專利名稱：磨床砂輪主軸熱誤差測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種磨床砂輪主軸誤差測量方法，尤其是一種砂輪主 軸徑向兩個方向的熱變形以及傾角誤差的測量方法。 絲駄
在精密機床的切削加工中，熱源對加工精度的影響極大，提高工 件的加工精度必須對機床的熱變形作定量研究，并在加工過程中作合 理控制與補償。機床主軸是一種高速運動部件，也是機床的主要熱源 之一，是機床產(chǎn)生熱變形的主要因素，極大地影響著機床的加工精度。
根據(jù)IS0230-3機床熱效應的評定方法，對機床主軸的熱變形測量采 用五點法，即在主軸徑向垂直方向各安裝兩個傳感器，測量主軸徑向 兩個方向的熱變形以及傾角誤差，并在軸向方向安裝一個傳感器，測 量其軸向變形量。
上述測量方法還不能實現(xiàn)測量砂輪主軸徑向兩個方洵的熱變形 誤差同時測量傾角誤差。
本發(fā)明針對磨床砂輪主軸的特點，發(fā)明了一種磨床砂輪主軸徑向 熱變形的測量方法。砂輪主軸軸向變形的測量與一般測量方法相同， 以下不再敘述。本發(fā)明主要涉及砂輪主軸徑向兩個方向的熱變形以及 傾角誤差的測量方法。 翻贈
5本發(fā)明是要提供一種磨床砂輪主軸熱誤差測量方法，該方法能實 現(xiàn)測量砂輪主軸徑向兩個方向的熱變形誤差同時測量傾角誤差，解決 磨床砂輪主軸熱誤差測量與補償問題。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是 一種磨床砂輪主軸熱誤 差測量方法，具體步驟如下
1. 設置非接觸式位移傳感器 為了測量主軸徑向兩個方向的熱變形以及傾角誤差，在X、 Y方
向沿Z軸分別安裝兩個位移傳感器，其中第一，第三傳感器位于同一 平面上，第二，第四傳感器位于同一平面上；
2. 確定上述任一個傳感器與砂輪主軸的相對位置 設磨床的砂輪主軸以測量速度回轉(zhuǎn)時，非接觸第一傳感器的測量
值為S: {Sl， S2,…，sn}，取第一傳感器與砂輪主軸相對固定位置處的M 個初始的測量值S,: {Sl， S2，， SM}作為判別砂輪主軸與傳感器相對位 置的依據(jù)；
3. 測量主軸的熱變形量
當砂輪主軸高速運轉(zhuǎn)，測量其熱變形量時，控制主軸至測量速 度轉(zhuǎn)動，并讀取主軸回轉(zhuǎn)360。以上的測量值，保證讀數(shù)中包括初始 測量值位置的讀數(shù)，當M個測量值S" {si+1， s i+2，， s J與M個初始的 測量值S^ k，S2，…，sJ相同時，s w為第一傳感器與砂輪主軸相對 固定位置處的測量值，將測量值Sw作為第一傳感器的熱變形測量值；
4. 修正砂輪主軸熱變形與隨機測量誤差 根據(jù)信息論中度量兩隨機變量差異性信息的距離測度D(Su S2)，來判別傳感器與砂輪主軸的相對位置
設Si與S2的聯(lián)合熵為H(S^),交互信息量為I(S" S2)，信息距離 測度定義為
D(s"s》H(sn(SnS2) a)
根據(jù)信息論中聯(lián)合熵H(S&)與交互信息量I (S1; S2)的定義為
<formula>formula see original document page 7</formula>
當Si與S2相同時，D(St， S2)=0，找到minDd， S》的位置，此時，
將測量值Sw作為第一傳感器讀取測量值St時的位置。
上述第三步驟中設第一至第四傳感器的讀數(shù)分別為S "i)、 S2(i)、 S3(i)、 S4(i)， i=l， 2,…，N，為測量序號，設測量 開始時主軸熱變形為0，第i次測量X方向第三，第四傳感器位置處的
熱變形量分別為
SX3=53(i)- "(1) SX4=S4(i)- S4(l) (1)
第i次測量Y方向第一，第二傳感器位置處的熱變形量分別為
Sx產(chǎn)S八i)- SX2=S2(i)- "(1) (2)
第i次測量X方向的傾角誤差
△ ex=arctan([ (54(i)- S4(l))-(S3(i)_ S3(l))]/D) (3) 第i次測量Y方向的傾角誤差
A eY=arctan([ (S2(i)- S2(l))_ S"l))]/D) (4)
式中，S"l)、 S2(l)、 S3(l)、 34(1)分別為第一至第四傳感器的初 始位移測量值，D為第一與第二傳感器間的距離，且與第三，第四傳 感器間的距離相本發(fā)明的有益效果是
通過該發(fā)明，能解決磨床砂輪主軸熱變形的測量問題，并給出了 傳感器與砂輪主軸相對位置的判別方法，從而可以準確判定X、 Y方 向的熱變形量。該方法同樣適用于沒有主軸定位功能的加工中心主軸 熱變形的測量。
圖1是磨床的砂輪主軸及傳感器布置示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步的說明。 本發(fā)明的一種磨床砂輪主軸熱誤差測量方法，包括以下步驟
(1) 非接觸式位移傳感器設置
如圖1所示，為了測量主軸徑向兩個方向的熱變形以及傾角誤 差，在X、 Y方向沿Z軸分別安裝兩個位移傳感器，其中第一，第三傳
