CN102001016B - 电液伺服泵控制的数字式超精多功能静压丝杠 - Google Patents

Abstract

一种电液伺服泵控制的数字式超精多功能静压丝杠，有丝杠和套在丝杠外周的丝杠螺母，及第二供油系统，在丝杠螺母两端内侧与丝杠之间形成有第一环形油腔和第二环形油腔，丝杠螺母上形成有与第一环形油腔和第二环形油腔相连通的油路，第一环形油腔和第二环形油腔分别由两个结构相同的数字式电液伺服泵组供油，第一环形油腔或第二环形油腔内设置有与两个数字式电液伺服泵组相连的位移传感器；在丝杠位于第一环形油腔一端的外周设置有用于保证丝杠与螺母同心的径向定心静压轴承；在丝杠位于第一环形油腔的一端设置有压盖；在丝杠位于第二环形油腔的一端设置有密封堵。本发明具有切削负载指示、可防碰撞功能，使用的伺服泵驱动电机，既可用伺服电机，也可用变频电机。

Description

电液伺服泵控制的数字式超精多功能静压丝杠

技术领域

本发明涉及一种静压丝杠。特别是涉及一种具有超精定位功能和超微进给功能的电液伺服泵控制的数字式超精多功能静压丝杠

背景技术

静压丝杠是一种已有半个多世纪使用经验的传统经典功能部件，它具有以下优点：

1、承载能力大，刚度高、抗振性好、传动平稳；

2、摩擦阻力小，传动效率高(可高达99％)，低速不爬行；

3、无反向间隙，定位精度高；

4、正常使用无磨损，寿命长，精度保持性好；

5、油膜具有均化丝杠加工误差的作用，从而可大大提高传动精度。

由于具有以上优点，静压丝杠在精密机床和重型机床上获得了较为广泛的应用，但随着工业技术的发展，特别是国防工业的发展，航空工业的发展，对机床的定位精度要求越来越高(≤0.0001mm)，加工时的进给量也要求越来越高(≤0.0001mm)，这样高的精度要求，不仅普通滚珠丝杠无法实现，就是传统结构的静压丝杠也无法达到。

图1为传统恒压供油静压丝杠原理图。空载时，从静压供油系统供给的具有一定压力PS的液压油经过固定节流器分别流入螺母螺纹两侧面的环形油腔内，形成油腔压力。由于油腔的有效承载面积相同和节流器阻力相等，因而油腔压力相等，螺母和丝杠之间的侧面间隙相等，丝杠牙处在螺母牙中间位置，设计上螺母不能旋转。当丝杠旋转时，其螺纹的螺旋面向左产生位移，使左侧间隙变小，右侧间隙变大，在节流器的调压作用下，左侧油腔压力升高，右侧油腔压力降低，形成推力使螺母向左移动，并在新的位置停下来，如丝杠连续转动，则螺母连续向左移动，当丝杠反向运作时，螺母也反向向右移动。

静压丝杠工作时，油膜将螺母和丝杠隔开，不存在金属对金属的接触与摩擦，只有液压油的内摩擦，其摩擦系数仅有0.0005，不仅这小于金属对金属的摩擦系数(0.1～0.3)，也比滚珠丝杠的0.005低了10倍，因而可以实现更高的定位精度和更小的进给当量及其他一系列优点。

静压丝杠工作时，一般螺母只作直线运动，当运动的阻力发生变化时，螺母与丝杠的相对位置会发生变化，即螺母螺纹两侧面的环形油腔的油膜厚度发生变化，这一变化一般只有几微米，这对大多数机床来说仍是很不错的精度，但在超精加工中，这个数量级的变化是不允许的。另外，在一般普通精密机床上，能实现几微米的进给分辨率也能满足要求，但超精加工中，需要进给分辨率≤0.00001.为了实现这一超精加工要求，需要对现有静压丝杠进行改进和提高。

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实现高达0.00001mm的定位精度和超微进给的电液伺服泵控制的数字式超精多功能静压丝杠。

