一種測量鏜銑床空間熱變形誤差的快速測量規及其方法與流程

本發明屬于測量技術領域，尤其涉及一種測量鏜銑床空間熱變形誤差的快速測量規及其方法。

背景技術：

機床空間熱誤差的產生：機床切削工件的基本原理在于，主軸上安裝的刀具需要接觸工作臺上安裝的工件，并通過主軸上刀具的旋轉和直線軸的進給，完成工件的切削。因此理想情況下，我們希望主軸上刀具和工作臺上安裝的工件需要加工的位置兩者是一致的，沒有誤差，這樣加工的精度就可以達到很高。

然而，工件機床在運動過程中，無論采用絲杠傳動或者直線電機等方式，其傳動部件——包括導向承受載荷的導軌、絲杠或者直線電機，均會在運動中由于摩擦或者電機自身受載后的發熱導致在機床上集聚熱量，這些熱量都會成為發熱點，在機床上形成分布的熱源，并且隨著運動部件的位置不同，這些熱源的位置也會產生一定的變化，最終造成機床主軸上刀具和工作臺上工件的加工點之間的不一致，這就是機床空間的熱誤差。這種不一致最終會造成加工工件部位的精度和表面粗糙度的降低。因此在機床行業，必須考慮空間熱誤差的測量，了解機床的空間熱誤差情況，并在可能的情況下，采用不同的方式予以補償。從而提高機床加工零件的加工精度。

目前，常用的空間熱變形誤差測試方式有：

i)平尺、角尺和指示器，可用于測量主軸和工作臺之間在單一直線方向的誤差變化；

i i)方箱和指示器，可用于測量主軸和工作臺之間在垂直方向產生的誤差；

i i i)標準機床測頭，測頭安裝與機床主軸上，可用于接觸式測量工作臺上固定點的誤差情況，可根據需要測量感興趣的點的某一熱誤差。由于采用接觸方式來測量點的誤差情況，測頭需接觸所需測試的部位，從空間上對測試點有所局限，同時測頭在某個點只能測試一個直線方向的誤差。

對于前兩種采用的平尺、角尺以及方箱和指示器結合的方式來進行測量，運行過程中測試儀器無法固定在機床上隨機床運動，運動停止后調整測試儀器需要比較長的時間，效率低，影響測量結果。后一種采用標準測頭測試的方式，其測頭安裝在機床主軸上，采用接觸方式來測量點的誤差情況，測頭需接觸所需測試的部位，從空間上對測試點有所局限，同時測頭在某個點只能測試一個直線方向的誤差。故綜上所述的各方法均不實用。

技術實現要素：

本發明的主要目的之一是提供一種測量鏜銑床空間熱變形誤差的快速測量規，利用其可實現對測量鏜銑床空間熱變形誤差的測量。

為實現上述目的，本發明采取以下設計方案：

一種測量鏜銑床空間熱變形誤差的快速測量規，其包括有：

一安裝板；

一組高度互不相同的支柱，各支柱頂端固定有標準球；工作時選取五個支柱分別固定在安裝板平面上的四個角位及該四個角所圍平面的中心區域，將五個支柱中處于中間高度的支柱固定在所述的中心位置；

一個用于測量各標準球位置的測頭；

將安裝板固定在機床的工作臺面上，并使安裝板的大面與機床的主軸垂直；測頭固定在機床的主軸上，兩者均可隨機床運動軸進行運動。

所述量鏜銑床空間熱變形誤差的快速測量規中，所述四個角位上的支柱高度排布的次序隨機布設。

所述量鏜銑床空間熱變形誤差的快速測量規中，所述安裝板平面上的四個角位所圍面積大于或等于測量空間所對應的XY向平面的面積。

所述量鏜銑床空間熱變形誤差的快速測量規中，所述安裝板平面上的四個角位所圍面呈矩形。

所述量鏜銑床空間熱變形誤差的快速測量規中，還至少具有如下特征之一：

1)所述一組高度互不相同的支柱中，工作時選取的最高支柱的高度大于或等于測量空間Z向所對應的高度尺寸；

2)所述一組高度互不相同的支柱中，最低的支柱高度不高于100mm；

3)所述中高支柱高度的設置應保證測頭靠近測量時固定測頭的主軸部件與最高支柱的距離不小于安全距離，該安全距離大于等于10mm。

所述量鏜銑床空間熱變形誤差的快速測量規中，所述各支柱的主體為圓柱狀，其頂端帶有一段細圓柱，該細圓柱直徑小于標準球的直徑。

所述量鏜銑床空間熱變形誤差的快速測量規中，還至少具有如下特征之一：

a)標準球的球度誤差小于0.6μm；

b)所述快速測量規中的各零件采用熱膨脹系數低的材料制作；

c)所述測頭為三維非接觸式。

本發明的另一目的是提供一種測量鏜銑床空間熱變形誤差的快速測量方法，利用其可方便的獲得熱變形的誤差，具有快速檢測的效果。

為實現上述目的，本發明采取以下設計方案：

一種測量鏜銑床空間熱變形誤差的快速測量方法，包括有如上述任一種測量規；其方法步驟如下：

1)劃定鏜銑床機床待測空間熱變形誤差的測量空間，依據測量空間的尺寸選取五個支柱，備安裝板，選五個支柱中中間高度的支柱固定在所述的中心位置；其余四個支柱分別固定在安裝板平面的四個角位，在各支柱上分別固定標準球；將安裝板固定在機床的工作臺面上，測頭固定在機床的主軸上；

