数控机床滑枕热伸长变形误差实时在线检测与闭环反馈补偿装置制造方法
【专利摘要】本实用新型是用于数控机床滑枕热伸长变形误差实时在线检测与闭环反馈补偿的装置。其特征在于：装置由实时在线检测和实时闭环反馈补偿两大部分组成，主要包括前端固定于滑枕上的检测杆，与检测杆后端相固连的光栅尺读数头安装座、光栅尺读数头以及固定安装在滑枕座上的光栅尺定尺，并借助数控系统的现有闭环反馈功能，实现滑枕热伸长变形误差的实时在线检测与补偿。本实用新型装置及检测方法应用后能够将数控机床由于滑枕的热变形而导致的加工误差大大降低，确保实现机床预定的控制精度，具有良好的经济效益和社会效益。
【专利说明】数控机床滑枕热伸长变形误差实时在线检测与闭环反馈补偿装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种用于数控机床滑枕热伸长变形误差实时在线检测与闭环反馈补偿装置，具体地说，是用在机械加工领域中数控机床上的热误差检测与补偿机械装置。属于精密加工机床【技术领域】。
【背景技术】
[0002]机床在使用过程中，各运动部件之间由于摩擦会产生大量的热量，同时机床和外界环境也会发生热交换，这样就会引起各部件的热膨胀，在各种约束的作用下，最终导致各运动部件位置和姿态的不精确，从而产生热误差。热误差在机床整个误差中占有相当大的比重，研究表明:在精密加工中热变形引起的加工误差占总加工误差的40-70%，成为影响机床加工精度最主要的因素之一，目前已成为国内外研究的热点。尤其对于重型数控机床，因其质量和惯量大，驱动系统所需功率较大，零部件发热较为严重，产生较为明显的热变形，进而形成较大的热误差，严重制约数控机床精度的提高。滑枕组件作为重型数控机床的关键部件，很大程度上制约着机床精度的提高。因受进给系统发热、主变速箱中各轴系和主轴的高速旋转生热的影响，滑枕将会产生较大的热变形，特别是在轴向进给方向的热伸长误差更为明显，严重影响机床的加工精度、稳定性和应用范围。如在铣削较大平面时，由于两次纟先削间隔时间较长，滑枕在这段时间内的热伸长较大，目前在现有条件下其热伸长量不可测、也不可控，将会产生较为明显的接刀痕，使得铣削的平面不符合零件的加工工艺要求，导致较高的废品率，成为各主机厂商亟需解决的关键问题之一。
[0003]目前，针对滑枕由于受温度场变化而导致的热伸缩变形，还没有有效的预防与解决措施，主要还是采用误差防止的办法，比如通过优化改进机床结构设计或者增加冷却装置使滑枕温度降低，亦或通过在加工前用空行程预热以均衡温度场的方式加以改善。但由于冷却套装置的作用有限，不能彻底解决滑枕的热伸长问题，并且滑枕的热伸长误差大小将随着工作状态和环境温度`等条件的改变而变化，而预热到热稳态又需要很长的时间。因此，在当前高精度数控机床需求日益增大的前提下，需要寻求适当的方法来对机床滑枕的定位误差进行实时在线检测，并将检测值实时反馈给数控系统，以控制滑枕的伺服进给装置进行与热伸长误差相反方向的运动，实现滑枕定位误差的补偿，从而使机床的精度得以提闻。
[0004]对于滑枕热伸长误差的补偿，谷丹等在专利《一种用于数控机床滑枕热变形补偿的控制方法以及实施此方法的装置》(申请号201010595650.7)中公开了一种用于数控机床滑枕热变形补偿的控制方法以及实施此方法的装置，该方法通过在滑枕上安装的低膨胀系数的检测杆和微位移传感器，将滑枕的热伸长误差值检测出来，并将其转化成补偿脉冲信号，通过数控系统提供的手持单元接口输入给数控系统，从而实现补偿。这种控制方法及其实现装置，不但需要数控系统具有比较完善和复杂的信号通讯硬件接口及其实现装置，以及要求实施补偿者具有专业的数控知识与经验，而且还需要额外的位移传感器来检测热变形误差信号，并外挂脉冲发生补偿器，位移传感器因其精度、稳定性和抗干扰能力的限制，特别是在工业现场环境下，其输出跳动比较大，再加上后期的脉冲转换电路及数据通讯的作用，不仅增加了成本，而且也增加了系统的复杂性，最终导致补偿效果不是十分理想，在实际应用中受到了一定的限制。
