CN107608310A - 数控机床用加工主轴的温度补偿系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种数控机床用加工主轴的温度补偿系统及其方法，所述数控机床可为五轴数控机床，其包含床身、主轴箱和数控机床主控单元，所述主轴箱内设有加工组件以对工件进行加工，所述数控机床主控单元连接至各驱动电机以实现加工组件在X轴、Y轴、Z轴三个方向上的进给，通过检测单元的对加工组件进行温度检测，以获得温度信号后产生补偿数据，同时对加工头检测位置信号后产生实时位置数据，依据补偿数据、实时位置数据进行实时调节，以对温度产生的热误差以及运动误差进行补偿。

Description

数控机床用加工主轴的温度补偿系统及其方法

技术领域

本发明涉及数控机床补偿的技术领域，尤其涉及一种数控机床用加工主轴的温度补偿系统及其方法。

背景技术

精密和超精密加工技术已成为现代机械制造中最重要的组成部分和发展方向，并成为提高国际竞争能力的关键技术。数控机床作为机械制造中的重要工具，它的精度指标是影响工件加工精度的重要因素。然而，由于数控机床存在着几何误差(由机床本身制造、装配缺陷造成的误差)、热误差(由机床温度变化而引起热变形造成的误差)、切削力引起的误差和刀具磨损产生的误差等众多误差元素，严重影响了数控机床的加工精度。研究表明：机床的几何误差、热误差引起的误差约占机床总误差的70％，所以数控机床几何误差和热误差的补偿对提高机床加工精度具有重大意义。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种数控机床用加工主轴的温度补偿系统及其方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数控机床用加工主轴的温度补偿系统及其方法,能对加工过程中的热误差和运动误差进行补偿，有效提高的加工精度。

为解决上述问题，本发明公开了一种数控机床用加工主轴的温度补偿系统，应用于一数控机床，所述数控机床可为五轴数控机床，其包含床身、主轴箱和数控机床主控单元，所述主轴箱内设有加工组件以对工件进行加工，所述数控机床主控单元连接至各驱动电机以实现加工组件在X轴、Y轴、Z轴三个方向上的进给，其特征在于：

所述加工组件包含支架、主轴以及驱动主轴，所述主轴贯穿于支架且通过两端的轴承旋转支撑于支架，所述主轴的头部设有加工头，其中，所述温度补偿系统还包含控制组件、加工头定位组件和至少一检测单元，所述控制组件连接于加工头定位组件、至少一检测单元以及数控机床主控单元，所述至少一检测单元的对加工组件进行温度检测，以获得温度信号后发送给控制组件，所述加工头定位组件对加工头相对位置进行检测，以获得加工头的位置信号并发送给控制组件，所述控制组件接受到温度信号后产生补偿数据并将该补偿数据发送给数控机床主控单元，同时接收到位置信号后产生实时位置数据发送给数控机床主控单元，所述数控机床主控单元接受该补偿数据以及实时位置数据，并根据初始进给数据和补偿数据进行实时调节，以对温度产生的热误差以及运动误差进行补偿。

其中：所述床身的一侧上方设有工件台，所述工件台的中间设有通过工件旋转轴可调角度固定于工件台上的工件安装部，所述工件安装部为可旋转固定的安装部。

其中：所述床身另一侧上方设有两平行设置的X轴导轨和在X轴导轨上滑动的X轴滑动台，所述两X轴导轨之间设有X轴驱动螺杆和X轴驱动电机，所述X轴滑动台上设有两平行设置的Y轴导轨和在Y轴导轨上滑动的Y轴滑动台，所述两Y轴导轨之间设有Y轴驱动螺杆和Y轴驱动电机，所述Y轴滑动台上设有两平行设置的Z轴导轨和在Z轴导轨上滑动的Z轴滑动台，所述两Z轴导轨之间设有Z轴驱动螺杆和Z轴驱动电机，所述Z轴滑动台上设有主轴箱。

其中：所述至少一检测单元至少包含位于支架内缘以对所述主轴的温度进行检测的主轴温度检测单元以及对两端轴承温度进行检测的轴承温度检测单元，还包含设置于加工头内对加工头进行温度的加工头温度检测单元，各温度检测单元与温度数据采集单元连接，所述温度数据采集单元与控制组件连接，从而实时传输测量得到的关键测点的温度值。

