本发明属于主轴热伸长补偿方法，具体涉及一种用于全闭环主轴热伸长的测量装置及实时补偿方法。
背景技术：
1、电主轴在高速运转的时候，轴承会因为摩擦而发热，而电机会因线圈电流产生热量，这些热量将通过传导、对流和辐射等方式传递至主轴的各个零件，使得电主轴整体温度上升，由于电主轴直接与刀具相连，电主轴温升引起的热伸长现象将影响加工精度。因此，有必要对电主轴热伸长进行补偿控制，以进一步提高机床的加工精度和稳定性。
2、温度与电主轴热伸长直接相关，因此国内外基于电主轴温度-热伸长关系建立预测模型是常用预测补偿方法。公开文献《复杂工况下电主轴热误差建模及补偿方法研究》中西安理工大学王楠采用了层次聚类方法并结合灰色关联分析选择电主轴上的温度关键点，并运用粒子群算法优化支持向量回归建立电主轴在复杂不同的工况下的自适应热误差预测模型。公开文献《五轴加工中心电主轴热误差测试及补偿研究》中北京信息科技大学问梦飞通过优化温度测点，比较不同的热误差预测优化模型，提出一种基于woa-svr的电主轴热误差优化建模方法，建立了指数函数式的多变量热误差模型，利用此模型在数控系统上补偿热伸长量，进行空转实验、平面加工实验和叶轮叶片加工实验。公开文献中《立式加工中心电主轴热伸长测试与补偿》武晓杰通过测试分析不同转速下的电主轴的温度和热伸长量，建立基于多元线性回归理论的热伸长预测模型，数控系统根据测量温度值计算出补偿值，并将补偿值补偿到z轴驱动中，实现热补偿功能。
3、基于温度的热伸长预测模型多局限于从理论层面拟合精度去评估模型预测效果，实际上机效果研究较少。其原因有建立主轴热伸长模型的数据来源不全面，预测模型的鲁棒性较差，建模数据受工作环境温度、切削工艺条件（切削速度、切削深度和进给速度）和切削平面条件的变化影响大，导致主轴热伸长预测数据在实际测试中无法满足使用要求，加工工件表面甚至出现明细跳跃刀痕。
技术实现思路
1、本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于全闭环主轴热伸长的测量装置及补偿方法，利用测量装置将机床电主轴的误差和变形情况直接测量出来，将采集到的位移数据发送至机床数控系统，利用其机械原点偏移功能，对数控系统中的坐标进行实时补偿，以减少误差和变形对加工精度的影响。
2、为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案。
3、本发明首先提供了一种用于全闭环主轴热伸长的测量装置，包括电主轴、位移传感器、支架、单片机、协议转换器和数控系统，所述位移传感器通过支架固定安装在电主轴旋转部底部，所述支架一端通过热熔胶粘紧固定在电主轴外壳下端面，另一端内部固定安装有位移传感器，所述位移传感器传感头正对电主轴旋转部底部所在轴向平面，所述位移传感器依次经单片机和协议转换器与数控系统通讯连接，所述单片机通过模数转换，用于将位移传感器输出的模拟信号转换为数字信号，并利用modbus协议将位移数据传输到协议转换器中，所述协议转换器用于将接收到的位移数据通过profinet协议传输到数控系统中，所述数控系统接收到位移数据后，利用机械原点坐标偏移功能实现对电主轴热伸长的补偿。
4、具体的，所述支架在位移传感器传感头位置周围固定布置有喷气口，对应所述支架内部布置有气体流道，所述气体流道一端与喷气口连通，另一端连接气源，所述喷气口在电主轴工作时喷出气流，进而吹走位移传感器传感头周围的切削液和切屑。
5、优选的，所述位移传感器为电涡流式位移传感器，电涡流式位移传感器的分辨率为1/80000；测量范围为0.1mm~0.5mm；采样时间为1s。
6、在上述技术方案的基础上，本发明还给出了一种利用上述测量装置对全闭环主轴热伸长进行实时补偿的方法，包括以下步骤：
7、步骤s1、将位移传感器固定装夹在支架底端内部，并利用热熔胶将支架顶端粘紧在工作台上，移动电主轴，使电主轴的被测端面靠近位移传感器传感头；
8、步骤s2、使用标准测量尺对位移传感器与电主轴被测端面之间的距离进行测量，将位移传感器与电主轴被测端面之间的距离调节至1mm；
9、步骤s3、设置工作坐标系x=0mm，y=0mm，z=1mm；移动电主轴使其z轴坐标达到0.1mm，并同时记录此时位移传感器的ad值，接着逐步增加z轴坐标，每次0.01mm，采集并记录位移传感器相应的ad值，直至z轴坐标达到0.4mm；