【发明内容】
[0005]本实用新型目的在于解决【背景技术】中所存在的现有技术问题，本实用新型一种专门用于消除滑枕热伸长变形对机床加工精度影响的实时在线检测与闭环反馈补偿装置，该装置应用后，能够将数控机床特别是重型数控机床由于滑枕的热伸长变形而导致的加工误差大大降低，确保实现机床预定的控制精度，同时系统具有补偿过程平稳，受外界干扰较小的特点。
[0006]本实用新型用于数控机床滑枕热伸长变形误差实时在线检测与闭环反馈补偿的装置技术方案是:装置由实时在线检测和实时闭环反馈补偿两大部分组成，主要包括检测杆(2)的前端固定于滑枕(I)上，与检测杆(2)后端相固连的光栅尺读数头安装座(15)、光栅尺读数头(16)以及固定安装在滑枕座上的光栅尺定尺(17)，并借助数控系统的现有闭环反馈功能，实现滑枕热伸长变形误差的实时在线检测与补偿。
[0007]所述装置由固定在滑枕(I)上的的检测杆(2)、固定螺钉(3)、垫圈(4)、(6)、(8)、
(10)、支撑螺钉(5)、(7)、(9)、连接螺钉(11)、(12)、(13)、(14)、光栅尺读数头安装座(15)、光栅尺读数头(16)以及用于闭环反馈的光栅尺定尺(17)和光栅尺紧固螺钉(18)共同构成；其中，所述紧固螺钉(3)将检测杆(2)与滑枕(I)在前端固定连接；所述垫圈(4)、(6)、
[8]、(10)将检测杆(2)与滑枕(I)隔开以减小接触面积从而减小摩擦力；所述支撑螺钉
(5)、(7)、(9)用于限制检测杆(2)沿垂直于杆长方向的运动，同时保证检测杆(2)沿检测杆(2)长方向可自由运动；所述连接螺钉(11)、(13)用于将检测杆(2)与光栅尺读数头安装座(15)固连在一起；所述连接螺钉(12)、( 14)用于将光栅尺读数头安装座(15)与光栅尺读数头(16)固连在一起。
[0008]所述的检测杆(2)采用热膨胀系数极小的因瓦合金材料，检测杆(2)前端与滑枕(O的前端通过紧固螺钉(3)固连在一起，检测杆(2)后端与光栅尺读数头安装座(15)通过连接螺栓(11)、( 13 )固连在一起，检测杆(2 )除在前端固定点之外，可相对于滑枕(I)在轴向进行自由相对运动，而在垂直于轴向方向的运动被限制，保证检测杆(2)与光栅尺读数头安装座(15)同步运动。
[0009]所述的检测杆(2)的中间部分开有键槽，通过支撑螺钉(5)、(7)、(9)可以增强其刚性，同时又能保证检测杆(2)相对于滑枕(I)仅作杆长方向的运动，而不作垂直于杆长方向的运动。
[0010]所述的因瓦合金为镍钢合金，俗称殷钢，不变钢，其热膨胀系数约为1.2X 10-6/°C,相对于滑枕材料一铸铁来说非常小，可认为是零。
[0011]所述的光栅尺读数头(16)固定在与滑枕在前端相互固连的检测杆(2)的后端，光栅尺定尺(17)固定在滑枕座(则支撑滑枕的装置)上。
[0012]一种用于数控机床滑枕热伸长变形误差实时在线检测与闭环反馈补偿的装置检测方法，其特征在于，通过在滑枕(I) 一角处开槽，槽内安装检测杆(2);检测杆(2)的前端通过固定螺钉(3 )与滑枕(I)刚性连接在一起，检测杆(2 )的后端通过连接螺栓和光栅尺读数头安装座(15)与光栅尺读数头(16)形成刚性连接；在限制检测杆(2)沿垂直于杆长方向运动的同时，保证检测杆(2)可沿杆长方向自由运动，为减小相对运动时的摩擦力，在检测杆(2)和滑枕(I)之间加装了垫圈(4)、(6)、(8)、(10)。
