[发明专利]机床主轴实际切削状态下热力耦合变形监测系统和方法

说明书

一种机床主轴实际切削状态下热力耦合变形监测系统和方法，该系统包括支撑架、安装在支撑架上的固定机构、平移支架、平移驱动机构、旋转支架、旋转驱动机构、位移传感器以及控制装置，位移传感器优选为LVDT位移传感器，控制装置与平移驱动机构、旋转驱动机构、位移传感器通过线路连接，固定机构用于将监测系统固定安装在机床上，优选地，固定机构还隔离床身振动，平移驱动机构驱动平移支架作平移运动，旋转支架安装在平移支架上，位移传感器安装在旋转支架上，旋转驱动机构驱动旋转支架作旋转运动。本发明能够实现对机床主轴实际切削状态下热力耦合变形的精确测量，从而有助于有效提高机床加工精度，提高生产过程智能化与安全水平。

技术领域

本发明涉及一种机床主轴实际切削状态下热力耦合变形监测系统和方法。

背景技术

数控机床是工业制造的重要基础，机床加工精度是机床的关键技术之一。在数控机床加工过程中，机床各部件不均衡温升引起的热变形使得刀具和工件之间的相对位置发生了变化；切削力作用下主轴发生力变形，造成让刀。据统计，数控机床热误差约占总误差的50％～70％，力误差约占总误差的10％～15％。对机床主轴实际切削状态下的热力耦合误差进行研究尤其是实现对机床主轴实际切削状态下热力耦合变形的精确、安全监测，能够有效提高机床加工精度，产生较大的经济效益。

目前对机床主轴加工误差的研究成果很多，但存在以下不足：1.大多数误差研究是在机床主轴空转条件下进行的，只考虑了主轴热变形的影响，没有考虑到切削力的影响，研究成果难以应用到实际生产中；2.针对机床主轴实际切削状态下的加工误差研究中，常采用基于加工工件误差测量结果进行误差解耦的方法，这种方法计算复杂，可靠性低。因此亟需设计开发一种机床主轴实际切削状态下热力耦合变形监测系统，有效提高工业生产水平。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种机床主轴实际切削状态下热力耦合变形监测系统和方法,解决现有技术中没有考虑到主轴切削力变形，实际切削状态下主轴热力耦合变形测量困难的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种机床主轴实际切削状态下热力耦合变形监测系统，包括支撑架、固定机构、平移支架、平移驱动机构、旋转支架、旋转驱动机构、位移传感器以及控制装置，所述位移传感器优选为LVDT(Linear Variable Differential Transformer，线性可变差动变压器)位移传感器，所述固定机构、所述平移支架、所述平移驱动机构、所述旋转支架和所述旋转驱动机构安装在所述支撑架上，所述控制装置与所述平移驱动机构、所述旋转驱动机构、所述位移传感器通过线路连接，所述固定机构用于将所述监测系统固定安装在机床上，优选地，所述固定机构还隔离床身振动，所述平移驱动机构耦合到所述平移支架以驱动所述平移支架作平移运动，所述旋转支架安装在所述平移支架上，所述位移传感器安装在所述旋转支架上，所述旋转驱动机构耦合到所述旋转支架以驱动所述旋转支架作旋转运动。

进一步地：

所述支撑架包括主横梁和从主横梁上延伸出来的分支臂，所述分支臂与所述主横梁形成夹角，优选地，所述支撑架由碳纤维杆组成。

所述固定机构包括设置在所述分支臂上的第一磁力座、第一隔振器以及设置在所述主横梁上的第二磁力座、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机床床身，所述第一隔振器、所述第二隔振器、所述第三隔振器用于隔离床身振动。

所述平移驱动机构包括第一舵机、齿轮齿条机构、第一直线导轨以及第二直线导轨，所述齿轮齿条机构包括齿轮和与所述齿条啮合的齿条，所述第一舵机的转轴与所述齿轮同轴线过盈配合以驱动所述齿轮转动，所述齿条安装在所述平移支架上，所述平移支架通过滑块安装在所述第一直线导轨和所述第二直线导轨上，所述第一舵机轮通过所述齿轮齿条机构驱动所述平移支架沿所述第一直线导轨和所述第二直线导轨作平移运动。