基于氣動位移傳感器的縱切車床熱誤差測量方法研究

摘要：針對傳統縱切車床熱誤差測量方法時間長，導致測量過程中的瞬態熱行為會影響測量結果的問題，提出了一種基于氣動位移傳感器的縱切車床熱誤差測量方法。首先，將兩個氣動差動變壓器（LVDT）式位移傳感器（中英匹配？？）安裝于刀具架上；然后利用數控程序控制測量，可以實現刀具運動空間內X和Y方向熱誤差的測量，測量時間縮短至5s；最后，進行熱誤差測量實驗。實驗表明，這種方法的測量結果與激光干涉儀測量結果平均偏差小于0.5μm，驗證了這種方法的可行性與有效性。這種方法測量時間短、成本低，為縱切車床熱誤差補償提供了依據。

關鍵詞：氣動位移傳感器縱切車床熱誤差誤差測量

中圖分類號：TG806

ResearchontheThermalErrorMeasurementMethodofSlittingLathesBasedonPneumaticDisplacementSensors

WUShan1，2HANLe1YUEAiqiang1

1.SchoolofAutomotiveEngineering，XianyangPolytechnicInstitute，Xianyang，ShaanxiProvince，712000China;2.SchoolofMechanicalandPrecisionInstrumentEngineering，Xi'anUniversityofTechnology，Xi'an，ShaanxiProvince，710048China

Abstract：Inordertosolvetheproblemthatthetransientthermalbehaviorinthemeasurementprocesswillaffectmeasurementresultsduetothelongtimeofthetraditionalthermalerrormeasurementmethodofslittinglathes，thispaperproposesthethermalerrormeasurementmethodofslittinglathesbasedonpneumaticdisplacement sensors.ItfirstmountstwoLinearVariableDisplacementTransducer（LVDT）displacementsensorsonthetoolholder，thencontrolsthemeasurementbythenumericalcontrolprogram，whichcanachievethemeasurementofthethermalerroroftheXandY-directionsinthemovementspaceofthetoolandshortenmeasurementtimeto5s，andfinallyconductsthermalerrormeasurementexperiments.Experimentsshowthattheaveragedeviationbetweenthemeasurementresultsofthismethodandthoseofthelaserinterferometerislessthan0.5μm，whichvalidatesthefeasibilityandeffectivenessofthismethod.Themethodhasshortmeasurementtimeandlowcosts，whichprovidesabasisforthecompensationofthethermalerrorofslittinglathes.

KeyWords：Pneumaticdisplacementsensor;Slittinglathe;Thermalerror;Errormeasurement

隨著設計制造、控制、測量技術及新材料等的發展，幾何誤差、刀具誤差、安裝誤差等對縱切車床精度的影響在逐漸減小，由內外熱源引起的機床熱誤差逐漸凸顯[1]。LIX等人[2]的調查也表明，精密機床的熱誤差最高可以達到總誤差的70%。熱誤差已成為機床加工精度提升的關鍵點。

熱誤差檢測是開展熱變形機理分析、機床結構優化以及熱誤差補償等研究的重要基礎。目前，多數學者采用ISO230-3—2020標準提供的5點非接觸式測量方法測量機床熱誤差[3]。但是非接觸式傳感器容易受到工件表面的反射特性以及環境光線影響，導致測量精度不高、穩定性較差。BRECHERC等人[4]提出了一種利用熱穩定激光框架結合位置敏感探測器（PSD）檢測熱誤差的方法，該方法可以測量出三軸運動學21項誤差中的13項。但該方法測量是非連續，并且光束指向穩定性、PSD的分辨率等引起的光束偏轉也會影響激光測量系統精度，同時，測試周期長和高成本也是該測量方法的應用弊端。

因此，本文提出一種基于氣動位移傳感器的縱切車床熱誤差測量方法。2組氣動接觸式位移傳感器同時測量2個方向的熱誤差。接觸式測量顯著提高了測量精度與穩定性[5]，但接觸式測量需要停機工作，為盡可能減少接觸式測量對生產過程的影響，特別的利用非驅動刀具架將氣動位移傳感器固定，編制數控程序控制刀具架運動，從而實現熱誤差的自動測量。