[0013]所述的光栅尺读数头(16)通过光栅尺读数头安装座(15)以及连接螺钉(11)、(12)、(13)、(14)固连于检测杆(2)上，当滑枕(I)产生热变形时，通过检测杆(2)将变形量传递给光栅尺读数头(16)，光栅尺读数头(16)感知到滑枕(I)的热伸长变形后，反馈给数控系统，控制伺服进给电机进行相应的动作，使整个滑枕系统向滑枕(I)热伸长变形的反方向运动，完成滑枕(I)热伸长变形误差的实时在线检测与闭环反馈补偿，让滑枕(I)前端的精度不受滑枕热伸长变形的影响，保证机床的加工精度。
[0014]所述的补偿是通过数控系统的闭环反馈功能，即系统的“伺服”功能来自动实现补偿的，而不需要额外的补偿控制装置。
[0015]由于采取上述方案，作为热位移传递的检测杆一端固定在滑枕前端侧面，另一端自由伸展且其尾部与光栅尺读数头刚性连接。当滑枕受热引起前端轴向伸长量为时，滑枕带动检测杆一起移动，检测杆的另一端以及光栅尺读数头在理想情况下也会在轴向移动Λζ长度，当Λζ达到光栅尺的分辨率时，光栅尺系统感知到这一相对位移量Λζ，即为滑枕热伸缩量的大小，将这一位移量实时闭环反馈给数控系统，由数控系统控制滑枕伺服进给系统，使得光栅尺读数头始终位于系统指令位置，从而保证滑枕前端面的定位精度。
[0016]本实用新型有益效果是:实现了数控机床滑枕热伸长变形的实时在线动态检测，并直接通过数控系统的位置闭环反馈系统进行补偿，能够将数控机床由于滑枕的热伸长变形而导致的加工误差大大降低，具有良好的经济效益和社会效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0018]图1是本实用新型所属用于滑枕热伸长变形误差实时在线检测与闭环反馈补偿装置的工作原理框图。
[0019]图2是本实用新型中所涉及的数控机床滑枕(I)部件的外结构示意图。
[0020]图3是本实用新型用于滑枕热伸长变形误差实时在线检测与闭环反馈补偿装置的结构主视图。
[0021]图4是图3中的G-G方向剖视图。
[0022]图5是图3中的F-F方向剖视图。
[0023]图6是图3中的局部放大视图1。
[0024]图7是图3中的局部放大视图1I。
[0025]图8是图3中的局部放大视图1II。
[0026]图9是图3中的局部放大视图1V。
[0027]图10是图5中的局部放大视图V。
[0028]图11是图4中的局部放大视图VI。
[0029]图12是图4中的局部放大视图VII。
[0030]图13是图4中的局部放大视图VIII。[0031]图14是图4中的局部放大视图1X。
[0032]图中1-数控机床中的滑枕，2-检测杆，3-固定螺钉，4-垫圈，5-支撑螺钉，6-垫圈，7-支撑螺钉，8-垫圈，9-支撑螺钉，10-垫圈，11-连接螺钉，12-连接螺钉，13-连接螺钉，14-连接螺钉，15-光栅尺读数头安装座，16-光栅尺读数头，17-光栅尺定尺，18-光栅尺紧固螺钉。
【具体实施方式】
[0033]本实用新型用于消除数控机床滑枕热伸长变形误差影响的实时在线检测与闭环反馈补偿装置由实时在线检测和实时闭环反馈补偿两大部分组成，主要包括前端固定于滑枕上的检测杆，与检测杆后端相固连的光栅尺读数头安装座、光栅尺读数头以及固定安装在滑枕座上的光栅尺定尺，并借助数控系统的现有闭环反馈功能实现滑枕热伸长变形误差的实时在线检测与补偿。其具体实现过程为:
