CN101947747A - 机床误差补偿装置及含有该装置的数控机床 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三自由度精密加工机床误差补偿装置,该补偿装置还包括位于底部的底座、位于底座上并与其沿X方向滑动连接的第一滑块、位于第一滑块上并与其沿Y方向滑动连接的第二滑块和固接在第二滑块上的Z方向微驱动机构,第一滑块和第二滑块分别设有驱动机构。本发明还公开了一种含有上述误差补偿装置的数控机床。本发明的误差补偿装置独立于机床数控系统,不受到数控系统和伺服进给系统本身产生的误差影响,能够实现数控机床误差的实时补偿,提高机床加工精度;并且本发明结构紧凑、简单,使用简便。
Description
技术领域
本发明涉及一种三自由度精密加工机床误差补偿装置和含有该误差补偿装置的数控机床,具体地说是涉及精密加工中,带动夹具产生补偿位移对加工机床误差进行实时补偿的三自由度误差补偿装置和含有该误差补偿装置的数控机床。
背景技术
由于驱动电机的发热,运动部件的摩擦发热以及环境温度变化造成的机床热变形,均会对机床运动轴位置产生附加误差,这将直接影响机床的定位精度,从而影响工件的加工精度。在精密加工中,热误差是机床总误差的主要部分。减少机床热误差的方法主要有两种,优化机床结构设计和热误差补偿控制。优化机床结构设计会大大提高成本且生产周期较长,而热误差补偿控制是经济有效的方法。现有的热误差补偿技术大多使用温度监控的位移补偿方法,通过温度传感器和位移传感器分别获得所要检测的温度值和位移值,建立机床热误差模型。实时补偿时,热误差模型根据温度传感器测得的温度值计算出误差补偿值,输入到伺服进给系统,伺服进给系统根据所提供的控制信号和补偿数据自动进行误差的实时补偿。这种补偿方法受到数控系统和伺服进给系统本身产生误差两个方面的制约。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能够提高数控机床加工精度、实时补偿数控机床误差的外部三自由度精密加工机床误差补偿装置和含有该误差补偿装置的数控机床。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:一种三自由度精密加工机床误差补偿装置,该补偿装置还包括位于底部的底座、位于底座上并与其沿X方向滑动连接的第一滑块、位于第一滑块上并与其沿Y方向滑动连接的第二滑块和固接在第二滑块上的Z方向微驱动机构,第一滑块和第二滑块分别设有驱动机构;所述第一滑块的驱动机构包括第一压电陶瓷驱动器、第一垫片、第一预紧螺栓、第一压电陶瓷驱动器支座和第一弹性铰链,所述第一压电陶瓷驱动器支座固定在所述底座上,所述第一预紧螺栓螺纹连接在所述第一压电陶瓷驱动器支座上,所述第一压电陶瓷驱动器被所述第一预紧螺栓压紧在所述第一压电陶瓷驱动器支座和所述第一滑块之间,在所述第一压电陶瓷驱动器的尾端和所述第一预紧螺栓之间设有第一垫片;所述第一弹性铰链分别与所述第一滑块和所述第一压电陶瓷驱动器支座固接;所述第二滑块的驱动机构包括第二压电陶瓷驱动器、第二垫片、第二预紧螺栓、第二压电陶瓷驱动器支座和第二弹性铰链,所述第二压电陶瓷驱动器支座固定在所述第一滑块上,所述第二预紧螺栓螺纹连接在所述第二压电陶瓷驱动器支座上,所述第二压电陶瓷驱动器被所述第二预紧螺栓压紧在所述第二压电陶瓷驱动器支座和所述第