CN105278458A - 一种数控机床热误差补偿装置及方法 - Google Patents

一种数控机床热误差补偿装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种数控机床热误差补偿装置及方法，该装置在机床坐标系X、Y、Z方向均可实现微小位移，以此来减小或抵消机床热误差导致的加工误差。三个滑块在运动方向前后均安装压电陶瓷微位移致动器，作为驱动元件。垂直方向滑块顶部开有螺纹孔，用于固定夹具。在机床温度敏感部位布置温度传感器，将采集到的温度数据输入到计算机，计算机通过已建立好的热误差模型预报出误差补偿量，再将输出信号转换成可以驱动压电陶瓷的电压信号，驱动误差补偿装置的运动部件实现微小位移。本发明不涉及与机床伺服系统和数控系统接口问题，通过外接装置实现机床热误差补偿，通用性强且自动实现数控机床热误差实时补偿。

Description

一种数控机床热误差补偿装置及方法
技术领域
本发明涉及一种在三个方向产生微小位移以补偿数控机床热误差的装置及补偿方法。本发明属于精密加工技术和工业自动化控制领域。
背景技术
热误差是数控机床最大的误差源之一，占总误差的40％-70％。机床热误差是由于机床内外热源的作用而使机床组成部件发生热变形而导致的，越精密的机床，热误差占总误差的比例越大。热误差不仅使产品的尺寸精度下降，而且因尺寸超差调整而影响生产率。因此，有效控制热误差对提高数控机床加工精度至关重要。
目前可采用的减小热误差的方法主要有三种：温度场补偿法、热稳定性设计和热误差补偿。温度场补偿法是通过在一定部位布置加热元件或在一些构件内流动循环冷却油，实现热量补偿，以消除或减小热误差。此方法很难实现对空间各项热误差全部进行有效的补偿。热稳定性设计法是通过提高机床设计、制造和装配精度来满足机床的精度要求，可靠性高，但存在很大的局限性，而且经济代价往往非常昂贵。当加工精度高于某一程度后，利用此方法来提高加工精度所花费的成本按指数规律增长。误差补偿法是分析机床误差来源，建立误差模型，人为制造出新误差以抵消原始误差。此法投入费用低，可用于现有机床，尤其是很难进行结构调整的老化机床，大大提高经济效益。
目前所采用的热误差补偿技术大多使用温度监控的位移补偿法，需要在数控系统中装入补偿信号输入接口，通过系统软件的控制，使补偿信号经由总线输至伺服进给系统做补偿运动。此方法的不利之处在于伺服系统本身具有不可忽略的误差，且补偿系统受约束于不同的数控系统，通用性差。
针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种数控机床热误差补偿装置，该装置外接于机床工作台，接收补偿信号并产生微位移来补偿机床热误差，不受数控系统及伺服系统制约，可以对数控机床热误差进行实时补偿。
发明内容
本发明的目的是提供一种数控机床热误差补偿装置，该补偿装置包括底座(1)、水平方向滑块、垂直方向滑块(8)、垂直方向导向块、水平方向滑块驱动元件、垂直方向滑块驱动元件；水平方向滑块包括X方向滑块(7)和Y方向滑块(6)，Y方向滑块(6)安装在底座(1)上，X方向滑块(7)安装在Y方向滑块(6)上，X方向滑块(7)和Y方向滑块(6)用于抵消数控机床在加工过程中由于热变形产生的水平方向的加工误差；垂直方向滑块(8)安装在X方向滑块(7)上，垂直方向滑块(8)用于抵消数控机床在加工过程中由于热变形产生的垂直方向的加工误差。
所述水平方向滑块、垂直方向滑块(8)分别由水平方向滑块驱动元件、垂直方向滑块驱动元件进行驱动和控制。
水平方向滑块驱动元件包括第一堆叠型压电陶瓷微位移致动器(5)、第三堆叠型压电陶瓷微位移致动器(18)、第四堆叠型压电陶瓷微位移致动器(23)、第五堆叠型压电陶瓷微位移致动器(25)；垂直方向滑块驱动元件包括第二堆叠型压电陶瓷微位移致动器(12)、第六堆叠型压电陶瓷微位移致动器(28)、封装型压电陶瓷微位移致动器(27)。
