CN115156972B - 一种静压支撑宏微双驱动进给系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种静压支撑宏微双驱动进给系统，涉及数控机床技术领域，包括：伺服电机、丝杠螺母组件、静压支撑组件、工作台、宏位移检测单元、微位移检测单元和控制系统；芯轴外圆柱面上沿圆周方向均布设置4个圆形腔，外套壁上沿圆周方向均布设置4个通孔；4个油垫单元的柱状体穿过通孔装配进圆形腔；柱状体的端面与圆形腔的底面之间形成油垫间隙；端面上进一步设置静压油腔，静压油腔内部充满压力油，压力油起到静压支撑的作用，通过控制4个油垫单元的静压油腔的压力大小，可以控制4个油垫间隙的大小，起到了微调芯轴单元与外套单元之间相对位置的作用，也就是微运动。所发明静压支撑宏微双驱动进给系统兼具大行程、高精度、重载的特性。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床技术领域，特别是一种静压支撑宏微双驱动进给系统。
背景技术
数控机床正向高速、高精度、高承载方向发展，同时对可靠性的要求也愈来愈高。各类利用静压技术的支撑连接部件具有长寿命、高精度、高刚度等一系列优点而被越来越多采用。数控机床上常用的静压功能部件主要有静压轴承、静压导轨、静压丝杠等。
液体静压支撑是借助于输入支撑连接工作面间的液体静压力来起到支撑连接作用。它处于纯液体静压条件下工作，形成静压支撑承载能力的条件为供油系统和控制元件。按照供油方式的不同分为定压式和定量式两类：定压式静压支撑各油腔共用一个泵，通往油腔的管路中放置节流器，利用节流的调压作用实现油腔压力随外界载荷变化自动调节，结构简洁，调整方便，工作精度高；定量式静压支撑每个油腔用流量恒定的油泵供油，油腔压力随着出油阻力的变化而自动调节，油路简单，但结构庞大，成本高，性能不稳定。
传统数控机床的进给系统主要采用滚珠丝杠螺母副、静压导轨等高传动效率的单驱动传动装置和运动部件来实现工作机床的精度定位。但是由于系统复杂动力学特性、摩擦、爬行、反向间隙等非线性因素的影响，采用滚珠丝杠螺母副单驱动传动方式，很难实现高的进给精度。而数控机床向高速、高精度、高承载方向发展，要求进给系统兼具大行程、高精度、重载的特性。而目前的宏微双驱动系统，承载能力往往达不到数控机床对承载能力的要求。
发明内容
本发明提供一种静压支撑宏微双驱动进给系统，其兼具大行程、高精度、重载的特性，以满足数控机床向高速、高精度、高承载方向发展对进给系统的要求。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种静压支撑宏微双驱动进给系统，包括伺服电机、丝杠螺母组件、静压支撑组件、工作台、宏位移检测单元、微位移检测单元和控制系统；其中，静压支撑组件包括芯轴单元、外套单元、油垫单元，芯轴单元包括芯轴连接板、芯轴，外套单元包括外套连接板、外套壁、外套腔，油垫单元包括柱状体和油垫连接板。
芯轴外圆柱面上沿圆周方向均布设置4个圆形腔，外套壁上沿圆周方向均布设置4个通孔；芯轴装配进外套腔内，4个圆形腔与4个通孔的位置相对应；4个油垫单元的柱状体穿过通孔装配进圆形腔；柱状体的端面与圆形腔的底面之间形成油垫间隙；端面上进一步设置静压油腔，静压油腔内部充满压力油，压力油起到静压支撑的作用，通过控制4个油垫单元的静压油腔的压力大小，可以控制4个油垫间隙的大小，起到了微调芯轴单元与外套单元之间相对位置的作用，也就是微运动。
进一步地，所述芯轴与所述外套腔之间留有较大间隙，以保证在微运动的行程范围内两者不接触；所述柱状体与所述圆形腔之间为间隙配合，保证两者之间可以自由移动。
进一步地，所述丝杠螺母组件包括丝杠、螺母和螺母座；所述芯轴连接板位于芯轴的端部，所述外套连接板位于外套壁的端部，所述油垫连接板位于柱状体的端部；所述螺母与螺母座通过螺栓连接，所述螺母座与芯轴连接板通过螺栓连接，所述油垫连接板与外套壁通过螺栓连接。
进一步地，可以通过在所述油垫连接板与外套壁之间加装垫片的方式，来调节油垫间隙的初始值，也就是调节微运动的行程。
