CN114131428B - 一种数控机床用的热误差监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床用的热误差监测装置,包括基座外壳，以及隔板，隔板上设有驱动电机，驱动电机执行端设有丝杆，基座外壳内滑动连接位移块，位移块丝母连接丝杆，隔板上表面设有形变监测装置以及形变位移监测装置，位移块底部设有三轴位移监测装置；形变监测装置包括驱动部件，设于驱动部件执行端的定位罩环，设于定位罩环内壁的压力监测部件以及从动环，以及穿设于从动环的形变传导部件；三轴位移监测装置包括方形基准杆，套设于方形基准杆外部的方形环，对称设于方形环顶部的X轴测距部件，以及一端贯穿方形环外壁的Y轴测距部件以及Z轴测距部件。本发明是一种便于对丝杆形变进行检测的，便于监测热误差对三轴方向上影响的监测装置。

Description

一种数控机床用的热误差监测装置

技术领域

本发明主要涉及数控机床的技术领域，具体为一种数控机床用的热误差监测装置。

背景技术

数控机床热误差是指机床热变形致使机床按某种操作规程指令所产生的实际响应与该操作规程所预期产生的响应之间的差异。

根据申请号为CN202011337965.1的专利文献所提供的一种数控机床丝杆热误差测量装置及方法可知，该产品包括底座和测量标杆，所述底座上设置有多个安装孔，该安装孔用于与所述测量标杆连接，通过更换不同的安装孔，调整所述测量标杆在所述底座上的安装位置；所述测量标杆包括柱状本体和设置在柱状本体中间的测量平面，该测量平面的直径大于所述柱状本体的直径，数控机床测头测量从初始位置运动至该测量平面的实际运动距离，将该实际运动距离与预设指令距离相比较即可获得丝杆热误差变形量。该产品结构简单，降低了丝杠热误差采集的复杂程度。

上述专利中的产品结构简单，降低了丝杠热误差采集的复杂程度，但不便于对丝杆形变进行检测，不便于监测热误差对三轴方向上的影响。

发明内容

本发明主要提供了一种数控机床用的热误差监测装置，用以解决上述背景技术中提出的技术问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种数控机床用的热误差监测装置,包括基座外壳，以及水平设于所述基座外壳内壁的隔板，所述隔板上表面设有驱动电机，所述驱动电机执行端设有丝杆，所述基座外壳内侧壁且位于所述隔板上方对称设有滑轨，两个所述滑轨间滑动连接位移块，所述位移块丝母连接丝杆，所述隔板上表面且位于所述驱动电机与所述滑轨间设有形变监测装置，所述隔板上表面且位于所述丝杆远离所述驱动电机的一端设有形变位移监测装置，所述位移块底部设有延伸至隔板下方的三轴位移监测装置；

所述形变监测装置包括设于所述隔板上表面的驱动部件，设于所述驱动部件执行端且套设于所述丝杆外部的定位罩环，设于所述定位罩环内壁的压力监测部件，对称设于所述定位罩环两侧的支撑环，两端分别转动连接两个支撑环内壁且跟随丝杆转动的从动环，以及穿设于所述从动环的形变传导部件；

所述形变位移监测装置包括底部滑动连接隔板上表面的左右基准箱，设于所述隔板上表面且位于所述左右基准箱一侧的竖板，设于所述竖板侧壁的第一测距传感器，设于所述左右基准箱内壁的上下位移检测部件，以及设于所述丝杆端部且贯穿所述上下位移检测部件的前后位移检测部件；

所述三轴位移监测装置包括穿设于所述隔板的方形通孔，设于所述基座外壳内壁且位于所述隔板下部的方形基准杆，套设于所述方形基准杆外部且顶部通过支撑柱连接位移块底部的方形环，对称设于所述方形环顶部的X轴测距部件，以及一端贯穿方形环外壁接触方形基准杆的Y轴测距部件以及Z轴测距部件。

