CN113770807B - 一种数控机床热误差测量用传感器固定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床热误差测量用传感器固定装置，紧固模块设置在标准连接杆上，且能够沿标准连接杆移动，紧固模块的一侧与传感器微调模块的微调固定基座连接，微调固定基座上设置有用于安装电涡流传感器的支架。能够显著提高固定装置的通用性和热误差测量效率，以及避免因安装精度导致的电涡流传感器测量精度下降的问题。

Description

一种数控机床热误差测量用传感器固定装置

技术领域

本发明属于数控机床误差测量技术领域，具体涉及一种数控机床热误差测量用传感器固定装置。

背景技术

数控机床误差是制约其精度提升的重要因素，由热变形引起的加工制造误差占比能够达到40％～70％，是机床误差的重要组成部分。数控机床在运行过程中会形成不均匀温度场，产生局部热变形，使刀具与工件的位置发生偏移，即热误差。机床热特性测试是对机床温度场与变形的检测与辨识，是进行机床热误差补偿的基础工程，可以分为主轴热特性测试和进给轴热特性测试。主轴是机床的主要发热源，ISO230-3标准推荐使用五个点的位移传感器对主轴热误差进行测量。

在五点法测量主轴热误差过程中，由于机床结构的多样性及传感器安装位置的高精度要求使得测量装置要依据机床的具体结构、实验要求、位移传感器的具体形状尺寸及安装要求进行开发设计，造成人力、物力的浪费，测量装置难以通用化。另外，由于位移传感器头部端面到检棒的位置精度要求达到微米级，并且传感器头部端面到传感器固定板的位置精度需要达到毫米级，使用传统的固定孔位安装方式时，同一方向的传感器后期难以微调，对测量装置的加工、装配工艺要求较高。因此，设计一款具备通用性、模块化、高精度的热误差测量装置对于提升热误差测量效率、降低实验成本及提高传感器安装精度具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种数控机床热误差测量用传感器固定装置，解决现有测量装置难以通用化、各类型位移传感器安装条件不一致造成安装精度难以保证的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种数控机床热误差测量用传感器固定装置，包括紧固模块，紧固模块设置在标准连接杆上，且能够沿标准连接杆移动，紧固模块的一侧与传感器微调模块的微调固定基座连接，微调固定基座上设置有用于安装电涡流传感器的支架。

具体的，紧固模块包括紧固立方块，紧固立方块的侧面中部开有通槽，标准连接杆贯穿通槽设置，紧固立方块的顶面沿通槽的径向方向开有螺纹孔，螺纹孔内设置有手拧螺丝；紧固立方块通过连接螺杆与微调固定基座连接。

进一步的，通槽的两端由直径等于标准连接杆直径的半圆组成。

进一步的，紧固立方块的顶面四周设置有安装孔，安装孔贯穿紧固立方块设置，连接螺杆设置在安装孔内，安装孔包括定位面和螺纹孔两部分，相邻两个安装孔的定位面和螺纹孔反向设置。

具体的，微调固定基座顶部平行设置有两个直线导轨，直线导轨上安装有微调活动基座；在微调固定基座的左侧设置有凸起，微调螺杆贯穿凸起并与微调活动基座螺纹配合，支架设置在微调活动基座上。

进一步的，支架与微调活动基座之间的微调螺杆上套装有弹簧。

具体的，传感器固定装置还包括铣主轴刀柄，铣主轴刀柄的一端将测量装置整体固定于机床的铣主轴上，另一端通过弹簧夹套与标准连接杆固连，标准连接杆上根据需求配置有X、Y、Z方向上的测量模块。

具体的，传感器固定装置还包括车削刀柄安装块，车削刀柄安装块的一端固定于车床的刀塔上，另一端通过手拧螺丝安装在紧固立方块中，紧固立方块与另一紧固立方块之间通过连接螺杆进行装配，另一紧固立方块上通过手拧螺丝固连有标准连接杆，标准连接杆上根据需求配置有X、Y、Z方向上的测量模块。