10、步骤s4、利用matlab软件中的cftool工具箱对位移传感器采集的ad值与电主轴被测端面的位移值进行拟合，得到电主轴被测端面的位移值和位移传感器ad值的拟合表达式；
11、步骤s5、基于步骤s4所得拟合表达式，数控系统根据接收到的位移数据计算补偿值，并利用机械原点坐标偏移功能实现对电主轴热伸长的实时补偿。
12、具体的，步骤s2中所述将位移传感器与电主轴被测端面之间的距离调节至1mm，调节过程为：
13、使用标准厚度为1mm的测量尺，将该测量尺插入位移传感器与电主轴被测端面之间的缝隙内，通过逐步调节缝隙距离，直到在拔插测量尺时能够感受到存在一定阻力，进而确认位移传感器与电主轴被测端面之间的距离为1mm。
14、进一步地，步骤s4中所述电主轴被测端面的位移值和位移传感器ad值的拟合表达式为：
15、 。
16、具体的，步骤s5中所述利用机械原点坐标偏移功能实现对电主轴热伸长的补偿，经检验，按照本发明方法对主轴热伸长进行补偿后，加工平面的平面度在10μm以内，最大补偿效果达72%。
17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
18、1、本发明设计了一种全闭环主轴热伸长的测量装置，利用测量装置能够将机床电主轴的误差和变形情况直接测量出来，并将采集到的位移数据转换后发送至机床数控系统，利用其机械原点偏移功能，对数控系统中的坐标进行实时补偿，从而减少误差和变形对加工精度的影响。
19、2、本发明提供了一种全闭环主轴热伸长的实时补偿方法，利用matlab软件中的cftool工具箱对位移传感器的ad值与电主轴被测端面的位移值进行拟合，数控系统根据拟合公式对接收到的位移数据计算补偿值，从而利用机械原点坐标偏移功能实现对电主轴热伸长的实时补偿，相较传统建立主轴热伸长模型预测补偿值的方法，本发明方法受工作环境温度、切削工艺条件（切削速度、切削深度和进给速度）和切削工件表面条件的变化影响小，补偿后加工平面的平面度在10μm以内，最大补偿效果达72%，闭环补偿效果显著。
1.一种用于全闭环主轴热伸长的测量装置，其特征在于，包括电主轴（1）、位移传感器（2）、支架（3）、单片机、协议转换器和数控系统，所述位移传感器（2）通过支架（3）固定安装在电主轴（1）旋转部底部，所述支架（3）一端通过热熔胶粘紧固定在电主轴（1）外壳下端面，另一端内部固定安装有位移传感器（2），所述位移传感器（2）传感头正对电主轴（1）旋转部底部所在轴向平面，所述位移传感器（2）依次经单片机和协议转换器与数控系统通讯连接，所述单片机通过模数转换，用于将位移传感器（2）输出的模拟信号转换为数字信号，并利用modbus协议将位移数据传输到协议转换器中，所述协议转换器用于将接收到的位移数据通过profinet协议传输到数控系统中，所述数控系统接收到位移数据后，利用机械原点坐标偏移功能实现对电主轴（1）热伸长的补偿；所述支架（3）在位移传感器（2）传感头位置周围固定布置有喷气口，对应所述支架（3）内部布置有气体流道，所述气体流道一端与喷气口连通，另一端连接气源，所述喷气口在电主轴（1）工作时喷出气流，进而吹走位移传感器（2）传感头周围的切削液和切屑。
2.根据权利要求1所述的一种用于全闭环主轴热伸长的测量装置，其特征在于，所述位移传感器（2）为电涡流式位移传感器，电涡流式位移传感器的分辨率为1/80000；测量范围为0.1mm~0.5mm；采样时间为1s。
3.一种用于全闭环主轴热伸长的实时补偿方法，采用如权利要求1-2任一项所述测量装置，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的用于全闭环主轴热伸长的实时补偿方法，其特征在于，步骤s2中所述将位移传感器（2）与电主轴（1）被测端面之间的距离调节至1mm，调节过程为：
5.根据权利要求3所述的用于全闭环主轴热伸长的实时补偿方法，其特征在于，步骤s4中所述电主轴（1）被测端面的位移值和位移传感器（2）ad值的拟合表达式为：
6.根据权利要求3所述的用于全闭环主轴热伸长的实时补偿方法，其特征在于，步骤s5中所述利用机械原点坐标偏移功能实现对电主轴（1）热伸长的补偿，补偿后加工平面的平面度在10μm以内。
