CN109623493A - 一种判定主轴实时热变形姿态的方法 - Google Patents

一种判定主轴实时热变形姿态的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种判定主轴实时热变形姿态的方法，属于数控机床误差测试技术领域。该方法针对目前缺乏加工过程中主轴热变形姿态实时监测的现状，首先分别应用温度传感器和位移传感器测试主轴运行时主轴箱上下表面的温度和主轴径向热误差；然后根据主轴径向热误差计算主轴箱上下表面的热变化量，并建立热变化量与主轴箱上下表面温度的模型；最后根据实时采集的主轴箱上下表面温度判定主轴实时热变形姿态。该方法的最大优点为可实现加工过程中主轴热变形姿态的实时监测。

Description

一种判定主轴实时热变形姿态的方法
技术领域
本发明属于数控机床误差测试技术领域，具体为一种判定主轴实时热变形姿态的方法。
背景技术
在数控机床的加工过程中，热变形是影响加工精度的主要因素之一。由于主轴在运行过程中发热量较大，因此其热变形也较大。主轴的热变形不仅会引起轴向热伸长误差，还会引起径向的热漂移误差和热倾斜误差。这些误差不仅会影响刀具与工件的相对位置，还会影响刀具与工件的相对姿态。对主轴热变形的检测有助于了解机床的加工精度，降低废品率以及为主轴热变形的分析和控制提供数据基础，因此是十分必要的。目前已有学者对主轴热变形的检测方法进行了大量研究。
目前数控机床主轴热误差检测主要分为两类：
(1)基于位移传感器的主轴热误差检测：使用激光、电容、电涡流等类型的位移传感器检测主轴运行过程中的轴向热伸长误差和径向的热漂移误差。在专利《机床主轴热误差监测***》，专利号：CN201410064187.1中应用激光位移传感器检测主轴热误差；在专利《模拟工况载荷条件下机床主轴热误差测试试验方法》，专利号：CN201010292286.7中应用电涡流传感器检测主轴热误差。
(2)基于工件的主轴热误差检测：利用工件的加工特征估计主轴热误差。在专利《基于铣削小孔的数控机床切削热误差测试和评价方法》，专利号：CN201310562312.7中，在立方体工件上表面加工一组小孔，根据孔径和孔深检测主轴热误差。
可以看出，目前主轴热误差检测的问题在于：基于位移传感器的主轴热误差检测方法虽然可以检测出主轴热漂移误差和热倾斜误差，但是只能在空载状态下进行检测，与实际加工存在差别。基于工件的主轴热误差检测方法虽然在实际加工工况下进行测试，但只能检测主轴轴向热漂移误差，无法得出主轴热变形姿态。可以看出，目前的主轴热误差检测方法均无法在机床加工状态下实现对主轴热变形姿态的实时监测。
发明内容
本发明针对现有检测方法无法在机床加工状态下对主轴热变形姿态实时监测的现状，提供一种判定主轴实时热变形姿态的方法，实现在实际加工过程中主轴热变形姿态的实时监测。
本发明的技术方案：
一种判定主轴实时热变形姿态的方法，首先，分别应用温度传感器和位移传感器测试主轴运行时主轴箱上下表面的温度和主轴径向热误差；然后，根据主轴径向热误差计算主轴箱上下表面的热变化量，并建立热变化量与主轴箱上下表面温度的模型；最后，基于该模型，根据实时采集的主轴箱上下表面温度判定主轴实时热变形姿态；具体步骤如下：
第一步，温度和热误差测试
第一温度传感器1布置在主轴箱2的上表面，第二温度传感器3布置在主轴箱2的下表面；检棒4通过刀柄接口固定在主轴上；第一位移传感器6和第二位移传感器5布置在检棒4侧面，其中第二位移传感器5靠近主轴鼻端；
测试过程为：首先主轴以转速R(不高于主轴最高转速)持续运行M小时(如4小时)进行升温，之后主轴停止转动降温N小时(如3小时)；在此过程中，以一定周期(如10秒)采集第一温度传感器1、第二温度传感器3、第一位移传感器6和第二位移传感器5的数据；
第二步，建立热变化量与主轴箱上下表面温度的模型
设第一温度传感器1采集的数据为t1，第二温度传感器3采集的数据为t2，第一位移传感器6采集的数据为p1，第二位移传感器5采集的数据为p2；按照式(1)得出t1的增量△t1、t2的增量△t2、p1的增量△p1和p2的增量△p2；