具体的，传感器固定装置还包括磁性表座，磁性表座的一侧利用磁性吸附于机床上，另一侧通过螺纹孔与标准连接杆连接，标准连接杆上根据需求配置有X、Y、Z方向上的测量模块。

具体的，传感器固定装置还包括车主轴卡盘安装块，车主轴卡盘安装块的一端固定于车床的三爪卡盘，另一端与标准连接杆固连，将传感器固定装置整体固定于机床车主轴上，标准连接杆上根据需求配置有X、Y、Z方向上的测量模块。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种数控机床热误差测量用传感器固定装置，紧固模块与传感器微调模块组成测量模块，通过模块化设计可根据需求快速进行拼接、更换，提高装置的通用性，便于维护和更新。

进一步的，紧固立方块设置为立方体结构，利用其平面便于各测量模块安装时快速进行平行、垂直定位。紧固立方块的顶面靠近四个直角处设置有四个安装孔，便于与其他部件如微调固定基座、其余紧固立方块利用连接螺杆进行快速拼接。

进一步的，紧固立方块的通槽的两端为直径等于标准连接杆直径的半圆组成，使用过程中手拧螺丝可将标准连接杆单侧抵紧，实现精准定位。同时通槽的结构相对于直接采用等直径的通孔结构更容易安装标准连接杆。

进一步的，紧固立方块的安装孔包括定位面和螺纹孔两部分，定位面直径与连接螺杆定位部位直径相同以提高安装精度，螺纹孔既可令两个紧固立方块之间通过连接螺杆连接，又可防止连接螺杆在未连接传感器微调模块时从安装孔内掉落。

进一步的，微调活动基座通过直线导轨与微调固定基座连接，实现精确导向。旋转微调螺杆可将旋转运动变为微调活动基座的直线运动，将旋转微调螺杆的螺距设置较小可以实现微米级微调，避免了传感器检测范围与安装位置难以同时满足要求的问题，进而导致传感器的测量精度等级。支架设计为可拆卸“L”型，将电涡流传感器安装于“L型”支架上，可根据不同品牌的电涡流传感器对支架铁板厚度、安装孔位大小等条件进行更换定制。

进一步的，微调固定基座与微调活动基座之间的微调螺杆上套装有弹簧，利用弹簧的弹力消除微调活动基座与微调螺杆之间的螺纹间隙，避免使用过程中由螺纹间隙导致的测量误差。

进一步的，标准连接杆可通过φ15弹簧夹套安装在铣主轴刀柄中，从而实现将传感器固定装置整体固定于机床的铣主轴上，适用于在车铣复合五轴加工中心对车主轴热误差测量的需求。

进一步的，标准连接杆与车削刀柄安装块之间通过两个紧固立方块进行组合连接，从而可以将传感器固定装置整体固定于车床刀塔上，适用于在车床中对车主轴热误差测量的需求。

进一步的，标准连接杆可与磁性表座通过螺纹连接，磁性表座可吸附于机床铁磁性材料的任意位置，从而可以将传感器固定装置整体固定于机床上，满足不同类型机床、两类主轴热误差测量的需求。

进一步的，标准连接杆通过车主轴卡盘安装块安装于车床的卡盘处，从而可以将传感器固定装置整体固定于车床车主轴上，适用于在车铣复合五轴加工中心对铣主轴热误差测量的需求。

综上所述，本发明采用模块化设计，在热误差测量中具有一定的通用性和高精度微调的特点，可采用车削刀柄安装、铣主轴刀柄安装、卡盘安装、磁性表座自定义安装的安装模式，适用于立式加工中心、卧式加工中心、车铣复合加工中心等机床结构的各类主轴的热误差测量，能够显著提高测量装置的通用性和测量效率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为热误差测量支架整体结构示意图；

