CN104690606A - 一种用于控制数控机床滑枕热误差的结构装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制数控机床滑枕热误差的结构装置，它涉及一种控制数控机床滑枕热误差的结构装置。本发明为了解决现有的机床热误差补偿装置较为复杂，需要专业人员进行调试，且补偿信息易受到加工车间复杂电磁环境干扰和机械振动干扰的问题。本发明丝杠(9)安装在机床本体(1)上，滑枕进给螺母(8)安装在丝杠(9)上，机床滑轨(2)与螺母(8)固定连接，合金板(5)平行于丝杠(9)安装在机床滑轨(2)上，光栅尺板条(6)固定安装在合金板(5)上，光栅尺读数头(7)可滑动安装在光栅尺板条(6)上，数控机床光栅尺(3)安装在机床滑轨(2)上，主轴电机(4)设置在机床滑轨(2)上。本发明用于数控机床。

Description

一种用于控制数控机床滑枕热误差的结构装置
技术领域
本发明涉及一种由重型数控落地铣镗床典型结构热变形引发的误差的控制结构装置。
背景技术
机床热误差是机床加工精度的重要影响因素，它来源于机床在实际加工过程中自身的生热，如轴承，齿轮箱等，以及与环境的热传导，热对流和热辐射。对于本专利中依托的机床，重型数控落地铣镗床，滑枕是其关键部件，主轴组件位于滑枕内部；主要的热源包含了支撑主轴旋转的轴承以及传递扭矩的齿轮组和减速箱。轴承及各齿轮组在主轴旋转过程中的生热通过热传导和热对流，以及冷却和润滑系统向外传递，受其影响最显著的是滑枕部件和安装在滑枕表面的光栅尺闭环检测系统，最终将影响滑枕的定位误差和密切相关的平面铣削加工误差。为解决该问题，机床厂商和机床研究人员均已加强冷却为出发点，但是效果不甚理想；目前出现了一些针对类似典型结构等的热误差补偿装置，但该类补偿装置多较为复杂，需要专业人员进行调试，且补偿信息易受到加工车间复杂电磁环境干扰和机械振动干扰。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的机床热误差补偿装置较为复杂，需要专业人员进行调试，且补偿信息易受到加工车间复杂电磁环境干扰和机械振动干扰的问题。进而提供一种用于控制数控机床滑枕热误差的结构装置。
本发明的技术方案是：一种用于控制数控机床滑枕热误差的结构装置包括机床本体和机床滑轨，所述控制数控机床滑枕热误差的结构装置还包括数控机床光栅尺、主轴电机、合金板、光栅尺板条、光栅尺读数头、滑枕进给螺母和丝杠，丝杠安装在机床本体上，滑枕进给螺母安装在丝杠上，机床滑轨与螺母固定连接，合金板平行于丝杠安装在机床滑轨上，光栅尺板条固定安装在合金板上，光栅尺读数头可滑动安装在光栅尺板条上，数控机床光栅尺安装在机床滑轨上，主轴电机设置在机床滑轨上并与数控机床光栅尺连接。所述合金板的左侧与机床滑轨刚性连接，合金板的中部和右侧均与机床滑轨均采用柔性铰链支撑。所述光栅尺板条位于合金板的中部和右侧。所述合金板为因瓦合金。所述光栅尺板条为玻璃陶瓷基体的相位光栅尺。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1.由于滑枕部件受温升影响热膨胀显著，产生滑枕定位误差，影响滑枕位置精度；光栅尺若采用了普通钢尺，受热也发生膨胀变形，以变形后的光栅尺刻度为基准控制机床滑枕部件运动，显然会加剧滑枕定位误差。
本发明的因瓦合金是一种相比普通合金具有低热膨胀系数的材料，合金板采用了因瓦合金，该合金是一种镍铁合金，热膨胀系数仅为1.5×10-6℃。滑枕热膨胀系数为1.2×10-5℃。因此同等温升相比于机床滑枕热膨胀，因瓦合金的膨胀量远远低于滑枕，光栅尺是机床闭环控制的关键所在，将光栅尺固定在合金板上，其固定位置从滑枕进给螺母处开始，该位置到滑枕端面的滑枕热变形直接影响滑枕端面的定位误差。
低热敏感性的光栅尺变形小，基本消除了光栅尺的扭曲变形，加之合金板本身的微小变形，光栅尺的刻度间距不变，且刻度值相对滑枕前端的位置可保持不变，防止了在采用普通钢尺为光栅尺时，尺身随温升的热膨胀产生的刻度间距变化和位置读数失真以及引入的滑枕定位误差。基于保证光栅尺的刻度相对滑枕端面的位置精度，实现滑枕热变形误差的控制。不受其他外界电磁信号，震动信号的干扰。
