专利名称：磨床砂轮主轴热误差测量方法
技术领域：
本发明涉及一种磨床砂轮主轴误差测量方法，尤其是一种砂轮主 轴径向两个方向的热变形以及倾角误差的测量方法。 絲駄
在精密机床的切削加工中，热源对加工精度的影响极大，提高工 件的加工精度必须对机床的热变形作定量研究，并在加工过程中作合 理控制与补偿。机床主轴是一种高速运动部件，也是机床的主要热源 之一，是机床产生热变形的主要因素，极大地影响着机床的加工精度。
根据IS0230-3机床热效应的评定方法，对机床主轴的热变形测量采 用五点法，即在主轴径向垂直方向各安装两个传感器，测量主轴径向 两个方向的热变形以及倾角误差，并在轴向方向安装一个传感器，测 量其轴向变形量。
上述测量方法还不能实现测量砂轮主轴径向两个方洵的热变形 误差同时测量倾角误差。
本发明针对磨床砂轮主轴的特点，发明了一种磨床砂轮主轴径向 热变形的测量方法。砂轮主轴轴向变形的测量与一般测量方法相同， 以下不再叙述。本发明主要涉及砂轮主轴径向两个方向的热变形以及 倾角误差的测量方法。 翻赠
5本发明是要提供一种磨床砂轮主轴热误差测量方法，该方法能实 现测量砂轮主轴径向两个方向的热变形误差同时测量倾角误差，解决 磨床砂轮主轴热误差测量与补偿问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是 一种磨床砂轮主轴热误 差测量方法，具体步骤如下
1. 设置非接触式位移传感器 为了测量主轴径向两个方向的热变形以及倾角误差，在X、 Y方
向沿Z轴分别安装两个位移传感器，其中第一，第三传感器位于同一 平面上，第二，第四传感器位于同一平面上；
2. 确定上述任一个传感器与砂轮主轴的相对位置 设磨床的砂轮主轴以测量速度回转时，非接触第一传感器的测量
值为S: {Sl， S2,…，sn}，取第一传感器与砂轮主轴相对固定位置处的M 个初始的测量值S,: {Sl， S2，， SM}作为判别砂轮主轴与传感器相对位 置的依据；
3. 测量主轴的热变形量
当砂轮主轴高速运转，测量其热变形量时，控制主轴至测量速 度转动，并读取主轴回转360。以上的测量值，保证读数中包括初始 测量值位置的读数，当M个测量值S" {si+1， s i+2，， s J与M个初始的 测量值S^ k，S2，…，sJ相同时，s w为第一传感器与砂轮主轴相对 固定位置处的测量值，将测量值Sw作为第一传感器的热变形测量值；
4. 修正砂轮主轴热变形与随机测量误差 根据信息论中度量两随机变量差异性信息的距离测度D(Su S2)，来判别传感器与砂轮主轴的相对位置
设Si与S2的联合熵为H(S^),交互信息量为I(S" S2)，信息距离 测度定义为
D(s"s》H(sn(SnS2) a)
根据信息论中联合熵H(S&)与交互信息量I (S1; S2)的定义为
<formula>formula see original document page 7</formula>
当Si与S2相同时，D(St， S2)=0，找到minDd， S》的位置，此时，
将测量值Sw作为第一传感器读取测量值St时的位置。
上述第三步骤中设第一至第四传感器的读数分别为S "i)、 S2(i)、 S3(i)、 S4(i)， i=l， 2,…，N，为测量序号，设测量 开始时主轴热变形为0，第i次测量X方向第三，第四传感器位置处的
热变形量分别为
SX3=53(i)- "(1) SX4=S4(i)- S4(l) (1)
第i次测量Y方向第一，第二传感器位置处的热变形量分别为
Sx产S八i)- SX2=S2(i)- "(1) (2)
第i次测量X方向的倾角误差
△ ex=arctan([ (54(i)- S4(l))-(S3(i)_ S3(l))]/D) (3) 第i次测量Y方向的倾角误差
A eY=arctan([ (S2(i)- S2(l))_ S"l))]/D) (4)
式中，S"l)、 S2(l)、 S3(l)、 34(1)分别为第一至第四传感器的初 始位移测量值，D为第一与第二传感器间的距离，且与第三，第四传 感器间的距离相本发明的有益效果是
通过该发明，能解决磨床砂轮主轴热变形的测量问题，并给出了 传感器与砂轮主轴相对位置的判别方法，从而可以准确判定X、 Y方 向的热变形量。该方法同样适用于没有主轴定位功能的加工中心主轴 热变形的测量。
图1是磨床的砂轮主轴及传感器布置示意图。
具体实施例方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。 本发明的一种磨床砂轮主轴热误差测量方法，包括以下步骤
(1) 非接触式位移传感器设置
如图1所示，为了测量主轴径向两个方向的热变形以及倾角误 差，在X、 Y方向沿Z轴分别安装两个位移传感器，其中第一，第三传
