本发明属于数控测量相关技术领域，更具体地，涉及一种数控机床丝杆热误差测量装置及方法。
背景技术：
数控机床丝杠的热误差是影响加工精度的一个重要因素，研究表明机床的热误差占综合误差的40％-70％，减小热误差的方法包括误差防止法和误差补偿法。其中，热误差补偿法有很多优点，比如相对于主动热控制成本低、解决通过结构设计无法消除的热误差等。通常热误差补偿离不开建模过程，建模不仅仅需要采集热误差数据，还需要与之相关的温度、电流、转速等数据，所以，同步的数据采集很有必要。
机床丝杠热误差测量常采用平面光栅、激光干涉仪等仪器。除上述仪器外，还可以采用其他方式测量机床的空间热误差。专利cn105817953a一种空间热误差的测量装置及测量方法中采用铟钢制成的测量组件及位移传感器进行空间热误差的测量，其中采用位移传感器进行热误差的测量；在专利cn109623499a数控机床几何/热误差在线测量与补偿系统中采用加速度传感器进行热误差的快速测量；专利cn104999342a数控机床实切状态下热误差自动测量系统及其测量方法中采用测头进行机床热误差的测量；数控机床的丝杠热误差也可以采用激光干涉仪进行测量；激光干涉仪需要安装、对光等操作，操作复杂。因此，降低操作的复杂程度十分必要。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种数控机床丝杆热误差测量装置及方法，其中通过从整体上构建测量装置的结构，简化测量装置的结构，缩短测量时间，降低丝杠热误差采集的复杂程度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种数控机床丝杆热误差测量装置，该装置包括底座和测量标杆，其中：
所述底座上设置有多个安装孔，该安装孔用于与所述测量标杆连接，通过更换不同的安装孔，调整所述测量标杆在所述底座上的安装位置；
所述测量标杆包括柱状本体和设置在柱状本体中间的测量平面，该测量平面的直径大于所述柱状本体的直径，数控机床测头测量从初始位置运动至该测量平面的实际运动距离，将该实际运动距离与预设指令距离相比较即可获得丝杆热误差变形量。
进一步优选地，所述测量标杆的侧面设置有切削平面，该切削平面用于增大所述测量表标杆受力面。
进一步优选地，所述测量标杆的两端设置均设置有连接端口，多个测量标杆通过所述连接端口连接，以此改变所述测量标杆的长度。
进一步优选地，所述测量平面的数量为一个或多个。
进一步优选地，所述测量平面上方的柱状本体的直径逐渐减小，防止测量过程中发生干涉。
进一步优选地，所述测量标杆采用热膨胀系数小的铟钢，避免在热应力作用小发生变形。
按照本发明的另一个方面，提供了一种上述的测量装置的测量方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
s1将所述测量装置放置在数控机床工作台上，测头从初始运动至所述测量装置的测量平面，并记录测头的运动距离，该运动距离即为标定距离，所述测量装置当前的位置即为标定位置；
s2丝杆在热应力作用下发生变形，保持所述测量装置在所述标定位置不变，所述测头再次从初始位置运动至所述测量平面，记录此时测头运动的实际距离；
s3将步骤s2中获得的实际距离与步骤s1中获得的标定距离相减即获得所述丝杆的热误差变形量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
1.本发明提供的测量装置，结构简单，测量平面的直径大于测量平面的直径，使得测量平面突出柱状本体，在测量过程中测头更加容易与测量平面接触，减小与其他平面的接触机率，缩短测量时间，提高测量的精确度；
2.本发明提供的测量装置的测量标杆的数量可调，通过一个或多个测量标杆连接，实现测量标杆的高度可调，适合不同的数控机床的测量需求，同时通过设置有一个或多个测量平面，进一步实现测量平面的多样化选择，进一步提高适用范围和测量需求，提高测量装置的通用性，简化测量过程；
