CN114986240A - 一种机床丝杆热膨胀误差的补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机床丝杆热膨胀误差的补偿装置，包括补偿控制单元、信号发生器和信号触发器，信号触发器用于与机床轴滑台/轴滑座固定，信号发生器用于与机床的轴滑座/轴滑台固定，信号发生器与信号触发器对应配合，信号发生器与补偿控制单元连接，补偿控制单元与机床控制系统连接，机床控制系统与驱动轴滑台运动的滑台驱动装置连接，通过滑台驱动装置驱动轴滑台相对于轴滑座运动。本发明计算出丝杆实测位置坐标信息与丝杆系统位置坐标信息之间差值，对丝杆系统位置坐标信息进行补偿，减少或消除丝杆热伸长带来的丝杆膨胀误差，避免因丝杆膨胀给产品精度带来的不利影响。

Description

一种机床丝杆热膨胀误差的补偿装置

技术领域

本发明涉及机床设备领域，特别涉及通过补偿来减少或抵消机床丝杆的热膨胀误差的补偿装置。

背景技术

机床在工作时，机床控制系统需要计算出每一时刻主轴底端中心和工作台的位置坐标，对于使用丝杆螺母驱动的机床来说，X轴滑台、Y轴滑台以及Z轴主轴箱都与螺母固定，伺服电机带动丝杆旋转推动螺母，螺母带动X轴滑台、Y轴滑台和Z轴主轴箱运动，伺服电机记录相应丝杆每时刻转动的圈数，并把圈数的值输送给机床控制系统，机床控制系统按照丝杆的螺距和初始坐标信息，就能够准确计算出X轴滑台、Y轴滑台和Z轴主轴箱的位置坐标，车床各个轴滑台初始坐标信息在车床生产完成后设定，之后机床控制系统就可以根据丝杆旋转的圈数，就可以确定工作台和主轴底端中心的位置坐标。机床在工作时，因为丝杆螺母需要驱动轴滑台运动，产生大量的摩擦热，导致丝杆与轴滑台/或轴滑座之间出现温差，丝杆螺母相对于机床的其他构件，如轴滑台/或轴滑座伸长，这样机床控制系统算出的工作台和主轴底端中心位置的坐标值会出现偏差，导致被加工工件的尺寸因为丝杆的热膨胀出现误差，降低机床在实际工作时的精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够测量丝杆相对底座热膨胀后产生的偏移长度，以进行补偿减少或消除丝杆热膨胀带来的误差的装置。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

本发明提出一种机床丝杆热膨胀误差的补偿装置，包括补偿控制单元、信号发生器和信号触发器，所述信号触发器用于与机床轴滑台/轴滑座固定，所述信号发生器用于与所述机床的轴滑座/轴滑台固定，所述信号发生器与所述信号触发器对应配合，所述信号发生器与所述补偿控制单元连接，所述补偿控制单元与机床控制系统连接，所述机床控制系统与驱动轴滑台运动的滑台驱动装置连接，通过滑台驱动装置驱动轴滑台相对于轴滑座运动。

在其中一个实施例中，所述信号发生器安装于所述轴滑座上滑轨的末端处，所述信号触发器安装于所述轴滑台上与信号发生器对应，所述轴滑台移动到所述滑轨的末端后，所述信号触发器触发所述信号发生器，所述信号发生器产生控制信号，所述的控制信号传送给机床控制系统，所述机床控制系统控制滑台驱动装置，所述滑台驱动装置驱动所述轴滑台相对于所述轨道运动。