优选的，所述驱动部件包括设于所述隔板上表面的直线导轨，所述直线导轨执行端连接定位罩环外壁。在本优选的实施例中，通过驱动部件便于对定位罩环的位置进行调整。

优选的，所述压力监测部件包括环形阵列设于所述定位罩环内壁的多个压力传感器，以及外壁连接多个压力传感器的橡胶环。在本优选的实施例中，通过压力监测部件便于对丝杆的形变进行压力反馈。

优选的，所述从动环内壁设有多个防转卡台，所述防转卡台抵接设于所述丝杆外壁的防转卡槽。在本优选的实施例中，通过防转卡台与防转卡槽配合便于从动环随丝杆转动而转动。

优选的，所述形变传导部件包括一端抵接丝杆外壁、另一端贯穿从动环连接第一滚轮的传导杆，以及套设于所述传导杆外壁且用于将传导杆压紧至丝杆表面的第一弹簧。在本优选的实施例中，通过形变传导部件便于将丝杆形变产生的推力传导至压力监测部件。

优选的，所述上下位移检测部件包括穿设于所述左右基准箱侧壁的方形贯通孔，滑动连接左右基准箱内壁且经方形贯通孔延伸至外部的方形盒，以及设于所述左右基准箱内壁且位于所述方形盒下部的第二测距传感器。在本优选的实施例中，通过上下位移检测部件便于对丝杆的上下偏差进行监测。

优选的，所述前后位移检测部件包括设于所述丝杆端部的第三测距传感器，以及内壁转动连接丝杆外壁，外壁滑动连接方形盒内壁的方形块。在本优选的实施例中，通过前后位移检测部件便于对丝杆的长度变化进行监测。

优选的，所述X轴测距部件包括设于所述方形环上表面的竖直板，嵌设于所述竖直板侧壁的第四测距传感器，以及对称设于所述方形环两侧的移动式基准组件。在本优选的实施例中，通过X轴测距部件便于对移动块的X轴位移量进行测量。

优选的，所述移动式基准组件包括套设于所述方形基准杆外壁的电磁环，以及套设于所述电磁环外壁的基准板。在本优选的实施例中，通过移动式基准组件便于为X轴位移量的精确测量。

优选的，所述Y轴测距部件与所述Z轴测距部件结构相同，所述Z轴测距部件包括顶端贯穿方形环连接第二滚轮的测距杆，设于所述测距杆底部的水平板，设于所述水平板上表面的第五测距传感器，以及套设于所述测距杆外壁且用于将第二滚轮压紧至方形基准杆外壁的第二弹簧。在本优选的实施例中，通过Y轴测距部件以及Z轴测距部件便于对移动块的Y轴以及Z轴偏差量进行测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明中的误差监测装置便于对丝杆形变进行检测，便于监测热误差对三轴方向上的影响；

通过形变监测装置便于对丝杆的形变进行检测，通过形变位移监测装置便于对丝杆形变后的位移进行测量，通过三轴位移监测装置便于对位移块三轴方向上的偏差进行测量；

形变监测装置中通过驱动部件便于对定位罩环的位置进行调整，通过防转卡台与防转卡槽配合便于从动环随丝杆转动而转动，通过形变传导部件便于将丝杆形变产生的推力传导至压力监测部件，通过压力监测部件便于对丝杆的形变进行压力反馈，形变位移监测装置便中通过上下位移检测部件便于对丝杆的上下偏差进行监测，通过前后位移检测部件便于对丝杆的长度变化进行监测，三轴位移监测装置中通过X轴测距部件便于对移动块的X轴位移量进行测量，通过移动式基准组件便于为X轴位移量的精确测量，通过Y轴测距部件以及Z轴测距部件便于对移动块的Y轴以及Z轴偏差量进行测量。

