CN204711699U - 数控机床刀尖动态特性精度检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数控机床刀尖动态特性精度检测装置，主要解决了现有数控机床刀尖动态特性检测性能指标不全面、不精准以及仪器及切削试件检测成本较高等问题。该数控机床刀尖动态特性精度检测装置包括支座、连接板与L形支持壁板，通过孔以贯穿方式在支座顶部安装有呈两两垂直布置的位移传感器，同时通过集成机床各主要热源处的温度数据采集，实现主轴摆动或旋转运动过程中对刀尖点位姿实时信息获取，通过数据采集器自动获取融合的数据信息高速传输进入计算机实施记录及分析，完成精度相关计算和补偿数据生成。本实用新型结构设计巧妙，刀尖特性测试功能全面，通用性强，大大降低了数控加工精度测试成本，具有较好的实用和推广价值。

Description

数控机床刀尖动态特性精度检测装置

技术领域

本实用新型属于数控机床技术领域，涉及的是机床刀尖动态特性综合精度的检测，具体的说，是涉及一种数控机床刀尖动态特性精度综合检测装置及其方法。

背景技术

数控机床在加工的过程中，各种误差源均会通过各种机电环节传递至刀具刀尖点，使得刀尖点偏移理论位置，从而产生实际加工误差。随着数控技术朝着高速度、高精度及多轴化的方向发展，数控机床热变形误差、加工动态特性误差的检测需求日益突现。数控机床在加工的过程中，在各种热源：如轴承发热、电机发热、滚珠丝杆与螺母发热、导轨发热与日照、地热、空气流动等环境热源的共同作用下，会导致机床上的部件发生不同程度的热胀冷缩，在这些热变形的叠加传递作用下，导致机床刀尖处的位置精度遭到破坏，由此导致的误差称为热误差。一般说来，数控机床在加工过程中由于热变形引起的加工误差占机床全部误差的40～70％，国内外尽管对机床热变形误差研究较多，但目前国内尚无成熟的数控机床热特性误差检测手段。

对于四轴或五轴联动数控机床来说，由于引入了1或2个摆动或旋转轴导致引入了更多的刀尖误差源，加之多轴加工技术本身也较为复杂，导致用户掌握使用及设备维护过程中的精度检测中产生了诸多困难。机床四轴联动加工精度目前没有成熟的检测方法。机床五轴联动加工精度的检测一般采取NAS979圆锥试件或者S形试件切削加工的方法实施检验，不仅试件材料及刀具消耗大，而且受编程水平、刀具、工艺参数等影响较大，还需对试件拆卸并搬移至三坐标机 上进行最终检测，精度损失环节较多，检测成本颇高，较难直接地反映联动过程中的动态加工精度。

另外，针对刀尖运动误差的检测，传统用千分表直接架表进行测量，导致架表精度对操作技术水平要求不仅较高，而且完全依靠肉眼观察表头指针偏移并手工记录及计算，无法实现连续各瞬态刀尖位姿和温度信息的完整数据过程记录，且出错环节较多，更无法实现自动化准确分析和高精度计算；现代精度检测仪器如激光干涉仪、激光跟踪仪等在多轴联动机床的联动动态精度检测方面的局限性逐步显现，例如激光干涉仪适合直线轴精度检测且无法直接满足大摆角范围测量，而采用动则单台达数百万元价格的激光跟踪仪则在成本、便捷性和易用性与等方面还无法被广大机床用户接受和认可。采用更科学合理、高性价比的方法来实现数控机床加工精度检测，已经成为数控机床安装调试人员、特别是五轴机床用户提高生产率和机床利用率，改进和提高产品加工质量，实现数控机床装备优化运行的关键制约因素。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述缺陷，提供一种结构设计合理，可综合地实现数控加工过程刀尖点运动特性和热变形等动态特性相关参数自动化检测装置及其方法。

为了实现本实用新型的目的，本实用新型采用的技术方案如下：

数控机床刀尖动态特性精度检测装置，包括可安装在数控机床工作台的支座，通过设置在支座顶部的连接板，与L形支持壁板构成整体组件结构，在支持板和连接板通过孔方式设置有呈两两垂直布置的位移传感器，通过位移传感器与芯棒上的球头表面相对距离的检测，实现在主轴摆动运动过程中对刀尖动态位姿信息的实时获取，通过数据采集器将上述刀尖多传感器融合信息高速发 送输入计算机进行自动记录及分析，快速计算出数控机床刀尖点动态特性的各项精度指标和修正补偿参数，并能实现测试分析数据的图形化显示及打印测试报告。

所述的连接板平行于支座顶部水平端面布置固定，连接板内部设置有螺纹通孔以便于位移传感器沿着竖直方向进行贯穿式安装。

所述的L形支持壁板的两个壁面呈直角90°布置，L形支持壁板的两个壁面均垂直于支座顶部水平端面布置，并与L形支持壁板的两个壁面内部设置有螺纹通孔以便于位移传感器在水平方向进行贯穿式安装。