水平方向滑块的底部移动中轴线两端均开有槽，槽内分别固定有第一堆叠型压电陶瓷微位移致动器(5)、第三堆叠型压电陶瓷微位移致动器(18)、第四堆叠型压电陶瓷微位移致动器(23)、第五堆叠型压电陶瓷微位移致动器(25)，四枚压电陶瓷分别由第一X方向压电陶瓷固定块(4)、第一Y方向压电陶瓷固定块(19)、第二X方向压电陶瓷固定块(24)、第二Y方向压电陶瓷固定块(26)固定，用于驱动水平方向滑块移动。
垂直方向滑块(8)的底部开有四个对称槽，槽内各固定一枚封装型压电陶瓷微位移致动器(27)；垂直方向滑块(8)的顶部开有两对称槽，槽内分别固定有第二堆叠型压电陶瓷微位移致动器(12)、第六堆叠型压电陶瓷微位移致动器(28)，两枚压电陶瓷分别由第一垂直方向压电陶瓷固定块(13)、第二垂直方向压电陶瓷固定块(15)固定，，用以驱动垂直方向滑块(8)移动。
Y方向滑块(6)与底座(1)通过第一个燕尾槽连接，Y方向滑块(6)能够在底座(1)上滑动，第一个燕尾槽一侧安装有Y方向滑块燕尾槽镶条(20)，通过底座(1)上的第一Y方向滑块燕尾槽间隙调整螺栓(3)、第二Y方向滑块燕尾槽间隙调整螺栓(22)调整Y方向滑块燕尾槽镶条(20)，实现对第一个燕尾槽的间隙调整；X方向滑块(7)与Y方向滑块(6)通过第二个燕尾槽连接，X方向滑块(7)能够在Y方向滑块(6)上滑动，第二个燕尾槽一侧安装有X方向滑块燕尾槽镶条(21)，通过Y方向滑块(6)上的两个X方向滑块燕尾槽间隙调整螺栓(17)调整X方向滑块燕尾槽镶条(21)，实现对第二个燕尾槽的间隙调整；X方向滑块(7)的顶部与垂直方向滑块(8)相对处开有四个对称槽及四个引线槽，用于固定封装型压电陶瓷微位移致动器(27)，封装型压电陶瓷微位移致动器(27)的信号线通过压电陶瓷引线槽(16)连接到数控机床热误差补偿装置外部。
垂直方向导向块(14)固定在X方向滑块(7)顶部，垂直方向滑块(8)与垂直方向导向块(14)通过第三个燕尾槽连接，垂直方向滑块(8)能够在垂直方向导向块(14)上滑动，第三个燕尾槽一侧安装有垂直方向滑块燕尾槽镶条(10)，通过垂直方向导向块(14)上的一个垂直方向滑块燕尾槽间隙调整螺栓(9)调整垂直方向滑块燕尾槽镶条(10)，实现对第三个燕尾槽的间隙调整。
底座(1)两端设有两凸台，每个凸台开有两个和机床工作台T形槽间距相等的U形槽(2)，用于将底座(1)固定在数控机床工作台上，垂直方向滑块顶部开有均匀分布的夹具固定孔(11)，所述夹具固定孔(11)为螺纹孔，通过螺纹连接固定夹具。
一种数控机床热误差补偿方法，数控机床热误差补偿方法是通过若干温度传感器采集数控机床温度敏感区温度信息，通过总线将温度数据传入计算机并预报出热误差值及补偿量，通过A/D转化装置将补偿量转化成不同的输出电压，通过驱动放大装置放大电压信号，用于驱动压电陶瓷微位移致动器。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明所述的补偿装置外接于机床工作台，不受伺服系统及数控系统限制，应用条件简单，应用范围广。
2、本发明所述的补偿装置可以在三个方向上产生微小位移，补偿机床热变形产生的误差，有效提高机床加工精度。
3、本发明所述的补偿方法将采集到的温度数据输入到计算机，计算机记录温度数据并根据已建立的热误差模型自动计算出补偿量，将补偿量转换成电压信号后放大，利用放大的电压信号控制相应的驱动元件，实现了热误差实时自动补偿。
本发明适用于带有工作台的数控机床，根据加工工件及工作台大小可采用不同尺寸，根据机床热变形量大小可选用不同规格的压电陶瓷微位移致动器，具有较好的应用前景。
附图说明
图1是数控机床热误差补偿装置装配图；
图2是热误差补偿装置俯视图；
图3是热误差补偿装置正视局部剖面图A-A；
图4是热误差补偿装置右视局部剖面图B-B；
图5是热误差补偿装置工作系统原理图。
