阅读说明：本技术 卧式加工中心热致直线度-垂直度误差检测装置及其方法 (Device and method for detecting thermotropic straightness-verticality error of horizontal machining center ) 是由 高卫国 李伟 张大卫 宫怀叡 李金和 翁凌韬 郑英杰 史凯 于 2020-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种卧式加工中心热致多线直线度-垂直度误差检测装置及其方法,该装置包括电涡流传感器测量模块以及工作台表面的铸铁方箱装配体基准模块；本发明的技术方案是利用电涡流传感器测量模块对放置在精密卧式加工中心工作台上的基准模块进行热机前后多线直线度误差的大行程测量,进一步获得机床的多线热致直线度-垂直度误差；采用该装置能够同时得到三个平面的热致直线度-垂直度误差,并且能够获得同一平面内不同位置的直线度-垂直度误差,由此可得出任意两测量平面的面垂直度误差,测量结果更加精准,对精密卧式加工中心的加工精度和精度保持性的提高有重要意义。(The invention provides a device and a method for detecting a horizontal machining center thermotropic multiline straightness-verticality error, wherein the device comprises an eddy current sensor measuring module and a cast iron square box assembly body reference module on the surface of a workbench; the technical scheme of the invention is that a reference module placed on a workbench of a precise horizontal machining center is subjected to large-stroke measurement of multi-line straightness errors before and after a heat engine by using an eddy current sensor measuring module, so that the multi-line thermotropic straightness-perpendicularity error of a machine tool is further obtained; by adopting the device, the thermally induced straightness-perpendicularity errors of three planes can be obtained simultaneously, and the straightness-perpendicularity errors of different positions in the same plane can be obtained, so that the plane perpendicularity errors of any two measuring planes can be obtained, the measuring result is more accurate, and the device has important significance in improving the machining precision and the precision retentivity of a precise horizontal machining center.)

卧式加工中心热致直线度-垂直度误差检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及机床热误差检测装置及测量方法，尤其涉及一种卧式加工中心热致直线度-垂直度误差快速检测装置及其方法。

背景技术

精密卧式加工中心是高档数控机床中最具代表性的装备，是保证国防和尖端工业发展的战略性基础装备，体现了一个国家先进制造技术的综合水平。诸多研究表明在精密加工精度的影响因素中，关键部位的热稳定性对精密加工精度保持性具有较大的影响。因此，如何快速准确的检测出机床各个平面的垂直度误差并进行相关的误差补偿，将对提高精密卧式加工中心的加工精度起到了非常重要的作用。

目前对于精密卧式加工中心结构垂直度热变形误差的检测装置使用的较为广泛的是球杆仪，激光干涉仪和R-TEST等，在借助这些装置检测时，虽然检测结果精度较高，但由于其昂贵的成本，测量行程有限，以及工作环境，安装方式和所需机床工况的限制，并不能及时有效的检测出机床的垂直度误差。激光干涉仪能否对位移量进行有效的测量，有赖于其波长是否稳定，而激光的波长不仅依靠激光器的稳定性能，还跟外部环境息息相关，激光的波长会受到空气折射率的影响，而空气折射率又和大气压强，湿度及温度相关。

综上所述，针对目前机床热变形垂直度误差检测方法的不足，亟需开发一种新的精密卧式加工中心热致垂直度误差测量装置和测量方法。

发明内容

为解决现有用于精密卧式加工中心由于热变形引起的垂直度误差测量装置存在的高昂成本，适应性不强等问题，本发明提出一种组合型的精密卧式加工中心热变形直线度-垂直度误差快速测量装置及方法，采用该装置几乎能够实现精密卧式加工中心全行程误差测量，同时对机床的三个不同平面进行直线度-垂直度误差检测，并且能够获得同一方向不同位置的直线度-垂直度误差，为进行针对性的主动控制热误差补偿提供初始数据，对精密卧式加工中心的加工精度和精度保持性的提高有重要意义。为此，本发明的技术方案是，一种适用于精密卧式加工中心热致直线度-垂直度误差快速检测装置，其特征是，包括电涡流传感器测量模块以及置于工作台表面的铸铁方箱装配体基准模块；