[0034]首先，滑枕受热后发生伸长变形，带动没有热变形的检测杆整体向滑枕前端方向运动；
[0035]其次，检测杆通过中间连接装置带动光栅尺读数头向滑枕前端方向运动；
[0036]再次，光栅尺读数头向滑枕前端运动，当运动量小于光栅尺分辨率时读数头继续向前运动；当运动量达到光栅尺分辨率时，光栅尺系统将感知这一运动量即滑枕前端的热伸长量，并反馈给数控系统；
[0037]最后，数控系统收到滑枕前端热伸长变形的信号后，通过伺服驱动模块控制伺服进给电机运动，并通过丝杠螺母副等伺服进给机构使滑枕整体向着热伸长变形的反方向运动，光栅尺读数头回归到原来的指令位置，从而保证滑枕前端的定位精度不受滑枕热伸长变形的影响。
[0038]为实现上述滑枕热伸长变形误差的实时在线检测，专门设计了检测杆及其固定与支撑装置，将滑枕前端的热伸长变形传递到滑枕后端光栅尺读数头的安装位置，具体包括:热膨胀系数极小的检测杆，将检测杆前端固连在滑枕上的固定螺钉，增加检测杆刚性同时保证检测杆沿杆长方向自由运动、沿垂直于杆长方向约束的支撑螺钉，以及减小检测杆与滑枕之间接触面积的垫圈。
[0039]为实现上述光栅尺读数头感知滑枕前端热伸长变形的功能，将光栅尺读数头通过安装座以及螺钉固连在上述检测杆上，从而实现了光栅尺读数头与滑枕前端热位移的同
止/J/ O
[0040]为实现滑枕热伸长变形的位置闭环反馈补偿功能，需要将光栅尺的定尺安装在滑枕座(支撑滑枕的装置)上而不是滑枕上，这样才能保证滑枕前端受热后向前运动进而带动读数头向前运动，利用数控系统的闭环反馈功能，通过伺服进给系统实现补偿。
[0041]本实用新型通过在滑枕一角处开槽，槽内安装检测杆；检测杆的前端通过固定螺钉与滑枕刚性连接在一起，后端通过连接螺栓和光栅尺读数头安装座与光栅尺读数头形成刚性连接；为增加刚性，在检测杆中间和后端布置若干支撑螺钉，在限制检测杆沿垂直于杆长方向运动的同时，保证检测杆可沿杆长方向自由运动，为减小相对运动时的摩擦力，在检测杆和滑枕之间加装了垫圈。通过检测杆相当于将光栅尺读数头安装在了滑枕的最前端，若不考虑光栅尺本身的热膨胀，可认为滑枕前端在进给方向的位置不受热膨胀的影响，保证了滑枕在不同热场中的定位精度。
[0042]如图1所示，本实用新型用于消除数控机床滑枕热伸长变形影响的机械装置，其工作原理主要包括两部分:实时在线检测系统和实时闭环反馈补偿系统。
[0043]如图2?14所示。该发明结构部分主要包括固定于滑枕I上的检测杆2 ;紧固螺钉3 ;垫圈4、6、8、10 ;支撑螺钉5、7、9 ;连接螺钉11、12、13、14 ;光栅尺读数头安装座15 ;光栅尺读数头16 ;光栅尺定尺17 ;光栅尺紧固螺钉18，其中，所述紧固螺钉3将检测杆2与滑枕I在前端固定连接；所述垫圈4、6、8、10将检测杆2与滑枕I隔开以减小接触面积从而减小摩擦力；所述支撑螺钉5、7、9用于限制检测杆2沿垂直于杆长方向的运动，同时保证检测杆2沿杆长方向可自由运动；所述连接螺钉11、13用于将检测杆2与光栅尺读数头安装座15固连在一起；所述连接螺钉12、14用于将光栅尺读数头安装座15与光栅尺读数头16固连在一起。
