CN104985486B - 滚珠丝杠加工分段补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种滚珠丝杠加工分段补偿方法，其特征在于，包括：获取基于滚珠丝杠加工过程分析计算到的基准曲线；确定基准误差圆；依据该基准误差圆的圆心和基准曲线的原点，获取基准公切线斜率；由原点开始，将基准误差圆的圆心沿着基准曲线的方向逐点确认，再依据该点和该基准误差圆的圆心，获取该点的公切线斜率；当一旦判断到公切线斜率与基准公切线斜率相一致时，将基准曲线中的该点设置为用于进行分段补偿的分段点；以分段点开始继续沿着基准曲线重复逐点确认并判断，直至公切线斜率与基准公切线斜率在一定范围内相一致，依次获取所有分段点，并依据所有分段点对应得到各个分段螺距补偿量；以及根据各个分段螺距补偿量进行分段补偿。

Description

滚珠丝杠加工分段补偿方法
技术领域
本发明涉及精密机械加工技术领域，具体涉及一种滚珠丝杠加工分段补偿方法。
背景技术
随着微型计算机及传感测试技术的发展，滚珠丝杠作为高效、精密传动部件在数控机床和各种自动化设备上得到广泛应用且对滚珠丝杠的质量要求也越来越高。但由于滚珠丝杠在磨削加工过程中影响因素众多，其磨削加工螺距误差一直是滚珠丝杠制造企业研究的重要问题。其中，磨削加工热变形是造成滚珠丝杠磨削加工螺距误差的重要来源，也是影响滚珠丝杠加工表面质量的重要因素来源。
目前，已有技术的磨削加工热变形均匀补偿技术已被应用于滚珠丝杠加工过程中。为补偿磨削过程中产生的热变形，通常采用的方法是在数控磨床尾座上安装一个光栅尺，用以测量丝杠由于磨削热而产生的伸长量，并据此对热变形误差进行均匀补偿。而且补偿的方法一般都是依据滚珠丝杠的长度，计算出每个螺距的平均热变形量，然后对其螺距误差进行补偿。但是，由于滚珠丝杠在磨削过程中，热源(砂轮与工件的磨削热)始终处于运动之中，所产生的热变形是不均匀的。所以，导致采用这种均匀补偿的方法难以有效减小由热变形引起滚珠丝杠螺距误差，特别是对于长滚珠丝杠的磨削加工，均匀补偿方法更是难以保证磨削滚珠丝杠的精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种区别于以往均匀补偿方法的滚珠丝杠加工分段补偿方法，可有效减小滚珠丝杠因磨削热变形不均匀引起的螺距误差，提高滚珠丝杠磨削加工精度，改善滚珠丝杠磨削加工表面质量。
本发明专利的滚珠丝杠加工分段补偿方法，具有这样的特征，包括：获取基于滚珠丝杠加工过程而分析计算得到的基准曲线；确定基准误差圆；依据基准误差圆的圆心和基准曲线的原点，获取基准公切线斜率；由基准曲线的原点开始，将基准误差圆的圆心沿着基准曲线的方向逐点确认，再依据此点和基准误差圆的圆心，获取此点的公切线斜率；当一旦判断到公切线斜率与基准公切线斜率相一致时，将基准曲线中的此点设置为用于进行分段补偿的分段点；以分段点开始继续沿着基准曲线重复逐点确认并判断，直至公切线斜率与基准公切线斜率在一定范围内相一致，依次获取到所有分段点，并依据所有分段点对应得到各个分段螺距补偿量；以及在滚珠丝杠磨削加工过程中根据各个分段螺距补偿量进行分段补偿。
在本发明专利的滚珠丝杠加工分段补偿方法，还可以具有这样的特征：其中，基准曲线是以有限二元分析方法为计算方法，在预定误差范围内分析得到的规律曲线，且此基准曲线的预定误差范围是由滚珠丝杠的型号或加工精密程度参数设定。
在本发明专利的滚珠丝杠加工分段补偿方法，还可以具有这样的特征：其中，基准误差圆是以基准曲线的原点为圆心，以滚珠丝杠的型号或加工精密程度参数为基准半径获得。
在本发明专利的滚珠丝杠加工分段补偿方法，还可以具有这样的特征：其中，由圆点位于此点的基准误差圆与基准曲线的公切线交点获得基准公切线斜率，此公切线交点的获取分别由基于与此点的基准误差圆和基准曲线的切点的相交点确定。