所述的铸铁方箱装配体基准模块包括有加工面铸铁方箱，L型铸铁支座，铸铁平尺，直线导轨楔形紧定块。

其中，所述的铸铁方箱是用铸铁制成的具体6个工作面的空腔正方体，在其上加工有安装平尺和L型铸铁支座的基准槽以及安装楔形块的楔形槽，在基准槽和楔形槽的中间都均布螺纹孔，通过螺栓和压板固定于加工中心工作台表面；

其中，所述的L型铸铁支座通过直线导轨楔形固定块固定在铸铁方箱的顶面，起到辅助支撑竖直铸铁平尺的作用；

其中，所述的铸铁平尺分为水平和竖直两种类型，每个方向分别有三条，主要区别在于长度和平尺上螺栓孔的位置的不同，所述的L型铸铁支座与竖直铸铁平尺通过螺栓连接；

所述电涡流传感器测量模块包括电涡流位移传感器夹具，电涡流位移传感器，Φ30刀柄，检验棒，NI信号采集系统以及采集和整理数据的上位机。

其中，所述的电涡流位移传感器通过夹具固定在检验棒上，接线端连接于NI数据采集卡用来传输数据，NI数据采集装置与上位机相连用来实现采集数据的辨识与显示，

其中，所述的检验棒一端安装于卧式加工主轴专用刀柄内，用于夹紧，另一端被铣去两个相对的90°扇形结构，加工有相互垂直的四个螺纹孔，并在中间位置加工有定位销孔，剩下的两个扇形结构侧边四个表面经过研磨保证其表面粗糙度要求，使用时只需将固定夹具的螺栓快速取出并将其顺时针旋转90°，然后再将螺栓拧紧即可。

其中，所述的传感器夹具包括多向转接件，正向传感器固定座和侧向传感器固定座。多向转接件整体形状为倒“土”结构，尾部加工有与检验棒端部配合的销孔与螺纹孔。末端的十字架为沉槽式设计，同样在十字中心加工有

的销孔，四周加工

的螺纹孔，便于转向和定位以及最后的固定。

一种适用于精密卧式加工中心热致垂直度检测方法，利用上述装置来实现直线度-垂直度误差检测，其特征是，能够同时测量两个方向的热致直线度-垂直度误差，利用电涡流位移传感器对基准模块进行调平，模拟机床冷机状态测量初始状态机床的数据，数据信号利用NI采集系统进行采集，在上位机中通过最小二乘法拟合对测量数据进行拟合获得拟合直线的斜率；再对机床进行热机，模拟机床工作状态使其发热发生变形，重复上述测量过程，得到热变形之后拟合直线的斜率，再利用反三角函数求解进而得到两平面之间的夹角，最后根据垂直度误差的定义公式可知所求夹角即为机床热变形后的相对垂直度误差。

具体步骤细化如下：

步骤1，将铸铁方箱装配体基准模块放置在卧式加工中心工作台上，利用固定在主轴上的电涡流位移传感器对测量装置的水平铸铁平尺进行调整，保证被测平尺与机床的X轴导轨平行；设定机床程序，将主轴移动到Y向数值最大的水平铸铁平尺的最右端，

步骤2，工作台沿Z轴移动，使传感器能够采集到数据信号，静置10s，沿Z轴移动工作台100mm，使平尺与传感器远离，此时沿X负方向移动主轴100mm；

步骤3，重复上述测量过程，将所测数据处理之后利用最小二乘拟合法将所测数据拟合得到XZ和XY的两条基准直线，分别定义为L_xz和L_xy；L_xz＝a_xzx+b_xz，L_xy＝a_xyx+b_xy；

步骤4，将工作台上的测量装置顺时针旋转180°之后，同时将多向转接件顺时针旋转90°固定，利用固定在夹具上的电涡流位移传感器对测量装置的竖直铸铁平尺进行调整，保证被测平尺与机床的Y轴导轨平行，

步骤5，设定机床程序，沿Y方向将主轴移动到X向数值最大的铸铁平尺的最下端；

步骤6，工作台沿Z轴移动，使传感器能够采集到数据信号，静置10s，沿Z轴移动工作台100mm，使平尺与传感器远离，此时沿Y方向移动主轴100mm；

步骤7，重复步骤6将所测数据处理之后利用最小二乘拟合法将所测数据拟合得到YZ和YX的两条基准直线，分别定义为L_yz和L_yx；L_yz＝a_yzx+b_yz，L_yx＝a_yxx+b_yx；

