本發(fā)明涉及數(shù)控機床熱定位誤差測量領域，具體是一種用于立式加工中心線性軸熱定位誤差的測試方法。

背景技術：

機床熱定位誤差是指由于高速切削或快速進給造成機床主要部件產(chǎn)生不均勻的溫度場，使得機床在熱效應影響下發(fā)生熱變形所引起的定位誤差。隨著數(shù)控機床向高速、高精密和大型復合化方向發(fā)展，機床運動軸的熱定位誤差對機床性能提升起關鍵作用。因此，如何準確、快速、高效地獲得運動軸的熱定位誤差以提高機床的加工精度，具有重要意義。

目前，數(shù)控機床熱定位誤差測量方法主要有接觸式測量和非接觸式測量，接觸式測量方法一般按照國際標準《機床檢驗通則第3部分：熱效應的確定》(iso230-3：2001idt)，通過在數(shù)控機床主軸處安裝金屬圓棒，在金屬圓棒任意兩截面徑向位置處和端面位置處分別固定高精度位移傳感器，用五個位移傳感器來測量沿x、y、z軸線的線性熱變形及繞x、y軸線的角度熱變形；還有在數(shù)控機床主軸處安裝測頭，構成在線檢測系統(tǒng)，用測頭碰觸標準件來間接得到線性軸線的熱定位誤差；如申請?zhí)?01610183975.1公開了一種數(shù)控機床全工作臺熱誤差測量系統(tǒng)及其測量方法，該測量系統(tǒng)包括吸附在數(shù)控機床工作臺臺面上的定位板、定位板上均勻安裝多個長方體標準件、數(shù)控機床的刀具位置處安裝測頭、信號轉(zhuǎn)換器和計算機，信號轉(zhuǎn)換器一端與數(shù)控系統(tǒng)的pmc模塊i/o口相連，另一端與計算機雙向通訊；用該裝置的具體測量方法是先用數(shù)控機床的測頭觸碰數(shù)控機床工作臺臺面，測量數(shù)控機床工作臺所在表面的z向坐標；再用數(shù)控機床的測頭觸碰長方體標準件的三個表面測量初始坐標；數(shù)控機床按實驗計劃設定參數(shù)運行一定時間，然后再用在線檢測系統(tǒng)測頭觸碰長方體標準件表面測量坐標，計算得到熱誤差。該方法成本低廉僅需一個測頭和若干個長方體標準件即可實現(xiàn)對數(shù)控機床全工作臺多點熱誤差的測量，但是忽略了標準件裝夾、找正、固定造成的偏差。非接觸式測量方法一般采用非接觸式位移傳感器或光學、視覺測量方法間接獲得熱定位誤差，如申請?zhí)?00910052299.4公開了一種磨床砂輪主軸熱誤差測量方法，尤其是一種砂輪主軸徑向兩個方向的熱變形及傾角誤差的測量方法，具體步驟為在x、y方向沿z軸分別安裝兩個非接觸式位移傳感器，其中第一、三傳感器位于同一平面上，第二、四傳感器位于同一平面上；確定上述任一傳感器與砂輪主軸的相對位置；測量主軸的熱變形量；修正砂輪主軸熱變形與隨機測量誤差。該方法解決了砂輪主軸熱變形的測量問題，但是該方法忽略了機床各組成部分幾何定位誤差(如機床各個部分的安裝間隙誤差和螺距誤差等)和位移傳感器或標準件裝夾、找正、固定造成的偏差對測量結(jié)果的影響，而且該方法需要建立在準確確定傳感器與砂輪主軸相對位置的基礎上，這在實際測量過程中很難保證，并且所用的電容傳感器或電渦流傳感器數(shù)目較多、安裝固定也比較困難；測量效率較低，不能滿足數(shù)控加工過程中在機快速檢測要求。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明擬解決的技術問題是，提供一種用于立式加工中心線性軸熱定位誤差的測試方法。該方法能快速高效的完成線性軸熱定位誤差的在機測試要求，不僅避免了機床各組成部分的幾何定位誤差對熱定位誤差測量的影響，也避免位移傳感器或標準件的使用以及裝夾、找正、固定造成的偏差問題，減少輔助測量工時。