在本发明专利的滚珠丝杠加工分段补偿方法，还可以具有这样的特征：其中，在获取基准曲线中进行判断的点的公切线斜率的步骤中，包含：公切线斜率基于基准误差圆和所判断的点的公切线之间的第一切点和基准曲线和所判断的点的公切线之间的第二切点确定。
在本发明专利的滚珠丝杠加工分段补偿方法，还可以具有这样的特征：其中，当此判断的点的公切线斜率与基准公切线斜率保持一致时，将此点作为分段点，直至此点的基准误差圆和曲线之间不存在任何公切线。
在本发明专利的滚珠丝杠加工分段补偿方法，还可以具有这样的特征：其中，所获取的分段点的数量包含至少2个，此数量的上限依据滚珠丝杠型号和精度参数计算的复杂程度来设定。
在本发明专利的滚珠丝杠加工分段补偿方法，还可以具有这样的特征：其中，通过有限元分析方法计算得到与滚珠丝杠匹配的总变形长度量，和/或进一步进行以下步骤：通过对滚珠丝杠的变形进行实际采集得到实际总变形量；以及依据实际总变形量修正总变形长度量，得到修正后总变形长度量。
在本发明专利的滚珠丝杠加工分段补偿方法，还可以具有这样的特征：其中，依照所获得各个分段点，对滚珠丝杠的总长度进行分段而得到各个分段距离。
在本发明专利的滚珠丝杠加工分段补偿方法，还可以具有这样的特征：其中，依据各个分段距离之间的比例，对总变形长度量或修正后总变形长度量进行分段，得到与各个分段距离分别对应的各个分段螺距补偿量。
发明的作用和效果
根据本发明专利所涉及的滚珠丝杠加工分段补偿方法是通过计算分析得到的滚珠丝杠磨削加工热变形的变化规律，利用等误差直线逼近法对滚珠丝杠热变形不均匀特征进行曲线分段，并可通过计算滚珠丝杠各分段螺距误差补偿量对螺距误差进行补偿。本发明可有效减少因磨削加工热变形引起的滚珠丝杠螺距误差，提高其加工精度，对改善滚珠丝杠磨削加工表面质量有着重要意义。
附图说明
图1是本发明专利的实施例中滚珠丝杠加工分段补偿方法的流程图；
图2是本发明专利的实施例中滚珠丝杠磨削加工装置平面示意图；以及
图3是本发明专利的实施例中滚珠丝杠加工分段补偿方法的磨削热变形曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
实施例
图1是本发明专利的实施例中滚珠丝杠加工分段补偿方法的流程图。
如图1所示，在本实施例中，滚珠丝杠加工分段补偿方法，包含以下步骤：
步骤s1：在预定误差范围内，通过有限元方法计算分析得到的基准曲线，且基准曲线的预定误差范围是由滚珠丝杠的型号或加工精密程度参数设定。同时，确定基准曲线圆，且基准曲线圆是以基准曲线的原点为圆心，以滚珠丝杠的型号或加工精密程度参数为基准半径得到。
步骤s2：获取基准公切线斜率，是依据基准误差圆的圆心和基准曲线的原点得到。且基准公切线斜率是由基于此点的基准误差圆和基准曲线的切点的相交点确定。
步骤s3：获取判段点的公切线斜率，且判段点的公切线斜率分别由基准误差圆与此判断点的公切线之间的第一切点和基准曲线与此判断点的公切线之间的第二切点确定。
步骤s4：判断基准公切线斜率和此判断点的公切线斜率一致性。如果相一致时，则进入步骤s5；否则进入步骤s6。
步骤s5：将判断点设为分段点，进入s7；
步骤s6：沿着基准曲线方向继续寻找下一个判断点，且进入重复获取判断点的公切线斜率s3步骤直至找到分段点为止；
步骤s7：分段完成判断部对是否全部获取完成所有分段点进行判断，当判断为未完成时，进入步骤s2；当判断为完成时，则进入步骤s8。分段点的数量包含至少2个，本实施例中采用a、b、c、d、e这分段点，分段点的数量是基于滚珠丝杠型号和精度参数计算的复杂程度设定的。
本实施例中，通过有限元分析方法计算可以得到与滚珠丝杠匹配的总变形长度量、并可对滚珠丝杠的变形进行实际采集得到实际总变形量；以及由获取的实际总变形量修正获取的总变形长度量进一步计算得到修正后总变形长度量，且可依据找到的所有各个分段点对滚珠丝杠的总长度进行分段得到各个分段距离。