[0044]滑枕(I)受热向前端伸长时，通过紧固螺钉3带动检测杆2 —起向前运动，通过固连在检测杆2上的光栅尺读数头安装座15最终带动光栅尺读数头16向前移动，由于检测杆2的热膨胀系数极小，可认为是零即没有热变形，因此检测杆2的前端与后端的位移量保持一致，亦即光栅尺读数头16与滑枕I前端的热位移量保持一致，这样当滑枕I的热伸长变形量小于光栅尺的分辨率时，滑枕I继续发生热伸长变形，继续带动光栅尺读数头前移，直至达到光栅尺的分辨率；滑枕I的热伸长变形量达到光栅尺的分辨率时，数控系统将检测到这一位移变化，并反馈给伺服驱动控制模块，并发送相应的脉冲信号来控制伺服进给电机反转，使整个滑枕系统向后移动相同大小的位移量，光栅尺读数头回归到原来的指令位置，起到补偿的作用，保证滑枕前端刀具安装处不受滑枕热伸长变形的影响，从而提高其加工时的热态精度。通过上述检测与补偿装置检测杆相当于将光栅尺读数头安装在了滑枕的最前端，若不考虑光栅尺本身的热膨胀，可认为滑枕前端在进给方向的位置不受热膨胀的影响，保证了滑枕在不同热场中的定位精度。该种装置应用后能够将数控机床由于滑枕的热变形而导致的加工误差大大降低，确保实现机床预定的控制精度，具有良好的经济效益和社会效益。
[0045]所述检测杆2的材料采用热膨胀系数极小的因瓦合金，它是一种镍钢合金，俗称殷钢或不变钢，其热膨胀系数约为1.2X 10_6/°C，相对于滑枕材料——铸铁的热膨胀系数来说非常小，可认为是零。检测杆2前端与滑枕I的前端通过紧固螺钉3固连在一起，后端与光栅尺读数头安装座15通过连接螺栓11、13固连在一起，可相对于滑枕I在轴向进行自由相对运动，而在垂直于轴向方向的运动则被限制了，从而保证了检测杆2与光栅尺读数头安装座15的同步运动。
[0046]所述检测杆2的中间部分开有键槽，通过支撑螺钉5、7、9可以增强其刚性，同时又能保证检测杆2相对于滑枕I仅作检测杆2长方向的运动，而不作垂直于杆长方向的运动。
[0047]所述光栅尺读数头16通过光栅尺读数头安装座15以及连接螺钉11、12、13、14固连于检测杆2上，当滑枕I产生热变形时，通过检测杆2将变形量传递给光栅尺读数头16，光栅尺定尺系统感知滑枕I的热伸长变形后，反馈给数控系统，控制伺服进给电机进行相应的动作，使整个滑枕系统向滑枕I热伸长变形的反方向运动，从而实现滑枕I热伸长变形误差的实时在线检测与闭环反馈补偿，保证滑枕I前端的精度不受滑枕热伸长变形的影响，最终保证机床的加工精度。[0048]本实用新型用于消除数控机床滑枕热伸长变形影响的机械装置，经过试验证明，能够有效减少数控机床的滑枕随温度变化导致伸缩变形所产生的加工误差，达到预定的机床控制精度，同时补偿过程平稳、可靠，具有较强的实用性，能够实现良好的经济效益和社会效益。
【权利要求】
1.一种数控机床滑枕热伸长变形误差实时在线检测与闭环反馈补偿装置，其特征在于:装置由实时在线检测和实时闭环反馈补偿两大部分组成，主要包括检测杆(2)的前端固定于滑枕(I)上，与检测杆(2)后端相固连的光栅尺读数头安装座(15)、光栅尺读数头(16)以及固定安装在滑枕座上的光栅尺定尺(17)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，装置由固定在滑枕(I)上的的检测杆(2)、固定螺钉(3)、垫圈(4、6、8、10)、支撑螺钉(5、7、9)、连接螺钉(11、12、13、14)、光栅尺读数头安装座(15)、光栅尺读数头(16)以及用于闭环反馈的光栅尺定尺(17)和光栅尺紧固螺钉(18)共同构成；其中，所述紧固螺钉(3)将检测杆(2)与滑枕(I)在前端固定连接；所述垫圈(4、6、8、10)将检测杆(2)与滑枕(I)隔开以减小接触面积从而减小摩擦力；所述支撑螺钉(5、7、9)用于限制检测杆(2)沿垂直于杆长方向的运动，同时保证检测杆(2)沿检测杆(2)长方向可自由运动；所述连接螺钉(11、13)用于将检测杆(2)与光栅尺读数头安装座(15)固连在一起；所述连接螺钉(12、14)用于将光栅尺读数头安装座(15)与光栅尺读数头(16)固连在一起。