一种提高数控机床光栅测量系统测量精度的方法

摘要

本发明公开了一种提高数控机床光栅测量系统测量精度的方法，光栅测量系统通过单个螺钉固定在数控机床各向溜板与其光栅测量系统安装位置处于同一直线上的热变形临界点的位置上，其两端采用限制上下摆动的浮动支撑结构，能够减小甚至消除数控机床溜板的热变形对光栅测量系统热变形误差产生的附加影响，并通过测量光栅测量系统的热变形误差，建立精确的光栅测量系统热误差预测模型，可以代入利用现有数控机床误差补偿技术建立的误差补偿模型中，实现对光栅测量系统热变形引起的零位漂移误差和示值误差进行精确补偿。

说明书

技术领域

本发明属于精密数控机床加工技术领域，涉及一种提高数控机床光栅测量 系统测量精度的方法。

背景技术

当今数控加工已经广泛运用在机械加工领域中，数控加工的加工精度是判 断一个国家制造水平的重要标志。数控机床溜板进行精确定位和具有高定位精 度是保证数控机床加工精度重要因素之一，而光栅测量系统是保证数控机床溜 板定位精度的重要装置。光栅测量系统由光栅外壳、光栅尺和读数装置组成。 在工业应用中，一般是将光栅尺装在光栅外壳里面，光栅外壳通过螺钉固定在 数控机床的溜板上，读数装置安装在床身上。当车间环境温度和其他温度源引 起的机床内部温度变化时，机床热变形误差成为影响数控机床加工精度的主要 因素。数控机床溜板的热变形会通过光栅测量系统固定螺钉传递到光栅测量系 统上，对光栅测量系统的热变形误差会产生附加影响，即光栅测量系统的热变 形是自身的热变形和数控机床溜板的热变形共同作用的结果。由于数控机床溜 板的材料和光栅测量系统的材料的物理特性不相同，因此在上述两种因素共同 作用下的光栅测量系统热误差存在着复杂的变化规律，很难通过误差补偿理论 建立精确的误差补偿模型进行补偿，因此研究相应的光栅测量系统优化的固定 方法，减小数控机床溜板的热变形对光栅测量系统的热变形产生的附加影响， 是目前提高数控机床加工精度的一个重要研究方向。

现有技术中，一般是将数控机床光栅测量系统通过多个螺钉和光栅测量系 统本身的安装孔，固定在数控机床溜板的相应位置上。这种固定方法，当数控 机床外界环境温度和内部温度偏离标准温度时，数控机床的热变形对光栅测量 系统的热误差附加影响得不到有效补偿，因此严重影响数控机床的定位精度和 加工精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高数控机床光栅测量系统测量 精度的方法，能够减小甚至消除数控机床的热变形对光栅测量系统热变形误差 产生的附加影响，从而提高了数控机床的定位精度和加工精度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的提高数控机床光栅测量系统测量精 度的方法，包括以下步骤：

步骤一、通过仿真分析和实验验证的方法，找出数控机床各方向溜板与光 栅测量系统安装位置处于同一直线上的热变形临界点的位置；

步骤二、各光栅测量系统通过单个螺钉固定在数控机床各溜板的热变形临 界点的位置上，各光栅测量系统两端采用限制上下摆动的浮动支撑结构，以 减小或消除机床溜板热变形对光栅测量系统热变形误差的附加影响。

步骤三、通过测量光栅测量系统的热变形误差，建立精确的光栅测量系统 热变形引起的示值和零位漂移误差预测模型，代入利用现有数控机床误差补 偿技术建立的误差补偿模型中，实现对光栅测量系统热变形引起的零位和示 值误差进行精确补偿。

所述光栅测量系统中光栅尺上的零位漂移误差|O_XO_XT|的表达式为：

|O_XO_XT|=L₁₁-L₀₁=αL₀₁ΔT     （1）

式中α——光栅尺的热膨胀系数；

ΔT——光栅测量系统热变形前后的温度差值；

L₀₁——为热变形前光栅测量系统固定螺钉距离其零位的长度；

L₁₁——为热变后光栅测量系统固定螺钉距离零位的长度。

所述光栅测量系统中光栅尺上各点的示值误差的表达式为：

|L_XT-L_X|=α|L_X-L₀₁|ΔT+(L₁₁-L₀₁)

=α(|L_X-L₀₁|+L₀₁)ΔT     （2）

其中L_X∈[0,L₀],L_XT∈[0,L₁]

式中L_X——为热变形前光栅测量系统上任意一点距离零位的长度；

L_XT——为热变后光栅测量系统对应于热变形前L_X的点距离零位的长度；

L₀——为热变形前光栅测量系统中光栅尺的总长度；

L₁——为热变形后光栅测量系统中光栅尺的总长度；

利用式（1）、式（2）求出这些光栅测量系统热变形引起的零位漂移和示 值误差预测值，代入利用现有数控机床误差补偿技术建立的误差补偿模型中， 进行误差补偿，以提高数控机床光栅测量系统的测量精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是能够最大限度地减小数控机床的 热变形对光栅测量系统的热变形误差产生的附加的影响，提高数控机床的定 位精度和加工精度。