步骤8，将工作台逆时针旋转90°，将多向转接件逆时针旋转90°回原位固定，同时将固定于多向转接件上的正向传感器固定座以销轴为中心顺时针旋转90度并固定。利用固定在夹具上的电涡流位移传感器对测量装置的水平铸铁平尺进行调整，保证被测平尺与机床的Z轴导轨平行，设定机床程序，将位移传感器移动到X向数值最大的水平铸铁平尺靠近立柱端，

步骤9，主轴沿X轴移动，使传感器能够采集到数据信号，静置10s，沿X轴移动工作台100mm，使平尺与传感器远离，此时沿Z负方向移动工作台100mm；

步骤10，重复上述测量过程，将所测数据处理之后利用最小二乘拟合法将所测数据拟合得到ZX和ZY的两条基准直线，分别定义为L_zx和L_zy；L_zx＝a_zxx+b_zx，L_zy＝a_zyx+b_zy；

步骤11：将工作台逆时针旋转90°,同时将固定于多向转接件上的正向传感器固定座以销轴为中心逆时针旋转90度并固定。设置程序，使机床实现多轴联动，模拟机床生热状态，热机4h,使机床达到热平衡状态；

步骤12：重复上述步骤2、3，获取机床热平衡状态下所述位移传感器与被测水平铸铁平尺之间的相对位置信号，拟合之后同样得到两条直线L_XZ和L_XY；L_XZ＝a_XZx+b_XZ，L_XY＝a_XYx+b_XY

步骤13：将上述测量得到的拟合直线L_xz，L_XZ在XZ平面上进行投影，通过拟合两条直线的斜率可以获得两条直线间的夹角θ_XZ1，同理将测量的得到的拟合直线L_xy、L_XY在XY平面进行投影计算，可获得机床X向与Y向经过热变形之后的垂直度误差θ_XY1，θ_XZ1＝arctan(a_XZ-a_xz)，θ_XY1＝arctan(a_XY-a_xy)；

步骤14：重复上述步骤4到步骤7，获取机床热平衡状态下所述位移传感器与被测竖直铸铁平尺之间的相对位置信号，拟合之后同样得到两条直线L_YZ和L_YX，L_YZ＝a_YZx+b_YZ，L_YX＝a_YXx+b_YX；

步骤15：将上述测量得到的拟合直线L_yz，L_YZ在YZ平面上进行投影，通过拟合两条直线的斜率可以获得两条直线间的夹角θ_YZ1，此夹角即为机床Y向与Z向经过热变形之后的垂直度误差；同理将测量的得到的拟合直线L_yx、L_YX在XY平面进行投影计算，可获得机床X向与Y向经过热变形之后的垂直度误差θ_XY2，

θ_YZ1＝arctan(a_YZ-a_yz)，θ_XY2＝arctan(a_YX-a_yx)；

步骤16：重复上述步骤8到步骤10，获取机床热平衡状态下所述位移传感器与被测竖直铸铁平尺之间的相对位置信号，拟合之后同样得到两条直线L_ZX和L_ZY，L_ZX＝a_ZXx+b_ZX，L_ZY＝a_ZYx+b_ZY；

步骤17：将上述测量得到的拟合直线L_zx，L_ZX在XZ平面上进行投影，通过拟合两条直线的斜率可以获得两条直线间的夹角θ_XZ2；同理将测量的得到的拟合直线L_zy、L_ZY在YZ平面进行投影计算，可获得机床Y向与Z向经过热变形之后的垂直度误差θ_Yz2，

θ_XZ2＝arctan(a_ZX-a_zx)，θ_YZ2＝arctan(a_ZY-a_zy)；

由此可得出X轴与Y轴的垂直度误差

θ_XY＝θ_XY1+θ_XY2＝arctan(a_XY-a_xy)+arctan(a_YX-a_yx)

X轴与Z轴的垂直度误差

θ_XZ＝θ_XZ1+θ_XZ2＝arctan(a_XZ-a_xz)+arctan(a_ZX-a_zx)