以下将结合附图与具体的实施例对本发明进行详细的解释说明。

附图说明

图1为本发明的整体结构轴测图；

图2为本发明的整体结构爆炸图；

图3为本发明的形变监测装置结构爆炸图；

图4为本发明的三轴位移监测装置结构爆炸图；

图5为本发明的整体结构剖视图；

图6为本发明的形变监测装置结构剖视图；

图7为本发明的三轴位移监测装置结构剖视图；

图8为本发明的A处结构放大图。

附图说明：10、基座外壳；11、隔板；12、驱动电机；13、丝杆；14、滑轨；15、位移块；20、形变监测装置；21、驱动部件；211、直线导轨；22、定位罩环；23、压力监测部件；231、压力传感器；232、橡胶环；24、支撑环；25、从动环；251、防转卡台；252、防转卡槽；26、形变传导部件；261、第一滚轮；262、传导杆；263、第一弹簧；30、形变位移监测装置；31、左右基准箱；32、竖板；33、第一测距传感器；34、上下位移检测部件；341、方形贯通孔；342、方形盒；343、第二测距传感器；35、前后位移检测部件；351、第三测距传感器；352、方形块；40、三轴位移监测装置；41、方形通孔；42、方形基准杆；43、方形环；44、X轴测距部件；441、竖直板；442、第四测距传感器；443、移动式基准组件；4431、电磁环；4432、基准板；45、Y轴测距部件；46、Z轴测距部件；461、第二滚轮；462、测距杆；463、水平板；464、第五测距传感器；465、第二弹簧。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更加全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于文本所描述的实施例，相反的，提供这些实施例是为了使对本发明公开的内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上也可以存在居中的元件，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件，本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常连接的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语知识为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请着重参照附图1、2、3、5、6所示，在本发明一优选实施例中，一种数控机床用的热误差监测装置,包括基座外壳10，以及水平设于所述基座外壳10内壁的隔板11，所述隔板11上表面设有驱动电机12，所述驱动电机12执行端设有丝杆13，所述基座外壳10内侧壁且位于所述隔板11上方对称设有滑轨14，两个所述滑轨14间滑动连接位移块15，所述位移块15丝母连接丝杆13，所述隔板11上表面且位于所述驱动电机12与所述滑轨14间设有形变监测装置20，所述隔板11上表面且位于所述丝杆13远离所述驱动电机12的一端设有形变位移监测装置30，所述位移块15底部设有延伸至隔板11下方的三轴位移监测装置40；所述形变监测装置20包括设于所述隔板11上表面的驱动部件21，设于所述驱动部件21执行端且套设于所述丝杆13外部的定位罩环22，设于所述定位罩环22内壁的压力监测部件23，对称设于所述定位罩环22两侧的支撑环24，两端分别转动连接两个支撑环24内壁且跟随丝杆13转动的从动环25，以及穿设于所述从动环25的形变传导部件26；所述驱动部件21包括设于所述隔板11上表面的直线导轨211，所述直线导轨211执行端连接定位罩环22外壁，所述压力监测部件23包括环形阵列设于所述定位罩环22内壁的多个压力传感器231，以及外壁连接多个压力传感器231的橡胶环232，所述从动环25内壁设有多个防转卡台251，所述防转卡台251抵接设于所述丝杆13外壁的防转卡槽252，所述形变传导部件26包括一端抵接丝杆13外壁、另一端贯穿从动环25连接第一滚轮261的传导杆262，以及套设于所述传导杆262外壁且用于将传导杆262压紧至丝杆13表面的第一弹簧263。

需要说明的是，在本实施例中，位移块15可作为刀具架，驱动电机12执行端带动丝杆13转动，丝杆13带动位移块15移动，当驱动电机12工作产热后，热量传导至丝杆13，丝杆13将会产生形变，此时形变监测装置20可对丝杆13的形变进行检测；

可在基座外壳10内安装热成像摄像头，以便于了解驱动电机12工作时丝杆13温度最高的部位，驱动电机12工作前，通过直线导轨211对定位罩环22的位置进行调节，如移动至驱动电机12工作时丝杆13温度最高的部位，丝杆13转动时，从动环25通过防转卡台251以及防转卡槽252随丝杆13一同转动，当丝杆13受热膨胀时，形变传导部件26将丝杆13受热膨胀产生的推力传导至压力监测部件23，控制器接收压力传感器231的压力数据并在压力数据大于设定值时判定丝杆13产生热误差；

