的机械结构俯视图。
[0024]图3为本发明的机械结构侧视图。
[0025]图4为本发明中刀尖动态特性测试系统的原理框图。
[0026]图5为数控机床坐标系构成示意图。
[0027]图6为本发明的检测方法实施工作流程图。
[0028]图7为本发明应用在主轴热态特性测试的工作示意图。
[0029]图8为本发明应用在主轴倾斜度测试的工作示意图。
[0030]图9为本发明应用在主轴回转精度测试的工作示意图。
[0031]图10为本发明应用在刀尖点C轴动态精度测试的工作示意图。
[0032]图11为本发明应用在刀尖点B轴动态精度测试的工作示意图。
[0033]图12为本发明应用在刀尖点A轴动态精度测试的工作示意图。
[0034]其中，附图标记所对应的名称:1_支座，2-连接板，3-L形支持壁板，4-第一位移传感器，5-第二位移传感器，6-第三位移传感器，7-热敏电阻传感器，8-计算机，9-位移信号放大器，10-接线端子板，11-温度信号放大器，12-数据采集器，13-球头芯棒，14-标准芯棒。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
[0036]如图1、图2、图3所示，为本发明数控机床刀尖动态特性精度检测装置结构的一个优选实例的主视、俯视及侧视图。其主要包括安装在数控机床工作台上的包括安装在数控机床工作平台的支座1，设置在支座顶部的连接板2，连接板2内部设置有螺纹通孔以便于