本發(fā)明解決所述技術問題的技術方案是，提供一種用于立式加工中心線性軸熱定位誤差的測試方法，其特征在于該方法的具體步驟如下：

步驟一，測量立式加工中心線性軸各個測量點在初始時刻的定位誤差：

1、規(guī)劃測量點：在線性軸上等距離規(guī)劃n個測量點；

2、熱定位誤差測量裝置的安裝：在規(guī)劃完測量點之后，進行熱定位誤差測量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，熱定位誤差測量裝置的安裝方式不同：

x軸安裝：將激光頭安裝在云臺上，云臺固定安裝在支架上；支架固定于水平面上，位于立式加工中心的一側(cè)；第二線性反射鏡通過第一磁力基座安裝在立式加工中心的x軸上，位于立式加工中心的另一側(cè)；線性干涉鏡通過第二磁力基座安裝在立式加工中心的z軸上；線性干涉鏡位于激光頭和第二線性反射鏡之間；激光頭、線性干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軸安裝：將激光頭安裝在云臺上，云臺固定安裝在支架上；支架固定于水平面上，位于立式加工中心的正前端；第二線性反射鏡通過第一磁力基座安裝在立式加工中心的y軸上；線性干涉鏡通過第二磁力基座安裝在立式加工中心的z軸上；線性干涉鏡位于激光頭和第二線性反射鏡之間；激光頭、線性干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軸安裝：將激光頭安裝在云臺上，云臺固定安裝在支架上；支架固定于水平面上，位于立式加工中心的正前端；第二線性反射鏡通過第一磁力基座安裝在立式加工中心的z軸上；線性干涉鏡通過第二磁力基座安裝立式加工中心的xy軸水平面上；激光頭和線性干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；

熱定位誤差測量裝置安裝完成后，對激光干涉儀進行光路準直；

3、測量立式加工中心線性軸各個測量點在初始時刻的定位誤差：開始測量，對各個測量點進行測量：對x軸進行測量時，第二線性反射鏡沿x軸做直線運動，保持線性干涉鏡和z軸固定不動；對y軸進行測量時，第二線性反射鏡沿y軸做直線運動，保持線性干涉鏡和z軸固定不動；對z軸進行測量時，第二線性反射鏡沿z軸做直線運動，保持線性干涉鏡和水平面軸固定不動；采用最小二乘法對各個測量點的測量數(shù)據(jù)進行計算分析，得到立式加工中心線性軸各個測量點在初始時刻的定位誤差esi，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；初始時刻是指立式加工中心加工開始前線性軸未產(chǎn)生熱變形的時刻；

步驟二，測量立式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，第二線性反射鏡沿x軸做直線運動，保持線性干涉鏡和z軸固定不動；對y軸進行測量時，第二線性反射鏡沿y軸做直線運動，保持線性干涉鏡和z軸固定不動；對z軸進行測量時，第二線性反射鏡沿z軸做直線運動，保持線性干涉鏡和水平面軸固定不動；采用最小二乘法對各個測量點的測量數(shù)據(jù)進行計算分析，得到立式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；任意時刻是指立式加工中心線性軸加工運轉(zhuǎn)進行中的任意時刻；

步驟三，得到立式加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的熱定位誤差：

立式加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的熱定位誤差eti等于立式加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的定位誤差ei減去立式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，通過立式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立式加工中心線性軸在任意時刻的熱定位誤差。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明有益效果在于：

(1)定位誤差由熱定位誤差和幾何定位誤差組成，在測量立式加工中心線性軸熱定位誤差過程中首先測量立式加工中心的線性軸各個測量點在初始時刻的定位誤差即幾何定位誤差，再測量立式加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的定位誤差，兩次測量過程中條件不變，最后對兩次數(shù)據(jù)進行做差，得到立式加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的熱定位誤差。這樣就避免了機床各組成部分的幾何定位誤差對熱定位誤差測量的影響，提高了測量結(jié)果的準確度。

(2)該測試方法采用激光干涉儀對立式加工中心線性軸進行在機定期測試線性軸的定位誤差，從而計算得到運行時段內(nèi)線性軸的熱定位誤差。該方法能快速高效的完成線性軸熱定位誤差的在機測試要求，不僅避免了機床各組成部分的幾何定位誤差對熱定位誤差測量的影響，也避免位移傳感器或標準件的使用以及裝夾、找正、固定造成的偏差問題，減少輔助測量工時，提高了測量結(jié)果的準確性，特別適合于機床運行一段時間后定期健康維護。

