在线检测热误差的测量方法

除了五点测量法以外，在线检测技术也被用于热误差的测量。

（1）数控机床在线检测技术简介

在线检测系统的原理为通过在机床主轴位置安装测头，使机床具有三坐标测量功能，从而可对工作台上的工件进行在线测量。其系统的基本组成如图4-3 所示。

图4-3　在线检测系统示意图

如图4-3 所示，在线检测系统主要由测头、机床本体、数控系统和计算机构成。测头安装于机床的主轴位置，其作用为触碰待测物体，并提供触发信号。数控机床的控制系统一方面为控制机床本体带动测头运动对工件进行触碰，另一方面在接收到测头发出的触发信号后，记录触发瞬间的机床运动的坐标值，并将其传给计算机保存并显示。

在线检测系统提出的目的是给机床提供一种在线获取工件尺寸的方法，常被用于夹具和零件的装夹定位、找正、零件加工过程中的尺寸检测。图4-4所示为在线检测系统测量工作台上的零件的A、B 两平行面之间的距离信息。

测量时，测头可先沿合适的方向在A 面触碰3 个点，分别记为PA1，PA2，PA3，之后再沿合适的方向触碰B 面的3 个点，分别记为PB1，PB2，PB3。在每次触碰时，数控系统均会记录下触点的X，Y，Z 3 个方向的坐标，分别如下：

图4-4　在线检测测量平面距离

根据触点坐标，可以计算出平面A 的空间表达式。

平面A：z=kA0 +kA1x+kA2y

其中(www.xing528.com)

进而可以通过计算点PB1，PB2，PB3到平面A 的距离的平均值来获取平面A 和B 之间的距离，比如计算PB1到平面A 的距离公式如下：

（2）数控机床在线检测热误差测量原理

数控加工在线检测系统主要包括数控机床自身、测头系统、计算机以及测量软件等。其中，测头系统由触发式测头、测头信号接收器以及接口电路等组成，并与数控机床数控系统配套使用以实现测点的触发功能。测量软件由基本宏程序库和高级软件两部分组成。基本宏程序库直接安装在数控系统上，与测头系统、CNC 系统组成一个闭环反馈控制，可以实现便携式采点、直径、距离等基本参数的测量。高级软件则安装在计算机上，该程序通过数控系统与计算机之间的接口通信下载到数控系统中，即可实现数控加工的在线检测。

在线检测的测头安装在主轴部位，而测量的工件放置于工作台上，测头对工件进行触碰记录的坐标值反映了主轴相对于工作台的运动量。热误差即主轴相对于工作台之间由于热变形产生的额外相对位移，因此，在线检测是具有测量热误差的能力的。

利用在线检测装置，在工作台上安置测量标准件。每个测量标准件为一个简单的长方体，在进行热误差检验时，利用测头触碰测量标准件记录坐标值，通过热误差产生前后记录的坐标值的差来计算热误差，如图4-5 所示。

图4-5　在线检测热误差测量原理

1.在线检测测头；2.测量标准件

如图4-5 所示，如果从某一方向控制测头触碰标准件表面，并记录刚接触时的机床的运动坐标，测头回程后，在没有热误差影响的情况下，控制测头再次触碰同一点，其记录的坐标值和第一次触碰记录的坐标之间的误差值不超过机床的重复定位误差值。如果机床产生热误差，会导致测头相对于工作台发生二次偏移，所以可以通过计算两次触碰记录的坐标值之间的差来测量热误差。在线检测误差测量精度对目前的数控机床而言，可以达到极高重复定位精度，能够满足热误差测量的精度要求。

对于单个测量标准件，本著作提出了一种简单的结构原理构件予以解决，如图4-6 所示，利用测头从3 个方向按图4-6 所标记的5 个触点触碰来进行测量，即可达到和现有国际标准《机床检验通则（ISO 230-3：2007 IDT）第三部分：热效应的确定》提出的“五点测量法”同样的五自由度热误差测量效果。

图4-6　测量标准件触点位置