所述的温度传感器组包括多套热敏电阻传感器构成，通过磁铁或者胶布贴附方式灵活布置在数控机床各主要热源附近。

所述的计算机包括用于旋转刀具中心点精度测试模块、主轴径向倾斜度测试模块、主轴回转精度测试模块、主轴热变形测试模块，用于摆动轴补偿值数据生成模块、刀尖点受热发生热偏移修正数据生成模块，以及由动态精度预警模块和历史数据跟踪模块组成的数据库模块。

在上述基于结构的基础上，本实用新型还提供了其实现方法，包括以下步骤：

(1)设定数控机床的各工作参数，在机床工作台上架设数控机床刀尖动态特性精度检测装置，对位移传感器、温度传感器组、放大器、数据采集器和计算机进行初始化，完成检测装置工作参数的设定值；

(2)按照数控机床刀尖动态特性各项指标要求开启计算机中各项测试功能模块，通过位移传感器或温度传感器实现对数控机床相关运行状态下的刀尖动态信号测量，并将测量的动态信号通过数据采集器传输至计算机，完成数控机 床刀检点动态数据采集处理；

(3)根据测试要求由计算机实现对该项指标测试数据进行分析处理，并将机床刀尖动态特性的测量值与设定值或历史数据进行对比；

(4)生成供数控***进行参数调整的修正或补偿数据与机床刀尖动态特性各项指标分析报告。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型采用在数控机床工作台上安装集成传感器支座方式实现进行主轴芯棒球头刀尖点位姿动态误差和热误差的检测，与采购通用激光干涉仪或者激光跟踪仪等昂贵复杂仪器相比不仅结构简单，可维修性较好，而且装置成本较为低廉，测试工艺灵活，通用性较强，大大降低了机床安装调试及后续维护成本；

(2)本实用新型采用多类传感器集成的自动化测试方法与传统用千分表直接架表测量方式相比不仅方式更灵活简便，特别是支座上位移传感器布置方式大大降低了架设千分表的难度，缩短了辅助时间，还能实现了连续各瞬态刀尖位姿和温度信息的完整数据过程记录和高精度计算，大大提高了机床动态精度的测量效率和精度；

(3)本实用新型对能够全面实现数控机床刀尖动态特性参数指标测量、数控***补偿修正值数据生成、精度预警和历史数据跟踪及追溯等综合功能，具有参数齐全，功能实用，性价比高，具有在数控机床应用领域广泛的应用前景；

附图说明

图1为本实用新型的机械结构主视图。

图2为本实用新型的机械结构俯视图。

图3为本实用新型的机械结构侧视图。

图4为本实用新型中刀尖动态特性测试***的原理框图。

图5为数控机床坐标系构成示意图。

图6为本实用新型的检测方法实施工作流程图。

图7为本实用新型应用在主轴热态特性测试的工作示意图。

图8为本实用新型应用在主轴倾斜度测试的工作示意图。

图9为本实用新型应用在主轴回转精度测试的工作示意图。

图10为本实用新型应用在刀尖点C轴动态精度测试的工作示意图。

图11为本实用新型应用在刀尖点B轴动态精度测试的工作示意图。

图12为本实用新型应用在刀尖点A轴动态精度测试的工作示意图。

其中，附图标记所对应的名称：1-支座，2-连接板，3-L形支持壁板，4-位移传感器，5-位移传感器，6-位移传感器，7-热敏电阻传感器，8-计算机，9-位移信号放大器，10-接线端子板，11-温度信号放大器，12-数据采集器，13-球头芯棒，14-标准芯棒。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。本实用新型的实施方式包括但不限于下列实施例。

如图1、图2、图3所示，为本实用新型数控机床刀尖动态特性精度检测装置结构的一个优选实例的主视、俯视及侧视图。其主要包括安装在数控机床工作台上的包括安装在数控机床工作平台的支座1，设置在支座顶部的连接板2，连接板2内部设置有螺纹通孔以便于位移传感器6沿着竖直方向进行贯穿式安装，安装在连接板上的L形支持壁板3，L形支持壁板3的两个壁面均垂直于支座1顶部水平端面布置，并与L形支持壁板的两个壁面内部设置有螺纹通孔以 便于位移传感器4和位移传感器5进行贯穿式安装，实现对标准芯棒球头在各方向位置姿态在各种运动状态及刀尖热伸缩状态的偏差数据进行实时检测。

如图4所示，本实施例提供了数控机床刀尖动态特性测试***的硬件组成结构及检测原理，通过各位移传感器检测出球头芯棒的位姿实时信息，通过温度传感器组7检测出机床各主要发热部位的温度状态信息，通过数据采集器12采集上述球头位置信息和温度信息并高速发送这些数据信息进入计算机8进行自动计算分析与显示及打印报告。

