本發(fā)明涉及一種機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下熱力耦合變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

數(shù)控機(jī)床是工業(yè)制造的重要基礎(chǔ)，機(jī)床加工精度是機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。在數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中，機(jī)床各部件不均衡溫升引起的熱變形使得刀具和工件之間的相對(duì)位置發(fā)生了變化；切削力作用下主軸發(fā)生力變形，造成讓刀。據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)控機(jī)床熱誤差約占總誤差的50％～70％，力誤差約占總誤差的10％～15％。對(duì)機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下的熱力耦合誤差進(jìn)行研究尤其是實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下熱力耦合變形的精確、安全監(jiān)測(cè)，能夠有效提高機(jī)床加工精度，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

目前對(duì)機(jī)床主軸加工誤差的研究成果很多，但存在以下不足：1.大多數(shù)誤差研究是在機(jī)床主軸空轉(zhuǎn)條件下進(jìn)行的，只考慮了主軸熱變形的影響，沒(méi)有考慮到切削力的影響，研究成果難以應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中；2.針對(duì)機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下的加工誤差研究中，常采用基于加工工件誤差測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差解耦的方法，這種方法計(jì)算復(fù)雜，可靠性低。因此亟需設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下熱力耦合變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效提高工業(yè)生產(chǎn)水平。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下熱力耦合變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法,解決現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)有考慮到主軸切削力變形，實(shí)際切削狀態(tài)下主軸熱力耦合變形測(cè)量困難的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下熱力耦合變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括支撐架、固定機(jī)構(gòu)、平移支架、平移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)支架、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、位移傳感器以及控制裝置，所述位移傳感器優(yōu)選為L(zhǎng)VDT(Linear Variable Differential Transformer，線性可變差動(dòng)變壓器)位移傳感器，所述固定機(jī)構(gòu)、所述平移支架、所述平移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、所述旋轉(zhuǎn)支架和所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在所述支撐架上，所述控制裝置與所述平移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、所述位移傳感器通過(guò)線路連接，所述固定機(jī)構(gòu)用于將所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)固定安裝在機(jī)床上，優(yōu)選地，所述固定機(jī)構(gòu)還隔離床身振動(dòng)，所述平移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耦合到所述平移支架以驅(qū)動(dòng)所述平移支架作平移運(yùn)動(dòng)，所述旋轉(zhuǎn)支架安裝在所述平移支架上，所述位移傳感器安裝在所述旋轉(zhuǎn)支架上，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耦合到所述旋轉(zhuǎn)支架以驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)支架作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)一步地：

所述支撐架包括主橫梁和從主橫梁上延伸出來(lái)的分支臂，所述分支臂與所述主橫梁形成夾角，優(yōu)選地，所述支撐架由碳纖維桿組成。

所述固定機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在所述分支臂上的第一磁力座、第一隔振器以及設(shè)置在所述主橫梁上的第二磁力座、第二隔振器和第三磁力座、第三隔振器，所述第一磁力座、所述第二磁力座和所述第三磁力座用于吸附機(jī)床床身，所述第一隔振器、所述第二隔振器、所述第三隔振器用于隔離床身振動(dòng)。

所述平移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第一舵機(jī)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、第一直線導(dǎo)軌以及第二直線導(dǎo)軌，所述齒輪齒條機(jī)構(gòu)包括齒輪和與所述齒條嚙合的齒條，所述第一舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸與所述齒輪同軸線過(guò)盈配合以驅(qū)動(dòng)所述齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，所述齒條安裝在所述平移支架上，所述平移支架通過(guò)滑塊安裝在所述第一直線導(dǎo)軌和所述第二直線導(dǎo)軌上，所述第一舵機(jī)輪通過(guò)所述齒輪齒條機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)所述平移支架沿所述第一直線導(dǎo)軌和所述第二直線導(dǎo)軌作平移運(yùn)動(dòng)。

所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第二舵機(jī)和轉(zhuǎn)軸，所述第二舵機(jī)與所述轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)軸器連接，所述轉(zhuǎn)軸與所述旋轉(zhuǎn)支架相連，所述第二舵機(jī)通過(guò)所述轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)支架作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

所述控制裝置包括安裝在所述支撐架上的主控板，所述主控板控制所述平移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以調(diào)整所述位移傳感器的位置和姿態(tài)，接收所述位移傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)機(jī)床異常狀況進(jìn)行預(yù)警。

所述主控板將測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在所述主控板上插接的SD卡中。

所述位移傳感器的位置和姿態(tài)經(jīng)控制以使監(jiān)測(cè)過(guò)程中測(cè)量方向正對(duì)且垂直于機(jī)床主軸軸心線。

所述支撐架為可調(diào)組裝方式的組裝式結(jié)構(gòu)，優(yōu)選各部分通過(guò)螺栓連接，通過(guò)不同的組裝方式實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下x、y、z三個(gè)方向的熱力耦合變形的測(cè)量，優(yōu)選地，所述支撐架設(shè)置有多個(gè)加強(qiáng)筋。