设主轴箱2上表面到下表面的距离为A1，主轴箱2下表面到第二位移传感器5的距离为A2，第二位移传感器5到第一位移传感器6的距离为A3；
(1)计算主轴箱上下表面的热膨胀量
根据主轴结构及数据△p1和△p2，基于以下方法计算主轴箱2上表面热变化量eupper和下表面热变化量elower；
设中间变量α和β的计算公式为：
根据当前时刻α、β、△p1和△p2的关系，分为以下情况计算当前时刻的主轴箱上下表面的热变化量；
a)当△p1(i)≥0，△p2(i)≥0，△p1(i)>△p2(i)，β(i)≤A2时：
b)当△p1(i)≥0，△p2(i)≥0，△p1(i)>△p2(i)，β(i)>A2，β(i)≤(A1+A2)时：
c)当△p1(i)≥0，△p2(i)≥0，△p1(i)>△p2(i)，β(i)>(A1+A2)时：
d)当△p1(i)≥0，△p2(i)≥0，△p1(i)≤△p2(i)时：
e)当△p1(i)>0，△p2(i)<0时：
f)当△p1(i)<0，△p2(i)>0时：
g)当△p1(i)<0，△p2(i)<0，△p1(i)≥△p2(i)时：
h)当△p1(i)<0，△p2(i)<0，△p1(i)<△p2(i)，β(i)>(A1+A2)时：
i)当△p1(i)<0，△p2(i)<0，△p1(i)<△p2(i)，β(i)<(A1+A2)，β(i)>A2时：
j)当△p1(i)<0，△p2(i)<0，△p1(i)<△p2(i)，β(i)≤A2时：
(2)建立主轴箱上下表面热变化量与温度的模型
主轴箱上下表面热变化量与上下表面温度的关系模型如式(13)所示：
式中a1、a2、b1和b2为系数；
应用最小二乘法，根据数据eupper、elower、△t1和△t2计算得出a1、a2、b1和b2；
第三步，主轴实时热变形姿态的判定
主轴运行过程中，以一定周期(如10秒)采集第一温度传感器1和第二温度传感器3的数据；基于式(13)，根据当前时刻的温度数据计算主轴箱上下表面热变化量eupper和elower；按照如下方法，在不使用位移传感器的情况下判定当前时刻主轴热变形姿态；
设中间变量γ的计算如式(14)所示：
根据当前时刻eupper、elower和γ的关系，按以下情况分别计算当前时刻的主轴在第一位移传感器6和第二位移传感器5位置的径向热误差△pc1和△pc2；
a)当eupper(i)≥0、elower(i)≥0，eupper(i)≥elower(i)，γ(i)≤A2时：
b)当eupper(i)>0、elower(i)<0时：
c)当eupper(i)<0、elower(i)<0，eupper(i)≥elower(i)时：
d)当eupper(i)<0、elower(i)<0，eupper(i)<elower(i)，γ(i)>(A2+A3)时：
f)当eupper(i)<0、elower(i)<0，eupper(i)<elower(i)，γ(i)≤(A2+A3)，γ(i)>A2时：
g)当eupper(i)≥0、elower(i)≥0，eupper(i)>elower(i)，γ(i)>(A2+A3)时：
h)当eupper(i)≥0、elower(i)≥0，eupper(i)≤elower(i)时：
i)当eupper(i)<0、elower(i)>0时：
j)当eupper(i)<0、elower(i)<0，eupper(i)≤elower(i)，γ(i)≤A2时：
根据△pc1和△pc2，按照式(25)计算主轴的热变形姿态，即主轴径向热误差Ethermal和热倾斜误差这样，即判定出主轴的实时热变形姿态：
本发明的有益效果为：本发明可实现加工过程中主轴热变形姿态的实时监测。目前尚无加工过程中主轴热变形姿态的实时监测方法。本发明可实现在机床加工过程中对主轴热变形姿态的实时监测，以此判断主轴当前状态能否满足工件加工精度要求，避免加工精度超差，提高产品合格率。该实时监测方法还可以为主轴热变形机理分析、建模和补偿提供依据。
