CN102063090A - 数控机床滑枕悬伸变形实时补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明数控机床滑枕悬伸变形实时补偿方法属于数控机床误差检测与补偿设备领域，通过实时检测数控机床滑枕悬伸下垂变形量并进行实时误差补偿的方法。补偿方法采用闭环控制补偿方式，利用激光发射器和位置传感器检测滑枕的悬伸变形量，通过PLC控制器调节电液数字阀的流量，控制油泵进入液压缸的液压，通过液压缸和拉杆的拉力作用使滑枕产生向上的弯曲变形，补偿滑枕的下垂变形量。在滑枕伸出或回缩的任何位置，激光发射器和位置传感器实时检测滑枕的悬伸下垂变形量，通过电液数字阀调整液压缸和拉杆对滑枕的补偿力。本发明采用闭环控制补偿方式，实时性好，精度高，效率高，实用性强。本发明可用于精度要求较高，具有滑枕结构的数控机床。

Description

数控机床滑枕悬伸变形实时补偿方法

技术领域

本发明属于数控机床误差检测与补偿设备领域，它是一种通过实时检测数控机床滑枕悬伸下垂变形量并进行实时误差补偿的方法。

背景技术

随着现代制造业的不断发展，精密和超精密加工技术的重要性日益凸显。数控机床作为制造业的重要装备，也面临了新时代的机遇和挑战。提高数控机床的精度是提高数控机床产品质量、增强市场竞争力的关键所在。数控机床滑枕沿滑轨在垂直于立柱方向做前后水平运动，当滑枕向前伸出时，形成悬臂梁结构，在自重及切削力等外力作用下，滑枕伸出部分会自根部产生下垂挠曲形变，引起机床主轴和刀具的角度误差和位移误差，从而影响机床的加工精度。因此，对滑枕下垂变形的实时检测与补偿就显得尤为必要。

目前，为解决这一技术难题，齐二机床厂在滑枕内部上侧安装一个液压缸和一个平行拉杆，通过液压油使液压缸拉杆对滑枕上部产生一个水平拉力，使滑枕向上弯曲，补偿其下垂量。江苏恒力机床厂采用在滑枕内部上侧加两个液压缸，其中一个产生拉力，另一个产生推力，以使滑枕产生向上的弯曲来补偿下垂量，并申请了国内专利，专利号为200710020440.3，发明名称：滑枕悬伸下垂分段变形补偿装置，发明人：孙德洲。以上两种方法均存在问题是：第一，都是预先在机床空载的理想情况下通过实验测得伸长量和液压缸油压的关系，获取拟合曲线，在补偿程序中提前设定伸长量和液压缸油压的关系。由于采用非实时开环补偿方式，补偿具有滞后性，实际补偿效果并不理想。第二，随着机床的应用，当滑枕轨道与滑块之间的磨损达到一定程度，或在较大外力变化作用下而突然产生下垂变形时，液压系统无法根据实际情况进行下垂补偿，甚至需要定期重新设定伸长量和液压缸油压的函数关系，费时费力，实用性差。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服上述补偿方法的不足，发明一种数控机床滑枕悬伸变形实时补偿方法，采用闭环控制补偿方式，利用液压缸和拉杆对滑枕上部施加拉力进行下垂变形补偿，利用激光发射器和位置传感器检测滑枕的最大下垂变形量，PLC控制器调节电液数字阀的流量，进而控制液压缸和拉杆对滑枕的拉力作用，使滑枕产生向上的弯曲变形，补偿其下垂变形量，补偿效率和精度高，实用性强。

本发明采用的技术方案：一种数控机床滑枕悬伸变形实时补偿方法，采用闭环控制补偿方式，利用激光发射器和位置传感器检测滑枕的悬伸变形量，通过PLC控制器调节电液数字阀的流量，控制油泵进入液压缸的液压，通过液压缸和拉杆的拉力作用使滑枕产生向上的弯曲变形，补偿滑枕的下垂变形量，其步骤为：