基于低热膨胀系数的合金和光栅尺，通过合理的结构设计并安装布置，利用光栅尺及数控系统的位置闭环控制功能，实现了对滑枕热变形产生的滑枕定位误差的稳定控制，保证了滑枕定位精度。
2.本发明的结构简单，易于实现。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。图2是图1中A-A向的剖面图。图3是图1中B-B向的剖面图。图4是本发明的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式的一种用于控制数控机床滑枕热误差的结构装置包括机床本体1和机床滑轨2，所述控制数控机床滑枕热误差的结构装置还包括数控机床光栅尺3、主轴电机4、合金板5、光栅尺板条6、光栅尺读数头7、滑枕进给螺母8和丝杠9，丝杠9安装在机床本体1上，滑枕进给螺母8安装在丝杠9上，机床滑轨2与螺母8固定连接，合金板5平行于丝杠9安装在机床滑轨2上，光栅尺板条6固定安装在合金板5上，光栅尺读数头7可滑动安装在光栅尺板条6上，数控机床光栅尺3安装在机床滑轨2上，主轴电机4设置在机床滑轨2上并与数控机床光栅尺3连接。
本发明配合光栅尺闭环控制的误差补偿装置，合金板采用了具有低热膨胀系数的材料因瓦合金，前端通过刚性连接与滑枕前端相连，保证与滑枕前端的运动一致性；低热敏感性的光栅尺与合金板固连。若采用普通钢带尺的光栅尺，将光栅尺和合金板直接固连，热量传导至光栅尺，使之膨胀；但由于低膨胀系数，合金板存在微小形变，膨胀量的不同会促使光栅尺发生扭曲形变，造成控制误差和滑枕的定位误差。
光栅尺与合金板固定安装，保证光栅尺与合金板同步运动。光栅尺起始位置位于机床滑枕进给螺母处。光栅尺动读数头安装于机床主轴箱不动点处。
现有机床滑枕结构中，光栅尺被直接安装在滑枕表面；随着滑枕的温升，光栅尺温度也不断增加，不可避免发生热膨胀，光栅尺刻度间距变大。以变形后的光栅尺进行机床滑枕位置的检测及闭环控制，势必会加剧滑枕的定位误差。若采用传统钢带尺的光栅尺与合金板固连。虽然合金板受温升影响的变形较小，限制了光栅尺两端的位置，使其整体长度不发生变化；但由于温升依然存在，光栅尺自身膨胀和两端的约束造成光栅尺扭曲变形和光栅尺刻度间距误差，进而影响光栅尺控制滑枕的位置精度。为此采用低热敏感性的光栅尺，消除了光栅尺变形，保持了刻度间距的精度。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的合金板5的左侧与机床滑轨2刚性连接，合金板5的中部和右侧均与机床滑轨2均采用柔性铰链支撑。如此设置，合金板前端与滑枕前端采用刚性连接，保证了滑枕前端与合金板的同步运动。实际加工中，机床难免受到自身激振和外在环境的振动干扰，如果合金板与光栅尺随之发生显著振动，则机床滑枕定位不准确，产生定位误差。为此在合金板的中部和末端安装了柔性铰链，它的特点是：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高，该柔性铰链采用了圆弧型柔性铰链结构，圆弧半径为5mm。柔性铰链部分通过螺栓与滑枕固定连接。该结构柔性铰链具有较大的移动范围，运动精度的稳定性和一致性足够满足合金板相对滑枕的运动。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的光栅尺板条6位于合金板5的中部和右侧。如此设置，保持了沿滑枕进给方向的运动稳定性。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的合金板5为因瓦合金。如此设置，因瓦合金是一种相比普通合金具有低热膨胀系数的材料，合金板采用了因瓦合金，该合金是一种镍铁合金，热膨胀系数仅为1.5×10-6℃。滑枕热膨胀系数为1.2×10-5℃。因此同等温升相比于机床滑枕热膨胀，因瓦合金的膨胀量远远低于滑枕，光栅尺是机床闭环控制的关键所在，将光栅尺固定在合金板上，其固定位置从滑枕进给螺母处开始，该位置到滑枕端面的滑枕热变形直接影响滑枕端面的定位误差。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的光栅尺板条6为玻璃陶瓷基体的相位光栅尺。如此设置，低热敏感性的光栅尺为海德汉LIP281光栅尺，该光栅尺为Zerodur玻璃陶瓷基体的OPTODUR相位光栅尺。基于保证光栅尺的刻度相对滑枕端面的位置精度，实现滑枕热变形误差的控制。不受其他外界电磁信号，震动信号的干扰。其它组成和连接关系与具体实施方式一、三或四相同。