附图说明
图1为温度传感器布置及主轴热变形姿态测试示意图。
图2为主轴实时热变形姿态判定流程图。
图3为第一和第二温度传感器采集的温度。
图4为第一和第二位移传感器采集的位移。
图5(a)为预测的主轴径向热误差。
图5(b)为预测的主轴热倾斜误差。
图中：1第一温度传感器；2主轴箱；3第二温度传感器；4检棒；5第二位移传感器；6第一位移传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明了，下面结合附图对本发明作详细说明。
以某型三轴立式加工中心为例，详细说明本发明的实施方式。该加工中心主轴最高转速15000r/min，主轴电机与主轴采用联轴器连接，主轴不带冷却装置。
第一步，温度和热误差测试
第一温度传感器(1)布置在主轴箱(2)的上表面，第二温度传感器(3)布置在主轴箱(2)的下表面。检棒(4)通过刀柄接口固定在主轴上。第一位移传感器(6)和第二位移传感器(5)布置在检棒侧面，其中第二位移传感器(5)靠近主轴鼻端。具体布置方式如图1所示。
测试过程为：首先主轴以转速8000r/min持续运行4小时进行升温，之后主轴静止降温3小时。在此过程中，以10s周期采集第一温度传感器(1)、第二温度传感器(3)、第一位移传感器(6)和第二位移传感器(5)的数据。
第二步，建立热变化量与主轴箱上下表面温度的模型
设第一温度传感器(1)采集的数据为t1，第二温度传感器(3)采集的数据为t2，第一位移传感器(6)采集的数据为p1，第二位移传感器(5)采集的数据为p2。按照式(1)得出t1的增量△t1、t2的增量△t2、p1的增量△p1和p2的增量△p2。△t1和△t2的曲线如图3所示，△p1和△p2的曲线如图4所示。
主轴箱(2)上表面到下表面的距离为210mm，主轴箱(2)下表面到第二位移传感器(5)的距离为280mm，第二位移传感器(5)到第一位移传感器(6)的距离为76.2mm。
根据主轴结构及数据△p1和△p2，基于式(2)～式(12)计算主轴箱(2)上表面热变化量eupper和下表面热变化量elower。基于式(13)，应用最小二乘法计算出系数a1、a2、b1和b2分别为5.76、0.37、4.85和-0.08。
第三步，主轴实时热变形姿态的判定
令主轴以10000r/min持续运行4小时升温，之后静止降温3小时。主轴运行过程中，以10s的周期实时采集第一温度传感器(1)和第二温度传感器(3)的数值。基于式(13)，根据当前时刻的温度数据计算主轴箱上下表面热变化量eupper和elower。
根据式(14)～式(25)计算出当前时刻的主轴热变形姿态，即主轴热漂移误差(如图5(a)所示)和热倾斜误差(如图5(b)所示)，从而实现对主轴实时热变形姿态的判定。

Claims (1)

1.一种判定主轴实时热变形姿态的方法，首先，分别应用温度传感器和位移传感器测试主轴运行时主轴箱上下表面的温度和主轴径向热误差；然后，根据主轴径向热误差计算主轴箱上下表面的热变化量，并建立热变化量与主轴箱上下表面温度的模型；最后，基于该模型，根据实时采集的主轴箱上下表面温度判定主轴实时热变形姿态；其特征在于，步骤如下：
第一步，温度和热误差测试
第一温度传感器(1)布置在主轴箱(2)的上表面，第二温度传感器(3)布置在主轴箱(2)的下表面；检棒(4)通过刀柄接口固定在主轴上；第一位移传感器(6)和第二位移传感器(5)布置在检棒(4)侧面，其中第二位移传感器(5)靠近主轴鼻端；
测试过程为：首先主轴以转速R持续运行M小时进行升温，转速R不高于主轴最高转速，之后主轴停止转动降温N小时；在此过程中，以一定周期采集第一温度传感器(1)、第二温度传感器(3)、第一位移传感器(6)和第二位移传感器(5)的数据；
第二步，建立热变化量与主轴箱上下表面温度的模型
设第一温度传感器(1)采集的数据为t1，第二温度传感器(3)采集的数据为t2，第一位移传感器(6)采集的数据为p1，第二位移传感器(5)采集的数据为p2；按照式(1)得出t1的增量△t1、t2的增量△t2、p1的增量△p1和p2的增量△p2；