1)先在滑枕1的内部上侧分别安装两组结构相同的液压缸11和拉杆6，每组液压缸11的活塞杆19和拉杆6之间分别通过螺纹连接；

2)然后将激光发射器8安装在激光头固定器9内，激光头固定器9通过激光固定座7安装在十字滑座10上，利用调整螺套16和调整螺杆17对激光发射器8进行竖直和水平方向的微调；

3)将位置传感器4安装在支架2上，支架2通过螺钉固定在滑枕1的最前端；

4)位置传感器4分别输出两路电流信号，输出的上、下电流信号(I₁、I₂)分别输入到PLC控制器5的两个端口，PLC控制器5对两路电流进行处理后，输出脉冲指令到电液数字阀15的信号输入端，控制电液数字阀15内部的步进电机正转、反转或停止，电液数字阀15的进口连接油泵13，出口连接液压缸11的活塞杆19上的进油口12，电液数字阀15根据PLC控制器5的指令调节油泵13进入液压缸11的油压，控制液压缸11和拉杆6的拉力大小；

5)滑枕1向前伸出前，即没有竖直方向的下垂变形时，打开激光发射器8，调整激光发射器8的入射激光点打在位置传感器4上，通过调整螺套16和调整螺杆17对激光发射器8进行竖直方向和水平方向的微调，使激光点打在位置传感器4的光敏面的零点位置K，此时位置传感器4的两级输出的电流大小相等，PLC控制器5发出停止指令，电液数字阀15内的步进电机不转动，液压缸11和拉杆6不对滑枕1产生拉力作用；

6)当滑枕1向前伸出时，其前端有下垂变形量，安装在滑枕1前端的位置传感器4亦有相同的下垂量，此时激光点打在位置传感器4的光敏面零点的上方，位置传感器4两级输出的电流I₁和I₂，输入到PLC控制器5，PLC控制器5对I₁和I₂进行比较，如果I₁＜I₂，说明滑枕1伸出端在竖直方向向机正转，增大电液数字阀15的流量，进而增大油泵13进入液压缸11的液压，通过液压缸11和拉杆6对滑枕1上部产生拉力，使滑枕1产生向上的弯曲变形，滑枕1的前端在竖直方向回到初始位置。如果I₁＞I₂，说明滑枕1的伸出端在竖直方向向上偏离初始位置，PLC控制器5发出指令使电液数字阀15内的步进电机反转，减小电液数字阀15的流量，从而减小油泵13进入液压缸11的液压，减小液压缸11和拉杆6对滑枕1上部的拉力，对滑枕1的补偿量减小，使滑枕1的前端在竖直方向下垂到初始位置。如果I₁＝I₂，说明滑枕1没有下垂变形量，则PLC控制器5发出指令使电液数字阀15内的步进电机停止转动，不对滑枕1产生拉力作用，不对滑枕1进行变形补偿。

至此，在滑枕1伸出或回缩的任何位置，激光发射器8和位置传感器4实时检测滑枕1的悬伸下垂变形量，并将下垂量信号输送给电液数字阀15，通过电液数字阀15调整液压缸11和拉杆6对滑枕1的补偿力，改变滑枕1前端在竖直方向的位置，激光发射器8和位置传感器4连续对滑枕1前端的下垂变形量进行检测，由此形成一个闭环控制系统，实现对滑枕1前端下垂变形的实时补偿。

本发明具有以下明显效果：解决了现有滑枕悬伸形变补偿系统由于先拟定补偿曲线，后进行补偿，从而导致缺乏实时性的问题；使用激光发射器和位置传感器连续地检测滑枕下垂变形量，由液压缸和拉杆实现对滑枕下垂变形量的补偿，形成闭环控制系统，精度高，效率高。