进一步的，形变传导部件26工作时，第一滚轮261在橡胶环232内壁滚动，当丝杆13受热膨胀时将会带动传导杆262外移，第一滚轮261给予压力传感器231压力。

请着重参照附图2、5、8所示，在本发明另一优选实施例中，所述形变位移监测装置30包括底部滑动连接隔板11上表面的左右基准箱31，设于所述隔板11上表面且位于所述左右基准箱31一侧的竖板32，设于所述竖板32侧壁的第一测距传感器33，设于所述左右基准箱31内壁的上下位移检测部件34，以及设于所述丝杆13端部且贯穿所述上下位移检测部件34的前后位移检测部件35；所述上下位移检测部件34包括穿设于所述左右基准箱31侧壁的方形贯通孔341，滑动连接左右基准箱31内壁且经方形贯通孔341延伸至外部的方形盒342，以及设于所述左右基准箱31内壁且位于所述方形盒342下部的第二测距传感器343，所述前后位移检测部件35包括设于所述丝杆13端部的第三测距传感器351，以及内壁转动连接丝杆13外壁，外壁滑动连接方形盒342内壁的方形块352。

需要说明的是，在本实施例中，当丝杆13产生热误差，丝杆13将会带动左右基准箱31左右移动、或带动方形盒342上下移动、或带动方形块352前后移动，此时控制器接收第一测距传感器33的距离数据并与丝杆13未产生热误差前的距离数据进行比较，以获得左右偏移量，控制器接收第二测距传感器343的距离数据并与丝杆13未产生热误差前的距离数据进行比较，以获得上下偏移量，控制器接收第三测距传感器351的距离数据并与丝杆13未产生热误差前的距离数据进行比较，以获得前后偏移量，以便于了解形变对丝杆13产生的位移影响，以便于用作误差纠偏的基础数据。

请着重参照附图2、4、5、7所示，在本发明另一优选实施例中，所述三轴位移监测装置40包括穿设于所述隔板11的方形通孔41，设于所述基座外壳10内壁且位于所述隔板11下部的方形基准杆42，套设于所述方形基准杆42外部且顶部通过支撑柱连接位移块15底部的方形环43，对称设于所述方形环43顶部的X轴测距部件44，以及一端贯穿方形环43外壁接触方形基准杆42的Y轴测距部件45以及Z轴测距部件46，所述X轴测距部件44包括设于所述方形环43上表面的竖直板441，嵌设于所述竖直板441侧壁的第四测距传感器442，以及对称设于所述方形环43两侧的移动式基准组件443，所述移动式基准组件443包括套设于所述方形基准杆42外壁的电磁环4431，以及套设于所述电磁环4431外壁的基准板4432，所述Y轴测距部件45与所述Z轴测距部件46结构相同，所述Z轴测距部件46包括顶端贯穿方形环43连接第二滚轮461的测距杆462，设于所述测距杆462底部的水平板463，设于所述水平板463上表面的第五测距传感器464，以及套设于所述测距杆462外壁且用于将第二滚轮461压紧至方形基准杆42外壁的第二弹簧465。

需要说明的是，在本实施例中，当丝杆13在受热形变的情况下带动位移块15移动时，X轴测距部件44对位移块15的位移距离进行测量，并与丝杆13未形变时驱动电机12转动同样周数的位移量进行对比，以对热误差值进行测量，Y轴测距部件45以及Z轴测距部件46可分别对位移块15的Y轴以及Z轴偏差量进行测量；

进一步的，X轴测距部件44工作时，以位移块15向左移动为例，此时位移块15右边的电磁环4431磁吸方形基准杆42，右侧的第四测距传感器442测量与基准板4432间的距离为位移数据；