3.本发明中提供的测量方法，相比现有的采用激光干涉仪、平面光栅等其它仪器的测量方式而言，本装置结构简单，测量成本低，减少测量费用。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的测量装置的结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的测量标杆的结构示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的底座结构示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的测头触碰测量平面示意图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的测头触碰测量平面局部放大图；
图6是按照本发明的优选实施例所构建的数控测量系统的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-测量平面，2-柱状本体，3-连接端口，4-安装孔，5-切削平面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种数控机床丝杆热误差测量装置，测量装置分为与底座直接相连的测量标杆和底座，与底座直接相连的测量标杆可拼装使用以满足实际的测量需求，测量标杆两端设置有连接端口，用于与底座连为整体的连接部分，用于向上连接其它测量标杆的连接部分。测量标杆设置有测量平面，用于测量，测量平面的数量为一个或多个，测量平面需要精加工，以保证足够的精度；测量平面需要尽量小以减小加工难度、提高测量精度，但同时应该留有足够的安全余量以方便操作。测量时使用测头测针触碰该平面，进而产生触发信号。
如图2所示，多个测量标杆可依次安装，根据实际需要确定测量范围，确定测量需要的测量标杆的个数，测量平面设置在不同高度处，实现丝杠不同位置的测量；测量标杆彼此之间的连接可以快速连接，可以采用螺纹连接，也可以通过其它方式连接。
如图3所示，底座固定机床工作台上，底座上有多个安装位置，根据不同机床的特点，在避免机床和测量装置触碰的基础上，选择合适的安装位置。
如图4和5所示，上述测量装置的测量方法，具体包括如下步骤：
s1将所述测量装置放置在数控机床工作台上，测头从初始运动至所述测量装置的测量平面，并记录测头的运动距离，该运动距离即为标定距离，所述测量装置当前的位置即为标定位置；
s2丝杆在热应力作用下发生变形，保持所述测量装置在所述标定位置不变，所述测头再次从初始位置运动至所述测量平面，记录此时测头运动的实际距离；
s3将步骤s2中获得的实际距离与步骤s1中获得的标定距离相减即获得所述丝杆的热误差变形量。
如图6所示的数控测量系统，其测量采用本发明中测量装置进行测量的整体工作过程如下：
(a)触发测头接收器和数控机床的连接：
硬件连接接受器和数控机床，接受器安装于机床固定位置，方便接受信号。
保证测头、接收器以及数控机床没有故障的情况下，彼此之间正常连接。接收器通过接线和数控装置连接。测头和接收器通过光信号传递信息，安装时要保证测头的运行在接收器的有效接收范围内，防止意外发生。
确定机床支持定位测量功能极为重要，否则，测量过程无法完成。改变plc逻辑，使测头能够被数控装置开启和关闭，当有触发信号产生时，由测量定位功能及时停止当前方向的运动。同时，可以通过数控系统读取当前的位置信息用于换算出热误差。
(b)测头的安装
根据实际情况采用不同尺寸和规格的测头,测头通过刀柄装夹于主轴上，根据实际情况，调整测头的配置。
(c)组合测量零件
零件之间完成组装，组装完成的部件由不同高度的平面组成，不同的平面用于丝杠不同位置的热误差测量,一次实际测量过程按照次序依次测量各个平面，不同平面对应不同的机床坐标位置。
本发明提供的测量装置有很小的热膨胀系数，同时保证加工精度，这里的材料为铟钢但不限于铟钢。根据测量需求和范围，添加z轴需要测量的位置，这要求测量组装简单可靠，可以通过螺纹连接。同时，安装测量零件时要确保安装牢固。如果安装不够牢固，在机床运行过程中，如果零件位置发生偏移，那么测头可能会被撞断。
(d)编写测量代码
测量代码需要完成的功能包括测头的开启和关闭，定位测量。定位测量的数据与测量零件相关，这里自制的测量零件尺寸已知，且零件精度满足要求，初次测试时以较低的进给速度单段运行，保证测量代码无误，完成后，改变进给速度快速测量。
