CN107470978A - 一种丝杠及其轴向补偿系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于丝杠的轴向补偿方法，包括：获取位于丝杠进给系统中的参考点A在初始状态下沿丝杠线性方向的位置、以及因丝杠受温度变化导致A点当前位置变化的差值Δa；根据所述差值Δa得到当前所述丝杠的脉冲当量C¹；根据当前的所述脉冲当量C¹以及所述丝杠需要移动的距离y得到需要发出的脉冲数n¹。本发明还公开了一种用于丝杠的轴向补偿系统。本发明还公开了一种包括上述轴向补偿系统的丝杠。上述轴向补偿方法，可以补偿因温度变化导致丝杠轴向胀缩引起的定位精度的变化，从而提高丝杠的运动精度。

Description

一种丝杠及其轴向补偿系统与方法

技术领域

本发明涉及丝杠技术领域，特别涉及一种丝杠及其轴向补偿系统与方法。

背景技术

滚珠丝杠工作时会发热，发热使丝杠热膨胀从而加大导程影响传动和定位精度。为了保证丝杠系统的定位精度，国内纷纷展开了深入研究。

目前来说，研究方向主要有以下几个方向：

其一、提高丝杠的制造精度、采用热膨涨系数小的材料或者采用内部中空或自带冷却系统的丝杠等等；但这无疑会造成结构的庞大、不便而且大大增加制造成本，更主要的是不能从根本解决问题；

其二、通过丝杠反复运动，采集大量丝杠温度与丝杆线性方向伸缩长度的相关数据，然后通过公式推算进行线性补偿；但是这种方法非常有局限性。首先：采集的数据量需要非常巨大而丝杠本身的温度难以测量；其次丝杠因为自身螺旋形的结构及受力特点以及与外界环境的复杂热交换导致丝杆本身温度并不是均匀的，所以采用此种方法补偿存在很多的弊端；

其三、采用光栅尺作为位置反馈原件使整个控制系统形成闭环，来保证定位精度。但是光栅尺测量精度受环境温度影响较大，平均每升高1℃，每米有8um的误差，对于长期工作在较高温度环境中的机床采用光栅尺无法进行精确的定位，有时候甚至会导致有飞车等危险的情况出现。

综上，丝杠伸缩引起定位精度的问题一直未能很好的解决，对于高精度机床，往往会选择直线电机来替代丝杠，但是直线电机因为同样采用光栅尺作为位置反馈原件，对于温度较高的场合，同样不能发挥其特有的优势，因此丝杠伸缩引起的定位精度问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种丝杠及其轴向补偿系统与方法，可以补偿因丝杠系统受温度变化而导致的定位精度的变化，提高丝杠的运动精度。

为实现上述目的，本发明提供一种用于丝杠的轴向补偿方法，包括：

获取位于丝杠进给系统中的参考点A在初始状态下沿丝杠线性方向的位置、以及因丝杠受温度变化导致A点当前位置变化的差值Δa；

根据所述差值Δa得到当前运动控制系统的脉冲当量C¹；

根据当前的所述脉冲当量C¹以及所述丝杠需要移动的距离y得到需要发出的脉冲数n¹。

相对于上述背景技术，本发明提供的轴向补偿方法，首先选取位于丝杠中的参考点A，参考点A可以选在丝杠支撑端、自由端或者与丝杠螺母相链接的一点等，但是选取的这个点相对于丝杠固定端的位置除丝杠本身沿线性方向的胀缩外不受外界影响：比如温度、自身形变等。获取位于丝杠进给系统中的参考点A在初始状态下沿丝杠线性方向的位置、以及因丝杠受温度变化导致A点当前位置变化的差值Δa，也即丝杠在初始状态下以及受温度影响变化后的两个状态下，获取参考点A位置变化的差值Δa；根据差值Δa得到当前所述运动控制系统的脉冲当量C¹；最后根据当前的所述脉冲当量C¹以及所述丝杠进给系统沿丝杠线性方向需要移动的距离y得到需要发出的脉冲数n¹。如此设置，通过检测参考点A沿丝杠方向位置的变化，实时反映丝杠沿线性方向胀缩的变化，同时修正脉冲当量，纠正定位偏差，定位精度可达2um以内。本发明为丝杠伸缩引起的定位误差补偿提供了一种非常有效切实可行的方法，可以替代传统的大数据采集温度补偿的方法，也可以替代光栅尺；在温度较高或者一些环境较恶劣的的场合比光栅尺使用更为可靠。