进一步的，以Z轴测距部件46工作为例，当位移块15产生竖直方向上的偏移时，位移块15带动方形环43产生竖直方向的偏移，控制器接收第五测距传感器464的距离数据并计算出偏移量。

本发明的具体流程如下：

控制器型号为“6ES7214-2AD23-0XB8”，压力传感器231型号为“NF406”，第一测距传感器33型号为“DT35-B15251”，第二测距传感器343型号为“DT35-B15251”，第三测距传感器351型号为“DT35-B15251”，第四测距传感器442型号为“DT35-B15251”，第五测距传感器464型号为“DT35-B15251”。

位移块15可作为刀具架，驱动电机12执行端带动丝杆13转动，丝杆13带动位移块15移动，当驱动电机12工作产热后，热量传导至丝杆13，丝杆13将会产生形变，此时形变监测装置20可对丝杆13的形变进行检测；

可在基座外壳10内安装热成像摄像头，以便于了解驱动电机12工作时丝杆13温度最高的部位，驱动电机12工作前，通过直线导轨211对定位罩环22的位置进行调节，如移动至驱动电机12工作时丝杆13温度最高的部位，丝杆13转动时，从动环25通过防转卡台251以及防转卡槽252随丝杆13一同转动，当丝杆13受热膨胀时，形变传导部件26将丝杆13受热膨胀产生的推力传导至压力监测部件23，控制器接收压力传感器231的压力数据并在压力数据大于设定值时判定丝杆13产生热误差；

形变传导部件26工作时，第一滚轮261在橡胶环232内壁滚动，当丝杆13受热膨胀时将会带动传导杆262外移，第一滚轮261给予压力传感器231压力；

当丝杆13产生热误差，丝杆13将会带动左右基准箱31左右移动、或带动方形盒342上下移动、或带动方形块352前后移动，此时控制器接收第一测距传感器33的距离数据并与丝杆13未产生热误差前的距离数据进行比较，以获得左右偏移量，控制器接收第二测距传感器343的距离数据并与丝杆13未产生热误差前的距离数据进行比较，以获得上下偏移量，控制器接收第三测距传感器351的距离数据并与丝杆13未产生热误差前的距离数据进行比较，以获得前后偏移量，以便于了解形变对丝杆13产生的位移影响，以便于用作误差纠偏的基础数据；

当丝杆13在受热形变的情况下带动位移块15移动时，X轴测距部件44对位移块15的位移距离进行测量，并与丝杆13未形变时驱动电机12转动同样周数的位移量进行对比，以对热误差值进行测量，Y轴测距部件45以及Z轴测距部件46可分别对位移块15的Y轴以及Z轴偏差量进行测量；

X轴测距部件44工作时，以位移块15向左移动为例，此时位移块15右边的电磁环4431磁吸方形基准杆42，右侧的第四测距传感器442测量与基准板4432间的距离为位移数据；

以Z轴测距部件46工作为例，当位移块15产生竖直方向上的偏移时，位移块15带动方形环43产生竖直方向的偏移，控制器接收第五测距传感器464的距离数据并计算出偏移量。

上述结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种数控机床用的热误差监测装置,包括基座外壳（10），以及水平设于所述基座外壳（10）内壁的隔板（11），其特征在于,所述隔板（11）上表面设有驱动电机（12），所述驱动电机（12）执行端设有丝杆（13），所述基座外壳（10）内侧壁且位于所述隔板（11）上方对称设有滑轨（14），两个所述滑轨（14）间滑动连接位移块（15），所述位移块（15）丝母连接丝杆（13），所述隔板（11）上表面且位于所述驱动电机（12）与所述滑轨（14）间设有形变监测装置（20），所述隔板（11）上表面且位于所述丝杆（13）远离所述驱动电机（12）的一端设有形变位移监测装置（30），所述位移块（15）底部设有延伸至隔板（11）下方的三轴位移监测装置（40）；