设主轴箱(2)上表面到下表面的距离为A1，主轴箱(2)下表面到第二位移传感器(5)的距离为A2，第二位移传感器(5)到第一位移传感器(6)的距离为A3；
(1)计算主轴箱上下表面的热膨胀量
根据主轴结构及数据△p1和△p2，基于以下方法计算主轴箱(2)上表面热变化量eupper和下表面热变化量elower；
设中间变量α和β的计算公式为：
根据当前时刻α、β、△p1和△p2的关系，分为以下情况计算当前时刻的主轴箱上下表面的热变化量；
a)当△p1(i)≥0，△p2(i)≥0，△p1(i)>△p2(i)，β(i)≤A2时：
b)当△p1(i)≥0，△p2(i)≥0，△p1(i)>△p2(i)，β(i)>A2，β(i)≤(A1+A2)时：
c)当△p1(i)≥0，△p2(i)≥0，△p1(i)>△p2(i)，β(i)>(A1+A2)时：
d)当△p1(i)≥0，△p2(i)≥0，△p1(i)≤△p2(i)时：
e)当△p1(i)>0，△p2(i)<0时：
f)当△p1(i)<0，△p2(i)>0时：
g)当△p1(i)<0，△p2(i)<0，△p1(i)≥△p2(i)时：
h)当△p1(i)<0，△p2(i)<0，△p1(i)<△p2(i)，β(i)>(A1+A2)时：
i)当△p1(i)<0，△p2(i)<0，△p1(i)<△p2(i)，β(i)<(A1+A2)，β(i)>A2时：
j)当△p1(i)<0，△p2(i)<0，△p1(i)<△p2(i)，β(i)≤A2时：
(2)建立主轴箱上下表面热变化量与温度的模型
主轴箱上下表面热变化量与上下表面温度的关系模型如式(13)所示：
式中a1、a2、b1和b2为系数；
应用最小二乘法，根据数据eupper、elower、△t1和△t2计算得出a1、a2、b1和b2；
第三步，主轴实时热变形姿态的判定
主轴运行过程中，以一定周期(如10秒)采集第一温度传感器1和第二温度传感器3的数据；基于式(13)，根据当前时刻的温度数据计算主轴箱上下表面热变化量eupper和elower；按照如下方法，在不使用位移传感器的情况下判定当前时刻主轴热变形姿态；
设中间变量γ的计算如式(14)所示：
根据当前时刻eupper、elower和γ的关系，按以下情况分别计算当前时刻的主轴在第一位移传感器(6)和第二位移传感器(5)位置的径向热误差△pc1和△pc2；
a)当eupper(i)≥0、elower(i)≥0，eupper(i)≥elower(i)，γ(i)≤A2时：
b)当eupper(i)>0、elower(i)<0时：
c)当eupper(i)<0、elower(i)<0，eupper(i)≥elower(i)时：
d)当eupper(i)<0、elower(i)<0，eupper(i)<elower(i)，γ(i)>(A2+A3)时：
e)当eupper(i)≥0、elower(i)≥0，eupper(i)>elower(i)，γ(i)≤(A2+A3)，γ(i)>A2时：
f)当eupper(i)<0、elower(i)<0，eupper(i)<elower(i)，γ(i)≤(A2+A3)，γ(i)>A2时：
g)当eupper(i)≥0、elower(i)≥0，eupper(i)>elower(i)，γ(i)>(A2+A3)时：
h)当eupper(i)≥0、elower(i)≥0，eupper(i)≤elower(i)时：
i)当eupper(i)<0、elower(i)>0时：
j)当eupper(i)<0、elower(i)<0，eupper(i)≤elower(i)，γ(i)≤A2时：
根据△pc1和△pc2，按照式(25)计算主轴的热变形姿态，即主轴径向热误差Ethermal和热倾斜误差这样，即判定出主轴的实时热变形姿态：
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