优选地，所述获取位于丝杠进给系统中的参考点A在初始状态下沿丝杠线性方向的位置、以及因丝杠受温度变化导致A点当前位置变化的差值Δa的步骤包括：

选取位于丝杠中的参考点A以及相对于丝杠固定端位置固定不变的测量点B；

以所述测量点B为基准，获取位于丝杠进给系统中的参考点A在初始状态下沿丝杠线性方向的位置以及因丝杠受温度变化导致A点当前位置变化的差值Δa。

优选地，所述根据所述差值Δa得到当前所述丝杠的脉冲当量C¹的步骤包括：

利用公式C＝a/n计算在初始状态时的脉冲当量C；其中：a为初始状态时丝杆进给系统移动的距离；n为初始状态下丝杠进给系统移动a的距离控制系统需要发出的脉冲个数；

利用公式C¹＝a¹/n＝(a+Δa)/n＝C×a¹/a计算当前所述丝杠的脉冲当量C¹；其中：a为在初始状态时丝杠进给系统的移动距离，a¹为丝杠温度变化后丝杠进给系统的移动距离，C为初始状态时运动控制系统的脉冲当量。

优选地，所述根据当前的所述脉冲当量C¹以及所述丝杆进给系统沿丝杠方向需要移动的距离y得到需要发出的脉冲数n¹的步骤包括：

利用公式n¹＝y/C¹计算所述丝杆进给系统沿丝杠方向需要移动的距离y所需要发出的脉冲数n¹。

优选地，所述获取位于丝杠进给系统中的参考点A在初始状态下沿丝杠线性方向的位置、以及因丝杠受温度变化导致A点当前位置变化的差值Δa的步骤之前还包括：

选取位于丝杠进给系统中能够实时反应丝杠因受温度变化而导致沿线性方向长度变化的参考点A。

本发明还提供一种用于丝杠的轴向补偿系统，包括：

差值获取模块：用于获取位于丝杠进给系统中的参考点A在初始状态下沿丝杠线性方向的位置、以及因丝杠受温度变化导致A点当前位置变化的差值Δa；

脉冲当量计算模块：用于根据所述差值Δa得到当前所述运动控制系统的当量C¹；

脉冲数计算模块：用于根据当前的所述脉冲当量C¹以及所述丝杠进给系统沿丝杠线性方向需要移动的距离y得到需要发出的脉冲数n¹。

优选地，所述脉冲当量计算模块包括：

初始脉冲当量运算单元，用于利用公式C＝a/n计算在初始状态运动控制系统的脉冲当量C；其中：a为初始状态时丝杆进给系统沿丝杠线性方向的移动距离；n为所述丝杠进给系统移动距离a时，运动控制系统需要发出的脉冲数；

当前脉冲当量运算单元，用于利用公式C¹＝a¹/n＝(a+Δa)/n＝C×a¹/a计算当前所述运动控制系统脉冲当量C¹；其中：a为初始状态时丝杠进给系统沿丝杠线性方向移动的距离，a¹为当前状态下丝杠进给系统沿丝杠线性方向的移动距离；C为初始状态时运动控制系统的脉冲当量。

优选地，所述脉冲数计算模块包括：

脉冲数运算单元：用于利用公式n¹＝y/C¹计算所述丝杠进给系统沿丝杠线性方向需要移动的距离y所需要发出的脉冲数n¹。

优选地，所述差值获取模块具体为红外传感器。

本发明还提供一种丝杠，包括上述任意一项所述的轴向补偿系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的用于丝杠的轴向补偿方法的流程图；

图2为本发明实施例所提供的用于丝杠的轴向补偿系统的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1和图2，图1为本发明实施例所提供的用于丝杠的轴向补偿方法的流程图；图2为本发明实施例所提供的用于丝杠的轴向补偿系统的结构框图。

本发明提供的一种用于丝杠的轴向补偿方法，如说明书附图1所示，主要包括：

S1、获取位于丝杠进给系统中的参考点A在初始状态下沿丝杠线性方向的位置、以及因丝杠受温度变化导致A点当前位置变化的差值Δa；

S2、根据所述差值Δa得到当前所述运动控制系统的脉冲当量C¹；

S3、根据当前的所述脉冲当量C¹以及所述丝杠进给系统沿丝杠线性方向需要移动的距离y得到需要发出的脉冲数n¹。

在步骤S1中，选取丝杠进给系统中的参考点A；选取位于丝杠进给系统中能够实时反应丝杠因受温度变化而导致沿线性方向长度变化的参考点A。参考点A可以选在丝杠支撑端、自由端或者与丝杠螺母相链接的一点等，但是选取的这个点相对于丝杠固定端的位置除丝杠本身沿线性方向的胀缩外尽可能不受外界影响：比如温度、自身形变等。举例来说：如果进给平台发热就必须采取隔离措施防止参考点A因为平台发热导致A点热变形继而影响到自身沿丝杠方向的位置变化；这样做是为了保证引起参考点A沿Y向位置的变化是丝杠伸缩这个因素引起的。