进一步地，所述油垫单元内设有进油通道，连接静压油腔与进油孔；所述芯轴上的圆形腔外围设置多个半圆孔，半圆孔进一步连接第一回油孔；外套腔底部设置第二回油孔；芯轴与外套腔装配之后，外套腔底部形成回油腔；所述工作台上设置有回油槽。
进一步地，通过电液伺服阀或者主动控制节流器来控制流入所述静压油腔的液压油流量，来控制静压油腔的油液压力。
进一步地，所述伺服电机通过联轴器连接丝杠，带动丝杠转动，丝杠进而带动螺母平动。
进一步地，所述宏位移检测单元位于床身上，用来检测工作台的位移，作为宏运动的反馈信号；所述微位移检测单元位于工作台上，用来检测所述芯轴单元与外套单元之间的相对位移量，作为微运动的反馈信号。
更进一步地，所述控制系统包括控制器、伺服电机驱动器、电液驱动器。
本发明的静压支撑宏微双驱动进给系统工作时，宏位移检测单元和微位移检测单元反馈位移信号到控制器，控制器经过计算分别向伺服电机驱动器、电液驱动器发出运动指令，由伺服电机驱动器控制伺服电机转动，经过丝杠螺母组件的传动，带动工作台运动，宏位移检测单元进一步检测工作台的位移量，形成宏运动的闭环控制；由电液驱动器控制电液伺服阀或者主动控制节流器，来调节流入静压油腔的液压油流量，进而改变静压油腔的油液压力，进而控制静压支撑的作用力，通过作用力的大小变化来调节油垫间隙的大小，微调芯轴单元与外套单元之间的相对位移，微位移检测单元进一步检测此相对位移量，形成微运动的闭环控制。
本发明的有益效果是：(1)本发明的静压支撑宏微双驱动进给系统，通过静压支撑实现滚珠丝杠副与工作台的连接，在数控机床高传动效率、高精度的基础上进一步实现工作台微量进给的位移调控，通过对静压支撑工作时油液压力的调节，控制油垫间隙从而精确实现工作台的微运动控制；(2)本发明的一种静压支撑宏微双驱动进给系统，其兼具大行程、高精度、重载的特性，以满足数控机床向高速、高精度、高承载方向发展对进给系统的要求；(3)可以通过在油垫连接板与外套壁之间加装垫片的方式，来调节油垫间隙的初始值，也就是调节微运动的行程，以满足不同工况的需求。
附图说明
图1是本发明一种静压支撑宏微双驱动进给系统的结构示意图；
图2是本发明静压支撑组件的结构示意图；
图3是本发明静压支撑组件芯轴单元示意图；
图4是本发明静压支撑组件外套单元示意图；
图5是本发明静压支撑组件油垫单元示意图；
图6是本发明静压支撑组件的剖面图；
图7是本发明一种静压支撑宏微双驱动进给系统的实现方法原理图。
以上各图中，
1、伺服电机；
2、丝杠螺母组件；21、丝杠；22、螺母；23、螺母座；
3、静压支撑组件；31、芯轴单元；311、芯轴连接板；312、芯轴、313、圆形腔；314、圆形腔底面；315、半圆孔；316、第一回油孔；317、油垫间隙；318、回油腔；32、外套单元；321、外套连接板；322、外套壁；323、外套腔；324、通孔；325、第二回油孔；33、油垫单元；331、柱状体；332、油垫连接板；333柱状体端面；334、静压油腔；335、进油通道；336、进油孔；
4、工作台；41、回油槽；
5、宏位移检测单元；6、微位移检测单元；
7、控制系统；71、控制器；72、伺服电机驱动器；73、电液驱动器。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：
一种静压支撑宏微双驱动进给系统，如图1到图6所示，包括伺服电机1、丝杠螺母组件2、静压支撑组件3、工作台4、宏位移检测单元5、微位移检测单元6和控制系统7；其中，静压支撑组件3包括芯轴单元31、外套单元32、油垫单元33，芯轴单元31包括芯轴连接板311、芯轴312，外套单元32包括外套连接板321、外套壁322、外套腔323，油垫单元33包括柱状体331和油垫连接板332。
芯轴312外圆柱面上沿圆周方向均布设置4个圆形腔313，外套壁322上沿圆周方向均布设置4个通孔324；芯轴312装配进外套腔323内，4个圆形腔313与4个通孔324的位置相对应；4个油垫单元33的柱状体331穿过通孔324装配进圆形腔313；柱状体331的端面333与圆形腔313的底面314之间形成油垫间隙317；端面333上进一步设置静压油腔334，静压油腔334内部充满压力油，压力油起到静压支撑的作用，通过控制4个油垫单元33的静压油腔334的压力大小，可以控制4个油垫间隙317的大小，起到了微调芯轴单元31与外套单元32之间相对位置的作用，也就是微运动。
