用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿机构及方法
【专利摘要】本申请提供一种用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿机构，包括固定地设置于溜板内壁的光栅尺位移传感器；固定地设置于滑枕内的热标准元件；设置于所述滑枕外且和所述热标准元件固定连接的光栅尺线位移读数头；当所述光栅尺线位移读数头在所述热标准元件的带动下运动以生成读数时，所述控制系统能够根据所述读数控制所述滑枕进行补偿运动。本申请提供热变形补偿机构和方法将滑枕前端的热伸长变形传递到光栅尺线位移读数头。光栅尺线位移读数头和光栅尺位移传感器产生运动量数值并且反馈至控制系统，以使得控制系统能够控制伺服电机调整滑枕的位置，实现对滑枕主轴的热变形进行补偿。
【专利说明】
用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿机构及方法
技术领域
[0001]本发明及数控机床领域，特别涉及用于镗铣床滑枕主轴的热变形主轴的热变形补偿机构和补偿方法。
【背景技术】
[0002]目前，影响数控机床的加工精度的因素主要可以归结为四类:机床主要机械结构的几何误差;加工过程中的载荷误差;热变形误差;伺服系统控制误差。大量研究表明，精密加工中的热变形已成为影响加工精度稳定性的关键因素，由其所引起的加工误差在总误差中所占的比例高达40%?70%。
[0003]数控机床在工作过程中受到摩擦热、切削热和室温变化等多种热源的影响，其各部件会产生不同程度的温度变化，进而形成非均匀的温度场，使得各零部件通过变形来平衡热应力的作用。对于镗铣床而言，导致滑枕主轴铣头各零部件不同幅值的热位移，进而引起拉、压、弯、扭等多种滑枕的热变形，以改变滑枕与工作台之间的相对位置，破坏二者相对运动的正确性，使得承载于工作台上的被加工零件的尺寸发生变化，影响零件的加工精度。
【发明内容】
[0004]鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿机构，所述镗铣床包括溜板、设置于所述溜板上上且能够沿其运动的滑枕以及控制所述滑枕运动的控制系统，其特征在于，所述热变形补偿机构包括:
[0005]固定地设置于所述溜板的轴孔内壁的光栅尺位移传感器；
[0006]固定地设置于所述滑枕内的热标准元件；
[0007]设置于所述滑枕外且和所述热标准元件固定连接的光栅尺线位移读数头，所述光栅尺位移传感器和所述光栅尺线位移读数头相互匹配；
[0008]所述光栅尺线位移读数头、所述光栅尺位移传感器以及所述控制系统配置成:
[0009]当所述光栅尺线位移读数头在所述热标准元件的带动下运动以生成读数时，所述控制系统能够根据所述读数控制所述滑枕进行补偿运动。
[0010]在本发明的一些实施方式中，所述热标准元件的端部和所述滑枕的端部固定连接。
[0011]在本发明的一些实施方式中，所述热标准元件为沿着所述滑枕的轴向设置的热标准杆；
[0012]所述热变形补偿机构还包括:
[0013]固定设置于所述热标准杆上的承载板，所述承载板沿着所述滑枕的径向向外延伸；
[0014]所述光栅尺线位移读数头固定设置于所述承载板上。
[0015]在本发明的一些实施方式中，所述热变形补偿机构还包括固定设置于所述滑枕上的支撑板，所述支撑板和所述承载板弹性连接。
[0016]在本发明的一些实施方式中，所述支撑板通过弹簧片和所述承载板连接。
[0017]在本发明的一些实施方式中，所述支撑板和所述弹簧片之间设置有垫块。
[0018]在本发明的一些实施方式中，所述热变形补偿机构还包括:
[0019 ]设置于所述滑枕内部的隔圈；
[0020]所述热标准杆的端部和所述滑枕的端部固定连接，中部和/或尾部设置于所述隔圈内。
[0021]在本发明的一些实施方式中，所述热标准元件的线性热膨胀系数为1.8X10—8/°C?1.5X10-6/Γ。
[0022]此外，本发明还提供了一种用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿方法，包括:
[0023]测定滑枕的多个温度值；
[0024]利用上述热变形补偿机构测定与所述多个温度值对应的滑枕热变形补偿数值；