2)在機床未工作前，控制測頭按照規劃的路徑以規定順序靠近每個支柱上的標準球，測各標準球的即時位置，將該即時位置設定為基準位置；

3)啟動機床完成工作，在機床運動軸停止運動后，控制測頭再次按照上述同樣的路徑、同樣的順序靠近每個標準球，從而得出各標準球變形后新位置；

4)將變形后新位置和原基準位置比較，得到該空間熱變形誤差。

本發明提出的測量鏜銑床空間熱變形誤差的快速測量規，在機床運動中可固定在機床的工作臺面上，測頭固定在主軸上，均可隨機床運動軸進行運動，運動停止后，讓測頭快速接近測量規，并迅速完成測量，獲得空間三個方向的誤差數據。測量規可涵蓋足夠大的測量空間，可表述機床整個空間不同三維位置點的誤差情況，這些點覆蓋機床各直線軸的不同位置，具有代表性。

本發明的優點是：利用本發明測量規和測量方法，不需要嚴格控制各支柱和標準球的位置尺寸，通過比較的方法獲得熱變形的誤差，具有快速檢測的效果，非常便于工程適用。

附圖說明

圖1為本發明測量鏜銑床空間熱變形誤差的快速測量規一較佳實施例結構組成示意圖。

圖2為本發明測量時測頭與支柱相對位置狀態示意圖。

下面結合附圖及具體實施例對本發明做進一步的說明。

圖中：1-中高支柱；2-最高支柱；3-標準球；4-中間支柱；5-安裝板；6-中間支柱；7-最低支柱；8-測頭。

具體實施方式

參見圖1所示，本發明測量鏜銑床空間熱變形誤差的快速測量規由一組頂端固定有高精度標準球3的支柱(本實施例中包括中高支柱1、高支柱2、標準球3、中間支柱4和中間支柱支柱6)安裝在安裝板5上組成。

所述的安裝板5盡可能覆蓋所需測量空間的一個平面的尺寸，該測量空間可以根據鏜銑床加工行程來預先劃分，該安裝板5的形狀以方形為佳。

所述的一組支柱中，各支柱的高度尺寸均互不相同。工作時，至少要選取五個支柱分別固定在安裝板平面的四個角位及四個角位的中心區域為佳，以可以有效的代表所選定的機床測量空間。所述五個支柱固定在安裝板上，最高支柱4的高度盡可能覆蓋測量空間除安裝板平面的另一個維度(亦即大于或等于測量空間所對應的Z向高度尺寸)，最低支柱7的高度盡可能靠近安裝板(不高于100mm)，中高支柱1的高度與鏜銑床主軸軸伸尺寸有關，其尺寸應保證三維測頭可以靠近，但又不會影響測頭的行進(如果中高支柱1過低，安裝有三維測頭的機床主軸測試時靠近該支柱，可能會和四角位置的支柱干涉)。故所述中高支柱1高度的設置應保證測頭靠近測量時固定測頭的主軸部件與最高支柱的距離不小于安全距離，所述的安全距離是指：測頭測中高支柱1的時候其可以運動的軌跡是有限的，也就是說Z向是有限的，只能運動到距安裝板一定的高度。例如：如果這個高度是200mm(200mm主軸部件與支柱正好不干涉)，那么中高支柱1如果低于200mm，測頭無法感應到標準球就無法檢測到數據，此時中高支柱1高度就必須高于200mm，如果高度為220mm，則還有20mm才會與最高的支柱干涉，此值即為安全距離，該安全距離應為10mm～25mm。常規情況下，中高支柱1的高度應為最高支柱高度與最低支柱高度之差的1/2，亦可根據實際情況調整該數值。所述置于四角位置的四個支柱按隨機的高度次序排布。

本實施例中，所述的五個標準球3分別固定在五個支柱上，各支柱與標準球3固定側為相對直徑很小的一段細圓柱，本實施例中，所述各支柱的主體為圓柱狀，頂端帶有的細圓柱直徑要大大小于標準球的直徑；標準球3的球度誤差應小于0.6μm為佳。

本發明所述的用于測量標準球位置的測頭8應采用三維非接觸式。

本發明測量規中的各零件均應采用熱膨脹系數低的材料制作，如銦鋼，以盡量避免測量規中的各零件隨機床運動軸進行運動時發生形變。

本發明的工作原理及工作過程是：

眾所周知，三點決定一個平面，當我們設計多于三點，且三點不在同一平面上時，則可以組成空間的圖形，因此在本發明中，我們采用五個不在同一平面的點來測量其位置變化，從而反應機床的空間熱誤差，這五個點位于安裝板的四個角和中間位置，具有代表性。由于采用非接觸式測量，具有快速測量的特點。我們采用的是這五點中每點的相對誤差，因此各點之間不需要嚴格的尺寸要求，非常便于工程適用。使用時，固定在安裝板上的五個支柱和標準球作為一個整體裝置，在機床運動中可固定在機床的工作臺面上，非接觸式三維測頭固定在主軸上，兩者均可隨機床運動軸進行運動，使用該測量規進行測量時，首先選擇在運動前的初始狀態，控制三維測頭按照規劃的路徑，以規定順序靠近每個標準球，從而得出各標準球的位置作為基準位置。當機床運動停止(亦即發生熱變形)后，再次按照同樣的路徑、同樣的順序靠近每個標準球，從而得出各標準球變形后的位置。新位置和原位置的比較，即為該空間的熱變形誤差。測量規測量這五點中每點的相對誤差，各點之間不需要嚴格的尺寸要求。

上述各實施例可在不脫離本發明的范圍下加以若干變化，故以上的說明所包含應視為例示性，而非用以限制本發明申請專利的保護范圍。