其中：所述加工头定位组件为激光定位组件，所述激光定位组件包含位于加工头上的激光发射单元和位于主轴箱上的激光接受单元，通过激光发射单元和激光接收单元的相对移动得到加工头的偏移量。

其中：所述控制组件包含数据存储模块、信号接收模块、温度补偿模块、实时位置模块以及信号发送模块，所述控制组件内存有初始数据，该初始数据包含了主轴温度、轴承温度和加工头温度与X、Y、Z三个运动方向上的补偿数据，所述信号接收模块接收温度信号以及位置信号，所述温度补偿模块将主轴温度、轴承温度和加工头温度对应所述初始数据后得到X、Y、Z三个运动方向上的补偿量，所述实时位置模块将位置信号转化为实时位置数据，所述信号发送模块将所述补偿量以及实时位置数据发送给所述数控机床主控单元。

还公开了一种数控机床用加工主轴的温度补偿方法，依据如上所述的数控机床用加工主轴的温度补偿装置实现的，其特征在于，该温度补偿方法包含如下步骤：

步骤一：初始数据采集，从而得到温度信号的补偿量；

步骤二：在加工过程中分别采集各点的温度信号以及加工头的实时位置数据，并将各点的温度信号根据初始数据转换为补偿数据；

步骤三：根据补偿数据以及加工头的实时位置数据对初始进给数据进行补偿，以实时调整加工头的切削进给量，从而有效对加工过程中的热误差和运动误差进行补偿。

通过上述结构可知，本发明的数控机床用加工主轴的温度补偿系统及其方法具有如下效果：

1、能对加工过程中的热误差和运动误差进行补偿，从而避免了温度和运动过程中产生的偏差，有效提高了切削加工的加工精度；

2、采用多点温度采集和加工头直接定位，数据更加准确，补偿的精度能得到更好的保证。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明中数控机床的结构示意图。

图2显示了本发明中数控机床用加工主轴的温度补偿系统的应用示意图。

具体实施方式

参见图1和图2，显示了本发明的数控机床用加工主轴的温度补偿系统。

所述数控机床用加工主轴的温度补偿系统可应用于一数控机床，在图1所示的一实施例中，所述数控机床可为五轴数控机床，其包含床身10和数控机床主控单元，所述床身10的一侧上方设有工件台11，所述工件台11的底部可拆卸的固定于床身10，所述工件台11的中间设有凹部，凹部中可设有通过工件旋转轴12可调角度固定于工件台11上的工件安装部13，所述工件安装部13为可旋转固定的安装部(即可通过定位螺钉和多个定位凹槽的配合实现不同角度的固定)，所述工件可通过固定组件固定于工件安装部13，由此，工件可在工件台11上调节固定和加工的角度。

其中，所述床身10另一侧上方设有两平行设置的X轴导轨14和在X轴导轨14上滑动的X轴滑动台17，所述两X轴导轨14之间设有X轴驱动螺杆15和X轴驱动电机16，所述X轴滑动台17的下方设有与X轴驱动螺杆15螺合驱动的X轴螺栓，所述X轴滑动台17上设有两平行设置的Y轴导轨18和在Y轴导轨18上滑动的Y轴滑动台21，所述两Y轴导轨18之间设有Y轴驱动螺杆19和Y轴驱动电机20，所述Y轴滑动台21的下方设有与Y轴驱动螺杆19螺合驱动的Y轴螺栓，其中，所述Y轴导轨18垂直于X轴导轨14，所述Y轴滑动台21上设有两平行设置的Z轴导轨22和在Z轴导轨22上滑动的Z轴滑动台25，所述两Z轴导轨22之间设有Z轴驱动螺杆23和Z轴驱动电机24，所述Z轴滑动台25的下方设有与Z轴驱动螺杆23螺合驱动的Z轴螺栓，其中，所述Z轴导轨22垂直于X轴导轨14和Y轴导轨18，所述Z轴滑动台25上设有主轴箱26，所述主轴箱26内设有加工组件27，以对工件进行加工，所述数控机床主控单元连接至各驱动电机(包含X轴、Y轴、Z轴驱动电机)以实现加工组件27在X轴、Y轴、Z轴三个方向上的进给即切削加工。