[0025]建立和存储温度值和热变形补偿数值的数学模型；
[0026]测定实际工作状态下滑枕的温度值；
[0027]根据所述测定的温度值调取滑枕热变形补偿数值，并根据该热变形补偿数值控制所述滑枕进行补偿运动。
[0028]本发明提供的另一种用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿方法，包括:
[0029]在滑枕上设置用于测定其温度的传感器；
[0030]利用上述热变形补偿机构测定与所述多个温度值对应的滑枕热变形补偿数值；[0031 ]利用最小二乘法建立温度值和热变形补偿数值的数学模型，将所述数学模型存储至数控系统；
[0032]利用传感器测量实际工作状态下滑枕的温度值，将该温度值传送至控制系统；
[0033]控制系统根据该温度值调取滑枕热变形补偿数值并将该数值传送至伺服驱动器，以使得伺服驱动器驱动伺服电机控制滑枕运动；
[0034]光栅尺线位移读数头在光栅尺位移传感器上产生读数值，所述读数值被反馈至数控系统，以用于判断滑枕补偿运动数值和所述热变形补偿数值是否一致。
[0035]本发明提供的用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿机构专门在滑枕内部设置了热标准元件，以将滑枕前端的热伸长变形传递到滑枕后端的光栅尺线位移读数头。光栅尺线位移读数头和光栅尺位移传感器产生运动量数值并且反馈至控制系统，以使得控制系统能够控制伺服电机调整滑枕的位置，实现对滑枕主轴的热变形进行补偿。本发明提供的用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿方法能够在建立温度值和热变形补偿数值后，根据工作状态下实际测量的滑枕温度值，自动地调取热变形补偿数值，进而驱动滑枕作出热变形补偿运动。
【附图说明】
[0036]图1为本发明一实施方式的镗铣床龙门架的结构示意图；
[0037]图2为安装有热变形补偿机构的滑枕的侧视图；
[0038]图3为图2中沿B方向的视图；
[0039]图4为显示了带有溜板的滑枕的结构示意图；
[0040]图5为图2中I部分的放大示意图；[0041 ]图6为图2中沿A-A剖面线的剖视图；
[0042]图7为图6中Π部分的放大不意图；
[0043]图8为图6中ΙΠ部分的放大示意图；
[0044]图9为图6中IV部分的放大示意图；
[0045]图10为本发明的热变形补偿机构的工作流程图；
[0046]图11为本发明提供的实时热变形补偿方法流程图。
【具体实施方式】
[0047]为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对发明作进一步详细的说明。虽然附图中显示了本公开示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻的理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0048]图1显示了本发明一实施方式的镗铣床龙门架的结构示意图，该镗铣床的龙门架的横梁上设置有具有溜板1、设置于溜板I上且能够沿其滑轨运动的滑枕2，该镗铣床还包括控制上述滑枕2运动的控制系统(图未示)。
[0049]图2和图3分别显示了安装有热变形补偿机构的滑枕的侧视图和图2中沿B方向的视图。本发明一实施方式的用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿机构包括光栅尺位移传感器
3、热标准元件4、光栅尺线位移读数头5。
[0050]具体地，结合图4，光栅尺位移传感器3通过安装板31固定地设置于溜板I上，并非设置于滑枕2上。热标准元件4可以采用热标准杆，其沿着滑枕2的轴向设置于滑枕2内且端部和所述滑枕2的端部固定连接。热标准杆可以采用线性热膨胀系数为1.5X10—6/°C的铁基高镍合金。当含镍36 %时，其线性热膨胀系数可以达到1.8 X 10-8/oC ο热标准杆在-80 V?100°C下基本不会出现受热膨胀的现象，相对于滑枕2的材料(球墨铸铁)而言，其膨胀可以忽略不计。光栅尺线位移读数头5则设置于滑枕2外且和热标准元件4固定连接。光栅尺位移传感器3和光栅尺线位移读数头5相互匹配。