Y轴与Z轴的垂直度误差

θ_YZ＝θ_YZ1+θ_YZ2＝arctan(a_YZ-a_yz)+arctan(a_ZY-a_zy)

步骤18：移动主轴末端位置，使位移传感器测量同一方向上其他两根铸铁平尺，重复上述操作操作步骤，可得到同一平面内不同位置的垂直度误差θ_XY、θ_XZ或者θ_XY、θ_YZ，由此也可判断出机床结构的变形趋势。

有益效果

本发明主要用于卧式加工中心热致垂直度误差测量，与目前广泛使用的精密卧式加工中心结构垂直度热变形误差的检测装置相比，其优点在于在保证测量精度的前提下，测量成本大幅降低，而且其对测量环境要求较低，并且被测的铸铁平尺尺寸可根据不同型号的加工中心进行调整，能够实现大行程的直线度-垂直度误差测量，对于加工中心空间垂直度误差的估计具有更高的参考性价值。此外，本发明使用方式相较于现有的测试装置较为简单，不需要进行专业的操作培训即可使用，可推广性更好。

附图说明

图1为测量装置装配示意图图中：1-工作台，2-铸铁方箱，3-竖直铸铁平尺，4-L型铸铁支座，5-电涡流位移传感器，6-侧向传感器固定座，7-水平铸铁平尺，8-刀柄，9-检验棒，10-多向转接件，11-正向传感器固定座

图2为测量模块装配图；

图3为X轴直线度-垂直度误差测量示意图；

图4为Y轴直线度-垂直度误差测量示意图；

图5为Z轴直线度-垂直度误差测量示意图；

图6为测试流程示意图；

具体实施方式

为便于读者能进一步了解本发明的发明内容，特点和具体使用方式，下面将结合附图对本发明的具体实施案例进行详细说明：

请参阅图1至图5，一种适用于精密卧式加工中心热致直线度-垂直度误差快速检测装置，包括电涡流传感器测量模块以及置于工作台表面的铸铁方箱装配体基准模块，铸铁方箱装配体基准模块包括有加工面铸铁方箱2，L型铸铁支座4，铸铁平尺3、7，直线导轨楔形紧定块。

所述铸铁方箱2通过T型螺母，双头螺柱，压板等与机床工作台1刚性连接；所述铸铁平尺3、7与铸铁方箱2通过沉头螺栓刚性连接，并通过楔形紧定块进行压紧；所述L型铸铁支座4与竖直铸铁平尺3通过螺栓连接在一起，同时也与铸铁方箱2刚性连接，通过楔形紧定块夹紧。

所述的铸铁方箱2是专门用于零部件的平行度，垂直度的检验和划线一种工具。铸铁方箱具有6个工作面，在三个面上加工有安装铸铁平尺的定位基准槽以及安装楔形紧定块的楔形槽，通过螺栓和压板固定于加工中心工作台表面；

所述的铸铁平尺3、7是指对平面度有一定精度要求的矩形铸铁，铸铁平尺经过热处理后，能消除铸件内应力的90-95％，使其具有长久不变形的特性，同时对铸铁平尺经过化学热处理工艺，其表面更耐磨，抗氧化和耐腐蚀，铸铁平尺分为水平和竖直两种类型，每个方向分别有三条，主要区别在于长度和平尺上螺栓孔的位置的不同，所述的L型铸铁支座4与竖直铸铁平尺3通过螺栓连接；

所述的L型铸铁支座4具有两个工作面，主要作用是与竖直铸铁平尺3贴合，防止其在长期的悬臂过程中由于受力不平衡而发生变形，影响测量精度，通过直线导轨楔形固定块固定在铸铁方箱2的顶面；

所述电涡流传感器测量模块如图2所示，包括电涡流位移传感器夹具6、11，电涡流位移传感器5，Φ30刀柄8，检验棒9，多向转接件10，NI信号采集系统以及采集和整理数据的上位机。

其中，所述的电涡流位移传感器5为非接触式测量传感器，能够高分辨率测量任何导电物体的位置或位置的变化，通过夹具固定在检验棒上，接线端连接于NI数据采集卡用来传输数据，NI数据采集装置与上位机相连用来实现采集数据的辨识与显示，