在其中一个实施例中，所述轴滑座包括左右水平方向配合并相对滑动的X轴滑座和X轴滑台，以及在前后水平方向上配合并相对滑动的Y轴滑座和Y轴滑台。

在其中一个实施例中，所述轴滑座还包括在竖直方向上配合并相对滑动的Z轴滑座和Z轴滑台。

在其中一个实施例中，所述机床的Z轴滑座为立柱，所述机床的Z轴滑台为主轴箱。

在其中一个实施例中，所述轴滑台和轴滑座之间的相对滑动轨迹为直线。

在其中一个实施例中，所述滑台驱动装置为伺服电机驱动的丝杆螺母副，所述机床控制系统与所述伺服电机连接。

在其中一个实施例中，所述信号发生器安装于轴滑座上靠近丝杆螺母副的丝杆末端位置，所述信号触发器安装于轴滑台上与信号发生器对应位置处。

在其中一个实施例中，所述信号发生器为位置开关，所述信号触发器为卡块，所述卡块带有楔形头与位置开关的卡头挤压配合。

在其中一个实施例中，所述位置开关为两个，所述两个位置开关卡头的连线与轴滑台运动方向垂直，所述轴滑台运动时卡块的楔形头同时挤压位置开关的两个卡头配合。

相比现有技术，本发明至少具有以下的有益效果：

本发明的一种机床丝杆热膨胀误差的补偿装置，通过在与轴滑台末端对应的轴滑座位置处设置信号发生器，在轴滑台上相应的位置处设置信号触发器，机床工作过程中，丝杆会因为发热出现热膨胀变形，机床控制系统控制滑台驱动装置，驱动轴滑台运动到滑轨的末端，信号触发器与信号发生器接触感应配合，信号发生器产生电信号，机床控制系统接收到信号触发器的电信号后，会根据电信号计算出轴滑台的位置坐标信息，进而计算得到丝杆末端的丝杆实测位置坐标信息，同时读取机床控制系统计算出的当前丝杆末端的丝杆系统位置坐标信息，并计算出丝杆实测位置坐标信息与丝杆系统位置坐标信息之间的差值，根据计算出的平均差值对丝杆系统位置坐标信息进行补偿，以补偿后的丝杆位置坐标信息作为加工时的标准参照值，能够有效地减少或消除丝杆热伸长带来的丝杆膨胀误差。甚至使丝杆因膨胀产生的误差减小为零，避免因丝杆膨胀给产品精度带来的不利影响。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的立体示意图；

图2为本发明一个实施例的主视图；

图3为本发明的原理框图。

附图标号说明：

Y轴滑座1、Y轴滑轨10、X轴滑座2、X轴滑轨20、X轴滑台22、X轴滑块29、立柱3、Z轴滑轨30、Z轴丝杆32、主轴箱36、主轴39、信号座60、行程开关61、卡块62

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”“设于”另一个元件，它可以直接设置在另一个元件上或者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也可以存在居中元件。当元件被称为“安装于”另一个元件，它可以直接安装在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。

此外，还需要理解的是，实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、中间……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应的随之改变；“第一”、“第二”等术语，是为了区分不同的结构部件。这些术语仅为了便于描述本发明和简化描述，不能理解为对本发明的限制。

本发明的一种机床丝杆热膨胀误差的补偿装置，包括补偿控制单元、信号发生器和信号触发器，信号触发器用于与机床轴滑台/轴滑座固定，信号发生器用于与机床的轴滑座/轴滑台固定，信号发生器与信号触发器对应配合，信号发生器与补偿控制单元连接，补偿控制单元与机床控制系统连接，机床控制系统与驱动轴滑台运动的滑台驱动装置连接，通过滑台驱动装置驱动轴滑台相对于轴滑座运动，滑台驱动装置采用丝杆螺母副。补偿控制单元调用机床控制系统，在常温时控制伺服电机驱动丝杆旋转，旋转的丝杆驱动相应的轴滑台运动至机械原点，机床控制系统读取与丝杆连接的伺服电机的位置信号，发送给补偿控制单元，之后补偿控制单元调用机床控制系统，控制伺服电机驱动丝杆旋转，使轴滑台从机械原点移动到最大位置处，在轴滑台移动到末端最大位置处时，与轴滑台固定的行程块触碰行程开关，行程开关发出电信号给补偿控制单元，补偿控制单元从机床控制系统读取与丝杆连接的伺服电机旋转的圈数，得到常温时丝杆从机械原点到最大位置处的初始丝杆圈数，并记录存储在补偿控制单元的存储器中。

在机床开始加工零件时，丝杆驱动螺母，在零件尺寸范围内往复地运动，工作一段时间之后，丝杆在与螺母相对移动过程中发热，温度升高产生热伸长，补偿控制单元调用机床控制系统，再次通过伺服电机驱动轴滑台，轴滑台移动到末端最大位置处，行程块触碰到行程开关，补偿控制单元接收到电信号，通过调用机床控制系统，获得伺服电机反馈的信号，得到丝杆热伸长后旋转的热伸丝杆圈数1，用于存储在存储器，热伸丝杆圈数1少于初始丝杆圈数，补偿控制单元调整机床控制系统，由原来的丝杆每圈长度＝L/初始转动圈数(L为丝杆)，经过计算调整后补偿，补偿设定为丝杆每圈长度＝L/热伸丝杆圈数1，热伸丝杆圈数1<初始丝杆圈数,即由于伺服电机每转动一圈，机床控制系统计算确认的轴滑台运动的距离更大，以符合热伸长之后丝杆每转动一圈时，螺母实际的运动距离，贴合轴向实际的传动距离值，补偿后的丝杆螺母副传动，能够消除因为丝杆温度升高比轴滑座更高，带来的传动计算的误差，消除因为丝杆受热伸长带来的误差影响。