图2为紧固模块结构示意图；

图3为传感器微调模块结构示意图；

图4为辅助安装配件结构示意图。

其中：1.磁性表座；2.标准连接杆；3.Z向热伸长测量模块；4.第一X向热误差测量模块；5.第一Y向热误差测量模块；6.第二X向热误差测量模块；7.第二Y向热误差测量模块；8.检棒；9.连接螺杆；10.手拧螺丝；11.紧固立方块；12.微调螺杆；13.电涡流传感器；14.支架；15.微调活动基座；16.微调固定基座；17.弹簧；18.铣主轴刀柄；19.弹簧夹套；20.车削刀柄安装块；21.车主轴卡盘安装块。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种数控机床热误差测量用传感器固定装置，包含紧固模块、传感器微调模块和辅助安装配件。紧固模块设置在标准连接杆2上，传感器微调模块设置在紧固模块的前侧，紧固模块与传感器微调模块共同组成测量模块，可根据测量要求将测量模块进行扩展安装于标准连接杆2上。根据测量需求和机床类型选择对应的辅助安装配件与标准连接杆2组合，从而将传感器固定装置整体固定于机床上。

紧固模块包括连接螺杆9、手拧螺丝10和紧固立方块11。

请参阅图2，紧固立方块11侧面中部开有一个贯穿的通槽，通槽的两端为直径等于标准连接杆(2)直径的半圆组成。

在紧固立方块11顶面中部沿通槽的径向方向有一贯穿的螺纹孔，通过拧紧手拧螺丝10将紧固立方块11紧定于标准连接杆2上。

在紧固立方块11的顶面靠近四个直角处设置有四个安装孔，安装孔的结构一段为定位面，另一段为螺纹孔，整体贯穿紧固立方块11设置，并且相邻安装孔的定位面与螺纹孔位置顺序相反。两个连接螺杆9于紧固立方块11的对角线位置分别穿过两个安装孔，连接螺杆9顶端带有与螺纹孔同型号的螺纹，连接螺杆9的中部与安装孔定位面间隙配合，提高一定的装配精度。

传感器微调模块包括电涡流传感器13、可拆卸传感器用L型的支架14、微调活动基座15、微调固定基座16和弹簧17。

请参阅图3，微调固定基座16设置在下部，微调固定基座16的底部直角处开有四个螺纹孔，通过与紧固模块的连接螺杆9螺纹连接实现固定，微调固定基座16顶部靠近两侧面平行设置有两个直线导轨，直线导轨上安装有微调活动基座15；在微调固定基座16的左侧设置有凸起，微调螺杆12贯穿凸起并与微调活动基座15螺纹配合。

在微调活动基座15的顶部通过螺钉固联有支架14，支架14外观整体呈L形状，在支架14的侧面开有宽度大于电涡流传感器13直径的槽，电涡流传感器13穿过槽并通过两侧的螺母固定在支架14上，且能够在槽内上下移动用于调节角度。

支架与微调活动基座15之间的微调螺杆12上套装有弹簧17，依靠弹簧的弹力实现微调螺杆12与微调活动基座15的单侧定位，消除螺纹间隙。

辅助安装配件包括磁性表座1、铣主轴刀柄18、车削刀柄安装块20、车主轴卡盘安装块21，其中四种配件可以和当前的部件组合以适应不同的机床热误差测量。

请参阅图4，铣主轴刀柄18通过φ15mm弹簧夹套19与标准连接杆2固连，标准连接杆2上可根据测量需求安装如第一X向热误差测量模块5的测量模块进行扩展，从而将本传感器固定装置整体固定于五轴车铣复合加工中心的铣主轴上对车主轴进行热误差的测量。

车削刀柄安装块19是截面为20*20mm正方形的定制刀柄，其前端为圆柱状，可穿过紧固立方块11中部孔，并通过手拧螺丝10进行紧固。紧固立方块11可与另一紧固立方块11通过连接螺杆9进行装配，另一紧固立方块11上通过手拧螺丝10固连有一标准连接杆2，标准连接杆2上可根据测量需求安装如第一X向热误差测量模块5的测量模块进行扩展，从而将本传感器固定装置整体固定于车床刀塔上对车主轴进行热误差的测量。

磁性表座1与标准连接杆2的一端通过M8的螺纹孔连接，标准连接杆2上可根据测量需求安装如第一X向热误差测量模块5的测量模块进行扩展。通过磁性表座1可将本传感器固定装置整体固定于任意磁性表座1可吸附的位置进行主轴热误差的测量。

