[发明专利]一种判定主轴实时热变形姿态的方法

摘要

本发明提供了一种判定主轴实时热变形姿态的方法，属于数控机床误差测试技术领域。该方法针对目前缺乏加工过程中主轴热变形姿态实时监测的现状，首先分别应用温度传感器和位移传感器测试主轴运行时主轴箱上下表面的温度和主轴径向热误差；然后根据主轴径向热误差计算主轴箱上下表面的热变化量，并建立热变化量与主轴箱上下表面温度的模型；最后根据实时采集的主轴箱上下表面温度判定主轴实时热变形姿态。该方法的最大优点为可实现加工过程中主轴热变形姿态的实时监测。

主权项

1.一种判定主轴实时热变形姿态的方法，首先，分别应用温度传感器和位移传感器测试主轴运行时主轴箱上下表面的温度和主轴径向热误差；然后，根据主轴径向热误差计算主轴箱上下表面的热变化量，并建立热变化量与主轴箱上下表面温度的模型；最后，基于该模型，根据实时采集的主轴箱上下表面温度判定主轴实时热变形姿态；其特征在于，步骤如下：第一步，温度和热误差测试第一温度传感器(1)布置在主轴箱(2)的上表面，第二温度传感器(3)布置在主轴箱(2)的下表面；检棒(4)通过刀柄接口固定在主轴上；第一位移传感器(6)和第二位移传感器(5)布置在检棒(4)侧面，其中第二位移传感器(5)靠近主轴鼻端；测试过程为：首先主轴以转速R持续运行M小时进行升温，转速R不高于主轴最高转速，之后主轴停止转动降温N小时；在此过程中，以一定周期采集第一温度传感器(1)、第二温度传感器(3)、第一位移传感器(6)和第二位移传感器(5)的数据；第二步，建立热变化量与主轴箱上下表面温度的模型设第一温度传感器(1)采集的数据为t₁，第二温度传感器(3)采集的数据为t₂，第一位移传感器(6)采集的数据为p₁，第二位移传感器(5)采集的数据为p₂；按照式(1)得出t₁的增量△t₁、t₂的增量△t₂、p₁的增量△p₁和p₂的增量△p₂；设主轴箱(2)上表面到下表面的距离为A₁，主轴箱(2)下表面到第二位移传感器(5)的距离为A₂，第二位移传感器(5)到第一位移传感器(6)的距离为A₃；(1)计算主轴箱上下表面的热膨胀量根据主轴结构及数据△p₁和△p₂，基于以下方法计算主轴箱(2)上表面热变化量e_upper和下表面热变化量e_lower；设中间变量α和β的计算公式为：根据当前时刻α、β、△p₁和△p₂的关系，分为以下情况计算当前时刻的主轴箱上下表面的热变化量；a)当△p₁(i)≥0，△p₂(i)≥0，△p₁(i)>△p₂(i)，β(i)≤A₂时：b)当△p₁(i)≥0，△p₂(i)≥0，△p₁(i)>△p₂(i)，β(i)>A₂，β(i)≤(A₁+A₂)时：c)当△p₁(i)≥0，△p₂(i)≥0，△p₁(i)>△p₂(i)，β(i)>(A₁+A₂)时：d)当△p₁(i)≥0，△p₂(i)≥0，△p₁(i)≤△p₂(i)时：e)当△p₁(i)>0，△p₂(i)<0时：f)当△p₁(i)<0，△p₂(i)>0时：g)当△p₁(i)<0，△p₂(i)<0，△p₁(i)≥△p₂(i)时：h)当△p₁(i)<0，△p₂(i)<0，△p₁(i)<△p₂(i)，β(i)>(A₁+A₂)时：i)当△p₁(i)<0，△p₂(i)<0，△p₁(i)<△p₂(i)，β(i)<(A₁+A₂)，β(i)>A₂时：j)当△p₁(i)<0，△p₂(i)<0，△p₁(i)<△p₂(i)，β(i)≤A₂时：(2)建立主轴箱上下表面热变化量与温度的模型主轴箱上下表面热变化量与上下表面温度的关系模型如式(13)所示：式中a₁、a₂、b₁和b₂为系数；应用最小二乘法，根据数据e_upper、e_lower、△t₁和△t₂计算得出a₁、a₂、b₁和b₂；第三步，主轴实时热变形姿态的判定主轴运行过程中，以一定周期(如10秒)采集第一温度传感器1和第二温度传感器3的数据；基于式(13)，根据当前时刻的温度数据计算主轴箱上下表面热变化量e_upper和e_lower；按照如下方法，在不使用位移传感器的情况下判定当前时刻主轴热变形姿态；设中间变量γ的计算如式(14)所示：根据当前时刻e_upper、e_lower和γ的关系，按以下情况分别计算当前时刻的主轴在第一位移传感器(6)和第二位移传感器(5)位置的径向热误差△p_c1和△p_c2；a)当e_upper(i)≥0、e_lower(i)≥0，e_upper(i)≥e_lower(i)，γ(i)≤A₂时：b)当e_upper(i)>0、e_lower(i)<0时：c)当e_upper(i)<0、e_lower(i)<0，e_upper(i)≥e_lower(i)时：d)当e_upper(i)<0、e_lower(i)<0，e_upper(i)<e_lower(i)，γ(i)>(A₂+A₃)时：e)当e_upper(i)≥0、e_lower(i)≥0，e_upper(i)>e_lower(i)，γ(i)≤(A₂+A₃)，γ(i)>A₂时：f)当e_upper(i)<0、e_lower(i)<0，e_upper(i)<e_lower(i)，γ(i)≤(A₂+A₃)，γ(i)>A₂时：g)当e_upper(i)≥0、e_lower(i)≥0，e_upper(i)>e_lower(i)，γ(i)>(A₂+A₃)时：h)当e_upper(i)≥0、e_lower(i)≥0，e_upper(i)≤e_lower(i)时：i)当e_upper(i)<0、e_lower(i)>0时：j)当e_upper(i)<0、e_lower(i)<0，e_upper(i)≤e_lower(i)，γ(i)≤A₂时：根据△p_c1和△p_c2，按照式(25)计算主轴的热变形姿态，即主轴径向热误差E_thermal和热倾斜误差这样，即判定出主轴的实时热变形姿态：