一種機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下熱力耦合變形監(jiān)測(cè)方法，使用所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下熱力耦合變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下熱力耦合變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用機(jī)電一體化方式，通過(guò)控制裝置如主控板實(shí)時(shí)接收位移傳感器優(yōu)選LVDT位移傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，并據(jù)此控制平移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)LVDT位移傳感器的姿態(tài)和位置進(jìn)行精確調(diào)整，使所測(cè)數(shù)據(jù)精確可靠；優(yōu)選通過(guò)隔振器將床身振動(dòng)隔離，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和測(cè)量精度；優(yōu)選調(diào)整LVDT位移傳感器使測(cè)量方向正對(duì)且垂直于機(jī)床主軸軸心線，提高所測(cè)數(shù)據(jù)精確性與可靠性；本發(fā)明的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)床異常狀況及時(shí)預(yù)警，提高生產(chǎn)過(guò)程智能化與安全水平；存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，為機(jī)床主軸熱力耦合誤差補(bǔ)償研究積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)選將測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在主控板上插接的SD卡中。本發(fā)明解決了機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下熱力耦合變形難以測(cè)量的難題，對(duì)機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)走向工業(yè)生產(chǎn)具有實(shí)際意義。

本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：采用主控板對(duì)LVDT位移傳感器的姿態(tài)和位置進(jìn)行控制，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警、存儲(chǔ)等響應(yīng)，提高了生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、智能化水平；采用LVDT位移傳感器對(duì)實(shí)際切削狀態(tài)下的熱力耦合變形進(jìn)行測(cè)量，在有切屑和切削液的惡劣環(huán)境中仍能夠正常工作。

本發(fā)明的另一優(yōu)選方案還進(jìn)一步具有如下優(yōu)點(diǎn)：支撐架各個(gè)組成零部件由碳纖維桿組成，由于碳纖維桿的熱膨脹系數(shù)小，密度小，強(qiáng)度高，因此支撐架熱變形和力變形均很?。痪ㄟ^(guò)螺栓連接，安裝、拆卸靈活方便；能夠通過(guò)不同的組裝方式，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下x、y、z三個(gè)方向的熱力耦合變形的精確測(cè)量，經(jīng)濟(jì)高效。

本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下x、y、z三個(gè)方向的熱力耦合變形的精確測(cè)量，為熱力耦合誤差補(bǔ)償研究積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)加工過(guò)程中的異常狀況及時(shí)預(yù)警，從而有助于有效提高機(jī)床加工精度，提高生產(chǎn)過(guò)程智能化與安全水平。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施例在機(jī)床上的安裝示意圖；

圖3為本發(fā)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施例的工作流程圖；

圖4為本發(fā)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施例的測(cè)量原理圖。

附圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明：1-第一磁力座、2-第一隔振器、3-第二磁力座、4-第二隔振器、5-第三磁力座、6-第三隔振器、7-支撐架、8-第一舵機(jī)、9-轉(zhuǎn)軸、10-旋轉(zhuǎn)支架、11-夾具、12-LVDT位移傳感器、13-第一直線導(dǎo)軌、14-第二直線導(dǎo)軌、15-平移支架、16-第二舵機(jī)、17-齒輪齒條機(jī)構(gòu)、18-主控板、19-監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、20-機(jī)床工作臺(tái)、21-機(jī)床主軸。

具體實(shí)施方式

以下對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說(shuō)明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。

如圖1所示，一種機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下熱力耦合變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括第一磁力座1、第一隔振器2、第二磁力座3、第二隔振器4、第三磁力座5、第三隔振器6、支撐架7、第一舵機(jī)8、轉(zhuǎn)軸9、旋轉(zhuǎn)支架10、夾具11、LVDT位移傳感器12、第一直線導(dǎo)軌13、第二直線導(dǎo)軌14、平移支架15、第二舵機(jī)16、齒輪齒條機(jī)構(gòu)17、主控板18。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所有零部件均安裝在支撐架7上；磁力座1、3、5用于吸附機(jī)床床身，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)牢固安裝在機(jī)床上(如床身立柱等固定結(jié)構(gòu)上)；隔振器2、4、6分別設(shè)置在磁力座1、3、5與支撐架7之間，用于隔離床身振動(dòng)；主控板18與第一舵機(jī)8、第二舵機(jī)16、LVDT位移傳感器12通過(guò)線路連接；第二舵機(jī)16轉(zhuǎn)軸與齒輪齒條機(jī)構(gòu)17的齒輪同軸線過(guò)盈配合，驅(qū)動(dòng)齒輪齒條運(yùn)動(dòng)；齒輪齒條機(jī)構(gòu)17的齒條安裝在平移支架15上，帶動(dòng)平移支架15做平移運(yùn)動(dòng)；平移支架15通過(guò)滑塊安裝在直線導(dǎo)軌13、14上；旋轉(zhuǎn)支架10安裝在平移支架15上，與轉(zhuǎn)軸9固連；LVDT位移傳感器12通過(guò)夾具11安裝在旋轉(zhuǎn)支架10上；第一舵機(jī)8與轉(zhuǎn)軸9通過(guò)聯(lián)軸器連接，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架10做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