感器l、 3位于同一平面上，第二，第四传感器2、 4位于同一平面上。 对于砂轮主轴热变形的测量，根据IS0230-3机床热效应的评定方法， 要求至少每5分钟读取一次位移传感器的测量值，并根据测量值计算 X、 Y方向的变形量以及这两个方向的倾角误差。考虑主轴回转问题， IS0230-3推荐选用电容传感器或电涡流传感器等非接触位移传感器。
(2) 确定上述任一个传感器与砂轮主轴的相对位置 主轴热变形测量的一个关键问题是要保证测量过程中，传感器在
主轴上的测量点位置是一样的，这样才能正确反映X、 Y两个方向的热 变形。对于中高档数控加工中心一般均配备具有定位功能的主轴，定时让主轴停止转动，通过主轴定位功能，保证测量传感器始终在同一 位置读取热变形测量值。而对于磨床砂轮主轴则无定位功能的主轴， 因此无法准确确定传感器与主轴的相对位置，为了解决此问题，本发 明基于信息论提出了一种测量点在砂轮主轴上位置的判定方法，对精 确地确定测点位置提供了依据。所提出的方法利用电容传感器动态响
应好非接触测量的特点，读取砂轮主轴回转360。以上的测量值，通 过信号处理手段，确定同一位置处的传感器测量值。
在磨床砂轮主轴热变形测量时，为了确定砂轮主轴与传感器的相 对位置，四个传感器每次均读取砂轮主轴回转360。以上的测量值， 以保证获取足够多的测量值。由于四个传感器间的相互位置相对固 定，只要确定某个传感器与砂轮主轴的相对位置，其它传感器相对砂 轮主轴的位置也随之确定。以下论述传感器l与砂轮主轴相对位置的 确定方法。
设磨床的砂轮主轴以一定的转速(以下称为测量速度)回转的同 时，非接触传感器1的测量值为S: {Sl， s2，…，sn}。取传感器l与砂轮 主轴相对固定位置处的M个初始的测量值S" {Sl, s2，…，SM)作为判别砂 轮主轴与传感器相对位置的依据。 (3)测量主轴的热变形量
设第一至第四传感器l、 2、 3、 4的读数分别为SJi)、 S2(i)、
S3(i)、 S4(i)， i=l， 2，…，N，为测量序号。设测量开始时主轴热 变形为O，第i次测量X方向3、 4传感器位置处的热变形量分别为
5X3=S3(i)- S3(l) SX4=S4(i)- S4(l) (1)第i次测量Y方向第一，第二传感器l、 2位置处的热变形量分别为
S^SJi)- S八l) =52(1)- S2(l) (2)
第i次测量X方向的倾角误差
△ ex=arctan([ (S4(i)— S4(l))—(S3(i)— S3(l))]/D) (3) 第i次测量Y方向的倾角误差
A eY=arctan([ (S2(i)- S2(l))—S八l))]/D) (4) 式中，S八l)、 S2(l)、 53(1)、 34(1)分别为第一至第四传感器1、 2、 3、 4的初始位移测量值，D为第一，第二传感器l、 2间的距离(与第 三，第四传感器3、 4间的距离相等)。
(4)修正砂轮主轴热变形与随机测量误差
当砂轮主轴高速运转一定时间，需要测量其热变形量时，控制主 轴至测量速度转动，并读取主轴回转360。以上的测量值(保证读数 中包括初始测量值位置的读数)，当M个测量值S2: {si+1， s i+2，…，s i+M} 与M个初始的测量值S" (Si，S2，…，sJ相同时，说明s w为传感器l与 砂轮主轴相对固定位置处的测量值，此时可以将测量值Sw作为第一 传感器l的热变形测量值。然而，实际测量中由于砂轮主轴热变形误 差以及测量随机误差的存在，无法依据上述的两组数据是否相同来判 别传感器与砂轮主轴的相对位置。为此本发明根据信息论中度量两随 机变量差异性信息的距离测度D(Si， S2)，来判别传感器与砂轮主轴的
相对位置。
设Si与S2的联合熵为H(S&)，交互信息量为I(Su S2)，信息距离 测度定义为D(S"S2)^H(S!S2)-I(S1;S2) (5)
根据信息论中联合熵H(S&)与交互信息量I(S^ S2)的定义，式(5) 可写为
亂&)=-I;'g一)log f (， )、 (6)
当Si与S2相同时，D(S" S2)=0。考虑到砂轮主轴热变形与随机测 量误差的存在，传感器与砂轮主轴的相对位置的判别，就是要找到 minD(S" S2)的位置。此时，可以将测量值Sw作为传感器l读取测量
值Si时的位置。
权利要求
1.一种磨床砂轮主轴热误差测量方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下(一)设置非接触式位移传感器为了测量主轴径向两个方向的热变形以及倾角误差，在X、Y方向沿Z轴分别安装两个位移传感器，其中第一，第三传感器(1、3)位于同一平面上，第二，第四传感器(2、4)位于同一平面上；(二)确定上述任一个传感器与砂轮主轴的相对位置设磨床的砂轮主轴以测量速度回转时，非接触第一传感器(1)的测量值为S{s1，s2，…，sn}，取第一传感器(1)与砂轮主轴相对固定位置处的M个初始的测量值S1{s1，s2，…，sM}作为判别砂轮主轴与传感器相对位置的依据；(三)测量主轴的热变