1RTS20瑞士型縱切自動車床簡介

縱切自動車床又稱走心機或瑞士車床。RTS20瑞士型縱切自動車床的結構如圖1所示。車床包括主軸與副主軸，主軸為電主軸，副主軸為機械主軸。主軸通孔內的彈簧夾頭夾持棒料，并與主軸同步旋轉，主軸箱沿Z1方向做縱向移動，完成送料。徑向分布的刀具包含非驅動刀具和驅動刀具，刀具可沿X1和Y1方向移動，完成徑向切削。本文主要針對電主軸運動產生熱誤差進行測量。

2基于氣動位移傳感器的熱誤差測量

2.1氣動位移傳感器的測量原理

本文采用氣動差動變壓器（LVDT）式位移傳感器。傳感器結構主要由外管、內管、一個初級線圈、兩個次級線圈、鐵芯、電路板、屏蔽層、出線等部分組成[6]，如圖2所示。外管采用不銹鋼制成，內管可采用不銹鋼或塑料等。在測量時，外配變送器采用9～28VD供電。電路板提供給初級線圈一定頻率的激勵電壓，次級線圈會對應產生感應電勢。當鐵芯位于中間時，兩個次級線圈產生的感應電勢相同，當鐵芯移動時，兩個次級線圈的感應電勢隨之變化，一個增加一個減少，因此，鐵芯的移動量就可以轉化為兩個次級線圈的電壓差輸出。電路板將兩個次級線圈的輸出信號處理為0～5V或4～20mA輸出，以保證可被計算機或PLC使用。

2.2基于氣動位移傳感器的熱誤差測量方法

為了減小瞬態熱行為對熱誤差測量結果的影響，應盡可能減少測量時間，因此，將X方向氣動位移傳感器代替刀具安裝在非驅動刀具架上，將Y方向氣動位移傳感器通過磁力座安裝在刀具架背板上，通過編制刀具架移動程序控制測量，如圖3所示。通過該方法單次測量時間可以控制在5s以內。其中，測量時間包含刀具架移動和復位時間。

氣動位移傳感器的測量結果為電壓值，電壓輸出后將由數據采集儀記錄與保存，要獲得熱位移還需要對傳感器進行標定。開始測量時，將傳感器探針接觸測試芯棒，記錄機床機械坐標值及對應傳感器輸出數值，然后移動傳感器再次記錄，重復多次即可獲得機床機械坐標值與傳感器輸出電壓對應的關系，接著確定標定曲線，后續則可通過電壓值計算求出機械坐標值。

由于上述方法測到誤差結果不僅是熱誤差，還包括幾何誤差，因此，熱誤差測量值計算時應減去初始值，從而去除靜態幾何誤差值。經過t時間后的熱誤差值可通過下式計算：

3熱誤差測量實驗結果分析

為了驗證所提測量方法的可行性，對RTS20瑞士型縱切自動車床的熱誤差進行了實驗，并與激光干涉儀獲得的結果進行了比較。

3.1熱誤差測量實驗設置

除兩個氣動接觸式位移傳感器外安裝在刀架上外，另外布置有4個傳感器用于測量主軸及環境的溫度，實驗中使用的主要硬件參數如表1所示。實驗設定主軸轉速為6000rpm。

實驗前機床停機冷卻至少12h，開機前開始測量第一組數據，主軸開始運轉之后，每5min測量一次，單次測量時間為16s（X、Y方向各8s），如此循環，實驗總歷時約9h。

3.2實驗結果分析

基于氣動位移傳感器的縱切自動車床熱誤差測量實驗的辨識結果，如圖4所示。由結果可見，基于氣動位移傳感器測量結果與激光干涉儀獲得的結果基本一致，兩者平均誤差小于0.5μm。實驗結果表明：該方法可有效用于熱誤差測量。

4結論

本文提出了一種基于氣動位移傳感器的縱切自動車床熱誤差測量方法。將兩個氣動差動變壓器（LVDT）式位移傳感器安裝于刀具架上，分別測量X和Y方向熱誤差，利用數控程序控制測量，有效減少了測量時間，可以實現刀具與主軸運動的熱誤差測量。通過與激光干涉儀的測量結果對比，驗證了該方法的可行性與有效性。實驗結果表明：該方法的測量結果與激光干涉儀測量結果平均偏差小于0.5μm，兩者吻合較好。該方法具有以下優點：（1）與激光干涉儀相比，測量成本低；（2）測量裝置安裝簡單，測量時間短；（3）測量結果獲取方便，不需要數學模型。

參考文獻

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