本发明的温度补偿系统应用于主轴箱26内的加工组件27，参见图2，所述加工组件27包含支架28、主轴29以及驱动主轴29，所述主轴29贯穿于支架28且通过两端的轴承30旋转支撑于支架28，所述主轴29的头部设有加工头31，所述支架28设有供给加工头31的冷却液喷射口，所述冷却液喷射口可通过冷却液输送管道连接至冷却液输送泵，其中，所述温度补偿系统还包含控制组件(未示出)、加工头定位组件和至少一检测单元32，所述控制组件连接于加工头定位组件、至少一检测单元32以及数控机床主控单元，所述至少一检测单元32可控的对加工组件27进行温度检测，以获得温度信号后发送给控制组件，所述加工头定位组件对加工头相对位置进行检测，以获得加工头的位置信号并发送给控制组件，所述控制组件接受到温度信号后产生补偿数据ΔT并将该补偿数据ΔT发送给数控机床主控单元，同时接收到位置信号后产生实时位置数据发送给数控机床主控单元，所述数控机床主控单元接受该补偿数据ΔT以及实时位置数据，并根据初始进给数据T和补偿数据ΔT进行实时调节，以对温度产生的热误差以及运动误差进行补偿。

由此，本申请能对加工中产生的温度导致的热误差以及运动误差进行补偿操作，更好的实时修正加工进给数据，并根据修正的加工进给数据进行精密加工。

其中，所述至少一检测单元32至少包含位于支架内缘以对所述主轴29的温度进行检测的主轴温度检测单元以及对两端轴承30温度进行检测的轴承温度检测单元，还可包含设置于加工头31内对加工头31进行温度的加工头温度检测单元，各温度检测单元与温度数据采集单元连接，所述温度数据采集单元可通过以太网等方式与控制组件连接，从而实时传输测量得到的关键测点的温度值，从而有效测量在不同关键测点温度下的误差数据，所述加工头定位组件为激光定位组件，所述激光定位组件包含位于加工头上的激光发射单元和位于主轴箱上的激光接受单元，通过激光发射单元和激光接收单元的相对移动得到加工头的偏移量。

所述控制组件包含数据存储模块、信号接收模块、温度补偿模块、实时位置模块以及信号发送模块，所述控制组件内存有初始数据，该初始数据包含了主轴温度、轴承温度和加工头温度与X、Y、Z三个运动方向上的补偿数据，所述信号接收模块接收温度信号以及位置信号，所述温度补偿模块将主轴温度、轴承温度和加工头温度对应所述初始数据后得到X、Y、Z三个运动方向上的补偿量ΔT，所述实时位置模块将位置信号转化为实时位置数据，所述信号发送模块将所述补偿量ΔT以及实时位置数据发送给所述数控机床主控单元。

可选的是，所述主轴温度的升高与X轴方向的误差呈线性关系，所述加工头温度的升高与Y轴和Z轴方向的误差呈线性关系，所述两轴承温度的差异与Y轴向的误差呈线性关系，所述初始数据可通过未加工状态下分别对主轴、轴承以及加工头进行升温后采集加工头位置数据来得到在X、Y、Z三个运动方向上的位移偏差，从而得到各温度数据与X、Y、Z三个方向上的补偿数据。

本发明还提供了一种数控机床用加工主轴的温度补偿方法，该方法是依据上面描述的数控机床用加工主轴的温度补偿装置实现的，其中，该温度补偿方法包含如下步骤：

步骤一：初始数据采集，从而得到温度信号的补偿量，优选的是，可在未加工状态下分别采集加工关键点的温度信号，即分别对主轴、轴承和加工头进行升温，并实时记录升温后加工头的偏移数据，以生成初始数据；

步骤二：在加工过程中分别采集各点的温度信号以及加工头的实时位置数据，各点的温度信号可包含主轴、轴承以及加工头的温度信号，并将各点的温度信号根据初始数据转换为补偿数据ΔT；

步骤三：根据补偿数据ΔT以及加工头的实时位置数据对初始进给数据T进行补偿，以实时调整加工头的切削进给量，从而有效对加工过程中的热误差和运动误差进行补偿，提高加工精度。

由此可见，本发明的优点在于：

1、能对加工过程中的热误差和运动误差进行补偿，从而避免了温度和运动过程中产生的偏差，有效提高了切削加工的加工精度；

2、采用多点温度采集和加工头直接定位，数据更加准确，补偿的精度能得到更好的保证。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (7)