形量当砂轮主轴高速运转，测量其热变形量时，控制主轴至测量速度转动，并读取主轴回转360°以上的测量值，读数中包括初始测量值位置的读数，当M个测量值S2{si+1，si+2，…，si+M}与M个初始的测量值S1{s1，s2，…，sM}相同时，si+1为第一传感器(1)与砂轮主轴相对固定位置处的测量值，将测量值si+1作为第一传感器(1)的热变形测量值；(四)修正砂轮主轴热变形与随机测量误差根据信息论中度量两随机变量差异性信息的距离测度D(S1，S2)，来判别传感器与砂轮主轴的相对位置设S1与S2的联合熵为H(S1S2)，交互信息量为I(S1；S2)，信息距离测度定义为D(S1，S2)＝H(S1S2)-I(S1；S2) (1)根据信息论中联合熵H(S1S2)与交互信息量I(S1；S2)的定义为<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>D</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>S</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub><mi>S</mi><mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>-</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi></munderover><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mi>M</mi> </mrow></munderover><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>s</mi><mi>j</mi> </msub> <msub><mi>s</mi><mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mi>log</mi><mfrac> <mrow><msup> <mi>p</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>s</mi><mi>j</mi> </msub> <msub><mi>s</mi><mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>s</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>s</mi><mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>当S1与S2相同时，D(S1，S2)＝0，找到minD(S1，S2)的位置，此时，将测量值si+1作为第一传感器1读取测量值s1时的位置。
2.根据权利要求l所述的磨床砂轮主轴热误差测量方法，其特征在于 上述第三步骤中设第一至第四传感器(l、 2、 3、 4)的读数分别为S"i)、 S2(i)、 S3(i)、 S4(i)， i=l， 2，…，N，为测量序号，设测量开始时主轴热 变形为0，第i次测量X方向第三，第四传感器3、 4位置处的热变形量 分别为SX3=S3(i)- S3(l) SX4=S4(i)- S4(l) (1)第i次测量Y方向第一，第二传感器(1、 2)位置处的热变形量分别为 Sx产Si(i)- S八l) 5X2=S2(i)- S2(l) (2)第i次测量X方向的倾角误差a ex=arctan([ (S4(i)- s4(l))-(S3(i)- s3(l))]/D) (3)第i次测量Y方向的倾角误差△ eY=arCtan([ (S2(i)- S2(l))-(SJi)- SJl))]/D) (4) 式中，S八l)、 S2(l)、 S3(l)、 54(1)分别为第一至第四传感器(1、 2、 3、 4)的初始位移测量值，D为第一与第二传感器(l、 2)间的距离，且与第三，第四传感器(3、 4)间的距离相等,
全文摘要
本发明涉及一种磨床砂轮主轴热误差测量方法，具体步骤如下1.设置非接触式位移传感器，2.确定上述任一个传感器与砂轮主轴的相对位置，3.测量主轴的热变形量，4.修正砂轮主轴热变形与随机测量误差。通过本发明能解决磨床砂轮主轴热变形的测量问题，并给出了传感器与砂轮主轴相对位置的判别方法，从而可以准确判定X、Y方向的热变形量。该方法同样适用于没有主轴定位功能的加工中心主轴热变形的测量。
文档编号B24B49/00GK101628396SQ200910052299
公开日2010年1月20日 申请日期2009年6月1日 优先权日2009年6月1日
发明者俊 姚, 李郝林, 迟玉伦 申请人:上海理工大学;上海机床厂有限公司