所述形变监测装置（20）包括设于所述隔板（11）上表面的驱动部件（21），设于所述驱动部件（21）执行端且套设于所述丝杆（13）外部的定位罩环（22），设于所述定位罩环（22）内壁的压力监测部件（23），对称设于所述定位罩环（22）两侧的支撑环（24），两端分别转动连接两个支撑环（24）内壁且跟随丝杆（13）转动的从动环（25），以及穿设于所述从动环（25）的形变传导部件（26）；

所述形变位移监测装置（30）包括底部滑动连接隔板（11）上表面的左右基准箱（31），设于所述隔板（11）上表面且位于所述左右基准箱（31）一侧的竖板（32），设于所述竖板（32）侧壁的第一测距传感器（33），设于所述左右基准箱（31）内壁的上下位移检测部件（34），以及设于所述丝杆（13）端部且贯穿所述上下位移检测部件（34）的前后位移检测部件（35）；

所述三轴位移监测装置（40）包括穿设于所述隔板（11）的方形通孔（41），设于所述基座外壳（10）内壁且位于所述隔板（11）下部的方形基准杆（42），套设于所述方形基准杆（42）外部且顶部通过支撑柱连接位移块（15）底部的方形环（43），对称设于所述方形环（43）顶部的X轴测距部件（44），以及一端贯穿方形环（43）外壁接触方形基准杆（42）的Y轴测距部件（45）以及Z轴测距部件（46）；

所述X轴测距部件（44）包括设于所述方形环（43）上表面的竖直板（441），嵌设于所述竖直板（441）侧壁的第四测距传感器（442），以及对称设于所述方形环（43）两侧的移动式基准组件（443）；

所述移动式基准组件（443）包括套设于所述方形基准杆（42）外壁的电磁环（4431），以及套设于所述电磁环（4431）外壁的基准板（4432）；

所述Y轴测距部件（45）与所述Z轴测距部件（46）结构相同，所述Z轴测距部件（46）包括顶端贯穿方形环（43）连接第二滚轮（461）的测距杆（462），设于所述测距杆（462）底部的水平板（463），设于所述水平板（463）上表面的第五测距传感器（464），以及套设于所述测距杆（462）外壁且用于将第二滚轮（461）压紧至方形基准杆（42）外壁的第二弹簧（465）。

2.根据权利要求1所述的一种数控机床用的热误差监测装置，其特征在于，所述驱动部件（21）包括设于所述隔板（11）上表面的直线导轨（211），所述直线导轨（211）执行端连接定位罩环（22）外壁。

3.根据权利要求1所述的一种数控机床用的热误差监测装置，其特征在于，所述压力监测部件（23）包括环形阵列设于所述定位罩环（22）内壁的多个压力传感器（231），以及外壁连接多个压力传感器（231）的橡胶环（232）。

4.根据权利要求1所述的一种数控机床用的热误差监测装置，其特征在于，所述从动环（25）内壁设有多个防转卡台（251），所述防转卡台（251）抵接设于所述丝杆（13）外壁的防转卡槽（252）。

5.根据权利要求1所述的一种数控机床用的热误差监测装置，其特征在于，所述形变传导部件（26）包括一端抵接丝杆（13）外壁、另一端贯穿从动环（25）连接第一滚轮（261）的传导杆（262），以及套设于所述传导杆（262）外壁且用于将传导杆（262）压紧至丝杆（13）表面的第一弹簧（263）。

6.根据权利要求1所述的一种数控机床用的热误差监测装置，其特征在于，所述上下位移检测部件（34）包括穿设于所述左右基准箱（31）侧壁的方形贯通孔（341），滑动连接左右基准箱（31）内壁且经方形贯通孔（341）延伸至外部的方形盒（342），以及设于所述左右基准箱（31）内壁且位于所述方形盒（342）下部的第二测距传感器（343）。

7.根据权利要求6所述的一种数控机床用的热误差监测装置，其特征在于，所述前后位移检测部件（35）包括设于所述丝杆（13）端部的第三测距传感器（351），以及内壁转动连接丝杆（13）外壁，外壁滑动连接方形盒（342）内壁的方形块（352）。

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