一种数控机床的热位移误差测量装置及建模方法与流程

本发明涉及数控机床领域，尤其涉及一种数控机床的热位移误差测量装置及建模方法。

背景技术：

数控机床的主轴和进给轴等部件是保证机床性能和精度要求的关键部件。机床受外部热源(环境温度)和内部热源(如电动机、液压装置、电气系统和轴承运转等)的影响，使机床各部分温度发生变化，由于机床结构中不同材料的热膨胀系数不同，因此机床各部分的变形也会不同，这就导致机床产生了热变形。热变形不仅会破坏机床的原始几何精度、加快运动件磨损，甚至会导致零件加工尺寸精度的异常和报废。因此对于精密机床和自动化机床，热变形的影响尤其不能忽视。

在高端数控机床等精密加工机械中，由机床热变形所引起的加工误差占总误差的约40％-70％。因此，改善机床的热态特性，减少热误差是提高数控机床加工精度及稳定性的重要途径。目前是通过以下几种途径来改善机床的热特性并减小热误差，例如：

1)改善热环境和降低热源的发热强度；

2)改进机床的结构设计或增加高精度的光栅尺配置；

3)控制机床重要部件的温升，采取措施对其进行有效的冷却和散热；

上述传统的改进热误差的方法都是在对机床结构、机床环境进行改进，改善的效果有限，无法做到完全避免热误差。因此若完全解决热误差的问题必须测量得到热误差的大小，根据热误差的大小对数控机床进行误差补偿，从而才能完全解决数控机床存在的热误差问题。目前对于数控机床的热误差补偿不够精准且无法测量到精准的热误差值。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种数控机床的热位移误差测量装置，其能解决目前对于数控机床的热误差补偿不够精准且无法测量到精准的热误差值的问题。

本发明的目的之二在于提供一种数控机床的热误差建模方法，其能解决目前对于数控机床的热误差补偿不够精准且无法测量到精准的热误差值的问题。

本发明的目的之一采用以下技术方案实现：

一种数控机床的热位移误差测量装置，所述数控机床包括刀架部件、主轴部件，包括待测量体、若干位移测量传感器、传感器固定支架、若干温度传感器以及数据采集装置，所述传感器固定支架固定在所述刀架部件上，所述位移测量传感器固定在所述传感器固定支架上，所述待测量体一端固定在所述主轴部件上，所述位移测量传感器与所述温度传感器均与所述数据采集装置通过线缆进行连接，所述数据采集装置设和所有所述温度传感器安装在所述数控机床中，当进行热位移误差测量时，所述刀架部件带动所述传感器固定支架移动至所述主轴部件上的所述待测量体处。

进一步地，所述传感器固定支架为t型支架，所述传感器固定支架包括第一测量端、第二测量端和固定端，所述第一测量端、所述第二测量端以及所述固定端相互连接，所述第一测量端与所述第二测量端垂直，所述位移测量传感器固定在所述第一测量端和所述第二测量端，所述固定端固定在所述刀架部件底部，所述待测量体为含有若干阶梯的部件。

进一步地，所述位移测量传感器数量为两个，所述第一测量端固定一个所述位移测量传感器，所述第二测量端固定一个所述位移测量传感器。

进一步地，所述第一测量端和所述第二测量端均设置有通孔，所述位移测量传感器卡扣固定在所述通孔内。

进一步地，当进行热位移误差测量时，所述第一测量端上的所述位移测量传感器移动至所述待测量体的阶梯处。

本发明的目的之二采用以下技术方案实现：

一种数控机床的热误差建模方法，包括以下步骤：

初始值获取，获取初始时刻时位移测量传感器移动至待测量体的预设测量位置处测量初始热位移值，获取不同温度传感器测量的含有初始温度值和温度传感器位置信息的初始温度数据；

热误差测量，根据预设间隔时间控制位移测量传感器分别移动至待测量体上的预设测位置进行热误差测量，得到含有测量热位移值、测量时间的位移测量数据，根据所述预设间隔时间实时获取不同温度传感器测量的含有测量温度值、测量时间、温度传感器位置信息的温度测量数据；

热误差计算，根据所述位移测量数据和所述初始热位移值得到含有测量时间和热位移差的热误差数据，根据所述初始温度数据和所述温度测量数据得到含有测量时间、温度变化值以及温度传感器位置信息的温度变化数据；

生成热误差模型，根据所述热误差数据和所述温度变化数据计算得到在预设测量位置处的热误差模型。

进一步地，所述预设测量位置为多个，则所述热误差模型为多个，还包括补偿函数计算，分别获取不同预设测量位置的测量位置信息，将不同的所述测量时间及对应的所述测量温度值分别输入至对应的所述热误差模型，得到若干与所述测量时间对应的第一热位移差集合，每个所述第一热位移差集合中包括若干第一热位移差，每个所述第一热位移差集合与唯一的所述测量时间对应，每个所述第一热位移差与唯一的所述测量位置信息对应；根据所述第一热位移差集合和所述测量位置信息得到含有不同补偿函数的补偿函数集合，每个补偿函数均与唯一的所述测量时间对应。