感器l、 3位于同一平面上，第二，第四傳感器2、 4位于同一平面上。 對于砂輪主軸熱變形的測量，根據(jù)IS0230-3機床熱效應的評定方法， 要求至少每5分鐘讀取一次位移傳感器的測量值，并根據(jù)測量值計算 X、 Y方向的變形量以及這兩個方向的傾角誤差。考慮主軸回轉(zhuǎn)問題， IS0230-3推薦選用電容傳感器或電渦流傳感器等非接觸位移傳感器。
(2) 確定上述任一個傳感器與砂輪主軸的相對位置 主軸熱變形測量的一個關鍵問題是要保證測量過程中，傳感器在
主軸上的測量點位置是一樣的，這樣才能正確反映X、 Y兩個方向的熱 變形。對于中高檔數(shù)控加工中心一般均配備具有定位功能的主軸，定時讓主軸停止轉(zhuǎn)動，通過主軸定位功能，保證測量傳感器始終在同一 位置讀取熱變形測量值。而對于磨床砂輪主軸則無定位功能的主軸， 因此無法準確確定傳感器與主軸的相對位置，為了解決此問題，本發(fā) 明基于信息論提出了一種測量點在砂輪主軸上位置的判定方法，對精 確地確定測點位置提供了依據(jù)。所提出的方法利用電容傳感器動態(tài)響
應好非接觸測量的特點，讀取砂輪主軸回轉(zhuǎn)360。以上的測量值，通 過信號處理手段，確定同一位置處的傳感器測量值。
在磨床砂輪主軸熱變形測量時，為了確定砂輪主軸與傳感器的相 對位置，四個傳感器每次均讀取砂輪主軸回轉(zhuǎn)360。以上的測量值， 以保證獲取足夠多的測量值。由于四個傳感器間的相互位置相對固 定，只要確定某個傳感器與砂輪主軸的相對位置，其它傳感器相對砂 輪主軸的位置也隨之確定。以下論述傳感器l與砂輪主軸相對位置的 確定方法。
設磨床的砂輪主軸以一定的轉(zhuǎn)速(以下稱為測量速度)回轉(zhuǎn)的同 時，非接觸傳感器1的測量值為S: {Sl， s2，…，sn}。取傳感器l與砂輪 主軸相對固定位置處的M個初始的測量值S" {Sl, s2，…，SM)作為判別砂 輪主軸與傳感器相對位置的依據(jù)。 (3)測量主軸的熱變形量
設第一至第四傳感器l、 2、 3、 4的讀數(shù)分別為SJi)、 S2(i)、
S3(i)、 S4(i)， i=l， 2，…，N，為測量序號。設測量開始時主軸熱 變形為O，第i次測量X方向3、 4傳感器位置處的熱變形量分別為
5X3=S3(i)- S3(l) SX4=S4(i)- S4(l) (1)第i次測量Y方向第一，第二傳感器l、 2位置處的熱變形量分別為
S^SJi)- S八l) =52(1)- S2(l) (2)
第i次測量X方向的傾角誤差
△ ex=arctan([ (S4(i)— S4(l))—(S3(i)— S3(l))]/D) (3) 第i次測量Y方向的傾角誤差
A eY=arctan([ (S2(i)- S2(l))—S八l))]/D) (4) 式中，S八l)、 S2(l)、 53(1)、 34(1)分別為第一至第四傳感器1、 2、 3、 4的初始位移測量值，D為第一，第二傳感器l、 2間的距離(與第 三，第四傳感器3、 4間的距離相等)。
(4)修正砂輪主軸熱變形與隨機測量誤差
當砂輪主軸高速運轉(zhuǎn)一定時間，需要測量其熱變形量時，控制主 軸至測量速度轉(zhuǎn)動，并讀取主軸回轉(zhuǎn)360。以上的測量值(保證讀數(shù) 中包括初始測量值位置的讀數(shù))，當M個測量值S2: {si+1， s i+2，…，s i+M} 與M個初始的測量值S" (Si，S2，…，sJ相同時，說明s w為傳感器l與 砂輪主軸相對固定位置處的測量值，此時可以將測量值Sw作為第一 傳感器l的熱變形測量值。然而，實際測量中由于砂輪主軸熱變形誤 差以及測量隨機誤差的存在，無法依據(jù)上述的兩組數(shù)據(jù)是否相同來判 別傳感器與砂輪主軸的相對位置。為此本發(fā)明根據(jù)信息論中度量兩隨 機變量差異性信息的距離測度D(Si， S2)，來判別傳感器與砂輪主軸的
相對位置。
設Si與S2的聯(lián)合熵為H(S&)，交互信息量為I(Su S2)，信息距離 測度定義為D(S"S2)^H(S!S2)-I(S1;S2) (5)
根據(jù)信息論中聯(lián)合熵H(S&)與交互信息量I(S^ S2)的定義，式(5) 可寫為
亂&)=-I;'g一)log f (， )、 (6)
當Si與S2相同時，D(S" S2)=0?？紤]到砂輪主軸熱變形與隨機測 量誤差的存在，傳感器與砂輪主軸的相對位置的判別，就是要找到 minD(S" S2)的位置。此時，可以將測量值Sw作為傳感器l讀取測量
值Si時的位置。
權利要求
