一种基于触发式测头的五轴机床C轴热变形检测方法

本发明涉及五轴机床热变形检测领域，具体涉及一种基于触发式测头的五轴机床c轴热变形检测方法。

背景技术：

1、装备制造业中，数控机床被誉为“工业母机”，其发展质量是衡量一个国家装备制造水平的重要指标。在机床加工过程中，热变形引起的热误差占总误差的40％至70％。因此，热变形测量技术在机床研究中至关重要。

2、目前，国际标准《机床检验通则第3部分：热效应的确定》(iso230-3:2020)被广泛用于五轴机床热变形测量。该标准对五轴机床c轴热变形的测量方法为，机床主轴上安装具有3个位移传感器的热变形测头装置，分别测量标准球的x，y，z方向位移，机床工作台上安装有一个标准球。在测量时，通过工作台旋转，将标准球依次移动到四个目标位置，在标准球移动到每个标准位置时，机床主轴进行线性运动，带动测头测量标准球在该目标位置的x，y，z方向的偏移量。四个目标位置测量完成后，计算出五轴机床c轴热变形量。

3、该方法使用一个标准球，只能得到工作台台面某一固定点由于c轴旋转导致的热变形信息，难以得到全工作台由于c轴旋转导致的热变形信息，且该热变形测头装置成矩形，有较大的空间干涉范围，对于某些类机床难以实施。

4、因此，针对五轴机床的c轴全工作区间的热变形测量，需要改进检测方法，以找到适配且精度较高的测量方法。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基于触发式测头的五轴机床c轴热变形检测方法，以解决现有技术中难以得到五轴机床的c轴全工作区间的热变形，以及现有技术中采用的测头装置可能会产生较大的空间干涉范围的技术问题，可以成为国际测量方法的重要补充。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、本发明公开了一种基于触发式测头的五轴机床c轴热变形检测方法，包括以下步骤：

4、s1、在五轴机床的工作台平面上选择四个目标位置，各个目标位置在工作台平面上以c轴与工作台的交点为圆心呈中心对称分布，各个目标位置处分别安装有一个标准球，每个标准球上预设有固定位置的五个测量基准点；

5、s2、将触发式测头安装至工作台上方的主轴上，所述主轴能够带动触发式测头进行线性运动，在对应的测量时刻使用触发式测头依次采集各个测量基准点初始坐标，并计算得到标准球球心初始坐标；

6、s3、五轴机床c轴的热变形检测阶段包括转轴循环以及冷却阶段，预设测量间隔时长δt、由转轴循环阶段进入冷却阶段的进入冷却阶段条件和中断整个c轴热变形检测的中断测量条件；

7、s4、进入转轴循环阶段，令c轴旋转，且c轴旋转的时长达到nδt时，其中，n∈{1,2,3...}，令c轴停止旋转，并在对应的测量时刻使用触发式测头依次采集各个测量基准点坐标，并计算对应测量时刻的标准球球心坐标，结合对应的标准球球心初始坐标进行计算，得到对应测量时刻的五轴机床转轴循环阶段c轴热变形值；

8、s5、对步骤s4中得到的对应测量时刻的五轴机床转轴循环阶段c轴热变形值按照进入冷却阶段条件进行判定，若符合进入冷却阶段条件，则跳转执行步骤s6；若不符合进入冷却阶段条件，则重复执行步骤s4；

9、s6、进入冷却阶段，令c轴停止旋转，且自进入冷却阶段开始计时，当计时时长达到mδt时，其中，m∈{1,2,3...}，在对应的测量时刻使用触发式测头依次采集各个测量基准点坐标，并计算对应测量时刻的标准球球心坐标，结合对应的标准球球心初始坐标进行计算，得到对应测量时刻的五轴机床冷却阶段c轴热变形值；

10、s7、对步骤s6中得到的对应测量时刻的五轴机床冷却阶段c轴热变形值按照中断测量条件进行判定，若符合中断测量条件，则跳转执行步骤s8；若不符合中断测量条件，则重复执行步骤s6；

11、s8、中断测量，得到五轴机床c轴全工作区间热变形值检测结果。

12、本方案的工作原理是：利用热变形后各个目标位置标准球球心的坐标变化计算c轴沿x、y、z方向的位移热变形，以及沿a和c方向的角度热变形；通过上述方法，本方案能够准确测量和评估五轴数控机床c轴的热变形，提高加工精度和生产效率，有助于实现对复杂五轴机床c轴热变形的全面检测。

13、进一步的，步骤s5中，进入冷却阶段条件为，转轴循环阶段最后一小时内测得的热变形最大差值小于转轴循环阶段第一个小时内测得的热变形最大差值的15％时，判定符合进入冷却阶段条件。

14、进一步的，步骤s5中，判定符合进入冷却阶段条件的判定步骤如下：

15、s5.1、预设测量间隔时长为δt，且转轴循环阶段第一个小时内测得的最大热变形值为

16、dmax1h，转轴循环阶段第一个小时内测得的最小热变形值为dmin1h；自转轴循环阶段当前时刻向前推算一小时内测得的最大热变形值为dmaxm，最小热变形值为dminm；

17、s5.2、自转轴循环阶段当前时刻向前推算一小时内测得的热变形值最大差值与转轴循环阶段第一个小时内测得的热变形最大差值进行对比，判定是否小于15％；若符合，则判定为符合进入冷却阶段条件，使c轴停止旋转，且符合进入冷却阶段条件的当前时刻向前推算一小时的时间段即为转轴循环阶段最后一小时；若不符合，则重新判定，直至符合进入冷却阶段条件。

18、进一步的，步骤s7中，中断测量条件为，冷却阶段最后一小时内测得的热变形最大差值小于转轴循环阶段第一个小时内测得的热变形最大差值的15％时，判定符合中断测量条件。