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：一种电液伺服泵控制的数字式超精多功能静压丝杠，包括有：丝杠和套在丝杠外周的丝杠螺母，以及第二供油系统，在丝杠螺母两端内侧与丝杠之间形成有第一环形油腔和第二环形油腔，所述的丝杠螺母上形成有与第一环形油腔和第二环形油腔相连通的油路，所述的第一环形油腔和第二环形油腔分别由结构相同的第一数字式电液伺服泵组和第二数字式电液伺服泵组供油，所述第一数字式电液伺服泵组和第二数字式电液伺服泵组构成第一供油系统，所述的第一环形油腔或第二环形油腔内设置有与上述两个数字式电液伺服泵组相连的位移传感器；在丝杠位于第一环形油腔一端的外周设置有用于保证丝杠与丝杠螺母同心的径向定心静压轴承；在丝杠位于第一环形油腔的一端设置有压盖；在丝杠位于第二环形油腔的一端设置有密封堵。

所述的径向定心静压轴承是由螺母和套在该螺母外周的径向定心静压轴承套组成。

所述的数字式电液伺服泵组包括有通过供油管依次连通的油箱、过滤器、泵和精滤油器，所述的精滤油器的另一端通过供油管向第一环形油腔和第二环形油腔供油，所述的泵还连接伺服电机，所述的伺服电机依次通过第二放大器、比较器以及第一放大器连接所述位移传感器。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明的电液伺服泵控制的数字式超精多功能静压丝杠，具有以下功能。

1、切削负载指示功能，因位移传感器所检测到的位移大小实际上是与切削负载成比例的。

2、机床切削加工时可防碰撞，当出现误操作和机床失控时，位移传感器可以感知螺母与丝杠之间位置的超正常位移，从而发出停机退出信号，保护机床不受损坏。

3、本发明使用的伺服泵驱动电机，既可用伺服电机，也可用变频电机。

附图说明

图1是传统恒压供油环形油腔静压丝杠螺母结构示意图；

图2是本发明的电液伺服泵控制的数字式超精多功能静压丝杠结构示意图；

图3是图2的A-A剖示图；

图4是本发明的电液伺服泵控制的数字式静压丝杠控制原理图。

图中的标号分别是：

1-丝杠；2-压盖；3-径向定心静压轴承套；4-螺母；5-丝杠螺母；6-移传感器；7-密封堵；8-第一放大器；9、9′-比较器；10、10′-第二放大器；11、11′-精滤油器；12、12′-泵；13、13′-伺服电机；14、14′-过滤器；15、15′-油箱；16-；17-油箱；18-粗滤油器；19-电机；20-油泵；21-粗滤油器；22-精滤油器；23-溢流阀；24-蓄能器；25-压力表；26、27、28、29-定心静压油槽；30-回油槽；31-冷却器；32-第一环形油腔；33-第二环形油腔；34-油路；35-伺服驱动；36-伺服电机；37-静压丝杠；38-伺服驱动；39-伺服电机；40-定排量泵；41-静压螺母；42-位移传感器；43-移动工作台；44-检验光栅；45-系统指令信号；A-第一供油系统；B-第二供油系统。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的电液伺服泵控制的数字式超精多功能静压丝杠做出详细说明。

如图2所示，本发明的电液伺服泵控制的数字式超精多功能静压丝杠，包括有：丝杠1和套在丝杠1外周的丝杠螺母5，以及第二供油系统B，在丝杠螺母5两端内侧与丝杠1之间形成有第一环形油腔32和第二环形油腔33，所述的丝杠螺母5上形成有与第一环形油腔32和第二环形油腔33相连通的油路34，所述的第一环形油腔32和第二环形油腔33分别由两个结构相同的数字式电液伺服泵组供油。所述的数字式电液伺服泵组包括有：通过供油管依次连通的油箱15、过滤器14、泵12和精滤油器11，所述的精滤油器11的另一端通过供油管向第一环形油腔32和第二环形油腔33供油，所述的泵12还连接伺服电机13，所述的伺服电机13依次通过第二放大器10、比较器9以及第一放大器8连接位移传感器6。所述的两个结构相同的数字式电液伺服泵组共同组成本发明电液伺服泵控制的数字式超精多功能静压丝杠的第一供油系统A。而如图3所示的传统的恒压供油系统构成本发明的第二供油系统B。