二滑块之间,在所述第二压电陶瓷驱动器的尾端和所述第二预紧螺栓之间设有所述第二垫片;所述第二弹性铰链分别与所述第二滑块和第二压电陶瓷驱动器支座固接;所述Z方向微驱动机构包括支架、第三预紧螺栓、第三压电陶瓷驱动器和第三垫片,所述支架设有与所述第二滑块固接的底板和上平台,所述底板和所述上平台之间设置为弹性铰链;所述第三预紧螺栓螺纹连接在所述底板上,所述第三压电陶瓷驱动器铅垂设置且被所述第三预紧螺栓压紧在所述上平台和所述底板之间,在所述第三压电陶瓷驱动器的尾端和所述第三预紧螺栓之间设有所述第三垫片。
在所述第一压电陶瓷驱动器的前端和所述第一滑块之间夹压有第一钢球;在所述第二压电陶瓷驱动器的前端和所述第二滑块之间夹压有第二钢球;在所述第三压电陶瓷驱动器的前端和所述上平台之间夹压有第三钢球。
所述底座的上面沿X方向设有燕尾槽,所述第一滑块的下面沿X方向设有与所述底座上面的燕尾槽适配的燕尾形导轨,所述底座与所述第一滑块通过所述底座上面的燕尾槽和所述第一滑块下面的燕尾形导轨滑动连接;所述第一滑块的上面沿Y方向设有燕尾槽,所述第二滑块的下面沿Y方向设有与所述第一滑块上面的燕尾槽适配的燕尾形导轨,所述第一滑块与所述第二滑块通过所述第一滑块上面的燕尾槽和所述第二滑块下面的燕尾形导轨滑动连接。
所述底板、所述上平台和所述弹性铰链为一体结构。
本发明所采取的另一技术方案是:一种数控机床,包括用于安装工件的夹具,该机床还包括上述的误差补偿装置,所述夹具固定在所述误差补偿装置的上平台上。
本发明具有的优点和积极效果是:误差补偿装置独立于机床数控系统,不受到数控系统和伺服进给系统本身产生的误差影响,能够实现数控机床误差的实时补偿,提高机床加工精度;并且本发明结构紧凑、简单,使用简便。
附图说明
图1是本发明误差补偿装置的结构示意图;
图2是本发明误差补偿装置底座、第一滑块、第二滑块连接的结构示意图;
图3是本发明误差补偿装置底座的结构示意图;
图4是本发明误差补偿装置第一滑块的结构示意图;
图5是本发明误差补偿装置第二滑块的结构示意图;
图6是本发明误差补偿装置第一滑块驱动机构压电陶瓷驱动器支座和压电陶瓷驱动器连接的结构示意图;
图7是本发明误差补偿装置第一滑块驱动机构弹性铰链的结构示意图;
图8是本发明误差补偿装置Z方向微驱动机构的结构示意图;
图9是图8的主视图。
图中:1、第二弹性铰链,2、第二压电陶瓷驱动器支座,3、底座,4、第一滑块,5、第一压电陶瓷驱动器支座,6、第一弹性铰链,7、第二滑块,8、支架,9、第一钢球,10、第一压电陶瓷驱动器,11、第一垫片,12、第一预紧螺栓,13、第三钢球,14、第三压电陶瓷驱动器,15、第三垫片,16、上平台,17、弹性铰链,18、底板。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效,兹例举以下实施例,并配合附图详细说明如下:
请参阅图1~图9,一种三自由度精密加工机床误差补偿装置,包括位于底部的底座3、位于底座3上、并沿X方向滑动的第一滑块4、位于第一滑块4上、并沿Y方向滑动的第二滑块7和固接在第二滑块7上的Z方向微驱动机构,第一滑块4和第二滑块7分别设有驱动机构。
第一滑块的驱动机构包括第一压电陶瓷驱动器10、第一钢球9、第一垫片11、第一预紧螺栓12、第一压电陶瓷驱动器支座5和第一弹性铰链6。