1.一種磨床砂輪主軸熱誤差測量方法，其特征在于，所述方法具體步驟如下(一)設置非接觸式位移傳感器為了測量主軸徑向兩個方向的熱變形以及傾角誤差，在X、Y方向沿Z軸分別安裝兩個位移傳感器，其中第一，第三傳感器(1、3)位于同一平面上，第二，第四傳感器(2、4)位于同一平面上；(二)確定上述任一個傳感器與砂輪主軸的相對位置設磨床的砂輪主軸以測量速度回轉(zhuǎn)時，非接觸第一傳感器(1)的測量值為S{s1，s2，…，sn}，取第一傳感器(1)與砂輪主軸相對固定位置處的M個初始的測量值S1{s1，s2，…，sM}作為判別砂輪主軸與傳感器相對位置的依據(jù)；(三)測量主軸的熱變形量當砂輪主軸高速運轉(zhuǎn)，測量其熱變形量時，控制主軸至測量速度轉(zhuǎn)動，并讀取主軸回轉(zhuǎn)360°以上的測量值，讀數(shù)中包括初始測量值位置的讀數(shù)，當M個測量值S2{si+1，si+2，…，si+M}與M個初始的測量值S1{s1，s2，…，sM}相同時，si+1為第一傳感器(1)與砂輪主軸相對固定位置處的測量值，將測量值si+1作為第一傳感器(1)的熱變形測量值；(四)修正砂輪主軸熱變形與隨機測量誤差根據(jù)信息論中度量兩隨機變量差異性信息的距離測度D(S1，S2)，來判別傳感器與砂輪主軸的相對位置設S1與S2的聯(lián)合熵為H(S1S2)，交互信息量為I(S1；S2)，信息距離測度定義為D(S1，S2)＝H(S1S2)-I(S1；S2) (1)根據(jù)信息論中聯(lián)合熵H(S1S2)與交互信息量I(S1；S2)的定義為<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>D</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>S</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub><mi>S</mi><mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>-</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi></munderover><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mi>M</mi> </mrow></munderover><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>s</mi><mi>j</mi> </msub> <msub><mi>s</mi><mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mi>log</mi><mfrac> <mrow><msup> <mi>p</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>s</mi><mi>j</mi> </msub> <msub><mi>s</mi><mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>s</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>s</mi><mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>當S1與S2相同時，D(S1，S2)＝0，找到minD(S1，S2)的位置，此時，將測量值si+1作為第一傳感器1讀取測量值s1時的位置。
2.根據(jù)權利要求l所述的磨床砂輪主軸熱誤差測量方法，其特征在于 上述第三步驟中設第一至第四傳感器(l、 2、 3、 4)的讀數(shù)分別為S"i)、 S2(i)、 S3(i)、 S4(i)， i=l， 2，…，N，為測量序號，設測量開始時主軸熱 變形為0，第i次測量X方向第三，第四傳感器3、 4位置處的熱變形量 分別為SX3=S3(i)- S3(l) SX4=S4(i)- S4(l) (1)第i次測量Y方向第一，第二傳感器(1、 2)位置處的熱變形量分別為 Sx產(chǎn)Si(i)- S八l) 5X2=S2(i)- S2(l) (2)第i次測量X方向的傾角誤差a ex=arctan([ (S4(i)- s4(l))-(S3(i)- s3(l))]/D) (3)第i次測量Y方向的傾角誤差△ eY=arCtan([ (S2(i)- S2(l))-(SJi)- SJl))]/D) (4) 式中，S八l)、 S2(l)、 S3(l)、 54(1)分別為第一至第四傳感器(1、 2、 3、 4)的初始位移測量值，D為第一與第二傳感器(l、 2)間的距離，且與第三，第四傳感器(3、 4)間的距離相等,
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磨床砂輪主軸熱誤差測量方法，具體步驟如下1.設置非接觸式位移傳感器，2.確定上述任一個傳感器與砂輪主軸的相對位置，3.測量主軸的熱變形量，4.修正砂輪主軸熱變形與隨機測量誤差。通過本發(fā)明能解決磨床砂輪主軸熱變形的測量問題，并給出了傳感器與砂輪主軸相對位置的判別方法，從而可以準確判定X、Y方向的熱變形量。該方法同樣適用于沒有主軸定位功能的加工中心主軸熱變形的測量。
文檔編號B24B49/00GK101628396SQ200910052299
公開日2010年1月20日 申請日期2009年6月1日 優(yōu)先權日2009年6月1日
發(fā)明者俊 姚, 李郝林, 遲玉倫 申請人:上海理工大學;上海機床廠有限公司