[0051 ]在工作过程中，滑枕2受热而伸长时，光栅尺线位移读数头5在所述热标准元件4的带动下向着滑枕2伸长的方向运动以在光栅尺位移传感器3上生成读数，控制系统则能够根据该读数控制滑枕2进行反向的补偿运动，即调整滑枕2的位置以消除热膨胀带来的加工误差。
[0052]结合图3、图6和图9，热标准元件4的端部通过固定块41和多个紧固螺钉42和滑枕2的端部固定且设置于滑枕2的内部。
[0053]在本发明的一种实施方式中，参照图8，滑枕2的内部的固定设置有隔圈43，所述热标准元件4的中部或者尾部设置于隔圈43之中，以使得热标准元件4整体地、更为稳定地设置于滑枕2内，不易因震动而错位，增加了测量的准确性。
[0054]参照图2?5，本发明提供的热变形补偿机构还包括固定设置于热标准元件4上的承载板6，该承载板6沿着滑枕2的径向向外布置。光栅尺线位移读数头5则固定设置于承载板6上。
[0055]在本发明的一些实施方式中，热变形补偿机构还可以包括固定设置于所述滑枕2上的支撑板7，该支撑板7和承载板6弹性连接。如图3所示，支撑板7位于承载板6的下方。支撑板7既防止了承载板6在震动下而发生位置偏移，又通过弹性连接使得承载板6可以跟随热标准元件4沿着滑枕2的轴向方向运动，进而使得设置于承载板6上的光栅尺线位移读数头5在光栅尺位移传感器3产生读数。
[0056]结合图7所示，承载板6通过紧固螺钉61和热标准元件4固定连接。支撑板7通过紧固螺钉71和滑枕2固定连接。支撑板7和承载板6通过两个弹簧片62弹性连接。此外，还可以在支撑板7和承载板6的连接处设置垫片63，以用于调整二者的相互位置。
[0057]参照图10，本发明提供的用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿机构的工作流程为:
[0058]主轴轴承高速旋转，产生大量热，滑枕2受热后伸长变形，带动热标准杆4整体向滑枕2前端方向运动；
[0059]设置于承载板6上的光栅尺线位移读数头5在热标准杆4的带动下向滑枕2的前端方向运动；
[0060]当光栅尺线位移读数头5的运动量小于光栅尺位移传感器3的分辨率时，控制系统不作出响应。当光栅尺线位移读数头5的运动量达到光栅尺位移传感器3的分辨率时，该运动量即为滑枕2前端的热伸长量，该运动量被反馈至控制系统；
[0061]控制系统接收到该运动量数据后，向伺服电机发出指令，伺服电机进给机构控制滑枕2向着热伸长变形方向的反方向运动(即光栅尺线位移读数头5回归到初始位置)，以保证滑枕2前端的定位精度不受自身热伸长变形的影响。
[0062]除此之外，如图11所示，本发明还提供的一种实时热变形补偿方法，其利用本发明提供的热变形补偿机构建立滑枕热变形量和温度的关系的数学模型，并将该模型保存于控制系统中，以使得控制系统能够根据该数学模型进行在线实时热变形补偿。具体过程如下:
[0063]在滑枕上设置用于测定滑枕温度的传感器；
[0064]利用本发明提供的热变形补偿机构获得多个温度值所对应的滑枕热变形补偿数值；
[0065]利用最小二乘法建立温度值和热变形补偿数值的数学模型，将该数学模型存储至数控系统；
[0066]实际工作时，利用传感器测量滑枕的温度，该温度测量值被传送至控制系统；
[0067]控制系统根据该温度测量值调取滑枕热变形补偿数值，控制系统将该数值传送至伺服驱动器，以使得伺服驱动器驱动伺服电机控制滑枕运动；
[0068]光栅尺线位移读数头在光栅尺位移传感器上产生读数值，所述读数值被反馈至数控系统，以用于判断滑枕补偿运动数值和所述热变形补偿数值是否一致。
[0069]如果滑枕补偿运动数值和所述热变形补偿数值一致，则上述补偿运动正确的执行。如果滑枕补偿运动数值和所述热变形补偿数值不一致，则再次利用传感器测量滑枕的温度，该温度测量值被传送至控制系统，然后顺序执行步骤。
[0070]以上对本发明的各种实施例进行了详细说明。本领域技术人员将理解，可在不偏离本发明范围(由所附的权利要求书限定)的情况下，对实施方案进行各种修改、改变和变化。对权利要求范围的解释应从整体解释且符合与说明一致的最宽范围，并不限于示例或详细说明中的实施范例。
【主权项】