第一压电陶瓷驱动器支座5用螺栓固定在底座3上,第一压电陶瓷驱动器10的前端置放有第一钢球9,第一预紧螺栓12螺纹连接在第一压电陶瓷驱动器支座5上,第一压电陶瓷驱动器10及其前端的第一钢球9被第一预紧螺栓12压紧在第一压电陶瓷驱动器支座5和第一滑块4之间,在第一压电陶瓷驱动器10的尾端和第一预紧螺栓12之间设有第一垫片11。
第一弹性铰链6用螺栓固定在第一滑块4上,并且和第一压电陶瓷驱动器支座5用螺栓固接。
上述第一压电陶瓷驱动器10的前端也可以不放第一钢球9,直接压紧在第一滑块4上。在第一压电陶瓷驱动器10的前端置放第一钢球9,通过第一钢球9向第一滑块4施力,能够避免压电陶瓷驱动器两端受力不平行,前端用钢球联接,后端用垫片加预紧力,可以自动对心,避免压电陶瓷驱动器受径向剪切力。适当的预紧力可以消除支座与压电陶瓷驱动器之间的间隙,提高接触刚度和响应速度,进而提高微进给分辨率,一定程度上改善输出位移的非线性。
第二滑块的驱动机构与第一滑块的驱动机构结构相同。它包括第二压电陶瓷驱动器、第二钢球、第二垫片、第二预紧螺栓、第二压电陶瓷驱动器支座2和第二弹性铰链1,第二压电陶瓷驱动器支座2固定在第一滑块4上,第二压电陶瓷驱动器的前端置放有第二钢球,第二预紧螺栓螺纹连接在第二压电陶瓷驱动器支座2上,第二压电陶瓷驱动器及其前端的第二钢球被第二预紧螺栓压紧在第二压电陶瓷驱动器支座2和第二滑块7之间,在第二压电陶瓷驱动器的尾端和第二预紧螺栓之间设有第二垫片;第二弹性铰链1分别与第二滑块7和第二压电陶瓷驱动器支座2固接。
同理:上述第二压电陶瓷驱动器的前端也可以不放第二钢球,直接压紧在第二滑块7上。
第二滑块7的上面固接有Z方向微驱动机构的支架8,支架8设有与第二滑块7固接的底板18和用于安装机床夹具的上平台16,第三压电陶瓷驱动器14及置放在其前端的第三钢球13被第三预紧螺栓压紧在上平台16和底板18之间,在第三压电陶瓷驱动器14的尾端和第三预紧螺栓之间设有第三垫片15。底板18和上平台16之间设置为有弹性铰链17。弹性铰链17、底板18和上平台16最好采用一体结构。采用一体结构,结构紧凑,精度高,能够避免非一体结构的配合误差。
同理:上述第三压电陶瓷驱动器的前端也可以不放第三钢球,直接压紧在上平台16上。
为了使结构更加紧凑,底座3的上面沿X方向设有燕尾槽,第一滑块4的下面沿X方向设有与底座上面的燕尾槽适配的燕尾形导轨,底座3与第一滑块4通过底座上面的燕尾槽和第一滑块下面的燕尾形导轨滑动连接;第一滑块4的上面沿Y方向设有燕尾槽,第二滑块7的下面沿Y方向设有与第一滑块上面的燕尾槽适配的燕尾形导轨,第一滑块4与第二滑块7通过第一滑块上面的燕尾槽和第二滑块下面的燕尾形导轨滑动连接。
上述实施例的工作原理:
机床热误差模型通过温度传感器测得的温度值计算出热误差补偿值,将热误差补偿值传递给控制单元,控制单元将与热误差补偿值对应的电压信号分别输送给上述误差补偿装置的三个压电陶瓷驱动器,三个压电陶瓷驱动器分别驱动第一滑块、第二滑块和上平台,使之产生与误差补偿值相同的位移。第一弹性铰链6、第二弹性铰链1和弹性铰链17分别提供第一滑块、第二滑块和上平台运动的回复力。
