一种机床工作台热特性测试分析方法和系统

技术领域

本发明专利属于数控机床技术领域，涉及一种机床工作台的热特性测试分析方法和系统。

背景技术

热误差是机床在加工过程中由热变形引起的误差，随着数控机床制造装配精度的日益提高，热误差已经成为影响机床加工精度的主要因素之一。数控机床热误差测试是研究热误差形成机理、建模和补偿的基础。

机床工作台在往复运动过程中，尤其是大型机床，丝杠螺母生热严重，其中一部分热量传递给丝杠使丝杠发生热膨胀引起进给系统的热致定位误差，还有一部分热量传入工作台导致工作台发生膨胀、翘曲等热变形，降低加工精度。因此有必要对工作台热特性进行系统性测试与分析。

在专利“数控机床全工作台热误差测量系统及其测量方法”(申请号CN105785915A)中，利用测头和在工作台上布置标准块实现工作台热误差测量，但该方法不能分离出进给轴热误差对工作台的影响。

工作台的热特性需要在进给轴运动过程中动态测量，且需要分离机床移动轴的热致定位误差。目前，国内外对数控机床工作台整体热特性测试的研究较少，相关实验方案较缺乏。

发明内容

本发明的目的是提供一种机床工作台热特性测试分析方法和系统，实现了工作台热特性的测量与分离。

本发明的技术方案如下：

为实现上述目的，本发明提供一种机床工作台热特性测试分析方法，包括以下步骤：

一种机床工作台热特性测试分析方法，包括：

S1：首先布置温度传感器和位移传感器，再对激光干涉仪调光；

S2：执行定位误差采集程序，定位误差数据测量与记录；

S3：激活位移传感器测量干涉仪触发采集；工作台往复运动热机，采集误差；

S4：温度达到稳态之前，依次重复步骤S2与步骤S3直至达到稳态，切换其他工况条件继续测试到实验结束；

S5：数据分析得出机床工作台热特性情况。

进一步地，上述步骤S1具体是：

在靠近热源进给轴螺母、轴承座、电机座处布置温度传感器；在工作台表面均匀布置温度传感器；在工作台X、Y、Z三个方向上布置高精度非接触式位移传感器；搭建激光干涉仪测量系统，确保在全行程进给中激光干涉仪正常使用。

进一步地，上述步骤S2具体是：

执行定位误差采集程序，将进给行程分为均匀的多个测量点，往返一个行程，分段进给，每移动至一个测量点，干涉仪自动采集当前定位误差，位移传感器根据当前轴位置，在测量区域内启动测量并记录数据，记为第i次数据测量结果，i＝0表示机床初始状态。

进一步地，上述步骤S3具体是：

工作台在行程内往复运动2～5次，模拟加工中的生热阶段；而后继续执行步骤2完成定位误差数据与工作台热变形数据采集。

进一步地，上述步骤S5具体是：

位移传感器所采集工作台的位移量包含工作台热变形和移动轴生热导致的定位误差，将两种误差分离；对Y向和Z向，热致定位误差引起的工作台位移为二阶误差量，可以忽略；对X向，根据叠加原理，可将工作台位移量等价为热致定位误差与工作台热变形的和，因此得公式

式中，

一种机床工作台热特性测试分析系统，包括机床床身、反射镜、轴承座、丝杠、多个温度传感器、多个位移传感器、干涉镜、工作台、电机座、进给轴电机、激光干涉仪和螺母座；

所述机床床身上依次设置有所述的反射镜、轴承座和电机座；所述轴承座和电机座之间通过所述丝杠连接；所述丝杠上设置有螺母座，所述螺母座上设置有所述工作台；所述进给轴电机设置于所述电机座的侧面；

所述激光干涉仪和反射镜正对设置且分别位于所述工作台的两侧；

所述温度传感器布置于所述工作台、螺母座、轴承座和电机座处，用于采集机床进给轴和工作台的温度特性；

所述位移传感器布置于所述工作台两端行程极限处和所述工作台上。

进一步地，上有位移传感器通过卡具或磁力表座与机床床身或主轴固连。

进一步地，上述所述工作台两端行程极限处分别布局有3个所述位移传感器。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

