摘要：針對(duì)傳統(tǒng)縱切車床熱誤差測(cè)量方法時(shí)間長，導(dǎo)致測(cè)量過程中的瞬態(tài)熱行為會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的問題，提出了一種基于氣動(dòng)位移傳感器的縱切車床熱誤差測(cè)量方法。首先，將兩個(gè)氣動(dòng)差動(dòng)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(shù)控程序控制測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)刀具運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)X和Y方向熱誤差的測(cè)量，測(cè)量時(shí)間縮短至5s；最后，進(jìn)行熱誤差測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，這種方法的測(cè)量結(jié)果與激光干涉儀測(cè)量結(jié)果平均偏差小于0.5μm，驗(yàn)證了這種方法的可行性與有效性。這種方法測(cè)量時(shí)間短、成本低，為縱切車床熱誤差補(bǔ)償提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)位移傳感器縱切車床熱誤差誤差測(cè)量

中圖分類號(hào)：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(shè)計(jì)制造、控制、測(cè)量技術(shù)及新材料等的發(fā)展，幾何誤差、刀具誤差、安裝誤差等對(duì)縱切車床精度的影響在逐漸減小，由內(nèi)外熱源引起的機(jī)床熱誤差逐漸凸顯[1]。LIX等人[2]的調(diào)查也表明，精密機(jī)床的熱誤差最高可以達(dá)到總誤差的70%。熱誤差已成為機(jī)床加工精度提升的關(guān)鍵點(diǎn)。

熱誤差檢測(cè)是開展熱變形機(jī)理分析、機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及熱誤差補(bǔ)償?shù)妊芯康闹匾A(chǔ)。目前，多數(shù)學(xué)者采用ISO230-3—2020標(biāo)準(zhǔn)提供的5點(diǎn)非接觸式測(cè)量方法測(cè)量機(jī)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(huán)境光線影響，導(dǎo)致測(cè)量精度不高、穩(wěn)定性較差。BRECHERC等人[4]提出了一種利用熱穩(wěn)定激光框架結(jié)合位置敏感探測(cè)器（PSD）檢測(cè)熱誤差的方法，該方法可以測(cè)量出三軸運(yùn)動(dòng)學(xué)21項(xiàng)誤差中的13項(xiàng)。但該方法測(cè)量是非連續(xù)，并且光束指向穩(wěn)定性、PSD的分辨率等引起的光束偏轉(zhuǎn)也會(huì)影響激光測(cè)量系統(tǒng)精度，同時(shí)，測(cè)試周期長和高成本也是該測(cè)量方法的應(yīng)用弊端。

因此，本文提出一種基于氣動(dòng)位移傳感器的縱切車床熱誤差測(cè)量方法。2組氣動(dòng)接觸式位移傳感器同時(shí)測(cè)量2個(gè)方向的熱誤差。接觸式測(cè)量顯著提高了測(cè)量精度與穩(wěn)定性[5]，但接觸式測(cè)量需要停機(jī)工作，為盡可能減少接觸式測(cè)量對(duì)生產(chǎn)過程的影響，特別的利用非驅(qū)動(dòng)刀具架將氣動(dòng)位移傳感器固定，編制數(shù)控程序控制刀具架運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)熱誤差的自動(dòng)測(cè)量。

1RTS20瑞士型縱切自動(dòng)車床簡(jiǎn)介

縱切自動(dòng)車床又稱走心機(jī)或瑞士車床。RTS20瑞士型縱切自動(dòng)車床的結(jié)構(gòu)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(jī)械主軸。主軸通孔內(nèi)的彈簧夾頭夾持棒料，并與主軸同步旋轉(zhuǎn)，主軸箱沿Z1方向做縱向移動(dòng)，完成送料。徑向分布的刀具包含非驅(qū)動(dòng)刀具和驅(qū)動(dòng)刀具，刀具可沿X1和Y1方向移動(dòng)，完成徑向切削。本文主要針對(duì)電主軸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱誤差進(jìn)行測(cè)量。

2基于氣動(dòng)位移傳感器的熱誤差測(cè)量

2.1氣動(dòng)位移傳感器的測(cè)量原理

本文采用氣動(dòng)差動(dòng)變壓器（LVDT）式位移傳感器。傳感器結(jié)構(gòu)主要由外管、內(nèi)管、一個(gè)初級(jí)線圈、兩個(gè)次級(jí)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(nèi)管可采用不銹鋼或塑料等。在測(cè)量時(shí)，外配變送器采用9～28VD供電。電路板提供給初級(jí)線圈一定頻率的激勵(lì)電壓，次級(jí)線圈會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。當(dāng)鐵芯位于中間時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)相同，當(dāng)鐵芯移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電勢(shì)隨之變化，一個(gè)增加一個(gè)減少，因此，鐵芯的移動(dòng)量就可以轉(zhuǎn)化為兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓差輸出。電路板將兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出信號(hào)處理為0～5V或4～20mA輸出，以保證可被計(jì)算機(jī)或PLC使用。

