一種用於測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置的製作方法

2023-06-07 17:48:21 2

本實用新型涉及數控工具機熱定位誤差測量領域，具體是一種用於測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置。

背景技術：

工具機熱定位誤差是指由於高速切削或快速進給造成工具機主要部件產生不均勻的溫度場，使得工具機在熱效應影響下發生熱變形所引起的定位誤差。隨著數控工具機向高速、高精密和大型複合化方向發展，工具機運動軸的熱定位誤差對工具機性能提升起關鍵作用。目前，數控工具機熱定位誤差的測量裝置主要是把位移傳感器安裝在工具機的關鍵部位，採集工具機的熱變形信號，然後利用信號調理器和數據採集卡調理和傳輸信號，最後利用上位機軟體對數據進行後處理得到熱定位誤差。此裝置能夠準確的測量數控工具機熱定位誤差，但是此裝置忽略了在實際測量中由於工具機的複雜結構導致的布置測點難、傳感器安裝難的問題，同時這些裝置利用數據採集卡採集數據，忽略了數據採集卡數據採集能力弱、抗幹擾能力弱的缺點。因此，設計一種高精度的熱定位誤差測量裝置對獲得運動軸的熱定位誤差以提高工具機的加工精度，具有重要意義。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本實用新型擬解決的技術問題是，提供一種用於測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置。

本實用新型解決所述技術問題的技術方案是，提供一種用於測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置，其特徵在於該裝置包括雷射幹涉儀、支架、雲臺、第一磁力基座、第二磁力基座和數據處理端計算機；所述雷射幹涉儀包括雷射頭、線性幹涉鏡和第二線性反射鏡；所述線性幹涉鏡包括分光鏡和第一線性反射鏡；所述數據處理端計算機通過數據傳輸線與雷射頭連接；

三軸加工中心線性軸分為X軸方向、Y軸方向和Z軸方向，針對不同方向的線性軸，裝置的安裝方式不同：

X軸方向：所述雷射頭安裝在雲臺上，雲臺固定安裝在支架上；支架固定於水平面上，位於三軸加工中心的一側；第二線性反射鏡通過第一磁力基座安裝在三軸加工中心的X軸上，沿X軸做直線運動，位於三軸加工中心的另一側；線性幹涉鏡通過第二磁力基座安裝在三軸加工中心的Z軸上，Z軸固定不動；線性幹涉鏡位於雷射頭和第二線性反射鏡之間；雷射頭、線性幹涉鏡的分光鏡和第二線性反射鏡三者的中心在同一直線上；

Y軸方向：將雷射頭安裝在雲臺上，雲臺固定安裝在支架上；支架固定於水平面上，位於三軸加工中心的正前端；第二線性反射鏡通過第一磁力基座安裝在三軸加工中心的Y軸上，沿Y軸做直線運動；線性幹涉鏡通過第二磁力基座安裝在三軸加工中心的Z軸上，Z軸固定不動；線性幹涉鏡位於雷射頭和第二線性反射鏡之間；雷射頭、線性幹涉鏡的分光鏡和第二線性反射鏡三者的中心在同一直線上；

Z軸方向：將雷射頭安裝在雲臺上，雲臺固定安裝在支架上；支架固定於水平面上，位於三軸加工中心的正前端；第二線性反射鏡通過第一磁力基座安裝在三軸加工中心的Z軸上，沿Z軸做直線運動；線性幹涉鏡通過第二磁力基座安裝三軸加工中心的XY軸水平面上，X軸和Y軸固定不動；雷射頭和線性幹涉鏡的分光鏡的入射光中心在同一條直線上，分光鏡的出射光中心和第二線性反射鏡中心在同一直線上，兩直線相互垂直。

與現有技術相比，本實用新型有益效果在於：

(1)本實用新型裝置測量精度高，測量結果準確；

(2)本實用新型裝置便於操作，易於上手，解決了在實際運轉條件下利用位移傳感器採集數控工具機熱定位誤差信號布點難、安裝難的問題；

(3)本實用新型裝置不需要藉助外界的信號調理器和數據採集卡調理和採集信號，解決了數據採集卡數據採集能力弱、抗幹擾能力弱的問題。

附圖說明

圖1為本實用新型用於測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置一種實施例中的雷射幹涉儀用於水平線性軸(X方向和Y方向)的結構示意圖；

圖2為本實用新型用於測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置一種實施例中的雷射幹涉儀用於垂直線性軸(Z方向)的結構示意圖；

圖3為本實用新型用於測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置一種實施例的裝置在三軸加工中心X軸上的安裝示意圖；

圖4為本實用新型用於測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置一種實施例的裝置在三軸加工中心Y軸上的安裝示意圖；

圖5為本實用新型用於測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置一種實施例的裝置在三軸加工中心Z軸上的安裝示意圖；(圖中：①、雷射束；②、反射光束；③、發射光束；④、調製光束；⑤、測量光束；、⑥參考光束；1、雷射頭；2、第一線性反射鏡；3、分光鏡；4、第二線性反射鏡；5、支架；6、雲臺；7、第一磁力基座；8、線性幹涉鏡；9、第二磁力基座；10、數據處理端計算機)