附图说明

图1为滑枕下垂变形实时补偿方法的原理图。

图2为滑枕下垂变形实时补偿方法的示意图。

其中：1-滑枕，2-支架，3-拉力螺母，4-位置传感器，5-PLC控制器，6-拉杆，7-激光固定座，8-激光发射器，9-激光头固定器，10-十字滑座，11-液压缸，12-进油口，13-油泵，14-出油口，15-电液数字阀，F₁为液压缸对滑枕的作用力，F₂为拉杆对滑枕的作用力。

图3为滑枕下垂变形实时补偿方法的激光系统结构图。

其中：16-调整螺套，17-调整螺杆，d为调整螺套调整激光发射器的竖直方向，e为调整螺杆调整激光发射器的水平方向。

图4为滑枕下垂变形实时补偿方法的滑枕下垂量检测原理图。

图4为滑枕下垂变形实时补偿方法的滑枕下垂量检测原理图。

其中：a为位置传感器初始位置，b为位置传感器下垂位置，c为激光束，K为位置传感器零点位置。

图5为滑枕下垂变形实时补偿方法的PLC控制流程图。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式：

本发明的补偿原理如图1所示，滑枕1前端下垂引起激光发射器8的激光点在位置传感器4的光敏面上的位置变化，位置传感器4输出变化的电流信号，此电流信号输入PLC控制器5，PLC控制器5不断地对输入电流进行比较后发出相应指令，调节电液数字阀15的流量大小，实现对液压缸11内液压的控制，通过液压缸11和拉杆6对滑枕1产生向上的拉力，使滑枕1产生向上的弯曲变形，补偿滑枕1的悬伸下垂变形量，形成一个闭环反馈系统，能实时检测并补偿滑枕1的下垂变形量。

如图2所示为滑枕下垂变形实时补偿方法的示意图，位置传感器4固定在支架2上，支架2安装在滑枕1的最前端的侧面，位置传感器4与滑枕1前端相对固定，与滑枕1的前端在竖直方向上有同步的位置变化量。

激光发射器8安装在激光头固定器9内，激光发射方向垂直于位置传感器4的光敏面，激光头固定器9安装在激光固定座7上，激光固定座7通过螺钉固定在十字滑座10上，激光发射器8可以通过激光固定座7上的调整螺套16和调整螺杆17对激光发射器8在竖直方向和水平方向的位置进行微调，如图3所示。其中十字滑座10可以带动滑枕1在竖直方向运动，但与滑枕1在竖直方向没有相对位移，因此激光发射器8不会随滑枕1的伸出端的下垂变形而有竖直方向的位置变化。

滑枕1的上部后端有开孔，将两组结构相同的拉杆6和液压缸11安装在滑枕1内部，安装位置如图2所示。液压缸11安装在滑枕1的后部，活塞杆19和拉杆6之间通过螺纹连接，液压缸11和拉杆6产生的拉力作用在滑枕1的后部，拉杆6的另一端通过拉力螺母3拧紧在滑枕的前端，液压缸11和拉杆6产生的拉力通过拉力螺母3作用在滑枕1前部。电液数字阀15的进口连接油泵13，出口连接活塞杆19上的进油口12，油泵13的压力油通过电液数字阀15进入液压缸11，通过对电液数字阀15的调节实现对液压缸11内液压的控制。压力油对液压缸11拉杆6分别产生向左和偿由于重力及外力产生的下垂变形量。

图4为滑枕下垂变形实时补偿方法的滑枕下垂量检测原理图，其中位置传感器4的特点是对光斑的形状和大小无严格要求，即输出信号与光斑的聚焦无关，只与光斑的能量中心位置有关；光敏面可连续测量光斑位置，位置分辨率很高，精度可达μm级。K为位置传感器4的零点位置，激光点在光敏面上的位移量Δx与两级输出电流的关系为：

$\mathrm{\Δx}=\frac{I_1-I_2}{I_1+I_2}L$

其中L为位置传感器4两级到零点位置K的间距；Δx为位置传感器4的下垂量；I₁与I₂为激光点打在位置传感器4光敏面时，位置传感器4的两级分别输出的电流。通过比较I₁与I₂的大小，判断激光点在竖直方向相对于光敏面零点的位置。