所述的第一环形油腔32或第二环形油腔33内设置有与两个数字式电液伺服泵组相连的位移传感器6；在丝杠1位于第一环形油腔32一端的外周设置有用于保证丝杠与螺母同心的径向定心静压轴承，所述的径向定心静压轴承是由螺母4和套在该螺母4外周的径向定心静压轴承套3组成，当丝杠直径较大、长度较短时，可不采用定心静压轴承，这样可大大降低成本；在丝杠1位于第一环形油腔32的一端设置有压盖2；在丝杠1位于第二环形油腔33的一端设置有密封堵7。

本发明中，位移传感器6用于检测螺母4和丝杠1的轴向相对位置，当处于静止状态时，丝杠螺纹两侧面与螺母螺纹侧面间隙相等，两组数字式电液伺服泵组规格相同转速相同，所以两环形油腔油压相等，此时位移传感器的输出信号为零。当丝杠旋转螺母移动时，螺纹两侧间隙不等，间隙小的一侧环形油腔中压力提高，间隙大的一侧压力降低，这时，位移传感器6发出位移信号，经与指令L比较放大，给间隙小的一侧发出正反馈信号，使泵转速提高，给间隙大的一侧伺服泵发出负反馈信号，使其转速下降。当两环形油腔的油压差所形成的推力与负荷相等时，螺母与丝杠相对位置不再变动。这种经伺服泵与位移传感器构成闭环控制的静压丝杠，工作时螺母和丝杠螺纹两侧间隙的差值(即油膜厚度变化)比开环控制的传统静压丝杠小得多，只有传统静压丝杠的1/10左右，因而采用电液伺服泵供油的静压丝杠刚度更高，精度更高，其定位精度取决于位移传感器的分辨率，当位移传感器的分辨率为1nm时，定位精度可高达10nm。这也意味着，这种使用电液伺服泵控制的，用高分辨率(1nm)位移传感器检测螺纹间隙的闭环控制静压丝杠可实现高达10nm的微小进给。

Claims (3)

1.一种电液伺服泵控制的数字式超精多功能静压丝杠，包括有：丝杠(1)和套在丝杠(1)外周的丝杠螺母(5)，以及第二供油系统(B)，其特征在于：在丝杠螺母(5)两端内侧与丝杠(1)之间形成有第一环形油腔(32)和第二环形油腔(33)，所述的丝杠螺母(5)上形成有与第一环形油腔(32)和第二环形油腔(33)相连通的油路(34)，所述的第一环形油腔(32)和第二环形油腔(33)分别由结构相同的第一数字式电液伺服泵组和第二数字式电液伺服泵组供油，所述第一数字式电液伺服泵组和第二数字式电液伺服泵组构成第一供油系统(A)，所述的第一环形油腔(32)或第二环形油腔(33)内设置有与上述两个数字式电液伺服泵组相连的位移传感器(6)；在丝杠(1)位于第一环形油腔(32)一端的外周设置有用于保证丝杠与丝杠螺母(5)同心的径向定心静压轴承；在丝杠(1)位于第一环形油腔(32)的一端设置有压盖(2)；在丝杠(1)位于第二环形油腔(33)的一端设置有密封堵(7)。

2.根据权利要求1所述的电液伺服泵控制的数字式超精多功能静压丝杠，其特征在于，所述的径向定心静压轴承是由螺母(4)和套在该螺母(4)外周的径向定心静压轴承套(3)组成。

3.根据权利要求1所述的电液伺服泵控制的数字式超精多功能静压丝杠，其特征在于，所述的数字式电液伺服泵组包括有通过供油管依次连通的油箱(15)、过滤器(14)、泵(12)和精滤油器(11)，所述的精滤油器(11)的另一端通过供油管向第一环形油腔(32)和第二环形油腔(33)供油，所述的泵(12)还连接伺服电机(13)，所述的伺服电机(13)依次通过第二放大器(10)、比较器(9)以及第一放大器(8)连接所述位移传感器(6)。 

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