进一步地，还包括补偿处理，获取待补偿位置以及待补偿时刻，根据所述待补偿时刻在所述补偿函数集合中筛选出对应的补偿函数，根据所述补偿位置以及所述补偿函数求出对应的补偿值，根据补偿值对数控机床进行补偿处理。

进一步地，所述初始热位移值包括x轴初始位移值以及z轴初始位移值，所述x轴初始位移值为待测量体相对于第一测量端的位移距离，所述z轴初始位移值为待测量体在于第二测量端的位移距离；所述热位移差包括x轴热位移差以及z轴热位移差，所述x轴热位移差为所述刀架部件和所述主轴部件在与第一测量端的水平方向上的热位移差，所述z轴热位移差为所述刀架部件和所述主轴部件在与第二测量端的水平方向上的热位移差。

进一步地，所述热误差数据包括x轴热误差数据和z轴热误差数据，所述生成热误差模型具体为：根据所述x轴热误差数据和所述温度变化数据计算得到在预设测量位置处的x轴热误差模型，根据所述z轴热误差数据和所述温度变化数据计算得到在预设测量位置处的z轴热误差模型，x轴为第一测量端对应的水平方向，z轴为第二测量端对应的水平方向。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：本申请的一种数控机床的热位移误差测量装置，包括待测量体、若干位移测量传感器、传感器固定支架、若干温度传感器以及数据采集装置，所述传感器固定支架固定在所述刀架部件上，所述位移测量传感器固定在所述传感器固定支架上，所述待测量体一端固定在所述主轴部件上，所述位移测量传感器与所述温度传感器均与所述数据采集装置通过线缆进行连接，所述数据采集装置设和所有所述温度传感器安装在所述数控机床中，当进行热位移误差测量时，所述刀架部件带动所述传感器固定支架移动至所述主轴部件上的所述待测量体处。通过传感器固定支架上的位移测量传感器以及待测量体实时测量在不同温度下的刀架部件和主轴部件之间相对位置上存在的热位移差，得到的热位移差更加精准，可以根据测量得到的热位移差对数控机床进行精准的误差补偿。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的一种数控机床的热位移误差测量装置的部分结构的剖面示意图；

图2为本发明的一种数控机床的热位移误差测量装置的部分结构示意图；

图3为本发明的一种数控机床的热位移误差测量装置的传感器固定支架的结构示意图；

图4为本发明的一种数控机床的热位移误差建模方法的流程示意图。

图中：1、待测量体；2、位移测量传感器；3、传感器固定支架；31、第一测量端；32、第二测量端；33、固定端；4、刀架部件；5、主轴部件；6、温度传感器；7、通孔。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1-3所示，本发明的一种数控机床的热位移误差测量装置，本实施例中的数控机床包括刀架部件4、主轴部件5、主轴箱体、进给轴、冷却液水箱、床身、电动机等，数控机床的具体结构为现有技术，此处不再赘述。热位移误差测量装置包括待测量体1、若干位移测量传感器2、传感器固定支架3、若干温度传感器6、数据采集装置。本实施例中传感器固定支架3为t型支架，传感器固定支架3包括第一测量端31、第二测量端32和固定端33，第一测量端31、第二测量端32以及固定端33相互连接，第一测量端31与第二测量端32垂直，固定端33与第二测量端32垂直，位移测量传感器2固定在第一测量端31和第二测量端32，固定端33固定在刀架部件4底部；本实施中位移测量传感器2的数量为2个，一个固定在传感器固定架上的第一测量端31，一个固定在传感器固定支架3上的第二测量端32，位移测量传感器2为电涡流或激光类型的高精度位移测量传感器2，分辨率在0.5μm以下，测量误差在±2μm左右，可满足数控机床中高精度测量的要求；且第一测量端31的平行方向为刀架部件4相对于主轴部件5在x轴的运动方向，第二测量端32的平行方向为刀架部件4相对于主轴部件5在z轴的运动方向。待测量体1为含有若干阶梯的部件，待测量体1一端固定在主轴部件5的一端，数据采集装置安装的数控机床内部，若干温度传感器6分别放置在数控机床不同的靠近热源处，例如放置在主轴箱体中，放置在进给轴上的丝杠螺母上、放置在冷却液水箱处等，温度传感器6的数量和安装位置根据数控机床内部实际热源的位置和数量来确定。位移测量传感器2与温度传感器6均与数据采集装置通过线缆进行连接，数据采集装置获取位移测量传感器2和温度传感器6测量的位移数据和温度数据。