主控板可以采用ARM920T，用于接收LVDT位移傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，控制第一舵機(jī)、第二舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，對(duì)LVDT位移傳感器的姿態(tài)和位置進(jìn)行精確調(diào)整，使測(cè)量方向正對(duì)且垂直于機(jī)床主軸軸心線，對(duì)機(jī)床異常狀況及時(shí)預(yù)警，并將測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在主控板上插接的SD卡中。

隔振器可以采用彈簧隔振器。

第一舵機(jī)、第二舵機(jī)可以采用M0300舵機(jī)。

LVDT位移傳感器可以采用PETER HIRT GmbH公司的851ST301F位移傳感器。

在優(yōu)選實(shí)施例中，支撐架各個(gè)組成零部件由熱膨脹系數(shù)小、密度小、強(qiáng)度高的碳纖維桿組成，支撐架熱變形和力變形均很?。痪ㄟ^(guò)螺栓連接，安裝、拆卸靈活方便；能夠通過(guò)不同的組裝方式，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下x、y、z三個(gè)方向的熱力耦合變形的精確測(cè)量；優(yōu)選地，具有多個(gè)加強(qiáng)筋，用于提高支撐架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。

工作之前，先對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的支撐架7進(jìn)行組裝。通過(guò)不同的組裝方式，能夠分別實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下x、y、z三個(gè)方向的熱力耦合變形的測(cè)量。

在一個(gè)實(shí)施例中，采用的組裝方式用于測(cè)量機(jī)床主軸y方向的熱力耦合變形，如圖2所示。

工作時(shí)的流程如圖3所示。第一步是準(zhǔn)備階段，給主控機(jī)18上電，接收LVDT位移傳感器12的反饋信號(hào)，根據(jù)反饋信號(hào)驅(qū)動(dòng)第一舵機(jī)8、第二舵機(jī)16轉(zhuǎn)動(dòng)。初始時(shí)LVDT位移傳感器測(cè)量方向?yàn)槲蛔薖1，如圖4所示。此時(shí)測(cè)量方向未與主軸軸心線A對(duì)齊，也未垂直于主軸軸心線A。首先主控機(jī)18驅(qū)動(dòng)第二舵機(jī)16轉(zhuǎn)動(dòng)，第二舵機(jī)16通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)17帶動(dòng)平移支架15在第一直線導(dǎo)軌13、第二直線導(dǎo)軌14上沿x軸做平移運(yùn)動(dòng)，直到反饋的測(cè)量數(shù)據(jù)最小，此時(shí)LVDT位移傳感器測(cè)量方向正對(duì)機(jī)床主軸軸心線A，如圖4中位姿P2所示；然后主控機(jī)18驅(qū)動(dòng)第一舵機(jī)8轉(zhuǎn)動(dòng)，第一舵機(jī)8通過(guò)轉(zhuǎn)軸9帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架10做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，直到反饋的測(cè)量數(shù)據(jù)最小，此時(shí)LVDT位移傳感器測(cè)量方向正對(duì)且垂直于機(jī)床主軸軸心線A，如圖4中位姿P3所示。本實(shí)施例中第一隔振器2、第二隔振器4、第三隔振器6采用彈簧隔振器，能夠有效隔離床身高頻振動(dòng)；第一舵機(jī)8、第二舵機(jī)16采用M0300舵機(jī)，結(jié)構(gòu)輕巧，安裝方便，位置分辨率達(dá)0.09°，控制精度高；LVDT位移傳感器可以采用PETER HIRT GmbH公司的851ST301F位移傳感器，測(cè)量行程為±2.0mm，分辨率為0.06μm，重復(fù)性為0.01μm，能夠在有切屑和切削液的惡劣環(huán)境中正常工作。第二步是工作階段，將加工程序拷入數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)，啟動(dòng)機(jī)床后機(jī)床工作臺(tái)20按照加工程序動(dòng)作，機(jī)床主軸21只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)試件進(jìn)行切削試驗(yàn)。LVDT位移傳感器12實(shí)時(shí)將測(cè)量信號(hào)反饋給主控機(jī)18，當(dāng)機(jī)床主軸熱力耦合變形超過(guò)某個(gè)危險(xiǎn)閾值時(shí)，主控機(jī)18將發(fā)出警報(bào)，通知實(shí)驗(yàn)人員對(duì)異常工況及時(shí)處理。當(dāng)測(cè)量信號(hào)處于安全范圍內(nèi)時(shí)，主控機(jī)18將所測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至其上所插接的SD卡中，為機(jī)床主軸實(shí)際切削狀態(tài)下的熱力耦合誤差補(bǔ)償研究積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本發(fā)明實(shí)施例已經(jīng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)證，功能都全部實(shí)現(xiàn)，具有性能可靠，準(zhǔn)確度高、成本低的特點(diǎn)。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，其還可以對(duì)這些已描述的實(shí)施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。