基于球杆仪的主轴热误差检测及识别方法.pdf

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1、基于球杆仪的主轴热误差检测及识别方法口虞敏口赵建华口邱明勇口刘放沈阳机床(集团)设计研究院有限公司上海分公司上海200433摘要：提出一种基于球杆仪的机床主轴热误差检测和识别方法．将球杆仪运动轨迹设计为、y轴联动构成的圆锥体．建立杆长变化值与主轴热变形量之间的空间矢量几何关系。通过求解主轴端小球的位置变化量，快速、简单地辨识分离出精度较高的主轴五项热误差元素．并在数控机床上验证了该方法的有效性。关键词：球杆仪主轴热误差误差检测中图分类号：TH161+．21文献标识码：A文章编号：1000—4998f2015

2、)11—0086—04在切削加工过程中，因主轴温升过高而产生的热端热误差。通过在圆上选取多个点求平均值的方法来变形和热耦合问题对主轴的动态特性、刚性以及对机获得精度较高的热误差量，但没有明确指出怎么选择床的刚性和热稳定性都有相当大的影响。研究主轴热这些点，以及这些点坐标之间的转换关系。误差测量与补偿技术。对于提高机床的加工精度有着笔者提出一种简单、高效的主轴热误差检测及辨极其重要的作用。2001年．国际标准IS0230—3113X~机识方法．通过将球杆仪运动轨迹设为一圆锥体，在xY床热效应的确定作了详细的规

3、范。包括三点检验法、五平面上选取间隔120。的3个点建立新坐标系，在新坐点检验法、六点检验法和九点检验法。2007年对该标标系下，建立杆长变化值与热误差之间的空间几何矢准l2作了修订。现有主轴误差检测大都依据该标准，采量关系，求解3个方向的热变形量，再通过坐标矩阵变用基于激光干涉仪或位移传感器的非接触式实时测量换．转换为机床坐标系下的热变形量，并提出识别5个方法，但这些位移传感器价格较贵，安装调试复杂，热误差元素的检测方法，最后在实际机床上验证了该测量耗时，并且需要先进的测量系统进行校准。方法的有效性。球杆

4、仪可以检测机床的动态性能，其圆轨迹测量1球杆仪误差检测原理曲线几乎可以反映机床中的所有误差项，且测量精度较高，操作简便快速。近年来，国内外学者不断尝试拓球杆仪检测原理及安装如图1所示，通常由可伸展其应用范围，尤其对于复杂机构的空间定位精度的缩的球棒和磁力球座组成。在可伸缩的两杆内装有高检测，球杆仪安装定位的灵活性和数据采集的简单快精密的线位移传感器，从传感器输出的信号可获得两捷性得到了很好的发挥。也有学者将球杆仪应用到检个小球之间的精确距离。测量时，一端吸附在主轴端测主轴热误差中．Srinivasa等]提出

5、采用球杆仪对机的磁性球座上，另外一端吸附在工作台的磁性球座上。床主轴热误差进行测量，但其测量过程需要4个球杆在没有误差的情况下，球杆仪的杆长不变，在有误差的仪；Delbressine等[83根据球杆仪的空间半球分布的25情况下，杆长发生变化，通过求解杆长变化与各个误差个测点，通过矢量点积运算辨识主轴的3D位置误差之间的关系．分离矢量，从而求解热误差。该方法需要结合误差模型解耦出误差。运算，计算过程较抽象、复杂；Yang等[93提出了基于球典型的球杆仪杆仪的主轴热误差测量方法，其测量过程只需1个球检测方法是在

6、xY杆仪，测量轨迹为3个平动轴联动构成的半球形螺旋(YZ或xz)平面测轨迹，通过空间矢量几何关系辨识分离出主轴的热误量，采用这种检测差，但该方法测得的误差值是包含主轴旋转以及Z轴方法，杆长变化值进给引起的综合热误差：商鹏等[1o3提出采用球杆仪测是两个方向的综合量主轴热误差的方法，该方法使测量扫过区域为一圆误差．只能识别出锥面．根据空间几何关系和三角形余弦公式反求主轴两个方向的误差．如果将球杆仪运动收稿日期：2015年5月2015／11机械制造53卷第615期轨迹设为一圆锥体，则杆长的变化值能同时反应在、在

7、】，平面中的A、B、C3点满足以下关系(如图y、Z方向的误差值。虽然这些误差是包含几何误差、伺4所示)。服不匹配误差等多个误差的综合值，但这些误差值不A点坐标、、为(Rcos210。，Rsin210。，0)。随温度的变化而变化，主轴高速旋转一段时间后，测得B点坐标^、Y6、6为(Rcos330。，Rsin330。，0)。的误差值减去冷态下的误差值即为热误差。C点坐标、、为(O，，O)。其中：R为球杆仪在】，平面内的轨迹圆半径。2球杆仪检测主轴热误差原理AS、BS、CS满足以下关系。用球杆仪检测主轴热误差的安

8、装方式如图2所AS=(COS0aCOSO"。，cosin，sin0a)示。球杆仪检测主轴热误差就是求主轴端小球中心点BS=(COS0bCOSOr6，cosO6sincr6，sin0b)(Ls点)，在不同温升时刻相对于冷态下的坐标变化值，CS=(COS0~cosO"。，cos0~sintr~，sin0~)因此．问题归结为求．s点坐标和杆长变化值之间的关其中：、、为球杆仪杆与y平面的夹角，、、系。求解S点坐标的步骤为