附圖說明

圖1為本發(fā)明用于立式加工中心線性軸熱定位誤差的測試方法一種實施例中的激光干涉儀用于水平線性軸(x方向和y方向)的結(jié)構示意圖；

圖2為本發(fā)明用于立式加工中心線性軸熱定位誤差的測試方法一種實施例中的激光干涉儀用于垂直線性軸(z方向)的結(jié)構示意圖；

圖3為本發(fā)明用于立式加工中心線性軸熱定位誤差的測試方法一種實施例的熱定位誤差測量裝置在立式加工中心x軸上的安裝示意圖；

圖4為本發(fā)明用于立式加工中心線性軸熱定位誤差的測試方法一種實施例的熱定位誤差測量裝置在立式加工中心y軸上的安裝示意圖；

圖5為本發(fā)明用于立式加工中心線性軸熱定位誤差的測試方法一種實施例的熱定位誤差測量裝置在立式加工中心z軸上的安裝示意圖；(圖中：①、激光束；②、反射光束；③、發(fā)射光束；④、調(diào)制光束；⑤、測量光束；、⑥參考光束；1、激光頭；2、第一線性反射鏡；3、分光鏡；4、第二線性反射鏡；5、支架；6、云臺；7、第一磁力基座；8、線性干涉鏡；9、第二磁力基座)

具體實施方式

下面給出本發(fā)明的具體實施例。具體實施例僅用于進一步詳細說明本發(fā)明，不限制本申請權利要求的保護范圍。

本發(fā)明一種用于立式加工中心線性軸熱定位誤差的測試方法使用的熱定位誤差測量裝置包括激光干涉儀、支架5、云臺6、第一磁力基座7、第二磁力基座9和安裝有定位誤差測量軟件的計算機；所述激光干涉儀包括激光頭1、線性干涉鏡8和第二線性反射鏡4；所述線性干涉鏡8包括分光鏡2和第一線性反射鏡3；

激光干涉儀測量定位誤差的原理如圖1所示：由激光頭1產(chǎn)生激光束①，當激光束達到線性干涉鏡8中的分光鏡3時被分為反射光束②和發(fā)射光束③，反射光束②在線性干涉鏡8中的第一線性反射鏡2成為參考光束⑥反射回激光頭1，發(fā)射光束③經(jīng)由第二線性反射鏡4成為測量光束⑤返回激光頭1。測量光束⑤和參考光束⑥在線性干涉鏡8內(nèi)匯合，線性干涉鏡8對兩個光束進行調(diào)制后直接把調(diào)制光束④傳送到激光發(fā)射器中，從而使這兩束光在探測器中產(chǎn)生干涉條紋。定位誤差的測量必須具有一個光學元件相對于另一個光學元件間的相對運動。圖1中線性干涉鏡8靜止不動，第二線性反射鏡4沿著預定的方向運動。把線性干涉鏡8到激光發(fā)射器的距離作為參考值，當?shù)诙€性反射鏡4到激光發(fā)射器之間的距離發(fā)生變化時，激光發(fā)射器中條紋計數(shù)器的明條紋數(shù)值將會產(chǎn)生相應的變化。第二線性反射鏡4到激光發(fā)射器之間的距離(d)等于條紋計數(shù)器中出現(xiàn)的明條紋數(shù)(n)乘以激光束的半個波長(λ)。根據(jù)光的疊加和干涉原理，凡光程差等于波長整數(shù)倍的位置，振動加強，產(chǎn)生明條紋；凡光程差等于半波長奇數(shù)倍的位置，振動減弱，產(chǎn)生暗條紋。

在實際運行和測試過程中，立式加工中心線性軸系統(tǒng)的定位誤差由線性軸系統(tǒng)各組成部分的幾何定位誤差(如機床各個部分的安裝誤差)和由于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(tǒng)熱定位誤差測量中剔除機床本身幾何定位誤差的影響，首先需要對主軸系統(tǒng)幾何定位誤差進行評定。根據(jù)《iso230-3機床熱效應評定標準》，當主軸在行程內(nèi)以較低的速度來回往復運動時，由于運動速度低，主軸系統(tǒng)各結(jié)合部摩擦發(fā)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(tǒng)定位誤差就為本身幾何定位誤差。