1)本发明公布的一种机床工作台热特性测试分析方法和系统，结合热致定位误差与位移传感器数据，实现了工作台热特性的测量与分离。

2)本发明公布的一种机床工作台热特性测试分析方法和系统，对工作台热特性进行系统测试与分离，为工作台热误差分析，建模和补偿提供数据基础。

3)本发明公布的一种机床工作台热特性测试分析方法和系统，可以同时完成工作台所处进给轴和工作台的热特性测试。

附图说明

图1为本发明测试分析方法流程图

图2(a)为本发明测试分析系统的主视图；

图2(b)为本发明测试分析系统的俯视图；

图3为本发明涉及的数据自动采集系统示意图；

图4为本发明热特性测试采用的进给程序结构示意图。

图中：1-机床床身；2-第一位移传感器；3-第二位移传感器；4-第三位移传感器；5-反射镜；6-轴承座；7-丝杠；8-第四位移传感器；9-第五位移传感器；10-第七位移传感器；11-第六位移传感器；12-干涉镜；13-工作台；14-电机座；15-进给轴电机；16-第八位移传感器；17-第九位移传感器；18-第十位移传感器；19-激光干涉仪；20-螺母座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面以三轴立式加工中心为例，结合附图对本发明的实时方案进行说明。

如图1所示的机床工作台热特性测试分析方法，包括如下步骤：

步骤1，传感器布置，激光干涉仪调光：

在进给轴螺母、轴承座6、电机座14靠近热源处布置温度传感器；在工作台13表面均匀布置温度传感器；布置高精度非接触式位移传感器，如图2(a)和图2(b)中所示，为测量工作台13的X方向热变形，在工作台13两侧的两端行程极限处，分别布置三个位移传感器：第一位移传感器2、第二位移传感器3、第四位移传感器4与第八位移传感器16、第九位移传感器17、第十位移传感器18。为测量工作台13的Y向热变形，在Y向两侧各布置一个位移传感器，保证在往复进给过程中位移传感器能完全覆盖工作台两侧，分为第四位移传感器8与第五位移传感器9。为测量工作台13的Z向热变形，在Z向安装与Y轴平齐的位移传感器，第七位移传感器10与第六位移传感器11，所有位移传感器通过卡具或磁力表座与机床床身1或主轴固连，安装激光干涉仪镜组，确保在全行程进给中激光干涉仪正常使用。此外，还需在轴承座6、工作台13、电机座14、螺母座20上安装温度传感器若干。工作台热特性测量系统构成如图3所示：温度传感器与位移传感器通过数采仪接入计算机记录测点温度和工作台的热变形情况；激光干涉仪采集机床定位误差；计算机通过OPC通信记录工作台运动位置坐标。

步骤2，误差数据测量与记录

执行机床定位误差采集程序，将进给轴总行程均匀细分为10段共计11个位置测量点，往返过程中，，依次分段进给，每移动至一个位置测量点，干涉仪自动采集当前位置的定位误差。根据由OPC通信获取的工作台位置坐标(图3)，激活在测量区域内相应的位移传感器采集记录数据。记为第i次数据测量结果，i＝0表示机床初始状态，测量过程的进给运动如图4所示。

步骤3，工作台往复运动热机，采集热变形数据

工作台在行程内连续往复运动2-5次，模拟加工中的生热阶段。而后继续执行步骤2完成定位误差数据与工作台热变形数据采集

步骤4，机床热机，重复采集：

在温度数据达到稳态之前，依次重复步骤2与步骤3的热机过程。当温度达到稳态切换工况条件(进给速度)，继续测试至温度再次到达稳态。根据实验要求，当在切换不同工况后，温度达到稳定状态后，结束实验。完整的工作台热特性实验过程如图1所示。

步骤5，数据分析

位移传感器所采集工作台的位移量不仅包含了工作台热变形，还包含了移动轴生热导致的定位误差，需要将两种误差分离。对Y向和Z向，热致定位误差引起的工作台位移为二阶误差量，可以忽略。对X向，根据叠加原理，可将工作台位移量等价为热致定位误差与工作台热变形的和，因此有

式中，

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。