检测前激光发射器8发出的激光打在位置传感器4光敏面上的零点位置，此时位置传感器4的两级输出的电流相等，当位置传感器4随着滑枕1向前伸出而有竖直向下的位置变化时，激光入射点偏离位置传感器4的零点位置，此时输出电流不再相等，变化后的电流I₁和I₂输入到PLC控制器5中，通过比较I₁和I₂的大小判断入射光点相对位置传感器4的光敏面零点的位置，进而可知滑枕1的伸出端在竖直方向上相对于初始位置的变化。

当滑枕1未向前伸出，即悬伸量为零时，安装激光发射器8和位置传感器4。首先保证激光入射点打在位置传感器4的光敏面上，然后通过激光固定座7上的调整螺套16和调整螺杆17微调激光发射器8的竖直和水平位置，使激光入射点打在位置传感器4的零点位置K上，此时位置传感器4的两级输出的电流相等，滑枕1的前端下垂变形量为零。随着滑枕1向前伸出，前端有下垂变形量，位置传感器4在竖直方向亦随滑枕1前端有竖直方向的位置变化，激光入射点偏离位置传感器4的零点位置，位置传感器4的两级输出的电流I₁与I₂输入到数控机床PLC控制器5中，PLC控制器5不连续地对电流进行比较，控制流程图如图5所示，如果I₁＜I₂，说明激光入射点打在位置传感器4的光敏面零点的上方，即滑枕1伸出端在竖直方向向下偏离初始位置，PLC控制器5发出相应指令使电液数字阀15内的步进电机正转，增大电液数字阀15的流量，进而增大油泵13进入液压缸11的液压，通过液压缸11和拉杆6对滑枕1上部产生拉力，使滑枕1产生向上的弯曲变形，使滑枕1的前端在竖直方向回到初始位置。如果I₁＞I₂，说明激光入射点打在位置传感器4光敏面零点的下方，即滑枕1的伸出端在竖直方向向上偏离初始位置，PLC控制器5发出指令使电液数字阀15内的步进电机反转，减小电液数字阀15的流量，从而减小油泵13进入液压缸11的液压，减小液压缸11和拉杆6对滑枕1上部的拉力，则对滑枕1的补偿量减小，使滑枕1的前端在竖直方向下垂到初始位置。如果I₁＝I₂，说明激光点打在位置传感器4光敏面的零点位置，即滑枕没有变形量，则PLC控制器5发出指令使电液数字阀15内的步进电机停止转动，不对滑枕1产生拉力作用，滑枕1的前端不需变形补偿。由此，在滑枕1伸出或回缩的任何位置，激光发射器8和位置传感器4实时检测滑枕1的悬伸下垂变形量，并将下垂量信号输送给电液数字阀15，通过电液数字阀15调整液压缸11和拉杆6对滑枕1的补偿力，改变滑枕1前端在竖直方向的位置，激光发射器8和位置传感器4连续对滑枕1前端的下垂变形量进行检测，由此形成一个闭环控制系统，实现对滑枕1前端下垂变形的实时补偿。

本发明的特点是采用闭环控制补偿方式，实时性好，精度高；利用激光传感器检测位置信号，检测精度高；利用液压缸和拉杆实现对滑枕下垂变形量的补偿，效率高，实用性强。本发明可应用于精度要求较高，具有滑枕结构的数控机床。

Claims (1)

1.一种数控机床滑枕悬伸变形实时补偿方法，特征在于，采用闭环控制补偿方式，利用激光发射器和位置传感器检测滑枕的悬伸变形量，通过PLC控制器调节电液数字阀的流量，控制油泵进入液压缸的液压，通过液压缸和拉杆的拉力作用使滑枕产生向上的弯曲变形，补偿滑枕的下垂变形量，其步骤如下：