其中，所述的检验棒,9一端安装于卧式加工主轴专用刀柄内，用于夹紧，另一端被铣去两个相对的90°扇形结构，加工有相互垂直的四个螺纹孔，并在中间位置加工有定位销孔，剩下的两个扇形结构侧边四个表面经过研磨保证其表面粗糙度要求，使用时只需将固定夹具的螺栓快速取出并将其顺时针旋转90°，然后再将螺栓拧紧即可。

其中，所述的传感器夹具包括多向转接件10，正向传感器固定座11和侧向传感器固定座6。多向转接件10整体形状为倒“土”结构，尾部加工有与检验棒端部配合的销孔与螺纹孔。末端的十字架为沉槽式设计，同样在十字中心加工有的销孔，四周加工

的螺纹孔，便于转向和定位以及最后的固定。

本发明还提出了一种模拟精密卧式加工中心热变形垂直度误差的测量方法，请参照图6测试过程示意图，其特征在于：同时测量两个方向的热变形，通过并排的方式安装多组测量装置，测量得到同一平面内，同一方向上多组不同的热变形量，通过对数据的拟合分析，同时得出两个不同平面由于热变形引起的垂直度误差。

检测的具体步骤细化如下：

步骤1，将铸铁方箱装配体基准模块放置在卧式加工中心工作台上，利用固定在主轴上的电涡流位移传感器对测量装置的水平铸铁平尺进行调整，保证被测平尺与机床的X轴导轨平行；设定机床程序，将主轴移动到Y向数值最大的水平铸铁平尺的最右端，

步骤2，工作台沿Z轴移动，使传感器能够采集到数据信号，静置10s，沿Z轴移动工作台100mm，使平尺与传感器远离，此时沿X负方向移动主轴100mm；

步骤3，重复上述测量过程，将所测数据处理之后利用最小二乘拟合法将所测数据拟合得到XZ和XY的两条基准直线，分别定义为L_xz和L_xy；L_xz＝a_xzx+b_xz，L_xy＝a_xyx+b_xy；

步骤4，将工作台上的测量装置顺时针旋转180°之后，同时将多向转接件顺时针旋转90°固定，利用固定在夹具上的电涡流位移传感器对测量装置的竖直铸铁平尺进行调整，保证被测平尺与机床的Y轴导轨平行，

步骤5，设定机床程序，沿Y方向将主轴移动到X向数值最大的铸铁平尺的最下端；

步骤6，工作台沿Z轴移动，使传感器能够采集到数据信号，静置10s，沿Z轴移动工作台100mm，使平尺与传感器远离，此时沿Y方向移动主轴100mm；

步骤7，重复步骤6将所测数据处理之后利用最小二乘拟合法将所测数据拟合得到YZ和YX的两条基准直线，分别定义为L_yz和L_yx；L_yz＝a_yzx+b_yz，L_yx＝a_yxx+b_yx；

步骤8，将工作台逆时针旋转90°，将多向转接件逆时针旋转90°回原位固定，同时将固定于多向转接件上的正向传感器固定座以销轴为中心顺时针旋转90度并固定。利用固定在夹具上的电涡流位移传感器对测量装置的水平铸铁平尺进行调整，保证被测平尺与机床的Z轴导轨平行，设定机床程序，将位移传感器移动到X向数值最大的水平铸铁平尺靠近立柱端，

步骤9，主轴沿X轴移动，使传感器能够采集到数据信号，静置10s，沿X轴移动工作台100mm，使平尺与传感器远离，此时沿Z负方向移动工作台100mm；

步骤10，重复上述测量过程，将所测数据处理之后利用最小二乘拟合法将所测数据拟合得到ZX和ZY的两条基准直线，分别定义为L_zx和L_zy；L_zx＝a_zxx+b_zx，L_zy＝a_zyx+b_zy；

步骤11：将工作台逆时针旋转90°,同时将固定于多向转接件上的正向传感器固定座以销轴为中心逆时针旋转90度并固定。设置程序，使机床实现多轴联动，模拟机床生热状态，热机4h,使机床达到热平衡状态；