1.一种数控机床用加工主轴的温度补偿系统，应用于一数控机床，所述数控机床可为五轴数控机床，其包含床身、主轴箱和数控机床主控单元，所述主轴箱内设有加工组件以对工件进行加工，所述数控机床主控单元连接至各驱动电机以实现加工组件在X轴、Y轴、Z轴三个方向上的进给，其特征在于：

所述加工组件包含支架、主轴以及驱动主轴，所述主轴贯穿于支架且通过两端的轴承旋转支撑于支架，所述主轴的头部设有加工头，其中，所述温度补偿系统还包含控制组件、加工头定位组件和至少一检测单元，所述控制组件连接于加工头定位组件、至少一检测单元以及数控机床主控单元，所述至少一检测单元的对加工组件进行温度检测，以获得温度信号后发送给控制组件，所述加工头定位组件对加工头相对位置进行检测，以获得加工头的位置信号并发送给控制组件，所述控制组件接受到温度信号后产生补偿数据并将该补偿数据发送给数控机床主控单元，同时接收到位置信号后产生实时位置数据发送给数控机床主控单元，所述数控机床主控单元接受该补偿数据以及实时位置数据，并根据初始进给数据和补偿数据进行实时调节，以对温度产生的热误差以及运动误差进行补偿。

2.如权利要求1所述的数控机床用加工主轴的温度补偿系统，其特征在于：所述床身的一侧上方设有工件台，所述工件台的中间设有通过工件旋转轴可调角度固定于工件台上的工件安装部，所述工件安装部为可旋转固定的安装部。

3.如权利要求2所述的数控机床用加工主轴的温度补偿系统，其特征在于：所述床身另一侧上方设有两平行设置的X轴导轨和在X轴导轨上滑动的X轴滑动台，所述两X轴导轨之间设有X轴驱动螺杆和X轴驱动电机，所述X轴滑动台上设有两平行设置的Y轴导轨和在Y轴导轨上滑动的Y轴滑动台，所述两Y轴导轨之间设有Y轴驱动螺杆和Y轴驱动电机，所述Y轴滑动台上设有两平行设置的Z轴导轨和在Z轴导轨上滑动的Z轴滑动台，所述两Z轴导轨之间设有Z轴驱动螺杆和Z轴驱动电机，所述Z轴滑动台上设有主轴箱。

4.如权利要求1所述的数控机床用加工主轴的温度补偿系统，其特征在于：所述至少一检测单元至少包含位于支架内缘以对所述主轴的温度进行检测的主轴温度检测单元以及对两端轴承温度进行检测的轴承温度检测单元，还包含设置于加工头内对加工头进行温度的加工头温度检测单元，各温度检测单元与温度数据采集单元连接，所述温度数据采集单元与控制组件连接，从而实时传输测量得到的关键测点的温度值。

5.如权利要求1所述的数控机床用加工主轴的温度补偿系统，其特征在于：所述加工头定位组件为激光定位组件，所述激光定位组件包含位于加工头上的激光发射单元和位于主轴箱上的激光接受单元，通过激光发射单元和激光接收单元的相对移动得到加工头的偏移量。

6.如权利要求1所述的数控机床用加工主轴的温度补偿系统，其特征在于：所述控制组件包含数据存储模块、信号接收模块、温度补偿模块、实时位置模块以及信号发送模块，所述控制组件内存有初始数据，该初始数据包含了主轴温度、轴承温度和加工头温度与X、Y、Z三个运动方向上的补偿数据，所述信号接收模块接收温度信号以及位置信号，所述温度补偿模块将主轴温度、轴承温度和加工头温度对应所述初始数据后得到X、Y、Z三个运动方向上的补偿量，所述实时位置模块将位置信号转化为实时位置数据，所述信号发送模块将所述补偿量以及实时位置数据发送给所述数控机床主控单元。

7.一种数控机床用加工主轴的温度补偿方法，依据如权利要求1-6中任一所述的数控机床用加工主轴的温度补偿装置实现的，其特征在于，该温度补偿方法包含如下步骤：

步骤一：初始数据采集，从而得到温度信号的补偿量；

步骤二：在加工过程中分别采集各点的温度信号以及加工头的实时位置数据，并将各点的温度信号根据初始数据转换为补偿数据；

步骤三：根据补偿数据以及加工头的实时位置数据对初始进给数据进行补偿，以实时调整加工头的切削进给量，从而有效对加工过程中的热误差和运动误差进行补偿。