本發(fā)明提供了一種用于立式加工中心線性軸熱定位誤差的測試方法，其特征在于該方法的具體步驟如下：

步驟一，測量立式加工中心線性軸各個測量點在初始時刻的定位誤差：

1、規(guī)劃測量點：在線性軸上等距離規(guī)劃n個測量點；

2、熱定位誤差測量裝置的安裝：在規(guī)劃完測量點之后，進行熱定位誤差測量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，熱定位誤差測量裝置的安裝方式不同：

x軸安裝：將激光頭1安裝在云臺6上，云臺6固定安裝在支架5上；支架5固定于水平面上，位于立式加工中心的一側(cè)；第二線性反射鏡4通過第一磁力基座7安裝在立式加工中心的x軸上，位于立式加工中心的另一側(cè)；線性干涉鏡8通過第二磁力基座9安裝在立式加工中心的z軸上；線性干涉鏡8位于激光頭1和第二線性反射鏡4之間；激光頭1、線性干涉鏡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軸安裝：將激光頭1安裝在云臺6上，云臺6固定安裝在支架5上；支架5固定于水平面上，位于立式加工中心的正前端；第二線性反射鏡4通過第一磁力基座7安裝在立式加工中心的y軸上；線性干涉鏡8通過第二磁力基座9安裝在立式加工中心的z軸上；線性干涉鏡8位于激光頭1和第二線性反射鏡4之間；激光頭1、線性干涉鏡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軸安裝：將激光頭1安裝在云臺6上，云臺6固定安裝在支架5上；支架5固定于水平面上，位于立式加工中心的正前端；第二線性反射鏡4通過第一磁力基座7安裝在立式加工中心的z軸上；線性干涉鏡8通過第二磁力基座9安裝立式加工中心的xy軸水平面上；激光頭1和線性干涉鏡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；

熱定位誤差測量裝置安裝完成后，需要對激光干涉儀進行光路準直，具體步驟如下：

(1)熱定位誤差測量裝置安裝完成后，目測調(diào)節(jié)激光頭1、線性干涉鏡8和第二線性反射鏡4的位置，使得激光頭1的激光發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)過線性干涉鏡8和第二線性反射鏡4后都回到激光頭1中；

(2)當?shù)诙€性反射鏡4和線性干涉鏡8距離最近時，視為近光點，在近光點對線性干涉鏡8進行位置調(diào)節(jié)，使得激光頭1的激光發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)過線性干涉鏡8和第二線性反射鏡4后都回到激光頭1中；然后對激光頭1的位置進行微調(diào)，使得激光頭1的激光發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)過線性干涉鏡8和第二線性反射鏡4后都回到激光頭1的探測器中；

(3)當?shù)诙€性反射鏡4和線性干涉鏡8距離最遠時，視為遠光點，在遠光點對線性干涉鏡8進行位置調(diào)節(jié)，使得激光頭1的激光發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)過線性干涉鏡8和第二線性反射鏡4后都回到激光頭1中；然后對激光頭1的位置進行微調(diào)，使得激光頭1的激光發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)過線性干涉鏡8和第二線性反射鏡4后都回到激光頭1的探測器中；

(4)重復(2)和(3)過程，直到在全行程內(nèi)，激光頭1的激光發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)過線性干涉鏡8和第二線性反射鏡4后都回到激光頭1的探測器中。

3、測量立式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件的計算機與激光頭1連接，完成對定位誤差測量軟件參數(shù)和立式加工中心的機床運行程序設置后，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，保持線性干涉鏡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，保持線性干涉鏡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，保持線性干涉鏡8和水平面軸固定不動；在定位誤差測量軟件中采用最小二乘法對各個測量點的測量數(shù)據(jù)進行計算分析，得到立式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；初始時刻是指立式加工中心加工開始前線性軸未產(chǎn)生熱變形的時刻；

步驟二，測量立式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，保持線性干涉鏡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，保持線性干涉鏡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，保持線性干涉鏡8和水平面軸固定不動；在定位誤差測量軟件采用最小二乘法對各個測量點的測量數(shù)據(jù)進行計算分析，得到立式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；任意時刻是指立式加工中心線性軸加工運轉(zhuǎn)進行中的任意時刻；

步驟三，得到立式加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的熱定位誤差：

立式加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的熱定位誤差eti等于立式加工中心線性軸各個測量點在任意時刻的定位誤差ei減去立式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，通過立式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立式加工中心線性軸在任意時刻的熱定位誤差。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術。