步骤12：重复上述步骤2、3，获取机床热平衡状态下所述位移传感器与被测水平铸铁平尺之间的相对位置信号，拟合之后同样得到两条直线L_XZ和L_XY；L_XZ＝a_XZx+b_XZ，L_XY＝a_XYx+b_XY

步骤13：将上述测量得到的拟合直线L_xz，L_XZ在XZ平面上进行投影，通过拟合两条直线的斜率可以获得两条直线间的夹角θ_XZ1，同理将测量的得到的拟合直线L_xy、L_XY在XY平面进行投影计算，可获得机床X向与Y向经过热变形之后的垂直度误差θ_XY1，θ_XZ1＝arctan(a_XZ-a_xz)，θ_XY1＝arctan(a_XY-a_xy)；

步骤14：重复上述步骤4到步骤7，获取机床热平衡状态下所述位移传感器与被测竖直铸铁平尺之间的相对位置信号，拟合之后同样得到两条直线L_YZ和L_YX，L_YZ＝a_YZx+b_YZ，L_YX＝a_YXx+b_YX；

步骤15：将上述测量得到的拟合直线L_yz，L_YZ在YZ平面上进行投影，通过拟合两条直线的斜率可以获得两条直线间的夹角θ_YZ1，此夹角即为机床Y向与Z向经过热变形之后的垂直度误差；同理将测量的得到的拟合直线L_yx、L_YX在XY平面进行投影计算，可获得机床X向与Y向经过热变形之后的垂直度误差θ_XY2，

θ_YZ1＝arctan(a_YZ-a_yz)，θ_XY2＝arctan(a_YX-a_yx)；

步骤16：重复上述步骤8到步骤10，获取机床热平衡状态下所述位移传感器与被测竖直铸铁平尺之间的相对位置信号，拟合之后同样得到两条直线L_ZX和L_ZY，L_ZX＝a_ZXx+b_ZX，L_ZY＝a_ZYx+b_ZY；

步骤17：将上述测量得到的拟合直线L_zx，L_ZX在XZ平面上进行投影，通过拟合两条直线的斜率可以获得两条直线间的夹角θ_XZ2；同理将测量的得到的拟合直线L_zy、L_ZY在YZ平面进行投影计算，可获得机床Y向与Z向经过热变形之后的垂直度误差θ_Yz2，

θ_XZ2＝arctan(a_ZX-a_zx)，θ_YZ2＝arctan(a_ZY-a_zy)；

由此可得出X轴与Y轴的垂直度误差

θ_XY＝θ_XY1+θ_XY2＝arctan(a_XY-a_xy)+arctan(a_YX-a_yx)

X轴与Z轴的垂直度误差

θ_XZ＝θ_XZ1+θ_XZ2＝arctan(a_XZ-a_xz)+arctan(a_ZX-a_zx)

Y轴与Z轴的垂直度误差

θ_YZ＝θ_YZ1+θ_YZ2＝arctan(a_YZ-a_yz)+arctan(a_ZY-a_zy)

步骤18：移动主轴末端位置，使位移传感器测量同一方向上其他两根铸铁平尺，重复上述操作操作步骤，可得到同一平面内不同位置的垂直度误差θ_XY、θ_XZ或者θ_XY、θ_YZ，由此也可判断出机床结构的变形趋势。

本发明的工作原理

铸铁方箱结构简单，是常用的零部件垂直度测量工具，在其上安装铸铁平尺，整个组件构成了机床热误差测量的基准，电涡流位移传感器具有高灵敏度、高分辨率，能够敏感的捕获相对位置的变化，通过拟合机床冷热机工况，即机床热变形前后所获得的数据拟合得到两条直线，在相应的平面进行投影之后可求出两直线之间的夹角，此夹角即为需要测量的机床垂直度误差。再将被测组件旋转180°，重复测量过程中的步骤，就可以得到各个工作面之间由于热变形引起的垂直度误差。

需要指出的是，上述内容仅为结合附图对本发明的优选案例进行了描述，但本发明并不局限与上述具体实施方式，本领域的其他技术人员在本发明的启示之下，在不脱离本发明的发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以对其做任何形式的改造，这些均在本发明的保护范围之内。