19、进一步的，步骤s7中，中断测量的判定步骤如下：

20、s7.1、预设测量间隔时长为δt，冷却阶段第一个小时内测得的最大热变形值为

21、d′max1h，冷却阶段第一个小时内测得的最小热变形值为d′min1h，自冷却阶段当前时刻向前推算一小时内测得的最大热变形值为d′maxm，最小热变形值为d′minm；

22、s7.2、自冷却阶段当前时刻向前推算一小时内测得的热变形值最大差值与冷却阶段第一个小时内测得的热变形最大差值进行对比，判定是否小于15％；若符合，则判定为符合中断测量条件，中断测量，且符合中断测量条件的当前时刻向前推算一小时的时间段即为冷却阶段最后一小时；若不符合，则重新判定，直至符合中断测量条件。

23、进一步的，步骤s1中，各个目标位置处分别安装有第一标准球、第二标准球、第三标准球和第四标准球，分别放置于第一目标位置、第二目标位置、第三目标位置以及第四目标位置处；

24、第一目标位置、第二目标位置、第三目标位置以及第四目标位置在工作台平面上以c轴与工作台的交点为圆心呈中心对称分布，所述第一目标位置的中心点与第三目标位置的中心点的第一连线，垂直于第二目标位置的中心点与第四目标位置的中心点的第二连线。

25、进一步的，步骤s2中，在对应的测量时刻使用触发式测头依次采集各个测量基准点初始坐标，并计算得到标准球球心初始坐标的具体过程是：触发式测头由五轴机床带动沿x轴、y轴或z轴做线性运动，并依次接触每个标准球上对应预设的五个测量基准点，测得每个标准球对应的五个测量基准点的初始坐标，计算得到相应标准球球心初始坐标；

26、步骤s4和步骤s6中，在对应的测量时刻使用触发式测头依次采集各个测量基准点坐标，并计算对应测量时刻的标准球球心坐标的具体过程是：触发式测头由五轴机床带动沿x轴、y轴、z轴做线性运动，并依次接触每个标准球上对应预设的五个测量基准点，测得每个标准球对应的五个测量基准点在测量时刻的坐标，计算得到对应测量时刻的标准球球心坐标。

27、进一步的，步骤s4和步骤s6中，所述五轴机床转轴循环阶段c轴热变形值，或者所述五轴机床冷却阶段c轴热变形值包括x、y、z方向的线性位移热变形；

28、各个测量时刻对应的五轴机床c轴在x、y、z方向的线性位移热变形分别为：

29、

30、上式中，分别表示第i个测量时刻，c轴在x、y、z方向的线性位移热变形值；px1i、py1i、pz1i分别表示第i个测量时刻，第一标准球球心在x轴、y轴、z轴的坐标值；px2i、py2i、pz2i分别表示第i个测量时刻，第二标准球球心在x轴、y轴、z轴的坐标值；p0x1、p0y1、p0z1分别表示第一标准球初始球心在x轴、y轴、z轴的坐标值；p0x2、p0y2、p0z2分别表示第二标准球初始球心在x轴、y轴、z轴的坐标值；ti表示第i个测量时刻，其中，i∈{1,2,...}；t0表示整个检测过程的初始时刻。

31、进一步的，步骤s4和步骤s6中，所述五轴机床转轴循环阶段c轴热变形值，或者所述五轴机床冷却阶段c轴热变形值包括在a方向的角度位移热变形；

32、测量时刻对应的五轴机床c轴在a方向的角度位移热变形为：

33、

34、或，

35、

36、上式中，表示第i个测量时刻，c轴在a方向的角度位移热变形值；pz1i、pz2i、pz3i、pz4i分别表示第i个测量时刻，第一标准球、第二标准球、第三标准球、第四标准球球心在z轴的坐标值；p0z1、p0z2、p0z3、p0z4分别表示第一标准球、第二标准球、第三标准球、第四标准球初始球心在z轴的坐标值；l表示第一标准球球心与第二标准球球心之间的x方向距离；l′表示第一标准球球心与第四标准球球心之间的y方向距离；ti表示第i个测量时刻，其中，i∈{1,2,...}；t0表示整个检测过程的初始时刻。

37、进一步的，步骤s4和步骤s6中，所述五轴机床转轴循环阶段c轴热变形值，或者所述五轴机床冷却阶段c轴热变形值包括在c方向的角度位移热变形；

38、测量时刻对应的五轴机床c轴在c方向的角度位移热变形为：

39、

40、上式中，表示第i个测量时刻，c轴在c方向的角度位移热变形值；py1i、py2i分别表示第i个测量时刻，第一标准球、第二标准球球心在y轴的坐标值；p0y1、p0y2分别表示第一标准球、第二标准球初始球心在y轴的坐标值；l表示第一标准球球心与第二标准球球心之间的x方向距离；ti表示第i个测量时刻，其中，i∈{1,2,...}；t0表示整个检测过程的初始时刻。

41、本发明具有以下有益效果：本发明通过采用基于触发式测头的五轴机床c轴热变形检测方法，以解决现有技术中难以得到五轴机床的c轴全工作区间的热变形，以及现有技术中采用的测头装置可能会产生较大的空间干涉范围的技术问题，可以成为国际测量方法的重要补充；本发明通过选择多个目标位置再结合触发式测头进行坐标测量的方式，能够准确记录和评估c轴的热变形，不仅能测量c轴在x、y、z方向的位移热变形，还能测量a，c方向的角度位移热变形，在提高测量精度的同时，扩展了应用范围，能够全面反映五轴机床c轴在整个工作区间的热变形，具有广阔的应用前景。