1.一种用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿机构，所述镗铣床包括溜板、设置于溜板上且能够沿其运动的滑枕以及控制所述滑枕运动的控制系统，其特征在于，所述热变形补偿机构包括: 固定地设置于所述溜板的轴孔内壁的光栅尺位移传感器； 固定地设置于所述滑枕内的热标准元件； 设置于所述滑枕外且和所述热标准元件固定连接的光栅尺线位移读数头，所述光栅尺位移传感器和所述光栅尺线位移读数头相互匹配； 所述光栅尺线位移读数头、所述光栅尺位移传感器以及所述控制系统配置成: 当所述光栅尺线位移读数头在所述热标准元件的带动下运动以生成读数时，所述控制系统能够根据所述读数控制所述滑枕进行补偿运动。2.根据权利要求1所述的用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿机构，其特征在于，所述热标准元件的端部和所述滑枕的端部固定连接。3.根据权利要求1或2所述的用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿机构，其特征在于，所述热标准元件为沿着所述滑枕的轴向设置的热标准杆； 所述热变形补偿机构还包括: 固定设置于所述热标准杆上的承载板，所述承载板沿着所述滑枕的径向向外延伸； 所述光栅尺线位移读数头固定设置于所述承载板上。4.根据权利要求3所述的用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿机构，其特征在于，所述热变形补偿机构还包括: 固定设置于所述滑枕上的支撑板，所述支撑板和所述承载板弹性连接。5.根据权利要求4所述的用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿机构，其特征在于，所述支撑板通过弹簧片和所述承载板连接。6.根据权利要求5所述的用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿机构，其特征在于，所述支撑板和所述弹簧片之间设置有垫块。7.根据权利要求3所述的用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿机构，其特征在于，包括: 设置于所述滑枕内部的隔圈； 所述热标准杆的端部和所述滑枕的端部固定连接，中部和/或尾部设置于所述隔圈内。8.根据权利要求1所述的用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿机构，其特征在于，所述热标准元件的线性热膨胀系数为1.8 X 10—8/°C?1.5 X 10—6/°C。9.一种用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿方法，包括: 测定滑枕的多个温度值； 利用权利要求1?8所述的热变形补偿机构测定与所述多个温度值对应的滑枕热变形补偿数值； 建立和存储温度值和热变形补偿数值的数学模型； 测定实际工作状态下滑枕的温度值； 根据所述测定的温度值调取滑枕热变形补偿数值，并根据该热变形补偿数值控制所述滑枕进行补偿运动。10.根据权利要求9所述的用于镗铣床滑枕主轴的热变形补偿方法，包括: 在滑枕上设置用于测定其温度的传感器； 利用权利要求1?8所述的热变形补偿机构测定与所述多个温度值对应的滑枕热变形补偿数值； 利用最小二乘法建立温度值和热变形补偿数值的数学模型，将所述数学模型存储至数控系统； 利用传感器测量实际工作状态下滑枕的温度值，将该温度值传送至控制系统； 控制系统根据该温度值调取滑枕热变形补偿数值并将该数值传送至伺服驱动器，以使得伺服驱动器驱动伺服电机控制滑枕运动； 光栅尺线位移读数头在光栅尺位移传感器上产生读数值，所述读数值被反馈至数控系统，以用于判断滑枕补偿运动数值和所述热变形补偿数值是否一致。
【文档编号】B23Q23/00GK105983883SQ201610565677
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】刘啸, 李波波, 李绍萍, 彭梁锋, 王元伦, 张文坤, 张楠, 李攀科, 夏跃荣, 尹亮, 杨林, 谭丽娟, 田刘平
【申请人】沈机集团昆明机床股份有限公司