进一步地，芯轴312与外套腔323之间留有较大间隙，以保证在微运动的行程范围内两者不接触；柱状体331与圆形腔313之间为间隙配合，保证两者之间可以自由移动。
进一步地，丝杠螺母组件2包括丝杠21、螺母22和螺母座23；芯轴连接板311位于芯轴312的端部，外套连接板321位于外套壁322的端部，油垫连接板332位于柱状体331的端部；螺母22与螺母座23通过螺栓连接，螺母座23与芯轴连接板311通过螺栓连接，油垫连接板332与外套壁322通过螺栓连接。
进一步地，可以通过在油垫连接板332与外套壁322之间加装垫片的方式，来调节油垫间隙317的初始值，也就是调节微运动的行程。
进一步地，油垫单元33内设有进油通道335，连接静压油腔334与进油孔336；芯轴312上的圆形腔313外围设置多个半圆孔315，半圆孔315进一步连接第一回油孔316；外套腔323底部设置第二回油孔325；芯轴312与外套腔323装配之后，外套腔323底部形成回油腔318；工作台4上设置有回油槽41。
进一步地，通过电液伺服阀或者主动控制节流器来控制流入静压油腔334的液压油流量，来控制静压油腔334的油液压力。
进一步地，伺服电机1通过联轴器连接丝杠21，带动丝杠21转动，丝杠21进而带动螺母22平动。
进一步地，宏位移检测单元5位于床身上，用来检测工作台4的位移，作为宏运动的反馈信号；微位移检测单元6位于工作台4上，用来检测芯轴单元31与外套单元32之间的相对位移量，作为微运动的反馈信号。
更进一步地，控制系统7包括控制器71、伺服电机驱动器72、电液驱动器73。
本发明的静压支撑宏微双驱动进给系统，液压油的油路为：高压液压油经过电液伺服阀或者主动控制节流器，由进油孔336进入静压油腔334，再经过油垫间隙317，并依次流过多个半圆孔315和第一回油孔316，流到回油腔318，再从回油腔318经过第二回油孔325，流到回油槽41，再由回油管路流回油箱。其中，油垫间隙317提供节流液阻，以形成静压油腔334内的油液工作压力；油路中，油垫间隙317之后的油液的压力接近常压。
本发明的静压支撑宏微双驱动进给系统，宏运动的实现方式为：通过伺服电机1带动丝杠21转动，丝杠21带动螺母22平动，进而经过螺母座23和静压支撑组件3，将运动传递到工作台4，实现工作台4的宏观、大行程运动；微运动的实现方式为：通过主动控制进入4个静压油腔334的液压油的流量，来控制4个静压油腔334的油液压力，进而控制静压支撑的作用力，通过作用力的大小变化来调节油垫间隙317的大小，起到了微调芯轴单元31与外套单元32之间相对位置的作用，也就是微运动。微运动可以补偿宏运动的运动误差，达到更高的运动精度。
本发明的静压支撑宏微双驱动进给系统工作时，宏位移检测单元5和微位移检测单元6反馈位移信号到控制器71，控制器71经过计算分别向伺服电机驱动器72、电液驱动器73发出运动指令，由伺服电机驱动器72控制伺服电机1转动，经过丝杠螺母组件2的传动，带动工作台4运动，宏位移检测单元5进一步检测工作台4的位移量，形成宏运动的闭环控制；由电液驱动器73控制电液伺服阀或者主动控制节流器，来调节流入静压油腔334的液压油流量，进而改变静压油腔334的油液压力，进而控制静压支撑的作用力，通过作用力的大小变化来调节油垫间隙317的大小，微调芯轴单元31与外套单元32之间的相对位移，微位移检测单元6进一步检测此相对位移量，形成微运动的闭环控制。
以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种静压支撑宏微双驱动进给系统，其特征在于，包括伺服电机(1)、丝杠螺母组件(2)、静压支撑组件(3)、工作台(4)、宏位移检测单元(5)、微位移检测单元(6)和控制系统(7)；其中，静压支撑组件(3)包括芯轴单元(31)、外套单元(32)、油垫单元(33)，芯轴单元(31)包括芯轴连接板(311)、芯轴(312)，外套单元(32)包括外套连接板(321)、外套壁(322)、外套腔(323)，油垫单元(33)包括柱状体(331)和油垫连接板(332)；