如图1和图2所示，本发明的Y轴滑台和Y轴滑座采用丝杆螺母副驱动，包括在前后水平方向上配合并相对滑动的Y轴滑座1和Y轴滑台，在这其中一个实施例中，机床的底座作为Y轴方向上的Y轴滑座1，Y轴滑轨10与Y轴滑座固定连接，Y轴滑块与Y轴滑台固定连接，Y轴滑块与Y轴滑轨10配合相互滑动连接，信号触发器用于与机床的Y轴滑台固定，信号发生器用于与机床的Y轴滑座1固定，或者，信号触发器用于与机床的Y轴滑座1固定，信号发生器用于与机床的Y轴滑台固定，信号发生器与信号触发器对应配合，信号发生器与机床的补偿控制单元连接，补偿控制单元与机床控制系统连接，机床控制系统与驱动Y轴滑台运动的滑台驱动装置连接，通过滑台驱动装置驱动Y轴滑台相对于Y轴滑座1运动。

如图1和图2所示，在其中一个实施例中，还包括左右水平方向配合并相对滑动的X轴滑座2和X轴滑台22。X轴滑台22和X轴滑座2也采用丝杆螺母副驱动，X轴滑轨20与X轴滑座2固定连接，X轴滑块29与X轴滑台22固定连接，X轴滑块29与X轴滑轨20配合相互滑动连接，信号触发器用于与机床的X轴滑台22固定，信号发生器用于与机床的X轴滑座2固定，或者，信号触发器用于与机床的X轴滑座2固定，信号发生器用于与机床的X轴滑台22固定，信号发生器与信号触发器对应配合，信号发生器与机床的补偿控制单元连接，补偿控制单元与机床控制系统连接，机床控制系统与驱动轴滑台运动的滑台驱动装置连接，通过滑台驱动装置驱动X轴滑台22相对于X轴滑座2运动。

如图1和图2所示，在其中一个实施例中，还包括在竖直方向上配合并相对滑动的Z轴滑座和Z轴滑台。在本发明的这个实施例中，Z轴滑台和Z轴滑座也采用丝杆螺母副驱动，机床的立柱3作为Z轴方向上的Z轴滑座，Z轴滑轨30与Z轴滑座固定连接，Z轴滑块与Z轴滑台固定连接，Z轴滑块与Z轴滑轨30配合相互滑动连接，Z轴丝杆32与Z轴滑座轴向定位并旋转连接，并与Z轴滑台上固定的滚珠螺母配合，信号触发器用于与机床的Z轴滑台固定，信号发生器用于与机床的Z轴滑座固定，或者，信号触发器用于与机床的Z轴滑座固定，信号发生器用于与机床的Z轴滑台固定，信号发生器与信号触发器对应配合，信号发生器与机床的补偿控制单元连接，补偿控制单元与机床控制系统连接，机床控制系统与驱动轴滑台运动的滑台驱动装置连接，通过滑台驱动装置驱动Z轴滑台相对于Z轴滑座运动。

如图2所示，在其中一个实施例中，信号发生器可以使用各种电子信号开关，也可以使用各种的电流通断控制开关，机床控制系统接收到开关信号数据后能够实现后续的电子信息控制和读写的操作。

如图3所示，在其中一个实施例中，信号发生器可以安装在轴滑座上任何一个位置，通常信号发生器通过与之配合的信号座60，安装于底座上。信号触发器安装于轴滑台上，信号触发器的位置与信号发生器的位置相对应，其中一个实施例中，信号发生器安装于轴滑座上的滑轨的末端处，信号触发器安装于轴滑台上，并且与信号发生器的位置相对应。

本发明的工作步骤原理如下：机床开机后，补偿控制单元通过通讯连接模块与机床控制系统通讯，发出指令使机床控制系统控制伺服电机旋转，使轴滑台相对于滑轨调整位置，直到轴滑台位于机床设定的原点位置，此时，补偿控制单元读取与丝杆连接的伺服电机的初始角度值α₀₀，通常，机床控制系统将伺服电机此时的角度值设为零，因此通常情况下，补偿控制单元读取的此时伺服电机的角度值α₀₀＝0，补偿控制单元将α₀₀的值储存于单片机的储存器内；接着，补偿控制单元接着发出指令，使机床控制系统控制伺服电机旋转，驱动轴滑台向远离机床远点的方向移动，直到信号触发器触碰到信号发生器，机床控制系统给伺服电机发出停止的信号，此时，补偿控制单取元对机床控制系统内获得的伺服电机的旋转角度值α₀₁和丝杆行程值L₀，并将转角度值α₀₁和行程值L₀储存于单片机的储存器内。