图中：1、底座，2、底座固定U形槽，3、第一Y方向滑块燕尾槽间隙调整螺栓，4、第一X方向压电陶瓷固定块，5、第一堆叠型压电陶瓷微位移致动器，6、Y方向滑块，7、X方向滑块，8、垂直方向滑块，9、垂直方向滑块燕尾槽间隙调整螺栓，10、垂直方向滑块燕尾槽镶条，11、夹具固定孔，12、第二堆叠型压电陶瓷微位移致动器，13、第一垂直方向压电陶瓷固定块，14、垂直方向导向块，15、第二垂直方向压电陶瓷固定块，16、压电陶瓷引线槽，17、X方向滑块燕尾槽间隙调整螺栓，18、第三堆叠型压电陶瓷微位移致动器，19、第一Y方向压电陶瓷固定块，20、Y方向滑块燕尾槽镶条，21、X方向滑块燕尾槽镶条，22、第二Y方向滑块燕尾槽间隙调整螺栓，23、第四堆叠型压电陶瓷微位移致动器，24、第二X方向压电陶瓷固定块，25、第五堆叠型压电陶瓷微位移致动器，26、第二Y方向压电陶瓷固定块，27、封装型压电陶瓷微位移致动器，28、第六堆叠型压电陶瓷微位移致动器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
图1是数控机床热误差补偿装置的装配图，此图主要说明该装置的外观及各主要部件装配关系。图中，Y方向滑块可以在底座上进行微小滑动，X方向滑块可以在Y方向滑块上进行微小滑动，垂直方向导向块通过螺栓固定在X方向滑块上，垂直方向滑块可以沿着导向块进行微小滑动。因此，垂直方向滑块可以在三个方向同时运动微小位移。
图2是热误差补偿装置俯视图，按照图中所示两条阶梯剖面线进行局部剖切，可以进一步展示该装置内部结构。图3是热误差补偿装置正视局部剖面图，剖面线为图2所示剖面A-A。图中左侧可见，在X方向滑块下部开有两个对称槽，槽中各安装一枚堆叠型压电陶瓷微位移致动器，压电陶瓷分别由压电陶瓷固定块将外侧固定住。通过两侧压电陶瓷的伸缩可以驱动X方向滑块沿X轴方向微小移动。图4是热误差补偿装置右视局部剖面图，剖面线为图2所示剖面B-B。图4中左下部可见，在Y方向滑块下部开有两个对称槽，槽中各安装一枚堆叠型压电陶瓷微位移致动器，压电陶瓷分别由压电陶瓷固定块将外侧固定住。通过两侧压电陶瓷的伸缩可以驱动Y方向滑块沿Y轴方向微小移动。
由图4上部可见，在垂直方向滑块的上部开有两个对称槽，槽中各安装一枚堆叠型压电陶瓷微位移致动器，压电陶瓷分别由压电陶瓷固定块将上侧固定住。在垂直方向滑块的下部开有四个对称槽，在X方向滑块的上部与之对应开有四个槽，同时开有四个引线槽，连通到装置外部。在四个槽中各固定一枚封装型压电陶瓷微位移致动器，其信号线通过引线槽引出。通过上下两侧压电陶瓷的伸缩可以驱动垂直方向滑块在垂直方向上微小移动。
由图3右侧剖面可见，底座燕尾槽的一侧装有一块平头斜镶条，镶条上开有螺钉槽。误差补偿装置使用中会造成燕尾槽磨损，通过螺栓可以调节由磨损造成的燕尾槽间隙。误差补偿装置中其余燕尾槽调节装置与该处装置同理。
图5是热误差补偿装置工作系统原理图。通过对数控机床进行有限元分析可以找到机床床身温度敏感区，在温度敏感区布置温度传感器。利用数据采集卡采集机床温度敏感区的温度变化，通过总线将温度数据传入计算机中。计算机存储并显示温度数据，并通过建立好的机床热误差模型预报出机床的热误差值，计算出热误差补偿量。利用A/D转换装置将补偿量转换成不同的输出电压。输出电压经过驱动放大装置放大，即可驱动压电陶瓷微位移致动器实现伸缩运动。将误差补偿装置安装在机床工作台上，夹具安装在误差补偿装置垂直方向滑块上。
以上所述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的设计思想和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何修改或改变，均应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种数控机床热误差补偿装置，其特征在于：该补偿装置包括底座(1)、水平方向滑块、垂直方向滑块(8)、垂直方向导向块、水平方向滑块驱动元件、垂直方向滑块驱动元件；水平方向滑块包括X方向滑块(7)和Y方向滑块(6)，Y方向滑块(6)安装在底座(1)上，X方向滑块(7)安装在Y方向滑块(6)上；垂直方向滑块(8)安装在X方向滑块(7)上；
