數控機床刀尖動態特性精度檢測裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于數控機床技術領域，涉及的是機床刀尖動態特性綜合精度的檢測，具體的說，是涉及一種數控機床刀尖動態特性精度綜合檢測裝置及其方法。
【背景技術】
[0002]數控機床在加工的過程中，各種誤差源均會通過各種機電環節傳遞至刀具刀尖點，使得刀尖點偏移理論位置，從而產生實際加工誤差。隨著數控技術朝著高速度、高精度及多軸化的方向發展，數控機床熱變形誤差、加工動態特性誤差的檢測需求日益突現。數控機床在加工的過程中，在各種熱源:如軸承發熱、電機發熱、滾珠絲桿與螺母發熱、導軌發熱與日照、地熱、空氣流動等環境熱源的共同作用下，會導致機床上的部件發生不同程度的熱脹冷縮，在這些熱變形的疊加傳遞作用下，導致機床刀尖處的位置精度遭到破壞，由此導致的誤差稱為熱誤差。一般說來，數控機床在加工過程中由于熱變形引起的加工誤差占機床全部誤差的40?70%，國內外盡管對機床熱變形誤差研究較多，但目前國內尚無成熟的數控機床熱特性誤差檢測手段。
[0003]對于四軸或五軸聯動數控機床來說，由于引入了 I或2個擺動或旋轉軸導致引入了更多的刀尖誤差源，加之多軸加工技術本身也較為復雜，導致用戶掌握使用及設備維護過程中的精度檢測中產生了諸多困難。機床四軸聯動加工精度目前沒有成熟的檢測方法。機床五軸聯動加工精度的檢測一般采取NAS979圓錐試件或者S形試件切削加工的方法實施檢驗，不僅試件材料及刀具消耗大，而且受編程水平、刀具、工藝參數等影響較大，還需對試件拆卸并搬移至三坐標機上進行最終檢測，精度損失環節較多，檢測成本頗高，較難直接地反映聯動過程中的動態加工精度。
[0004]另外，針對刀尖運動誤差的檢測，傳統用千分表直接架表進行測量，導致架表精度對操作技術水平要求不僅較高，而且完全依靠肉眼觀察表頭指針偏移并手工記錄及計算，無法實現連續各瞬態刀尖位姿和溫度信息的完整數據過程記錄，且出錯環節較多，更無法實現自動化準確分析和高精度計算；現代精度檢測儀器如激光干涉儀、激光跟蹤儀等在多軸聯動機床的聯動動態精度檢測方面的局限性逐步顯現，例如激光干涉儀適合直線軸精度檢測且無法直接滿足大擺角范圍測量，而采用動則單臺達數百萬元價格的激光跟蹤儀則在成本、便捷性和易用性與等方面還無法被廣大機床用戶接受和認可。采用更科學合理、高性價比的方法來實現數控機床加工精度檢測，已經成為數控機床安裝調試人員、特別是五軸機床用戶提高生產率和機床利用率，改進和提高產品加工質量，實現數控機床裝備優化運行的關鍵制約因素。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服上述缺陷，提供一種結構設計合理，可綜合地實現數控加工過程刀尖點運動特性和熱變形等動態特性相關參數自動化檢測裝置及其方法。
[0006]為了實現本發明的目的，本發明采用的技術方案如下:
[0007]數控機床刀尖動態特性精度檢測裝置及其方法，包括可安裝在數控機床工作臺的支座，通過設置在支座頂部的連接板，與L形支持壁板構成整體組件結構，在支持板和連接板通過孔方式設置有呈兩兩垂直布置的位移傳感器，通過位移傳感器與芯棒上的球頭表面相對距離的檢測，實現在主軸擺動運動過程中對刀尖動態位姿信息的實時獲取，通過數據采集器將上述刀尖多傳感器融合信息高速發送輸入計算機進行自動記錄及分析，快速計算出數控機床刀尖點動態特性的各項精度指標和修正補償參數，并實現測試分析數據的圖形化顯示及打印測試報告。
[0008]所述的連接板平行于支座頂部水平端面布置固定，連接板內部設置有螺紋通孔以便于位移傳感器沿著豎直方向進行貫穿式安裝。
[0009]所述的L形支持壁板的兩個壁面呈直角90°布置，L形支持壁板的兩個壁面均垂直于支座頂部水平端面布置，并與L形支持壁板的兩個壁面內部設置有螺紋通孔以便于位移傳感器貫穿式安裝。
[0010]所述的位移傳感器包括3個呈兩兩垂直布置的位移傳感器，實現對球頭各位姿運動位移進行實時檢測。
