CN107378637A - 一种数控机床热误差控制结构和方法 - Google Patents

一种数控机床热误差控制结构和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种数控机床热误差控制结构和方法，包括主轴、光栅尺、机床滑枕、滑枕进给电机和丝杠螺母副，机床滑枕套设在主轴上，丝杠螺母副的丝杠与滑枕进给电机连接，螺母与机床滑枕固连，机床滑枕表面设有因瓦合金板，因瓦合金板与机床滑枕的轴向运动同步，光栅尺与滑枕进给电机电连接，滑枕进给电机接收到光栅尺发送的信号后启停；因瓦合金板上设有隔热基座，光栅尺固设于隔热基座上，光栅尺的首端与丝杠螺母副的螺母起点平齐。采用低热膨胀系数的因瓦合金板和隔热基座，消除了光栅尺变形，保持了刻度间距的精度，利用光栅尺的位置闭环控制功能，实现了对滑枕热变形和光栅尺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。

Description

一种数控机床热误差控制结构和方法
技术领域
本发明属于机床加工精度技术领域，具体涉及一种数控机床热误差控制结构和方法。
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，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以加强冷却为出发点，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，实际使用的鲁棒性有待提高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的上述问题，实现对机床滑枕热变形和光栅尺热变形产生的滑枕定位误差的稳定控制，保证了滑枕的定位精度。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种数控机床热误差控制结构，包括主轴、光栅尺、机床滑枕、滑枕进给电机和丝杠螺母副，所述机床滑枕套设在主轴上，丝杠螺母副的丝杠与滑枕进给电机连接，螺母与机床滑枕固连，所述机床滑枕表面设有因瓦合金板，所述因瓦合金板与机床滑枕的轴向运动同步，所述光栅尺与滑枕进给电机电连接，滑枕进给电机接收到光栅尺发送的信号后启停；
所述因瓦合金板上设有隔热基座，所述光栅尺固设于隔热基座上，所述光栅尺的首端与丝杠螺母副的螺母起点平齐。
所述因瓦合金板一端与机床滑枕前端刚性连接，中部和另一端均通过柔性支撑连接。
所述柔性支撑为圆弧型柔性铰链支撑。
所述隔热基座厚度小于10mm。
所述隔热基座的材质为气凝胶毡。
本发明还提供了一种数控机床热误差控制方法，使用数控机床热误差控制结构，数控机床在加工过程中生热，光栅尺在隔热基座的隔热作用下，刻度间距不变，而机床滑枕受热膨胀，其前端面沿进给方向移动，带动因瓦合金板同步移动，同时光栅尺运动，使光栅尺位置读数改变，光栅尺发送信号给滑枕进给电机，滑枕进给电机驱动机床滑枕调整其当前位置，使机床滑枕向进给反方向移动，使光栅尺和因瓦合金板随着机床滑枕的移动也发生位置改变，同时光栅尺位置度数也随即改变，直至光栅尺位置度数恢复到机床滑枕无膨胀状态的位置读数，光栅尺发送信号给滑枕进给电机使其伺服断电。
本发明的有益效果是：
本发明提供的这种数控机床热误差控制结构，首先采用低热膨胀系数的因瓦合金板，限制了光栅尺两端的位置，使其整体长度不发生变化，再通过在因瓦合金板和光栅尺之间加装了具有良好隔热性能的隔热基座，大大降低了光栅尺的温升，消除了光栅尺变形，保持了刻度间距的精度，同时利用光栅尺的位置闭环控制功能，实现了对滑枕热变形和光栅尺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。
下面将结合附图做进一步详细说明。
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是本发明控制方法的流程图。
图中：1、主轴；2、机床滑枕；3、因瓦合金板；4、螺母；5、丝杠；6、主轴电机；7、光栅尺；8、圆弧型柔性铰链支撑；9、光栅尺读数头；10、隔热基座。
具体实施方式
实施例1：
本实施例提供了一种数控机床热误差控制结构，包括主轴1、光栅尺7、机床滑枕2、滑枕进给电机和丝杠螺母副，所述机床滑枕2套设在主轴1上，丝杠螺母副的丝杠5与滑枕进给电机连接，螺母4与机床滑枕2固连，所述机床滑枕2表面设有因瓦合金板3，所述因瓦合金板3与机床滑枕2的轴向运动同步，所述光栅尺7与滑枕进给电机电连接，滑枕进给电机接收到光栅尺7发送的信号后启停；
所述因瓦合金板3上设有隔热基座10，所述光栅尺7固设于隔热基座10上，所述光栅尺7的首端与丝杠螺母副的螺母4起点平齐。
由于现有机床滑枕2结构，光栅尺7被直接安装在滑枕表面；随着滑枕的温升，光栅尺7不可避免发生热膨胀，光栅尺7刻度间距变大，以变形的光栅尺7进行机床的闭环位置控制，势必会加剧滑枕的定位误差。
本发明原理：
采用低热膨胀系数的因瓦合金板3，限制了光栅尺7两端的位置，使其整体长度不发生变化，因瓦合金是一种镍铁合金，其热膨胀系数仅为1.5×10-6℃，虽然变形量很小，限制了光栅尺7两端的位置，使其整体长度不发生变化，但由于温升依然存在，光栅尺7自身膨胀和两端的约束造成光栅尺7扭曲变形和光栅尺7刻度间距误差，进而影响光栅尺7控制滑枕的位置精度；因此再通过在因瓦合金板3和光栅尺7之间加装了具有良好隔热性能的隔热基座10，大大降低了光栅尺7的温升，消除了光栅尺7变形，保持了刻度间距的精度，同时利用光栅尺7的位置闭环控制功能，实现了对滑枕热变形和光栅尺7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。