具體實施方式

下面給出本實用新型的具體實施例。具體實施例僅用於進一步詳細說明本實用新型，不限制本申請權利要求的保護範圍。

本實用新型提供了一種用於測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置(簡稱裝置)，其特徵在於該裝置包括雷射幹涉儀、支架5、雲臺6、第一磁力基座7、第二磁力基座9和數據處理端計算機10；所述雷射幹涉儀包括雷射頭1、線性幹涉鏡8和第二線性反射鏡4；所述線性幹涉鏡8包括分光鏡2和第一線性反射鏡3；所述數據處理端計算機10通過數據傳輸線與雷射頭1連接，數據處理端計算機10安裝有定位誤差測量軟體；

三軸加工中心線性軸分為X軸方向、Y軸方向和Z軸方向，針對不同方向的線性軸，裝置的安裝方式不同：

X軸方向：所述雷射頭1安裝在雲臺6上，雲臺6固定安裝在支架5上；支架5固定於水平面上，位於三軸加工中心的一側；第二線性反射鏡4通過第一磁力基座7安裝在三軸加工中心的X軸上，沿X軸做直線運動，位於三軸加工中心的另一側；線性幹涉鏡8通過第二磁力基座9安裝在三軸加工中心的Z軸上，Z軸固定不動；線性幹涉鏡8位於雷射頭1和第二線性反射鏡4之間；雷射頭1、線性幹涉鏡8的分光鏡2和第二線性反射鏡4三者的中心在同一直線上；

Y軸方向：將雷射頭1安裝在雲臺6上，雲臺6固定安裝在支架5上；支架5固定於水平面上，位於三軸加工中心的正前端；第二線性反射鏡4通過第一磁力基座7安裝在三軸加工中心的Y軸上，沿Y軸做直線運動；線性幹涉鏡8通過第二磁力基座9安裝在三軸加工中心的Z軸上，Z軸固定不動；線性幹涉鏡8位於雷射頭1和第二線性反射鏡4之間；雷射頭1、線性幹涉鏡8的分光鏡2和第二線性反射鏡4三者的中心在同一直線上；

Z軸方向：將雷射頭1安裝在雲臺6上，雲臺6固定安裝在支架5上；支架5固定於水平面上，位於三軸加工中心的正前端；第二線性反射鏡4通過第一磁力基座7安裝在三軸加工中心的Z軸上，沿Z軸做直線運動；線性幹涉鏡8通過第二磁力基座9安裝三軸加工中心的XY軸水平面上，X軸和Y軸固定不動；雷射頭1和線性幹涉鏡8的分光鏡2的入射光中心在同一條直線上，分光鏡2的出射光中心和第二線性反射鏡4中心在同一直線上，兩直線相互垂直。

雷射幹涉儀測量定位誤差的原理如圖1所示：由雷射頭1產生雷射束①，當雷射束達到線性幹涉鏡8中的分光鏡3時被分為反射光束②和發射光束③，反射光束②在線性幹涉鏡8中的第一線性反射鏡2成為參考光束⑥反射回雷射頭1，發射光束③經由第二線性反射鏡4成為測量光束⑤返回雷射頭1。測量光束⑤和參考光束⑥在線性幹涉鏡8內匯合，線性幹涉鏡8對兩個光束進行調製後直接把調製光束④傳送到雷射發射器中，從而使這兩束光在探測器中產生幹涉條紋。定位誤差的測量必須具有一個光學元件相對於另一個光學元件間的相對運動。圖1中線性幹涉鏡8靜止不動，第二線性反射鏡4沿著預定的方向運動。把線性幹涉鏡8到雷射發射器的距離作為參考值，當第二線性反射鏡4到雷射發射器之間的距離發生變化時，雷射發射器中條紋計數器的明條紋數值將會產生相應的變化。第二線性反射鏡4到雷射發射器之間的距離(d)等於條紋計數器中出現的明條紋數(n)乘以雷射束的半個波長(λ)。根據光的疊加和幹涉原理，凡光程差等于波長整數倍的位置，振動加強，產生明條紋；凡光程差等於半波長奇數倍的位置，振動減弱，產生暗條紋。

在實際運行和測試過程中，三軸加工中心線性軸系統的定位誤差由線性軸系統各組成部分的幾何定位誤差(如工具機各個部分的安裝間隙誤差或螺距誤差等)和由於線性軸溫升熱變形而引起的熱定位誤差兩部分組成。為了在線性軸系統熱定位誤差測量中剔除工具機本身幾何定位誤差的影響，首先需要對主軸系統幾何定位誤差進行評定。根據《ISO230-3工具機熱效應評定標準》，當主軸在行程內以較低的速度來回往復運動時，由於運動速度低，主軸系統各結合部摩擦發熱不劇烈，由主軸熱變形引起的熱定位誤差可以忽略不計，因而此時測取的主軸系統定位誤差就為本身幾何定位誤差。