测量代码需要根据装配完成的装配体尺寸进行编写，测量代码应该有足够准确的数据以支撑测量过程，保证严格的按照次序进行各平面的测量，移动过程需要先快速移动到需要测量位置附近，然后改变移动速度慢速完成测量。测量时产生触碰信号用于锁定机床，记录此时坐标值用于换算热误差，触碰完成后需要先从触碰位置移开，然后快速从测量平面移除，移动到下一测量平面的高度，然后移动到该测量平面的正上方并慢速完成测量过程。对于需要测量范围较大的测量过程，需要采用偏侧测量方式以完成最低面的测量。实际测量需要先手动移动至对刀位置，并在测量代码中输入实际位置，后续所有的测量过程都由该位置确定，方便了编程和避免撞刀事件发生。
对于测量代码的第一个测量平面，测量代码要保证测头从任何位置都能够移动到该平面的上方，然后再进行其它方向的快速定位，严格避免撞坏测头。在测量前，务必确保进给数据正确，第一次测量，应该空运行，此时确定尺寸正常，在机床在触发测头时及时接受信号并锁定当前位置，必要时可以通过手去触碰测头，防止测头撞断。
本发明提供的装置，实际测量中，由数控机床完成测量过程，提高了自动化测量过程。通过机床的快速定位，定位完成后开始慢速测量以保证精度；测量中若需要添加或减少丝杠的测量位置，只需要添加或减少测量平面以及修改g代码，实现过程简单，大大简化了丝杠热误差的测量过程；本发明的测量标杆采用热膨胀系数极小的材料，减小了由于温度因素引起的零件变形，保证了测量的有效性。
现有的激光干涉仪在测量完成后，要取下仪器妥善保存，下次测量时又需要重新安装，对于熟练的操作人员，测量时间取决于熟练程度。对于重复性的实验，本发明提供的测量装置进行测量通过代码取代，唯一需要保证的是第一个位置测量无误，而后续测量的代码都无需改变；本方法安装更加方便，因为测量的最终结果取决于测头的重复精度和数控机床对于外界信号处理的实时性，实际的热变形量以增量的形式体现；零件的安装只需要保证在一定的范围内，以保证测量程序可以正常运行即可；本发明中采用测头触碰测量测量平面，测头相对于激光干涉仪，使用方便且费用较低，大大降低了测量的成本。
本发明提供的丝杠热误差测量方案，利用数控系统读触碰时的位置，间接得到了丝杠的热变形量，此热变形量同其它数据一起读出，实现了数据的统一采集，避免了激光干涉仪采到热误差数据和数控系统电流、转速等数据的不同步。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种数控机床丝杆热误差测量装置，其特征在于，该装置包括底座和测量标杆，其中：
所述底座上设置有多个安装孔，该安装孔用于与所述测量标杆连接，通过更换不同的安装孔，调整所述测量标杆在所述底座上的安装位置；
所述测量标杆包括柱状本体(2)和设置在柱状本体中间的测量平面(1)，该测量平面(1)的直径大于所述柱状本体(2)的直径，数控机床测头测量从初始位置运动至该测量平面的实际运动距离，将该实际运动距离与预设指令距离相比较即可获得丝杆热误差变形量。
2.如权利要求1所述的一种数控机床丝杆热误差测量装置，其特征在于，所述测量标杆的侧面设置有切削平面(5)，该切削平面用于增大所述测量标杆的受力面。
3.如权利要求1所述的一种数控机床丝杆热误差测量装置，其特征在于，所述测量标杆的两端设置均设置有连接端口(3)，多个测量标杆通过所述连接端口连接，以此改变所述测量标杆的长度。
4.如权利要求1所述的一种数控机床丝杆热误差测量装置，其特征在于，所述测量平面(1)的数量为一个或多个。
5.如权利要求1所述的一种数控机床丝杆热误差测量装置，其特征在于，所述测量平面上方的柱状本体(2)的直径逐渐减小，防止测量过程中发生干涉。
6.如权利要求1所述的一种数控机床丝杆热误差测量装置，其特征在于，所述测量标杆采用热膨胀系数小的铟钢，避免在热应力作用小发生变形。
7.一种权利要求1-6任一项所述的测量装置的测量方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
s1将所述测量装置放置在数控机床工作台上，测头从初始运动至所述测量装置的测量平面，并记录测头的运动距离，该运动距离即为标定距离，所述测量装置当前的位置即为标定位置；
s2丝杆在热应力作用下发生变形，保持所述测量装置在所述标定位置不变，所述测头再次从初始位置运动至所述测量平面，记录此时测头运动的实际距离；
s3将步骤s2中获得的实际距离与步骤s1中获得的标定距离相减即获得所述丝杆的热误差变形量。
技术总结