机床热变形的光纤光栅测量关键技术研究

发布时间：2020-09-28 11:55

　　随着各种新技术在精密加工中得到了广泛的应用,精密加工和精密测量技术得到了长足的发展,与此同时人们也更加关注微位移这种测量手段,例如机床热变形而造成的机床主轴偏移量也需要精密测量。机床热变形测量技术是决定机床误差补偿精度的关键,也是提高机床加工精度的重要因素。热误差的测量,实质为热位移的测量,此类热位移在数量级上都过于微小,一般都需使用微位移传感器来测量,而光纤光栅由于其独特的优势,可适用于机床热误差测量中。所以采用光纤光栅测量技术用于微位移测量方法的研究,是对各类大型设备中微小变形及微小位移的在线监测技术的探索,是具有重大意义的。本文首先对XK2755型定梁龙门重型数控铣床做了仿真和实验分析。在ANSYS workbench的仿真环境下,设置一个正弦函数来模拟室温变化,以静止和空转的状态下对机床作热瞬态分析及热瞬态应力分析。建立机床主轴偏移量的测量实验台,测试在两种状态下机床主轴偏移量的趋势以及最大偏移量。随后,针对数控机床主轴的偏移量,设计一套基于光纤光栅传感的微位移测量方法,主要研究内容为设计光纤光栅微位移传感器。针对机床主轴偏移量的量级确定传感器的分辨力和量程,建立三种传感器的力学模型并确定传感器的尺寸和材料。之后对成型的微位移传感器进行静态特性的仿真及标定实验,得出传感器的灵敏度、量程、线性度、迟滞误差、重复性误差等参数,为之后对机床主轴偏移量的测量实验做准备;最后对传感器进行一阶振型的仿真及实验,得出传感器的实际固有频率;完成温度补偿实验,查看传感器的温度补偿效果是否明显,能否达到预期的补偿。最后,针对机床热变形而造成的机床主轴到工作台之间的偏移量这一问题,做验证实验。首先根据第三章设计的基于光纤光栅传感的微位移测量方法,设计一套光纤光栅微位移测量系统,用于机床热变形的测量。建立常温下机床主轴偏移量测量的实验台,实验台主要由重型数控铣床、光纤光栅微位移传感器测量装置、石英杆件、杠杆磁力吸座,限位装置、MOI光纤光栅解调仪、PC机以及LK-G80激光位移传感器、DS18B20数字温度传感器等组成。以LK-G80激光位移传感器作为检测标准,将测量所得的波长漂移量换算成机床热位移量,与检测标准作对比。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG547
【部分图文】：

球杆仪,三轴,机床

常见的球杆仪、电容位移传感器、激光干涉仪、激光位移传感器等精密测量仪器都曾用于机床热误差的测量，或者是用来检测机床热误差的补偿效果。多年来，大量学者针对机床热变形问题做了许多的研究。例如，1995 年 ChenJ S 等人[13]利用若干个热电偶采集数控机床温度值来构建温度场，以及若干个电容位移传感器采集数控机床的各个方向的热误差信息，之后对机床实施补偿，并利用激光干涉仪检测补偿效果；如图 1-1 所示，2006 年天津大学的商鹏和阮宏慧等人[14]提出了一种基于球杆仪的三轴数控机床热误差检测方法，能够测得机床空载时的主轴端到工作台的热偏移量；2012 年捷克的 Horej O 等人[15]以数控铣削加工中心为研究对象，安装了 12 个温度传感器和 3 个电容位移传感器，由此建立了的数控铣削加工中心的温度场和热变形场；2012 年仇健和刘春时等人[16]以龙门数控铣床为研究对象（如图 1-2），采用热像仪测量主轴箱温度，安装了五个激光位移传感器用来测量主轴热误差，最终分析了主轴的各类热误差分量，以及温度对各个坐标轴变形的影响，例如热延迟和热惯性等特性。

机床热误差,热误差

差动式,位移传感器

图 1-3 分布差动式应变位移传感器图 1-4 大量程弯曲弹性梁2005 年刘波等人[30]对光纤布拉格光栅传感器的精密位移测量做了实验，直接将光纤布拉格光栅作为弹性体。如图 1-5 所示，将一段光纤光栅一端固定，另一端与滑块相连接，滑块下方安装导轨，并在最右端有千分尺控制位移。传感器的测量范围为 0.6mm，测量分辨力为 1.5nm。此传感器的特点是精度高，但量程小，易拉断，使用率低。2007 年 Hong Ng，Xiaoqun Zhou，Xiufeng Yang 等人[31]设计了一种简单的温度不敏感光纤布拉格光栅位移传感器，其基本原理类似于微弯结构，如图 1-6 所示，利用弧形结构来限制光纤布拉格光栅，使其产生应变，并通过测量波长带宽来测量上下位移。此 FBG 位移传感器的测量分辨率为 0.6234nm/mm，测量范围为 0.6mm，但微弯结构精度不高，容易产生误差。

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