步骤s8：分段补偿，用来得到滚珠丝杠加工过程中的各个分段螺距补偿量，是基于所获取的各个分段距离之间的比例，对总变形长度量或修正后总变形长度量进行分段，得到与各个分段距离分别对应的各个分段螺距补偿量，进行分段补偿工作，则滚珠丝杠加工分段补偿方法的流程结束。
图2是本发明专利的实施例中滚珠丝杠磨削加工装置平面示意图。
如图2所示，为更好的理解滚珠丝杠磨削加工过程，图2显示了一根长度为L的滚珠丝杠1以线速度VW旋转，并通过机床头架顶尖3和机床尾架顶尖5进行装夹，其中尾架顶尖与弹簧6相连，因此，滚珠丝杆的长度变形可以经由尾架顶尖的弹簧6自由伸缩。然后，磨削砂轮2以线速度VS旋转进行外圆纵向磨削加工，其磨削纵向进给速度为Vf，高精度的位移传感器4可对滚珠丝杠磨削热变形量进行实际测量。
图3是本发明专利的实施例中滚珠丝杠加工分段补偿方法的磨削热变形曲线图。
本实施例中，首先，根据有限元分析方法对滚珠丝杆磨削过程热变形进行分析计算，获得滚珠丝杠磨削热变形曲线规律，如图3所示。由热力学原理可知，磨削加工的滚珠丝杠在不同位置上的变形量不同，特别是磨削加工起始阶段(abcd段)的热变形变化较大，但随着磨削加工工件长度的增加，其热变形变化也逐渐稳定(de段)，通过计算可获得长度L的滚珠丝杠的总热变形量ΔL，并可通过基于等误差直线逼近法对滚珠丝杠热变形进行曲线分段补偿减小其磨削丝杆螺距误差。然后，再利用等误差直线逼近法对滚珠丝杠热变形曲线进行分段。
图3中所显示的是以a为坐标轴原点，x为横轴、y为纵轴的滚珠丝杠磨削曲线示意图。
本实施例中，其具体步骤如下描述；
以滚珠丝杠基准曲线起点a为圆心、δ为半径作圆(即补偿后的螺距误差)，确定允许误差的误差圆方程，如公式-1所示：
(x-xa)2+(y-ya)2＝δ2 公式-1
建立该圆与滚珠丝杠基准曲线的公切线PT的斜率K，如公式-2所示：
公式-2
公式-2中，xT、yT值为公切线PT与基准误差圆的交点T的坐标值，xP、yP值为公切线PT与基准曲线的交点P的坐标值。且xT、yT、xP、yP可通过求解下列联立方程获得，如公式-3所示：
公式-3
公式-3中，f1(x)——误差圆函数；f2(x)——热变形曲线函数。
由公式-2、公式-3得到的公切线斜率K，可知与PT平行的弦ab的斜率也为K且b点为PT平行的弦ab与基准曲线的一个交点，则弦ab的直线方程，如公式-4所示：
y-ya＝K(x-xa) 公式-4
通过联立公式-1和公式-4，可求得与基准曲线的交点b点坐标值，交点b为所寻找到的一个分段点，联立方程如公式-5所示：
公式-5
重复上述步骤即可顺次求得c，d，e的各分段点坐标值。
图3中，可根据公式-1、公式-2、公式-3、公式-4和公式-5确定的滚珠丝杠基准曲线的各个分段点(b，c，d，e)的坐标值，可计算出各分段距离分别为L1、L2、L3、L4，及各对应的分段热变形量分别为ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4。
根据图2中所示高精度位移传感器4测量的滚珠丝杆磨削加工的实际总变形量ΔLS，可用于修正上述有限元分析计算的基准曲线的总变形量ΔL，根据有限元分析滚珠丝杠热变形变化曲线规律，对上述有限元计算结果进行等比例修正，当热误差补偿分段数为m时，如公式-6所示，可计算出滚珠丝杠磨削加工过程中的各曲线分段的热变形量ΔEi，i＝1，2，3，...，m：
公式-6
公式-6中，ΔLi和ΔL分别为有限元方法计算后滚珠丝杠的分段距离和分段热变形量，ΔEi为根据高精度位移传感器4测量滚珠丝杆磨削加工的总变形量ΔLS修正计算后的各分段热变形量。
根据上述对滚珠丝杠热变形的分段变形量ΔEi，i＝1，2，3，...，m，可计算各分段的螺距补偿量ΔPi，i＝1，2，3，...，m，如公式-7所示：
公式-7
公式-7中，Δt为磨削滚珠丝杠的螺距。