在本实施例中，第一测量端31和第二测量端32均设置有通孔7，位移测量传感器2卡扣固定在通孔7内。

在进行测量时，控制刀架部件4带动传感器固定支架3移动至待测量体1处，分别使第一测量端31上的位移测量传感器2移动至待测量体1的不同阶梯处，此时第一测量端31上的位移测量传感器2和第二测量端32上的位移测量传感器2均靠近待测量体1，进行位置测量，并将测量得到的数据发送至数据采集装置，同时不同的温度传感器6将测量得到的温度数据发送至数据采集装置。

如图4所示，本发明还提供一种基于上述的热位移误差测量装置的数控机床的热误差建模方法，包括以下步骤：

初始值获取，获取初始时刻时位移测量传感器移动至待测量体的预设测量位置处测量初始热位移值，获取不同温度传感器测量的含有初始温度值和温度传感器位置信息的初始温度数据。在本实施中预设测量位置可为多个，均为待测量体上的不同位置处的点。本实施例中每个预设测量位置对应的初始热位移值包括x轴初始位移值以及z轴初始位移值，x轴初始位移值为待测量体相对于第一测量端的位移距离，z轴初始位移值为待测量体在于第二测量端的位移距离。

热误差测量，根据预设间隔时间控制位移测量传感器分别移动至待测量体上的预设测位置进行热误差测量，得到含有测量热位移值、测量时间的位移测量数据，根据预设间隔时间实时获取不同温度传感器测量的含有测量温度值、测量时间、温度传感器位置信息的温度测量数据。本实施例中，对于单个预设测量位置对应的位移测量数据中的测量热位移值分为两类，包括若干x轴测量热位移值和若干z轴测量热位移值。

热误差计算，根据位移测量数据和初始热位移值得到含有测量时间和热位移差的热误差数据，根据初始温度数据和温度测量数据得到含有测量时间、温度变化值以及温度传感器位置信息的温度变化数据。在本实施例中，每个预设测量位置对应的热位移差包括x轴热位移差以及z轴热位移差，x轴热位移差为刀架部件和主轴部件在与第一测量端的水平方向上的热位移差，z轴热位移差为刀架部件和主轴部件在与第二测量端的水平方向上的热位移差；因此单个预设测量位置对应的热误差数据热误差数据包括若干x轴热误差数据和若干z轴热误差数据。

生成热误差模型，根据热误差数据和温度变化数据计算得到在预设测量位置处的热误差模型。本实施例中，每个预设测量位置会得到两种热误差型，具体包括x轴热误差模型和z轴热误差模型，以单个预设测量位置为例，此时根据该预设测量位移对应的x轴热误差数据和温度变化数据计算得到在预设测量位置处的x轴热误差模型，根据该预设测量位移对应的z轴热误差数据和温度变化数据计算得到在预设测量位置处的z轴热误差模型，x轴为第一测量端对应的水平方向，z轴为第二测量端对应的水平方向，本实施例中的x轴和z轴即为刀架部件相对于主轴部件的移动方向。

补偿函数计算，在本实施例中预设测量位置为多个时，则为此热误差模型为多个，分别获取不同预设测量位置的测量位置信息，将不同的测量时间及对应的测量温度值分别输入至对应的热误差模型，得到若干与测量时间对应的第一热位移差集合，每个第一热位移差集合中包括若干第一热位移差，每个第一热位移差集合与唯一的测量时间对应，每个第一热位移差与唯一的测量位置信息对应；根据第一热位移差集合和测量位置信息得到含有不同补偿函数的补偿函数集合，每个补偿函数均与唯一的测量时间对应。

补偿处理，获取待补偿位置以及待补偿时刻，根据待补偿时刻在补偿函数集合中筛选出对应的补偿函数，根据补偿位置以及补偿函数求出对应的补偿值，根据补偿值对数控机床进行补偿处理。