附图说明

图1为本发明实施例数控机床的立体结构示意图。

图2为现有技术的数控机床X轴光栅测量系统的固定方法示意图。

图3为本发明所采用的数控机床X轴光栅测量系统的固定方法示意图。

图4为本发明X轴光栅测量系统两端浮动支撑的夹具的主视图。

图5为本发明X轴光栅测量系统两端浮动支撑的夹具的左视图。

图6为本发明X轴光栅测量系统两端浮动支撑的夹具的俯视图。

图7为采用本发明的数控机床工作台3的热变形误差曲线图。

图8为采用本发明数控机床X轴光栅测量系统4的热变形前后示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

参见图1、图2、图3、图4-6，图1为普通数控机床的立体结构示意图， 图2为现有技术的数控机床光栅测量系统的固定方法示意图，图3为本发明 所采用的数控机床光栅测量系统的固定方法示意图。数控机床由床身1，安装 在床身1上的溜板2，安装在在Y轴溜板2上的X轴溜板--工作台3，安装在 工作台3上的光栅测量系统4以及安装在床身1上的Z向溜板5和安装在Z 向溜板5上的主轴6组成；其中X轴光栅测量系统4安装在工作台3侧面上， Y轴光栅测量系统7安装在溜板2侧面上，Z轴光栅测量系统8安装在溜板5 侧面上；X轴光栅测量系统4包括光栅尺41，固定螺钉42，光栅外壳43，浮 动支撑装置44和读数装置（图中未画出）；浮动支撑装置44由支撑装置本体 441和嵌在本体内的小钢珠442组成，小钢珠442用来减小光栅测量系统4向 两端延伸时与浮动支撑装置本体442的摩擦力。

步骤1，确定数控机床溜板与光栅测量系统安装位置处于同一直线上的热 变形临界点的位置。以X轴为例进行说明，即确定工作台3上与X轴光栅测量 系统4处于同一直线上的热变形临界点的位置。热变形临界点的含义为：在形 体热变形过程中，形体上某一点在空间坐标系上其位置相对不发生位移的确定 点。对于规则形体，其临界点为其对称几何要素，如圆平面的中心点、圆柱体 的轴心线、正方体的中心要素等，即任何形体上的热变形临界点是不受温度变 化影响的位置。通过仿真分析和实验获得，工作台3上与光栅测量系统4处于 同一直线上各点位置的热变形量，并绘制成曲线图如图7所示。由图7可得， 工作台3的热变形临界点位置位于与X轴光栅测量系统安装位置同一直线上距 离端部440.83mm处。当然不同的数控机床结构所求得的热变形临界点的位置 会有所不同，但求出此位置的原理和方法是相同的。

步骤2，根据步骤1确定的热变形临界点的位置，将X轴光栅测量系统4 的光栅外壳43通过固定螺钉42固定在工作台3上，其两端采用限制上下摆动 的浮动支撑方式，如图3所示。

步骤3，通过测量光栅测量系统的热变形误差对光栅测量系统的测量值进 行补偿。热变形临界点是不受温度变化影响的位置，所以工作台3上热变形临 界点处不会产生热变形，不会通过固定螺栓传递到光栅外壳和光栅尺上，即工 作台3的热变形不会对光栅测量系统的热变形产生附加影响，光栅测量系统的 热变形只跟自身的材料和结构有关，向两端自由延伸，具有确定的热变形规律。

如图8所示，其中坐标系O_X-xyz为热变形前光栅测量系统的坐标系，坐标系 O_XT-xyz为热变形后光栅测量系统的坐标系，则点O_X与点O_XT之间的距离即为光 栅尺41的零位漂移误差；光栅尺41上任一点在热变形前后的示值之差即为光 栅尺41上该点的示值误差。根据形体热变形理论，推导出光栅测量系统4中 光栅尺41上的零位漂移误差的表达式为：

|O_XO_XT|=L₁₁-L₀₁=αL₀₁ΔT     （1）

式中α——光栅尺的热膨胀系数；

ΔT——光栅测量系统热变形前后的温度差值；

L₀₁——为热变形前光栅测量系统固定螺钉距离其零位的长度；

L₁₁——为热变后光栅测量系统固定螺钉距离零位的长度。

光栅测量系统4中光栅尺41上各点的示值误差的表达式为：

|L_XT-L_X|=α|L_X-L₀₁|ΔT+(L₁₁-L₀₁)

=α(|L_X-L₀₁|+L₀₁)ΔT    （2）

其中L_X∈[0,L₀],L_XT∈[0,L₁]

式中L_X——为热变形前光栅测量系统上任意一点距离零位的长度；

L_XT——为热变后光栅测量系统对应于热变形前L_X的点距离零位的长 度；

L₀——为热变形前光栅测量系统中光栅尺的总长度；

L₁——为热变形后光栅测量系统中光栅尺的总长度；

其他符号的含义跟式（1）中相同。

利用式（1）、式（2）求出这些光栅测量系统热变形引起的零位漂移和示 值误差预测值，代入利用现有数控机床误差补偿技术建立的误差补偿模型中， 进行误差补偿，提高数控机床的定位精度和加工精度。