最后，将各分段的螺距补偿量ΔPi，i＝1，2，3，...，m输入机床数控系统对磨削滚珠丝杠进行补偿。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的滚珠丝杠加工分段补偿方法，是基于等误差直线逼近法，并将滚珠丝杠磨削加工不均匀热变形量有效地分配到各曲线分段进行分析计算。该方法可有效减小因磨削加工热变形引起的滚珠丝杠螺距误差，提高滚珠丝杠磨削加工精度。
上述实施方案为本发明专利的优选案例，并不用来限制本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种滚珠丝杠加工分段补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取基于滚珠丝杠加工过程而分析计算得到的基准曲线；
确定基准误差圆；
依据该基准误差圆的圆心和所述基准曲线的原点，获取基准公切线斜率；
由所述基准曲线的原点开始，将所述基准误差圆的圆心沿着所述基准曲线的方向逐点确认，再依据该点和该基准误差圆的圆心，获取该点的公切线斜率；
当一旦判断到所述公切线斜率与所述基准公切线斜率相一致时，将所述基准曲线中的该点设置为用于进行分段补偿的分段点；
以所述分段点开始继续沿着所述基准曲线重复逐点确认并判断，直至所述公切线斜率与所述基准公切线斜率一致，依次获取到所有所述分段点，并依据所有所述分段点对应得到各个分段螺距补偿量；以及
在滚珠丝杠磨削加工过程中根据各个所述分段螺距补偿量进行分段补偿。
2.如根据权利要求1中所述的滚珠丝杠加工分段补偿方法，其特征在于：
其中，所述基准曲线是以有限元分析方法为计算方法，在预定误差范围内分析得到的规律曲线，且该基准曲线的预定误差范围是由滚珠丝杠的型号或加工精密程度参数设定。
3.如根据权利要求1中所述的滚珠丝杠加工分段补偿方法，其特征在于：
其中，所述基准误差圆是以基准曲线的原点为圆心，以所述滚珠丝杠的型号或加工精密程度参数为基准半径获得。
4.如根据权利要求1中所述的滚珠丝杠加工分段补偿方法，其特征在于：
其中，由圆点位于该点的基准误差圆与该基准曲线的公切线交点获得所述基准公切线斜率，该公切线交点的获取分别由基于与该点的基准误差圆和基准曲线的切点的相交点确定。
5.如根据权利要求1中所述的滚珠丝杠加工分段补偿方法，其特征在于：
其中，在获取所述基准曲线中进行判断的点的公切线斜率的步骤中，包含：
所述公切线斜率基于所述基准误差圆和该判断的点的公切线之间的第一切点和所述基准曲线和该判断的点的公切线之间的第二切点确定。
6.如根据权利要求1中所述的滚珠丝杠加工分段补偿方法，其特征在于：
其中，当所述该判断的点的公切线斜率与基准公切线斜率保持一致时，将该点作为分段点，直至该点的基准误差圆和曲线之间不存在任何公切线。
7.如根据权利要求1中所述的滚珠丝杠加工分段补偿方法，其特征在于：
其中，所获取的分段点的数量包含至少2个，该数量的上限依据所述滚珠丝杠型号和精度参数计算的复杂程度来设定。
8.如根据权利要求1中所述的滚珠丝杠加工分段补偿方法，其特征在于：
其中，通过有限元分析方法计算得到与所述滚珠丝杠匹配的总变形长度量，和/或进一步进行以下步骤：
通过对滚珠丝杠的变形进行实际采集得到实际总变形量；以及
依据所述实际总变形量修正所述总变形长度量，得到修正后总变形长度量。
9.如根据权利要求7中所述的滚珠丝杠加工分段补偿方法，其特征在于：
其中，依照所获得各个所述分段点，对所述滚珠丝杠的总长度进行分段而得到各个分段距离。
10.如根据权利要求9中所述的滚珠丝杠加工分段补偿方法，其特征在于：
其中，依据各个所述分段距离之间的比例，对总变形长度量或修正后总变形长度量进行分段，得到与各个所述分段距离分别对应的各个分段螺距补偿量。
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