2.2基于氣動(dòng)位移傳感器的熱誤差測(cè)量方法

為了減小瞬態(tài)熱行為對(duì)熱誤差測(cè)量結(jié)果的影響，應(yīng)盡可能減少測(cè)量時(shí)間，因此，將X方向氣動(dòng)位移傳感器代替刀具安裝在非驅(qū)動(dòng)刀具架上，將Y方向氣動(dòng)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(dòng)程序控制測(cè)量，如圖3所示。通過該方法單次測(cè)量時(shí)間可以控制在5s以內(nèi)。其中，測(cè)量時(shí)間包含刀具架移動(dòng)和復(fù)位時(shí)間。

氣動(dòng)位移傳感器的測(cè)量結(jié)果為電壓值，電壓輸出后將由數(shù)據(jù)采集儀記錄與保存，要獲得熱位移還需要對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。開始測(cè)量時(shí)，將傳感器探針接觸測(cè)試芯棒，記錄機(jī)床機(jī)械坐標(biāo)值及對(duì)應(yīng)傳感器輸出數(shù)值，然后移動(dòng)傳感器再次記錄，重復(fù)多次即可獲得機(jī)床機(jī)械坐標(biāo)值與傳感器輸出電壓對(duì)應(yīng)的關(guān)系，接著確定標(biāo)定曲線，后續(xù)則可通過電壓值計(jì)算求出機(jī)械坐標(biāo)值。

由于上述方法測(cè)到誤差結(jié)果不僅是熱誤差，還包括幾何誤差，因此，熱誤差測(cè)量值計(jì)算時(shí)應(yīng)減去初始值，從而去除靜態(tài)幾何誤差值。經(jīng)過t時(shí)間后的熱誤差值可通過下式計(jì)算：

3熱誤差測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提測(cè)量方法的可行性，對(duì)RTS20瑞士型縱切自動(dòng)車床的熱誤差進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并與激光干涉儀獲得的結(jié)果進(jìn)行了比較。

3.1熱誤差測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)置

除兩個(gè)氣動(dòng)接觸式位移傳感器外安裝在刀架上外，另外布置有4個(gè)傳感器用于測(cè)量主軸及環(huán)境的溫度，實(shí)驗(yàn)中使用的主要硬件參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速為6000rpm。

實(shí)驗(yàn)前機(jī)床停機(jī)冷卻至少12h，開機(jī)前開始測(cè)量第一組數(shù)據(jù)，主軸開始運(yùn)轉(zhuǎn)之后，每5min測(cè)量一次，單次測(cè)量時(shí)間為16s（X、Y方向各8s），如此循環(huán)，實(shí)驗(yàn)總歷時(shí)約9h。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于氣動(dòng)位移傳感器的縱切自動(dòng)車床熱誤差測(cè)量實(shí)驗(yàn)的辨識(shí)結(jié)果，如圖4所示。由結(jié)果可見，基于氣動(dòng)位移傳感器測(cè)量結(jié)果與激光干涉儀獲得的結(jié)果基本一致，兩者平均誤差小于0.5μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法可有效用于熱誤差測(cè)量。

4結(jié)論

本文提出了一種基于氣動(dòng)位移傳感器的縱切自動(dòng)車床熱誤差測(cè)量方法。將兩個(gè)氣動(dòng)差動(dòng)變壓器（LVDT）式位移傳感器安裝于刀具架上，分別測(cè)量X和Y方向熱誤差，利用數(shù)控程序控制測(cè)量，有效減少了測(cè)量時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)刀具與主軸運(yùn)動(dòng)的熱誤差測(cè)量。通過與激光干涉儀的測(cè)量結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的可行性與有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法的測(cè)量結(jié)果與激光干涉儀測(cè)量結(jié)果平均偏差小于0.5μm，兩者吻合較好。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）與激光干涉儀相比，測(cè)量成本低；（2）測(cè)量裝置安裝簡(jiǎn)單，測(cè)量時(shí)間短；（3）測(cè)量結(jié)果獲取方便，不需要數(shù)學(xué)模型。

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