此时得到的常温时原始丝杆的螺距为：△P₁＝L₀/(α₀₁-α₀₀)；

随后机床开始工作，伺服电机驱动丝杆旋转，对零件进行切削加工，工作一段时间后，丝杆温度有一定升高，且丝杆和机床底座的温度间存在有温差，此时补偿控制单元开始进行丝杆温度补偿的流程：

步骤1、补偿控制单元启动并对机床控制系统发出指令，伺服电机旋转驱动轴滑台向远离机床远点的方向移动，直到轴滑台上的信号触发器接触信号发生器产生信号，机床控制系统接收到信号发生器发出的信号后停止，并记录下接收到信号时伺服电机旋转的角度值α₁₁，并将α₁₁的值储存于单片机的储存器内；

步骤2、补偿控制单元根据获得的角度值α₁₁，使用以下的公式进行计算出原螺距和丝杆温度升高后的新螺距：

温度升高后丝杆的新螺距：△P₂＝L₀/(α₁₁-α₀₀)；

需要说明的是，升温后新的丝杆螺距应当小于常温时丝杆的螺距，即△P_1＜△P₂；

步骤3、根据计算出的丝杆升温后新的丝杆螺距，补偿控制单元对机床控制系统内预先所设定的参数进行修改，将丝杆的角度螺距由常温时的△P₁＝L₀/(α₀₁-α₀₀)，修改为丝杠升温后的△P₂＝L₀/(α₁₁-α₀₀)。

之后继续开始加工产品，经过一段时间的加工后，可以再次重复上述的步骤1-步骤3，补偿控制单元重新从机床控制系统获取新的角度值α_11，并传递给机床控制系统进行补偿，直到新的角度值α₁₁不再发生变化，丝杆的温度达到最高出现热平衡，可以不再继续进行补偿。

机床的工作台或者主轴，在伺服电机的驱动下往复地运动，工作一段时间后，丝杆与螺母的温度升高，此时，补偿控制单元的单片机模块，通过通讯连接模块，给机床控制系统发出信号，机床控制系统驱动伺服电机工作，驱动轴滑台一直移动到滑轨的末端，直到信号触发器触发信号发生器时停止运动，补偿控制单元的单片机模块从机床控制系统内读取信号触发器开始后，信号发生器产生控制信号，控制信号传送给补偿控制单元，补偿控制单元收到控制信号后，补偿控制单元与机床控制系统之间通讯，从机床控制系统内调取丝杆相对于机床控制系统控制滑台驱动装置，滑台驱动装置驱动轴滑台相对于轨道运动。

如图1和图2所示，在其中一个实施例中，机床的Z轴滑座为立柱3，机床的Z轴滑台为主轴箱36，主轴箱36内安装有主轴39，主轴39的下方安装有刀具，Z轴滑轨固定安装于Z轴滑座上。

在其中一个实施例中，轴滑台和轴滑座之间的相对滑动轨迹为直线，适用于市面上大部分单轴或多轴类的车床。

在其中一个实施例中，滑台驱动装置为伺服电机驱动的丝杆螺母副，机床控制系统与伺服电机连接，补偿控制单元与机床控制系统连接，补偿控制单元通过机床控制系统控制伺服电机的旋转速度，更接近实际的。

在其中一个实施例中，信号发生器在丝杆的末端位置与轴滑座固定，信号触发器安装于轴滑台上并与信号发生器对应的位置处，轴滑台向着信号发生器一侧运动到末端时，信号触发器接触信号发生器产生信号。

如图1和图2所示，信号发生器为位置开关61，信号触发器为卡块62，卡块62带有楔形头与位置开关的卡头挤压配合，卡块随着轴滑台一起运动到信号发生器的位置时，卡块的楔形头压下位置开关触发信号，避免发生损坏的情形。

如图1和图2所示，位置开关的个数为两个，用于提高信号传输的稳定性，也避免其中一个位置开关发生损坏后，因为位置开关不能够发出信号而出现损坏，同时，两个位置开关也可以在丝杆轴向方向上间隔一定距离设置，这样两个位置开关之间产生信号的时间差，也可以作为丝杆膨胀距离大小的参照，用于判断丝杆伸长的多少。卡头的连线与轴滑台运动方向垂直，轴滑台运动时卡块的楔形头同时挤压位置开关的两个卡头配合。