车主轴卡盘安装块21为直径为φ40mm的圆柱，其端面中心处有一M8的螺纹孔，标准连接杆2的一端通过螺纹孔与车主轴卡盘安装块21连接。标准连接杆2上可根据测量需求安装如第一X向热误差测量模块5的测量模块进行扩展。通过机床的三抓卡盘可夹持圆柱状车主轴卡盘安装块21实现本传感器固定装置整体固定于五轴车铣复合加工中心车主轴上对铣主轴热误差的测量。另外，可通过两个紧固立方块11的配合实现标准连接杆2的垂直扩展，将标准连接杆2进行变向以适用更多的应用场景。

请参阅图1，为了便于说明本发明测量装置的使用方式，举例用五点法测量某立式三轴机床的主轴热误差，该主轴安装的刀柄型号为HSK，检棒8为HSK型可安装于该立式三轴机床的铣主轴上。

磁性表座1垂直吸附于机床工作台上，带有0～200mm刻度尺的200mm标准连接杆2一端通过M8的螺纹孔与磁性表座1连接，另一端沿轴线方向开有M8的螺纹孔，可根据实际测量情况实现多个标准连接杆2长度的拼接。

Z向热伸长测量模块3、第一X向热误差测量模块4、第一Y向热误差测量模块5、第二X向热误差测量模块6和第二Y向热误差测量模块7依次设置在标准连接杆2上，HSK型的检棒8与标准连接杆2平行设置，根据五点测试法的要求，Z向热伸长测量模块3安装于HSK型的检棒8的尖端部位实现Z方向上的主轴热伸长测量，第一X向热误差测量模块4和第二X向热误差测量模块6布置于机床的X方向，实现X向的热变形及热倾斜的测量；同理，第一Y向热误差测量模块5和第二Y向热误差测量模块7布置于机床的Y方向。

本发明一种数控机床热误差测量用传感器固定装置的工作原理如下：

在实际测量过程中，首先进行测量器材准备，根据不同的机床类型和测量需求选择辅助安装配件、标准杆的组合。另外，不同的传感器对于“L”型支架的厚度要求、开槽宽度是不一样的，需要进行定制。

测量模块的安装；

由于传感器的测量精度受传感器端面到支架平面之间的距离影响较大，并且和支架的材质相关，因此根据要求的结构尺寸和安装尺寸在支架14上安装好电涡流传感器13；由于紧固立方块11为立方体，相邻两面相互垂直，可以利用面实现不同的紧固立方块11垂直和平行定位。选择4个紧固立方块11穿入标准连接杆2，将其放置在较平的桌面上保证X与Y测量方向上两组紧固立方块11垂直以及同一测量方向上两个紧固立方块11平行，依据标准连接杆2上的尺寸选择好合理的长度后，再拧紧手拧螺丝10完成紧固；最后将图3所示传感器微调模块结构通过手拧螺丝10与微调固定基座16螺纹连接，即可完成测量模块的安装。

辅助安装配件选择。

根据测量机床的结构及测量主轴位置选择对应的辅助安装配件，包括磁性表座1、铣主轴刀柄18、车削刀柄安装块20、车主轴卡盘安装块21四种配件，其可与标准连接杆2连接形成四种安装模式，将本传感器固定装置固定于机床上。

传感器微调。

通过旋转微调螺杆12实现旋转运动变直线运动，调整电涡流传感器13的头部端面到检棒8之间的位置，达到微米级别的调整要求，对于调整的目标点，一般选定电涡流传感器13测量范围的中间位置，以便正负向测量范围均分。

热误差测量。

将电涡流传感器13连接供电电源及信号采集装置，通过电磁感应定律可以准确测量检棒8与各电涡流传感器13端面的距离。请参阅图1的传感器测量点位布置，采用五点法测量主轴热误差，其中Z向的主轴热伸长量由Z向热伸长测量模块3进行测量，径向分为X方向和Y方向，X方向分别由两个测量模块测量，即第一X向热误差测量模块4、第二X向热误差测量模块6，利用这两个传感器测量值可以计算出主轴在XOZ平面的热倾斜角θ_x大小及X向热偏移；同理，YOZ平面采用第一Y向热误差测量模块5、第二Y向热误差测量模块7得到的数值计算出热倾斜角θ_y和Y向热偏移值。