当丝杠在初始状态下，也即丝杠在自身温度未发生变化的状态下时，获取参考点A沿丝杠方向相对于丝杆固定端的位置，此处称之为初始状态下的位置；丝杠运行一段时间后，获取参考点A沿丝杠线性方向相对于丝杠固定端的位置，此时的位置称为变化后的当前位置。

当然，更为具体的，步骤S1可以为：

选取丝杠进给系统中的参考点A以及相对于丝杠固定端位置固定不变的测量点B；

以所述测量点B为基准，获取位于丝杠进給系统中的参考点A在初始状态下沿丝杠线性方向的位置以及因丝杠受温度变化导致A点当前位置变化的差值Δa；

其中，测量点B应为在固定丝杠之外的地方，测量点B可以为固定测量系统的位置。测量点B处所用的测量系统可以为视觉、机械或是激光等。

以测量点B为基准，参考点A在每经过测量点B处的测量系统即可测量出A点位置的变化；也即参考点A在初始状态下经过测量点B时，由测量点B获取参考点A的初始状态下的位置；当丝杠因温度变化导致自身胀缩后，参考点A在受热膨胀后经过测量点B时，由测量点B获取参考点A的变化位置。

而后执行步骤S2，根据所述差值Δa得到当前所述运动控制系统的脉冲当量C¹；具体地，可以为：

利用公式C＝a/n计算在初始状态运动控制系统的脉冲当量C；其中：a为初始状态时丝杆进给系统沿丝杠线性方向的移动距离；n为所述丝杠进给系统移动距离a时，运动控制系统需要发出的脉冲数；

利用公式C¹＝a¹/n＝(a+Δa)/n＝C×a¹/a计算当前所述运动控制系统的脉冲当量C¹；其中：a为初始状态时丝杠进给系统沿丝杠线性方向移动的距离，a1为当前状态下丝杠进给系统沿丝杠线性方向的移动距离；C为初始状态时运动控制系统的脉冲当量。

也即，在初始状态下，丝杠进给系统的移动距离为a时，需要发送n个脉冲，则在初始状态时运动控制系统脉冲当量为C＝a/n；

在温度变化后，由于丝杆的伸缩，运动控制系统发同样的脉冲，丝杠进给系统移动的距离变为a¹，即a+Δa；脉冲当量C¹＝a¹/n，即C¹＝C×a¹/a。

在步骤S3中，根据当前的所述脉冲当量C¹以及所述丝杠进给系统沿丝杠线性方向需要移动的距离y得到需要发出的脉冲数n¹的步骤具体为：

利用公式n¹＝y/C¹计算所述丝杠进给系统沿丝杠线性方向需要移动的距离y所需要发出的脉冲数n¹。

计算出当前运动控制系统的脉冲当量C¹之后，则丝杠进给系统沿丝杠轴线方向当前需要移动距离y，需要发的脉冲数为n¹，n¹＝y/C¹。

由此可以确定当丝杆因温度变化沿线性方向胀缩后，倘若需要移动距离y时，则需要发送的脉冲数，实现了对丝杆沿轴向方向的补偿；采用上述方法，替代传统的大数据采集温度补偿的方法，也可以替代光栅尺；在温度较高或者一些环境较恶劣的的场合比光栅尺使用更为可靠。

本发明还提供一种用于丝杠的轴向补偿系统，如说明书附图2所示，主要包括：

差值获取模块101：用于获取位于丝杠进给系统中的参考点A在初始状态下沿丝杠线性方向的位置、以及因丝杠受温度变化导致A点当前位置变化的差值Δa；

脉冲当量计算模块102：用于根据所述差值Δa得到当前所述运动控制系统的脉冲当量C¹；

脉冲数计算模块103：用于根据当前的所述脉冲当量C¹以及所述丝杠进给系统沿丝杠轴线方向需要移动的距离y得到需要发出的脉冲数n¹。

其中，差值获取模块101可以为红外传感器，用于获取参考点A在初始状态下沿丝杠线性方向的位置、以及因丝杠受温度变化导致A点当前位置变化的差值Δa；当然，差值获取模块101还可以为其他部件，本文将不再赘述。

优选地，所述脉冲当量计算模块包括：

初始脉冲当量运算单元，用于利用公式C＝a/n计算在初始状态时的脉冲当量C；其中：a为初始状态时丝杆进给系统沿丝杠线性方向的移动距离；n为所述丝杠进给系统移动距离a时，运动控制系统需要发出的脉冲数；

当前脉冲当量运算单元，用于利用公式C¹＝a¹/n＝(a+Δa)/n＝C×a¹/a计算当前所述运动控制系统的脉冲当量C¹；其中：a为初始状态时丝杠进给系统沿丝杠线性方向移动的距离，a¹为当前状态下丝杠进给系统沿丝杠线性方向的移动距离；C为初始状态时运动控制系统的脉冲当量。