[0011]所述的溫度傳感器組包括多套熱敏電阻傳感器構成，通過磁鐵或者膠布貼附方式靈活布置在機床主要熱源附近。
[0012]所述的計算機包括用于RTCP(旋轉刀具中心點)精度測試模塊、主軸徑向傾斜度測試模塊、主軸回轉精度測試模塊、主軸熱變形測試模塊，用于擺動軸補償值數據生成模塊、刀尖點受熱發生熱偏移修正數據生成模塊，以及由動態精度預警模塊和歷史數據跟蹤模塊組成的數據庫模塊。
[0013]在上述基于結構的基礎上，本發明還提供了其實現方法，包括以下步驟:
[0014](I)設定數控機床的各工作參數，在機床工作臺上架設數控機床刀尖動態特性精度檢測裝置，對位移傳感器、溫度傳感器組、放大器、數據采集器和計算機進行初始化，完成檢測裝置工作參數的設定值；
[0015](2)按照數控機床刀尖動態特性各項指標要求開啟計算機中各項測試功能模塊，通過位移傳感器或溫度傳感器實現對數控機床相關運行狀態下的刀尖動態信號測量，并將測量的動態信號通過數據采集器傳輸至計算機，完成數控機床刀檢點動態數據采集處理；
[0016](3)根據測試要求由計算機實現對該項指標測試數據進行分析處理，并將機床刀尖動態特性的測量值與設定值或歷史數據進行對比；
[0017](4)生成供數控系統進行參數調整的修正或補償數據與機床刀尖動態特性各項指標分析報告。
[0018]與現有技術相比，本發明的有益效果在于:
[0019](I)本發明采用在數控機床工作臺上安裝集成傳感器支座方式實現進行主軸芯棒球頭刀尖點位姿動態誤差和熱誤差的檢測，與采購通用激光干涉儀或者激光跟蹤儀等昂貴復雜儀器相比不僅結構簡單，可維修性較好，而且裝置成本較為低廉，測試工藝靈活，通用性較強，大大降低了機床安裝調試及后續維護成本；
[0020](2)本發明采用多類傳感器集成的自動化測試方法與傳統用千分表直接架表測量方式相比不僅方式更靈活簡便，特別是支座上位移傳感器布置方式大大降低了架設千分表的難度，縮短了輔助時間，還能實現了連續各瞬態刀尖位姿和溫度信息的完整數據過程記錄和高精度計算，大大提高了機床動態精度的測量效率和精度；
[0021](3)本發明對能夠全面實現數控機床刀尖動態特性參數指標測量、數控系統補償修正值數據生成、精度預警和歷史數據跟蹤及追溯等綜合功能，具有參數齊全，功能實用，性價比高，具有在數控機床應用領域廣泛的應用前景；
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的機械結構主視圖。
[0023]圖2為本發明的機械結構俯視圖。
[0024]圖3為本發明的機械結構側視圖。
[0025]圖4為本發明中刀尖動態特性測試系統的原理框圖。
[0026]圖5為數控機床坐標系構成示意圖。
[0027]圖6為本發明的檢測方法實施工作流程圖。
[0028]圖7為本發明應用在主軸熱態特性測試的工作示意圖。
[0029]圖8為本發明應用在主軸傾斜度測試的工作示意圖。
[0030]圖9為本發明應用在主軸回轉精度測試的工作示意圖。
[0031]圖10為本發明應用在刀尖點C軸動態精度測試的工作示意圖。
[0032]圖11為本發明應用在刀尖點B軸動態精度測試的工作示意圖。
[0033]圖12為本發明應用在刀尖點A軸動態精度測試的工作示意圖。
[0034]其中，附圖標記所對應的名稱:1_支座，2-連接板，3-L形支持壁板，4-第一位移傳感器，5-第二位移傳感器，6-第三位移傳感器，7-熱敏電阻傳感器，8-計算機，9-位移信號放大器，10-接線端子板，11-溫度信號放大器，12-數據采集器，13-球頭芯棒，14-標準芯棒。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖對本發明作進一步說明。本發明的實施方式包括但不限于下列實施例。
[0036]如圖1、圖2、圖3所示，為本發明數控機床刀尖動態特性精度檢測裝置結構的一個優選實例的主視、俯視及側視圖。其主要包括安裝在數控機床工作臺上的包括安裝在數控機床工作平臺的支座1，設置在支座頂部的連接板2，連接板2內部設置有螺紋通孔以便于