本實用新型用於測量三軸加工中心線性軸熱定位誤差的裝置的工作原理和工作流程是：

步驟一，測量三軸加工中心線性軸各個測量點在初始時刻的定位誤差：

1、規劃測量點：在線性軸上等距離規劃N個測量點；

2、裝置的安裝：在規劃完測量點之後，進行裝置的安裝及光路準直；線性軸分為X軸方向、Y軸方向和Z軸方向，針對不同方向的線性軸，裝置的安裝方式不同；

裝置安裝完成後，需要對雷射幹涉儀進行光路準直，具體步驟如下：

(1)裝置安裝完成後，目測調節雷射頭1、線性幹涉鏡8和第二線性反射鏡4的位置，使得雷射頭1的雷射發射器發出的雷射束經過線性幹涉鏡8和第二線性反射鏡4後都回到雷射頭1中；

(2)當第二線性反射鏡4和線性幹涉鏡8距離最近時，視為近光點，在近光點對線性幹涉鏡8進行位置調節，使得雷射頭1的雷射發射器發出的雷射束經過線性幹涉鏡8和第二線性反射鏡4後都回到雷射頭1中；然後對雷射頭1的位置進行微調，使得雷射頭1的雷射發射器發出的雷射束經過線性幹涉鏡8和第二線性反射鏡4後都回到雷射頭1的探測器中；

(3)當第二線性反射鏡4和線性幹涉鏡8距離最遠時，視為遠光點，在遠光點對線性幹涉鏡8進行位置調節，使得雷射頭1的雷射發射器發出的雷射束經過線性幹涉鏡8和第二線性反射鏡4後都回到雷射頭1中；然後對雷射頭1的位置進行微調，使得雷射頭1的雷射發射器發出的雷射束經過線性幹涉鏡8和第二線性反射鏡4後都回到雷射頭1的探測器中；

(4)重複(2)和(3)過程，直到在全行程內，雷射頭1的雷射發射器發出的雷射束經過線性幹涉鏡8和第二線性反射鏡4後都回到雷射頭1的探測器中。

3、測量三軸加工中心線性軸各個測量點在初始時刻的定位誤差：將安裝有定位誤差測量軟體的計算機與雷射頭1連接，完成對定位誤差測量軟體參數和三軸加工中心的工具機運行程序設置後，開始測量，對各個測量點進行測量：對X軸進行測量時，第二線性反射鏡4沿X軸做直線運動，保持線性幹涉鏡8和Z軸固定不動；對Y軸進行測量時，第二線性反射鏡4沿Y軸做直線運動，保持線性幹涉鏡8和Z軸固定不動；對Z軸進行測量時，第二線性反射鏡4沿Z軸做直線運動，保持線性幹涉鏡8和水平面軸固定不動；在定位誤差測量軟體中採用最小二乘法對各個測量點的測量數據進行計算分析，得到三軸加工中心線性軸各個測量點在初始時刻的定位誤差Esi(即幾何定位誤差)，各個測量點在初始時刻的定位誤差計算公式為：Esi＝l1i-x1i；

其中：Esi為初始時刻各個測量點的定位誤差，l1i為初始時刻各個測量點的直接測量值；x1i為初始時刻各個測量點的真實值；初始時刻是指三軸加工中心加工開始前線性軸未產生熱變形的時刻；

步驟二，測量三軸加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的定位誤差：

開始測量，測量的基準點、測量儀器的擺放位置等測量條件與步驟一相同，對各個測量點進行測量：對X軸進行測量時，第二線性反射鏡4沿X軸做直線運動，保持線性幹涉鏡8和Z軸固定不動；對Y軸進行測量時，第二線性反射鏡4沿Y軸做直線運動，保持線性幹涉鏡8和Z軸固定不動；對Z軸進行測量時，第二線性反射鏡4沿Z軸做直線運動，保持線性幹涉鏡8和水平面軸固定不動；在定位誤差測量軟體採用最小二乘法對各個測量點的測量數據進行計算分析，得到三軸加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的定位誤差Ei，各個測量點在任意時刻的定位誤差計算公式為：Ei＝l2i-x2i；

其中：Ei為任意時刻各個測量點的定位誤差，l2i為任意時刻各個測量點的直接測量值；x2i為任意時刻各個測量點的真實值；任意時刻是指三軸加工中心線性軸加工運轉進行中的任意時刻；

步驟三，得到三軸加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的熱定位誤差：

三軸加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的熱定位誤差Eti等於三軸加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的定位誤差Ei減去三軸加工中心線性軸各個測量點在初始時刻的定位誤差Esi，其計算公式為：Eti＝Ei-Esi，通過三軸加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的熱定位誤差得到三軸加工中心線性軸在任意時刻的熱定位誤差。

本實用新型未述及之處適用於現有技術。