一种数控机床,包括用于安装工件的夹具,其特点在于,夹具固装在上述误差补偿装置上。能够实现数控机床误差的实时补偿,提高机床加工精度。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,并不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可以作出机床几何误差、切削力误差的补偿装置,这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种三自由度精密加工机床误差补偿装置,其特征在于,该补偿装置还包括位于底部的底座、位于底座上并与其沿X方向滑动连接的第一滑块、位于第一滑块上并与其沿Y方向滑动连接的第二滑块和固接在第二滑块上的Z方向微驱动机构,第一滑块和第二滑块分别设有驱动机构;
所述第一滑块的驱动机构包括第一压电陶瓷驱动器、第一垫片、第一预紧螺栓、第一压电陶瓷驱动器支座和第一弹性铰链,所述第一压电陶瓷驱动器支座固定在所述底座上,所述第一预紧螺栓螺纹连接在所述第一压电陶瓷驱动器支座上,所述第一压电陶瓷驱动器被所述第一预紧螺栓压紧在所述第一压电陶瓷驱动器支座和所述第一滑块之间,在所述第一压电陶瓷驱动器的尾端和所述第一预紧螺栓之间设有第一垫片;所述第一弹性铰链分别与所述第一滑块和所述第一压电陶瓷驱动器支座固接;
所述第二滑块的驱动机构包括第二压电陶瓷驱动器、第二垫片、第二预紧螺栓、第二压电陶瓷驱动器支座和第二弹性铰链,所述第二压电陶瓷驱动器支座固定在所述第一滑块上,所述第二预紧螺栓螺纹连接在所述第二压电陶瓷驱动器支座上,所述第二压电陶瓷驱动器被所述第二预紧螺栓压紧在所述第二压电陶瓷驱动器支座和所述第二滑块之间,在所述第二压电陶瓷驱动器的尾端和所述第二预紧螺栓之间设有所述第二垫片;所述第二弹性铰链分别与所述第二滑块和第二压电陶瓷驱动器支座固接;
所述Z方向微驱动机构包括支架、第三预紧螺栓、第三压电陶瓷驱动器和第三垫片,所述支架设有与所述第二滑块固接的底板和上平台,所述底板和所述上平台之间设置为弹性铰链;所述第三预紧螺栓螺纹连接在所述底板上,所述第三压电陶瓷驱动器铅垂设置且被所述第三预紧螺栓压紧在所述上平台和所述底板之间,在所述第三压电陶瓷驱动器的尾端和所述第三预紧螺栓之间设有所述第三垫片。
2.根据权利要求1所述的三自由度精密加工机床误差补偿装置,其特征在于,在所述第一压电陶瓷驱动器的前端和所述第一滑块之间夹压有第一钢球;在所述第二压电陶瓷驱动器的前端和所述第二滑块之间夹压有第二钢球;在所述第三压电陶瓷驱动器的前端和所述上平台之间夹压有第三钢球。
3.根据权利要求1所述的三自由度精密加工机床误差补偿装置,其特征在于,所述底座的上面沿X方向设有燕尾槽,所述第一滑块的下面沿X方向设有与所述底座上面的燕尾槽适配的燕尾形导轨,所述底座与所述第一滑块通过所述底座上面的燕尾槽和所述第一滑块下面的燕尾形导轨滑动连接;所述第一滑块的上面沿Y方向设有燕尾槽,所述第二滑块的下面沿Y方向设有与所述第一滑块上面的燕尾槽适配的燕尾形导轨,所述第一滑块与所述第二滑块通过所述第一滑块上面的燕尾槽和所述第二滑块下面的燕尾形导轨滑动连接。
4.根据权利要求1~3任意一项所述的三自由度精密加工机床误差补偿装置,其特征在于,所述底板、所述上平台和所述弹性铰链为一体结构。
5.一种数控机床,包括用于安装工件的夹具,其特征在于,该机床还包括权利要求1~4中任意一项权利要求所述的误差补偿装置,所述夹具固定在所述误差补偿装置的上平台上。
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