优选地，所述脉冲数计算模块包括：

脉冲数运算单元：用于利用公式n¹＝y/C¹计算所述丝杠进给系统需要移动的距离y时运动控制系统所需要发出的脉冲数n¹。

本发明还提供一种丝杠，包括上述任意一项所述的轴向补偿系统。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的丝杠及其轴向补偿系统与方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于丝杠的轴向补偿方法，其特征在于，包括：

获取位于丝杠进给系统中的参考点A在初始状态下沿丝杠线性方向的位置、以及因丝杠受温度变化导致A点当前位置变化的差值Δa；

根据所述差值Δa得到当前运动控制系统的脉冲当量C¹；

根据当前的所述脉冲当量C¹以及所述丝杠需要移动的距离y得到需要发出的脉冲数n¹。

2.根据权利要求1所述的轴向补偿方法，其特征在于，所述获取位于丝杠进给系统中的参考点A在初始状态下沿丝杠线性方向的位置、以及因丝杠受温度变化导致A点当前位置变化的差值Δa的步骤包括：

选取位于丝杠中的参考点A以及相对于丝杠固定端位置固定不变的测量点B；

以所述测量点B为基准，获取位于丝杠进给系统中的参考点A在初始状态下沿丝杠线性方向的位置以及因丝杠受温度变化导致A点当前位置变化的差值Δa。

3.根据权利要求2所述的轴向补偿方法，其特征在于，所述根据所述差值Δa得到当前所述丝杠的脉冲当量C¹的步骤包括：

利用公式C＝a/n计算在初始状态时的脉冲当量C；其中：a为初始状态时丝杆进给系统移动的距离；n为初始状态下丝杠进给系统移动a的距离控制系统需要发出的脉冲个数；

利用公式C¹＝a¹/n＝(a+Δa)/n＝C×a¹/a计算当前所述丝杠的脉冲当量C¹；其中：a为在初始状态时丝杠进给系统的移动距离，a¹为丝杠温度变化后丝杠进给系统的移动距离，C为初始状态时运动控制系统的脉冲当量。

4.根据权利要求3所述的轴向补偿方法，其特征在于，所述根据当前的所述脉冲当量C¹以及所述丝杆进给系统沿丝杠方向需要移动的距离y得到需要发出的脉冲数n¹的步骤包括：

利用公式n¹＝y/C¹计算所述丝杆进给系统沿丝杠方向需要移动的距离y所需要发出的脉冲数n¹。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的轴向补偿方法，其特征在于，所述获取位于丝杠进给系统中的参考点A在初始状态下沿丝杠线性方向的位置、以及因丝杠受温度变化导致A点当前位置变化的差值Δa的步骤之前还包括：

选取位于丝杠进给系统中能够实时反应丝杠因受温度变化而导致沿线性方向长度变化的参考点A。

6.一种用于丝杠的轴向补偿系统，其特征在于，包括：

差值获取模块：用于获取位于丝杠进给系统中的参考点A在初始状态下沿丝杠线性方向的位置、以及因丝杠受温度变化导致A点当前位置变化的差值Δa；

脉冲当量计算模块：用于根据所述差值Δa得到当前所述运动控制系统的脉冲当量C¹；

脉冲数计算模块：用于根据当前的所述脉冲当量C¹以及所述丝杠进给系统沿丝杠线性方向需要移动的距离y得到需要发出的脉冲数n¹。

7.根据权利要求6所述的轴向补偿系统，其特征在于，所述脉冲当量计算模块包括：

初始脉冲当量运算单元，用于利用公式C＝a/n计算在初始状态时的脉冲当量C；其中：a为初始状态时丝杆进给系统移动的距离；n为初始状态下丝杠进给系统移动a的距离控制系统需要发出的脉冲个数；

当前脉冲当量运算单元，用于利用公式C¹＝a¹/n＝(a+Δa)/n＝C×a¹/a计算当前所述运动控制系统的脉冲当量C¹；其中：a为在初始状态时丝杠进给系统的移动距离，a¹为丝杠温度变化后丝杠进给系统的移动距离，C为初始状态时运动控制系统的脉冲当量。

8.根据权利要求7所述的轴向补偿系统，其特征在于，所述脉冲数计算模块包括：

脉冲数运算单元：用于利用公式n¹＝y/C¹计算所述丝杠进给系统需要移动的距离y时运动控制系统需要发出的脉冲数n¹。

9.根据权利要求6～8任意一项所述的轴向补偿系统，其特征在于，所述差值获取模块具体为红外传感器。

10.一种丝杠，其特征在于，包括上述权利要求6～9任意一项所述的轴向补偿系统。