实施例2：
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种如图1、图2所示的数控机床热误差控制结构，所述因瓦合金板3一端与机床滑枕2前端刚性连接，中部和另一端均通过柔性支撑连接。
采用刚性连接，保证了机床滑枕2前端与因瓦合金板3的同步运动。机床在实际加工中难免存在机械振动和外在环境的干扰，为此在因瓦合金板3的中部和末端安装了柔性支撑，它的特点是：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高，如图3所示，该柔性支撑采用了圆弧型柔性铰链结构，有较大的移动范围,其运动精度的稳定性和一致性足够满足因瓦合金板3相对机床滑枕2的运动。
在本实施例中，所述隔热基座10厚度小于10mm。所述隔热基座10的材质为气凝胶毡。
该结构功能实施的具体过程：
数控机床加工，主轴电机6驱动主轴1往复运动生热，机床滑枕2受热膨胀，机床滑枕2前端面沿进给方向移动，位移量为Δ。考虑到因瓦合金板3热变形量非常小，加之前端与机床滑枕2刚性连接，中部和末端采用了柔性支撑，因瓦合金板3会随着机床滑枕2前端面的伸出同步移动，位移量也为Δ。
光栅尺7与因瓦合金板3固连，光栅尺7随因瓦合金板3同步运动，光栅尺7位移量为Δ。由于光栅尺读数头9位置不发生改变，因此光栅尺7位置读数改变；但由于其闭环控制功能，根据光栅尺7位置反馈，滑枕进给电机驱动机床滑枕2（如图1所示，通过丝杠螺母副的螺母4带动机床滑枕2运动），调整机床滑枕2当前位置，此时光栅尺7和因瓦合金板3伴随着机床滑枕2的移动也会发生位置改变，光栅尺7度数也随即改变，直至光栅尺7恢复到机床滑枕2无膨胀状态的位置读数。
由于该装置中的隔热基座10和合金板的共同作用，光栅尺7自身刻度间距不发生改变，所以在光栅尺7度数恢复同时，机床滑枕2的位置调整量为Δ，即机床滑枕2前端面位移量。这样就完成了对机床滑枕2热变形误差的补偿及控制。
实际工作中，当机床滑枕2前端膨胀量达到光栅尺7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，因瓦合金板3和光栅尺7不发生位移，或者伺服系统断电。
实施例3：
在前述实施例的基础上，本实施例提供了一种如图4所示的数控机床热误差控制方法，使用数控机床热误差控制结构，数控机床在加工过程中生热，光栅尺7在隔热基座10的隔热作用下，刻度间距不变，而机床滑枕2受热膨胀，其前端面沿进给方向移动，带动因瓦合金板3同步移动，同时光栅尺7运动，使光栅尺7位置读数改变，光栅尺7发送信号给滑枕进给电机，滑枕进给电机驱动机床滑枕2调整其当前位置，使机床滑枕2向进给反方向移动，使光栅尺7和因瓦合金板3随着机床滑枕2的移动也发生位置改变，同时光栅尺7位置度数也随即改变，直至光栅尺7位置度数恢复到机床滑枕2无膨胀状态的位置读数，光栅尺7发送信号给滑枕进给电机使其伺服断电。
本发明与现有的针对类似结构的热误差补偿技术相比，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，机床滑枕2的热定位误差和光栅尺7热变形引入的误差降低了百分之八十以上，具有良好的经济效益和社会效益。
本发明的说明和实施例中没有详细说明的方法和结构属本行业的公知常识，在此不一一描述。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种数控机床热误差控制结构，其特征在于：包括主轴（1）、光栅尺（7）、机床滑枕（2）、滑枕进给电机和丝杠螺母副，所述机床滑枕（2）套设在主轴（1）上，丝杠螺母副的丝杠（5）与滑枕进给电机连接，螺母（4）与机床滑枕（2）固连，所述机床滑枕（2）表面设有因瓦合金板（3），所述因瓦合金板（3）与机床滑枕（2）的轴向运动同步，所述光栅尺（7）与滑枕进给电机电连接，滑枕进给电机接收到光栅尺（7）发送的信号后启停；
所述因瓦合金板（3）上设有隔热基座（10），所述光栅尺（7）固设于隔热基座（10）上，所述光栅尺（7）的首端与丝杠螺母副的螺母（4）起点平齐。
2.根据权利要求1所述的一种数控机床热误差控制结构，其特征在于：所述因瓦合金板（3）一端与机床滑枕（2）前端刚性连接，中部和另一端均通过柔性支撑连接。
3.根据权利要求2所述的一种数控机床热误差控制结构，其特征在于：所述柔性支撑为圆弧型柔性铰链支撑（8）。
4.根据权利要求1所述的一种数控机床热误差控制结构，其特征在于：所述隔热基座（10）厚度小于10mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种数控机床热误差控制结构，其特征在于：所述隔热基座（10）的材质为气凝胶毡。
6.一种数控机床热误差控制方法，使用权利要求1-4任一项所述的数控机床热误差控制结构，其特征在于：数控机床在加工过程中生热，光栅尺（7）在隔热基座（10）的隔热作用下，刻度间距不变，而机床滑枕（2）受热膨胀，其前端面沿进给方向移动，带动因瓦合金板（3）同步移动，同时光栅尺（7）运动，使光栅尺（7）位置读数改变，光栅尺（7）发送信号给滑枕进给电机，滑枕进给电机驱动机床滑枕（2）调整其当前位置，使机床滑枕（2）向进给反方向移动，使光栅尺（7）和因瓦合金板（3）随着机床滑枕（2）的移动也发生位置改变，同时光栅尺（7）位置度数也随即改变，直至光栅尺（7）位置度数恢复到机床滑枕（2）无膨胀状态的位置读数，光栅尺（7）发送信号给滑枕进给电机使其伺服断电。
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