相比现有技术，本发明至少具有以下的有益效果：

本发明的一种机床丝杆热膨胀误差的补偿装置，其通过在与轴滑台末端对应的轴滑座位置处设置信号发生器，在轴滑台上相应的位置处设置信号触发器与信号发生器配合来实现。

机床工作过程中，丝杆会因为发热出现热膨胀而变长，需要检查丝杆的热变形量进行补偿的时候，机床控制系统控制滑台驱动装置，驱动轴滑台运动到滑轨的末端，信号触发器与信号发生器接触感应配合，信号发生器产生电信号，机床控制系统接收到信号触发器的电信号后，会根据电信号计算出轴滑台的位置坐标信息，进而计算得到丝杆末端的丝杆实测位置坐标信息，同时读取机床控制系统计算出的当前丝杆末端的丝杆系统位置坐标信息，并计算出丝杆实测位置坐标信息与丝杆系统位置坐标信息之间的差值，根据计算出的平均差值对丝杆系统位置坐标信息进行补偿，以补偿后的丝杆位置坐标信息作为加工时的标准参照值，这样加工得到的零件，能够有效地消除丝杆热伸长带来的误差。将误差减少到较小的范围，甚至使产生的误差降为零，避免因丝杆膨胀给产品精度带来的不利影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本专利保护的范围内。

Claims (10)

1.一种机床丝杆热膨胀误差的补偿装置，其特征在于：包括补偿控制单元、信号发生器和信号触发器，所述信号触发器用于与机床轴滑台/轴滑座固定，所述信号发生器用于与所述机床的轴滑座/轴滑台固定，所述信号发生器与所述信号触发器对应配合，所述信号发生器与所述补偿控制单元连接，所述补偿控制单元与机床控制系统连接，所述机床控制系统与驱动轴滑台运动的滑台驱动装置连接，通过滑台驱动装置驱动轴滑台相对于轴滑座运动。

2.根据权利要求1所述的一种机床丝杆热膨胀误差的补偿装置，其特征在于：所述信号发生器安装于所述轴滑座上滑轨的末端处，所述信号触发器安装于所述轴滑台上与信号发生器对应，所述轴滑台移动到所述滑轨的末端后，所述信号触发器触发所述信号发生器，所述信号发生器产生控制信号，所述的控制信号传送给机床控制系统，所述机床控制系统控制滑台驱动装置，所述滑台驱动装置驱动所述轴滑台相对于所述轨道运动。

3.根据权利要求1或2所述的一种机床丝杆热膨胀误差的补偿装置，其特征在于：所述轴滑座包括左右水平方向配合并相对滑动的X轴滑座和X轴滑台，以及在前后水平方向上配合并相对滑动的Y轴滑座和Y轴滑台。

4.根据权利要求3所述的一种机床丝杆热膨胀误差的补偿装置，其特征在于：所述轴滑座还包括在竖直方向上配合并相对滑动的Z轴滑座和Z轴滑台。

5.根据权利要求4所述的一种机床丝杆热膨胀误差的补偿装置，其特征在于：所述机床的Z轴滑座为立柱，所述机床的Z轴滑台为主轴箱。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种机床丝杆热膨胀误差的补偿装置，其特征在于：所述轴滑台和轴滑座之间的相对滑动轨迹为直线。

7.根据权利要求6所述的一种机床丝杆热膨胀误差的补偿装置，其特征在于：所述滑台驱动装置为伺服电机驱动的丝杆螺母副，所述机床控制系统与所述伺服电机连接。

8.根据权利要求7所述的一种机床丝杆热膨胀误差的补偿装置，其特征在于：所述信号发生器安装于轴滑座上靠近丝杆螺母副的丝杆末端位置，所述信号触发器安装于轴滑台上与信号发生器对应的位置处。

9.根据权利要求8所述的一种机床丝杆热膨胀误差的补偿装置，其特征在于：所述信号发生器为位置开关，所述信号触发器为卡块，所述卡块带有楔形头与位置开关的卡头挤压配合。

10.根据权利要求9所述的一种机床丝杆热膨胀误差的补偿装置，其特征在于：所述位置开关为两个，所述两个位置开关卡头的连线与轴滑台运动方向垂直，所述轴滑台运动时卡块的楔形头同时挤压位置开关的两个卡头配合。

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