结合图1-图4说明本发明的工作原理：
工作中，受主轴轴承、减速器、电机生热以及切削热的影响，机床温度场改变。机床滑枕受热膨胀，滑枕前端面沿进给方向移动，假设位移量为Δ。考虑到合金板热变形量相比滑枕可以忽略，加之合金板前端与滑枕前端通过螺栓刚性连接，合金板中部和末端采用了柔性铰链支撑，合金板会随着滑枕前端面的移动产生刚体运动，沿滑枕进给方向的位移量也为Δ。
光栅尺与合金板通过卡具固定连接。当滑枕受热膨胀时，光栅尺随合金板同步运动，光栅尺位移量为Δ。由于光栅尺读数头安装位于主轴箱箱体，其位置不发生改变。因此，当光栅尺移动时，滑枕位置读数改变。但由于机床数控系统的闭环控制功能，根据光栅尺位置反馈，数控系统将自动驱动滑枕进给电机，带动进给丝杠旋转，通过螺母带动滑枕运动，调整滑枕当前位置。此时光栅尺和合金板伴随着滑枕的移动也会发生位置改变，光栅尺度数也随即改变，直至光栅尺恢复到滑枕无膨胀状态的位置读数。
由于低热敏感性的光栅尺和低热膨胀系数的合金板的共同作用，光栅尺自身刻度间距不发生改变，所以在光栅尺度数恢复同时，滑枕的位置调整量为Δ，即滑枕前端面位移量。这样就完成了对滑枕热变形误差的补偿。
实际工作中，当滑枕前端膨胀量达到光栅尺的最小分辨率，上述误差补偿功能就会触发，且往复不断，直至滑枕热稳定，不再继续膨胀，合金板和光栅尺不发生位移。
目前，当伺服系统断电再重新上电后，一些补偿手段会失效。该滑枕热误差补偿装置不会受到伺服断电的影响。当机床伺服重新上电，机床返回机械原点后，由于光栅尺刻度相对滑枕前端面的位置不变，因此，机床运动过程中，滑枕端面的定位精度可以得到有效地保持。
该专利的发明相比现有的针对类似结构的热误差补偿技术更简单易行，结构的可靠性和误差控制的稳定性更为突出。通过该技术的实施，滑枕的热定位误差和光栅尺热变形引入的误差降低了百分之八十以上。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (5)

1.一种用于控制数控机床滑枕热误差的结构装置，它包括机床本体(1)和机床滑轨(2)，其特征在于：所述控制数控机床滑枕热误差的结构装置还包括数控机床光栅尺(3)、主轴电机(4)、合金板(5)、光栅尺板条(6)、光栅尺读数头(7)、滑枕进给螺母(8)和丝杠(9)，丝杠(9)安装在机床本体(1)上，滑枕进给螺母(8)安装在丝杠(9)上，机床滑轨(2)与螺母(8)固定连接，合金板(5)平行于丝杠(9)安装在机床滑轨(2)上，光栅尺板条(6)固定安装在合金板(5)上，光栅尺读数头(7)可滑动安装在光栅尺板条(6)上，数控机床光栅尺(3)安装在机床滑轨(2)上，主轴电机(4)设置在机床滑轨(2)上并与数控机床光栅尺(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于控制数控机床滑枕热误差的结构装置，其特征在于：所述合金板(5)的左侧与机床滑轨(2)刚性连接，合金板(5)的中部和右侧均与机床滑轨(2)均采用柔性铰链支撑。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于控制数控机床滑枕热误差的结构装置，其特征在于：所述光栅尺板条(6)位于合金板(5)的中部和右侧。
4.根据权利要求3所述的一种用于控制数控机床滑枕热误差的结构装置，其特征在于：所述合金板(5)为因瓦合金。
5.根据权利要求4所述的一种用于控制数控机床滑枕热误差的结构装置，其特征在于：所述光栅尺板条(6)为玻璃陶瓷基体的相位光栅尺。
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