所述水平方向滑块、垂直方向滑块(8)分别由水平方向滑块驱动元件、垂直方向滑块驱动元件进行驱动和控制。
2.根据权利要求1所述的一种数控机床热误差补偿装置，其特征在于：水平方向滑块驱动元件包括第一堆叠型压电陶瓷微位移致动器(5)、第三堆叠型压电陶瓷微位移致动器(18)、第四堆叠型压电陶瓷微位移致动器(23)、第五堆叠型压电陶瓷微位移致动器(25)；垂直方向滑块驱动元件包括第二堆叠型压电陶瓷微位移致动器(12)、第六堆叠型压电陶瓷微位移致动器(28)、封装型压电陶瓷微位移致动器(27)；
水平方向滑块的底部移动中轴线两端均开有槽，槽内分别固定有第一堆叠型压电陶瓷微位移致动器(5)、第三堆叠型压电陶瓷微位移致动器(18)、第四堆叠型压电陶瓷微位移致动器(23)、第五堆叠型压电陶瓷微位移致动器(25)，四枚压电陶瓷分别由第一X方向压电陶瓷固定块(4)、第一Y方向压电陶瓷固定块(19)、第二X方向压电陶瓷固定块(24)、第二Y方向压电陶瓷固定块(26)固定。
3.根据权利要求1所述的一种数控机床热误差补偿装置，其特征在于：垂直方向滑块(8)的底部开有四个对称槽，槽内各固定一枚封装型压电陶瓷微位移致动器(27)；垂直方向滑块(8)的顶部开有两对称槽，槽内分别固定有第二堆叠型压电陶瓷微位移致动器(12)、第六堆叠型压电陶瓷微位移致动器(28)，两枚压电陶瓷分别由第一垂直方向压电陶瓷固定块(13)、第二垂直方向压电陶瓷固定块(15)固定。
4.根据权利要求1所述的一种数控机床热误差补偿装置，其特征在于：Y方向滑块(6)与底座(1)通过第一个燕尾槽连接，Y方向滑块(6)能够在底座(1)上滑动，第一个燕尾槽一侧安装有Y方向滑块燕尾槽镶条(20)，通过底座(1)上的第一Y方向滑块燕尾槽间隙调整螺栓(3)、第二Y方向滑块燕尾槽间隙调整螺栓(22)调整Y方向滑块燕尾槽镶条(20)；X方向滑块(7)与Y方向滑块(6)通过第二个燕尾槽连接，X方向滑块(7)能够在Y方向滑块(6)上滑动，第二个燕尾槽一侧安装有X方向滑块燕尾槽镶条(21)，通过Y方向滑块(6)上的两个X方向滑块燕尾槽间隙调整螺栓(17)调整X方向滑块燕尾槽镶条(21)；X方向滑块(7)的顶部与垂直方向滑块(8)相对处开有四个对称槽及四个引线槽，封装型压电陶瓷微位移致动器(27)的信号线通过压电陶瓷引线槽(16)连接到数控机床热误差补偿装置外部。
5.根据权利要求1所述的一种数控机床热误差补偿装置，其特征在于：垂直方向导向块(14)固定在X方向滑块(7)顶部，垂直方向滑块(8)与垂直方向导向块(14)通过第三个燕尾槽连接，垂直方向滑块(8)能够在垂直方向导向块(14)上滑动，第三个燕尾槽一侧安装有垂直方向滑块燕尾槽镶条(10)，通过垂直方向导向块(14)上的一个垂直方向滑块燕尾槽间隙调整螺栓(9)调整垂直方向滑块燕尾槽镶条(10)。
6.根据权利要求1所述的一种数控机床热误差补偿装置，其特征在于：底座(1)两端设有两凸台，每个凸台开有两个和机床工作台T形槽间距相等的U形槽(2)，用于将底座(1)固定在数控机床工作台上，垂直方向滑块顶部开有均匀分布的夹具固定孔(11)，所述夹具固定孔(11)为螺纹孔，通过螺纹连接固定夹具。
7.一种数控机床热误差补偿方法，其特征在于：数控机床热误差补偿方法是通过若干温度传感器采集数控机床温度敏感区温度信息，通过总线将温度数据传入计算机并预报出热误差值及补偿量，通过A/D转化装置将补偿量转化成不同的输出电压，通过驱动放大装置放大电压信号，用于驱动压电陶瓷微位移致动器。
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