1)先在滑枕(1)的内部上侧分别安装两组结构相同的液压缸(11)和拉杆(6)，每组液压缸(11)的活塞杆(19)和拉杆(6)之间分别通过螺纹连接；

2)然后将激光发射器(8)安装在激光头固定器(9)内，激光头固定器(9)通过激光固定座(7)安装在十字滑座(10)上，利用调整螺套(16)和调整螺杆(17)对激光发射器(8)进行竖直和水平方向的微调；

3)将位置传感器(4)安装在支架(2)上，支架(2)通过螺钉固定在滑枕(1)的最前端；

4)位置传感器(4)分别输出两路电流信号，输出的上、下电流信号(I₁、1₂)分别输入到PLC控制器(5)的两个端口，PLC控制器(5)对两路电流进行处理后，输出脉冲指令到电液数字阀(15)的信号输入端，控制电液数字阀(15)内部的步进电机正转、反转或停止，电液数字阀(15)的进口连接油泵(13)，出口连接液压缸(11)的活塞杆(19)上的进油口(12)，电液数字阀(15)根据PLC控制器(5)的指令调节油泵(13)进入液压缸(11)的油压，控制液压缸(11)和拉杆(6)的拉力大小；

5)滑枕(1)向前伸出前，即没有竖直方向的下垂变形时，打开激光发射器(8)，调整激光发射器(8)的入射激光点打在位置传感器(4)上，通过调整螺套(16)和调整螺杆(17)对激光发射器(8)进行竖直方向和水平方向的微调，使激光点打在位置传感器(4)的光敏面的零点位置K，此时位置传感器(4)的两级输出的电流大小相等，PLC控制器(5)发出停止指令，电液数字阀(15)内的步进电机不转动，液压缸(11)和拉杆(6)不对滑枕(1)产生拉力作用；

6)当滑枕(1)向前伸出时，其前端有下垂变形量，安装在滑枕(1)前端的位置传感器(4)亦有相同的下垂量，此时激光点打在位置传感器(4)的光敏面零点的上方，位置传感器(4)两级输出的电流I₁和I₂，输入到PLC控制器(5)，PLC控制器(5)对I₁和I₂进行比较，如果I₁＜I₂，说明滑枕(1)伸出端在竖直方向向下偏离初始位置，PLC控制器(5)发出相应指令使电液数字阀(15)内的步进电机正转，增大电液数字阀(15)的流量，进而增大油泵(13)进入液压缸(11)的液压，通过液压缸(11)和拉杆(6)对滑枕(1)上部产生拉力，使滑枕(1)产生向上的弯曲变形，滑枕(1)的前端在竖直方向回到初始位置；如果I₁＞I₂，说明滑枕(1)的伸出端在竖直方向向上偏离初始位置，PLC控制器(5)发出指令使电液数字阀(15)内的步进电机反转，减小电液数字阀(15)的流量，从而减小油泵(13)进入液压缸(11)的液压，减小液压缸(11)和拉杆(6)对滑枕(1)上部的拉力，对滑枕(1)的补偿量减小，使滑枕(1)的前端在竖直方向下垂到初始位置；如果I₁＝I₂，说明滑枕(1)没有下垂变形量，则PLC控制器(5)发出指令使电液数字阀(15)内的步进电机停止转动，不对滑枕(1)产生拉力作用，不对滑枕(1)进行变形补偿；

至此，在滑枕(1)伸出或回缩的任何位置，激光发射器(8)和位置传感器(4)实时检测滑枕(1)的悬伸下垂变形量，并将下垂量信号输送给电液数字阀(15)，通过电液数字阀(15)调整液压缸(11)和拉杆(6)对滑枕(1)的补偿力，改变滑枕(1)前端在竖直方向的位置，激光发射器(8)和位置传感器(4)连续对滑枕(1)前端的下垂变形量进行检测，由此形成一个闭环控制系统，实现对滑枕(1)前端下垂变形的实时补偿。

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