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，检测杆(2)采用热膨胀系数极小的因瓦合金材料，检测杆(2)前端与滑枕(I)的前端通过紧固螺钉(3)固连在一起，检测杆(2)后端与光栅尺读数头安装座(15)通过连接螺栓(11、13)固连在一起，检测杆(2)除在前端固定点之外，可相对于滑枕(I)在轴向进行自由相对运动，而在垂直于轴向方向的运动被限制，保证检测杆(2)与光栅尺读数头安装座(15)同步运动。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，检测杆(2)的中间部分开有键槽，通过支撑螺钉(5、7、9)可以增强其刚性，同时又能保证检测杆(2)相对于滑枕(I)仅作杆长方向的运动，而不作垂直于杆长方向的运动。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的因瓦合金为镍钢合金，其热膨胀系数约为 1.2X10-6/。。。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的光栅尺读数头(16)固定在与滑枕在前端相互固连的检测杆(2)的后端，光栅尺定尺(17)固定在支撑滑枕装置的滑枕座上。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，通过在滑枕(I)一角处开槽，槽内安装检测杆(2);检测杆(2)的前端通过固定螺钉(3)与滑枕(I)刚性连接在一起，检测杆(2)的后端通过连接螺栓和光栅尺读数头安装座(15)与光栅尺读数头(16)形成刚性连接；在限制检测杆(2)沿垂直于杆长方向运动的同时，保证检测杆(2)可沿杆长方向自由运动，为减小相对运动时的摩擦力，在检测杆(2 )和滑枕(I)之间加装了垫圈(4、6、8、10 )。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，光栅尺读数头(16)通过光栅尺读数头安装座(15)以及连接螺钉(11、12、13、14)固连于检测杆(2)上，当滑枕(I)产生热变形时，通过检测杆(2)将变形量传递给光栅尺读数头(16)，光栅尺读数头(16)感知到滑枕(I)的热伸长变形后，反馈给数控系统，控制伺服进给电机进行相应的动作，使整个滑枕系统向滑枕(I)热伸长变形的反方向运动，完成滑枕(I)热伸长变形误差的实时在线检测与闭环反馈补偿，让滑枕(I)前端的精度不受滑枕热伸长变形的影响，保证机床的加工精度。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述补偿是通过数控系统的闭环反馈功能自动实现补偿。
【文档编号】B23Q17/24GK203650135SQ201320546138
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】崔岗卫, 袁胜万, 寸花英, 张晓毅, 赵建华, 李江艳, 严江云, 孙薇, 刘志兵, 王全宝, 封光磊, 巩朋, 字立敏, 符朗, 李照山, 余光怀, 冯平书, 赛云祥, 肖宁, 李林, 黄加良, 周星兴, 周小淞, 王自强, 陶骏, 王维, 陈忠良, 晏腾飞, 张明旭, 李朝万, 余正斌, 王用 申请人:沈机集团昆明机床股份有限公司