如图5所示，为数控机床坐标系构成示意图。主要是定位数控机床刀尖点位姿的理论参考基准，包括X/Y/Z/A/B/C六个自由度基准。

如图6所示，为本实用新型的检测方法实施工作流程图。主要是首先设定数控机床的各工作参数，在机床工作台上架设数控机床刀尖动态特性精度检测装置，对位移传感器4、位移传感器5、位移传感器6、热敏电阻传感器组7、各类放大器、数据采集器12和计算机进行初始化设定。然后，按照数控机床刀尖动态特性各项指标要求开启计算机中各项测试功能模块，通过上述的各传感器实现对数控机床相关运行状态下的刀尖动态信号测量，并将测量的动态信号通过数据采集器12传输至计算机8，完成数控机床刀尖点动态数据采集处理。接着，根据测试要求由计算机实现对该项指标测试数据进行在机分析处理，并将机床刀尖动态特性的测量值与设定值或历史数据进行对比，以对数控机床刀尖动态精度进行异常判断，若判断结果为否，则数控机床保持原来精度状态或继续测试，若判断结果为是，则进入下一步数据报告生成。最后，生成相应修正或补偿数据供数控***进行参数调整并得到机床刀尖动态特性各项指标分析报告，为安装及调整维修提供参考数据，最终实现对数控加工精度的改进和提升。

如图7所示，为本实用新型应用在主轴热态特性测试的工作示意图。主要是通过空载或加载定时运行后，通过换刀将球头芯棒安装在主轴上并采用编程自动执行方法快速移动到预先设置后的刀尖位置实现对热误差的检测。

如图8所示，为本实用新型应用在主轴倾斜度测试的工作示意图。主要是通过将标准芯棒安装在主轴上并移动到预先设置后的刀尖位置，起动Z坐标轴上下往复运动并采集主轴相关信号，实现对主轴倾斜度的检测。

如图9所示，为本实用新型应用在主轴回转精度测试的工作示意图。主要是通过将标准芯棒安装在主轴上并移动到预先设置后的刀尖位置，起动主轴作额定转速n的旋转运动并采集主轴相关信号，实现对主轴回转精度的检测。

如图10所示，为本实用新型应用在刀尖点C轴动态精度测试的工作示意图。主要是通过将球头芯棒安装在主轴上并移动到预先设置后的刀尖位置，对具有C坐标摆动头的C轴进行固定角度回转运行，同时启动旋转刀具中心点控制模式实现C轴全行程动态刀尖运动特性的检测。

如图11所示，为本实用新型应用在刀尖点B轴动态精度测试的工作示意图。主要是通过将球头芯棒安装在主轴上并移动到预先设置后的刀尖位置(如在同一机床上已测过任意一个摆动或回转坐标则可省略此步骤)，对具有B坐标摆动头的B轴进行固定角度回转运行，同时启动旋转刀具中心点控制模式实现B轴全行程动态刀尖运动特性的检测。

如图12所示，为本实用新型应用在刀尖点A轴动态精度测试的工作示意图。主要是通过将球头芯棒安装在主轴上并移动到预先设置后的刀尖位置(如在同一机床上已测过任意一个摆动或回转坐标则可省略此步骤)，对具有A坐标摆动头的A轴进行固定角度回转运行，同时启动旋转刀具中心点控制模式实现A轴全行程刀尖运动特性的检测。

按照上述实施例，便可很好地实现本实用新型。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本实用新型所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本实用新型一样，故其也应当在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.数控机床刀尖动态特性精度检测装置，其特征在于，包括安装在数控机床工作平台的支座(1)，设置在支座顶部的连接板(2)，安装在连接板上的L形支持壁板(3)，设置在支持壁板上的位移传感器(4)和位移传感器(5)，设置在连接板上的位移传感器((6)，通过位移传感器检测出球头芯棒的刀尖位姿实时信息，通过温度传感器组(7)检测出机床各主要发热部位的温度状态信息，通过数据采集器(12)获取上述球头刀尖位姿的多传感器融合信号并高速发送数据进入计算机(8)实施计算分析。

2.根据权利要求1所述的数控机床刀尖动态特性精度检测装置，其特征在于，所述的连接板(2)平行于支座(1)顶部水平端面布置固定，连接板(2)内部设置有螺纹通孔以便于位移传感器(6)沿着竖直方向进行贯穿式安装。

3.根据权利要求1所述的数控机床刀尖动态特性精度检测装置，其特征在于，所述的L形支持壁板(3)的两个壁面呈直角90°布置，L形支持壁板(3)的两个壁面均垂直于支座(1)顶部水平端面布置，并与L形支持壁板(3)的两个壁面内部设置有螺纹通孔以便于位移传感器(4)和位移传感器(5)进行水平方向贯穿式安装。

4.根据权利要求1所述的数控机床刀尖动态特性精度检测装置，其特征在于，所述的温度传感器组(7)由多套热敏电阻传感器构成。

5.根据权利要求1所述的数控机床刀尖动态特性精度检测装置，其特征在于，所述的计算机(8)包括用于旋转刀具中心点精度测试模块、主轴径向倾斜度测试模块、主轴回转精度测试模块、主轴热变形测试模块，用于摆动轴补偿值数据生成模块、刀尖点受热发生热偏移修正数据生成模块，以及由动态精度预警模块和历史数据跟踪模块组成的数据库模块。