芯轴(312)外圆柱面上沿圆周方向均布设置4个圆形腔(313)，外套壁(322)上沿圆周方向均布设置4个通孔(324)；芯轴(312)装配进外套腔(323)内，4个圆形腔(313)与4个通孔(324)的位置相对应；4个油垫单元(33)的柱状体(331)穿过通孔(324)装配进圆形腔(313)；柱状体(331)的端面(333)与圆形腔(313)的底面(314)之间形成油垫间隙(317)；端面(333)上进一步设置静压油腔(334)，静压油腔(334)内部充满压力油，压力油起到静压支撑的作用，通过控制4个油垫单元(33)的静压油腔(334)的压力大小，可以控制4个油垫间隙(317)的大小，起到了微调芯轴单元(31)与外套单元(32)之间相对位置的作用，也就是微运动；
通过在所述油垫连接板(332)与所述外套壁(322)之间加装垫片的方式，来调节所述油垫间隙(317)的初始值，也就是调节微运动的行程；
丝杠螺母组件(2)包括丝杠(21)、螺母(22)和螺母座(23)；所述伺服电机(1)通过联轴器连接所述丝杠(21)，带动所述丝杠(21)转动，所述丝杠(21)进而带动所述螺母(22)平动；所述宏位移检测单元(5)位于床身上，用来检测所述工作台(4)的位移，作为宏运动的反馈信号；所述微位移检测单元(6)位于所述工作台(4)上，用来检测芯轴单元(31)与外套单元(32)之间的相对位移量，作为微运动的反馈信号。
2.根据权利要求1所述的一种静压支撑宏微双驱动进给系统，其特征在于，所述芯轴(312)与所述外套腔(323)之间留有较大间隙，以保证在微运动的行程范围内两者不接触；所述柱状体(331)与所述圆形腔(313)之间为间隙配合，保证两者之间可以自由移动。
3.根据权利要求1所述的一种静压支撑宏微双驱动进给系统，其特征在于，所述芯轴连接板(311)位于所述芯轴(312)的端部，所述外套连接板(321)位于所述外套壁(322)的端部，所述油垫连接板(332)位于所述柱状体(331)的端部；螺母(22)与螺母座(23)通过螺栓连接，螺母座(23)与芯轴连接板(311)通过螺栓连接，油垫连接板(332)与外套壁(322)通过螺栓连接。
4.根据权利要求1所述的一种静压支撑宏微双驱动进给系统，其特征在于，所述油垫单元(33)内设有进油通道(335)，连接所述静压油腔(334)与进油孔(336)；所述芯轴(312)上的圆形腔(313)外围设置多个半圆孔(315)，半圆孔(315)进一步连接第一回油孔(316)；所述外套腔(323)底部设置第二回油孔(325)；所述芯轴(312)与外套腔(323)装配之后，外套腔(323)底部形成回油腔(318)；所述工作台(4)上设置有回油槽(41)。
5.根据权利要求1所述的一种静压支撑宏微双驱动进给系统，其特征在于，通过电液伺服阀或者主动控制节流器来控制流入所述静压油腔(334)的液压油流量，来控制所述静压油腔(334)的油液压力。
6.根据权利要求1所述的一种静压支撑宏微双驱动进给系统，其特征在于，所述控制系统(7)包括控制器(71)、伺服电机驱动器(72)、电液驱动器(73)。
7.根据权利要求1或6所述的一种静压支撑宏微双驱动进给系统，其特征在于，所述宏位移检测单元(5)和微位移检测单元(6)反馈位移信号到控制器(71)，控制器(71)经过计算分别向伺服电机驱动器(72)和电液驱动器(73)发出运动指令，由伺服电机驱动器(72)控制所述伺服电机(1)转动，经过所述丝杠螺母组件(2)的传动，带动工作台(4)运动，所述宏位移检测单元(5)进一步检测工作台(4)的位移量，形成宏运动的闭环控制；由所述电液驱动器(73)控制电液伺服阀或者主动控制节流器，来调节流入所述静压油腔(334)的液压油流量，进而改变静压油腔(334)的油液压力，进而控制静压支撑的作用力，通过作用力的大小变化来调节所述油垫间隙(317)的大小，微调所述芯轴单元(31)与外套单元(32)之间的相对位移，所述微位移检测单元(6)进一步检测此相对位移量，形成微运动的闭环控制。
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