综上所述，本发明一种数控机床热误差测量用传感器固定装置，采用模块化设计，可根据实际情况配置测量模块及辅助安装配件以满足不同种类数控机床(车床、三轴立式铣床、五轴加工中心、五轴车铣复合加工中心等)、不同类型主轴(车主轴、铣主轴)、不同测试方法(热误差五点测试法、三点测试法等)的需求，能够显著提高固定装置的通用性和热误差测量效率，以及避免因安装精度导致的电涡流传感器测量精度下降的问题。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种数控机床热误差测量用传感器固定装置，其特征在于，包括紧固模块，紧固模块设置在标准连接杆(2)上，且能够沿标准连接杆(2)移动，紧固模块的一侧与传感器微调模块的微调固定基座(16)连接，微调固定基座(16)上设置有用于安装电涡流传感器(13)的支架(14)；

紧固模块包括紧固立方块(11)，紧固立方块(11)的侧面中部开有通槽，标准连接杆(2)贯穿通槽设置，紧固立方块(11)的顶面沿通槽的径向方向开有螺纹孔，螺纹孔内设置有手拧螺丝(10)；紧固立方块(11)通过连接螺杆(9)与微调固定基座(16)连接微调；

固定基座(16)顶部平行设置有两个直线导轨，直线导轨上安装有微调活动基座(15)；在微调固定基座(16)的左侧设置有凸起，微调螺杆(12)贯穿凸起并与微调活动基座(15)螺纹配合，支架(14)设置在微调活动基座(15)上；

传感器固定装置还包括车削刀柄安装块(20)，车削刀柄安装块(20)的一端固定于车床的刀塔上，另一端通过手拧螺丝(10)安装在紧固立方块(11)中，紧固立方块(11)与另一紧固立方块(11)之间通过连接螺杆(9)进行装配，另一紧固立方块(11)上通过手拧螺丝(10)固连有标准连接杆(2)，标准连接杆(2)上根据需求配置有X、Y、Z方向上的测量模块。

2.根据权利要求1所述的数控机床热误差测量用传感器固定装置，其特征在于，通槽的两端由直径等于标准连接杆(2)直径的半圆组成。

3.根据权利要求1所述的数控机床热误差测量用传感器固定装置，其特征在于，紧固立方块(11)的顶面四周设置有安装孔，安装孔贯穿紧固立方块(11)设置，连接螺杆(9)设置在安装孔内，安装孔包括定位面和螺纹孔两部分，相邻两个安装孔的定位面和螺纹孔反向设置。

4.根据权利要求1所述的数控机床热误差测量用传感器固定装置，其特征在于，支架与微调活动基座(15)之间的微调螺杆(12)上套装有弹簧(17)。

5.根据权利要求1所述的数控机床热误差测量用传感器固定装置，其特征在于，传感器固定装置还包括铣主轴刀柄(18)，铣主轴刀柄(18)的一端将测量装置整体固定于机床的铣主轴上，另一端通过弹簧夹套(19)与标准连接杆(2)固连，标准连接杆(2)上根据需求配置有X、Y、Z方向上的测量模块。

6.根据权利要求1所述的数控机床热误差测量用传感器固定装置，其特征在于，传感器固定装置还包括磁性表座(1)，磁性表座(1)的一侧利用磁性吸附于机床上，另一侧通过螺纹孔与标准连接杆(2)连接，标准连接杆(2)上根据需求配置有X、Y、Z方向上的测量模块。

7.根据权利要求1所述的数控机床热误差测量用传感器固定装置，其特征在于，传感器固定装置还包括车主轴卡盘安装块(21)，车主轴卡盘安装块(21)的一端固定于车床的三爪卡盘，另一端与标准连接杆(2)固连，将传感器固定装置整体固定于机床车主轴上，标准连接杆(2)上根据需求配置有X、Y、Z方向上的测量模块。

Images