以下针对上述的一种数控机床的热误差建模方法，进行举例说明：

首先，以预设测量位置中一个点进行说明，假设该单个预设测量位置为p1点，温度传感器共测量n个热源测量点，预设间隔时间为5分钟，在初始时刻，获取此时不同温度传感器测量得到的初始温度值；同时将初始时刻记为t0开始测量时控制刀架部件带动位移测量传感器移动至待测量体上的p1点处，获取到待测量体相对于刀架部件的初始相对位移，即初始热位移值，此时包括x轴上初始热位移值x1(t0)、x2(t0)、x3(t0)和z轴上的初始热位移值z1(t0)、z2(t0)、z3(t0)；然后每间隔5分钟将位移测量传感器移动至待测量体上的p1处，得到每个测量时刻的测量热位移值，测量位移值包括x轴上测量位移值x1(ti)、x2(ti)、x3(ti)和z轴上的测量位移值z1(ti)、z2(ti)、z3(ti)，其中i表示不同测量时刻；根据上述的测量位移值与初始位移值的差值即可得到在待测量体上p1处不同时刻对应的热位移差，同时获取每个测量时刻时所有温度传感器测量到的测量温度值，根据测量温度值和初始温度值得到每个测量时刻时不同温度传感器测量到的温度变化值。将在p1点上不同测量时刻测量得到的在x轴上的热位移差的集合记为fx(p1)，i表示不同的测量时刻，在z轴上热位移差的集合记为fz(p1),i表示不同的测量时刻；t表示不同时刻时不同传感器对应的温度变化值。根据热误差数据和温度变化数据计算得到在预设测量位置处的热误差模型具体为：

因此则fx(p1)和t存在线性关系，可以根据以下具公式(1)、公式(2)以及公式(3)求出在待测量体上p1处的刀架部件在x轴上的热误差模型；具体公式如下：

fxi(p1)＝β0+β1ti1+β2ti2+...+βntin+εi(i＝1,2,...,m)(1)

其中，i表示不同的测量时刻，i为1,2,3，……m；fxi(p1)为在测量时刻为i时刀架部件在x轴上的热位移差；β0、β1、……、βn为待求参数；ti1、ti2，…，tin表示在预设测量位置为p1处时第i时刻得到的不同位置的温度变化值；0、1、2、……、n为温度传感器的位置信息；tin为在i时刻时，温度传感器位置信息为n的温度传感器对应的温度变化值；εi为相互独立且都服从正态分布的随机误差变量。

将上述公式(1)中的不同测量时刻代入得到如下公式(2)：

其中，fx1(p1)、fx2(p1)、……、fxm(p1)为在测量时刻为1、2、……、m时刀架部件在x轴上的热位移差；β0、β1、……、βn为待求参数；tin为在i时刻时，温度传感器位置信息为n的温度传感器对应的温度变化值；ε1、ε2、……、εm为在测量时刻为1、2、……、m时随机误差。将上述公式(2)转换为矩阵表达式(3)：

fx(p1)为在预设测量位置p1处上的热位移差矩阵，矩阵维数为m×1；t为温度矩阵，维数为m×(n+1)；β为待估计求解的向量；ε为随机误差。因此可根据公式(3)求得在预设位置p1的所有估计求解的向量β的值，即可得到待求参数β0、β1、……、βn；根据β0、β1、……、βn可得到p1位置时在上述x轴上的x轴热误差模型。根据上述方法同理可得到在片处位置上的待求参数的值，从而得到在p1位置时在上述z轴上的z轴热误差模型。在本实时例中，预设测量位置为多个，因此运用上述方法，可得到在待测不同测量位置处对应的x轴热误差模型和z轴热误差模型，每个测量位置均为一对应一个x轴热误差模型和z轴热误差模型。

在本实施例中，先取预设数量的预设测量位置对应的热误差模型，并获取所有预设测量位置对应的测量位置信息；再将不同的测量时间输入至热误差模型，即可得到不同测量时刻在不同预设位置时的热位移差，在同一测量时刻内，将所有预设测量位置对应的热位移差和测量位置信息筛选出来，根据若干热位移差和若干测量位置信息得到补偿函数，不同的测量时刻对应唯一的补偿函数(实质为一条拟合曲线)；热位移差拟合曲线根据热位移差的类别分为x轴补偿函数和z轴补偿函数；补偿函数中的变量为测量位置信息。当需要对数控机床进行补偿处理时，获取待补偿位置和待补偿时刻，根据待补偿时刻筛选出对应的补偿函数，将待补偿位置作为测量位置信息代入补偿函数即可得到在x轴或y轴上的补偿值。本实施例中的一种数控机床的热误差建模方法，可以精准的对数控机床进行热误差补偿。

本发明中的一种数控机床的热位移误差测量装置，包括待测量体、若干位移测量传感器、传感器固定支架、若干温度传感器以及数据采集装置，传感器固定支架固定在刀架部件上，位移测量传感器固定在传感器固定支架上，待测量体一端固定在主轴部件上，位移测量传感器与温度传感器均与数据采集装置通过线缆进行连接，数据采集装置设和所有温度传感器安装在数控机床中，当进行热位移误差测量时，刀架部件带动传感器固定支架移动至主轴部件上的待测量体处。通过传感器固定支架上的位移测量传感器以及待测量体实时测量在不同温度下的刀架部件和主轴部件之间相对位置上存在的热位移差，得到的热位移差更加精准，可以根据测量得到的热位移差对数控机床进行精准的误差补偿。

以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。