用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償機構及方法
【專利摘要】本申請?zhí)峁┮环N用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償機構，包括固定地設置于溜板內壁的光柵尺位移傳感器；固定地設置于滑枕內的熱標準元件；設置于所述滑枕外且和所述熱標準元件固定連接的光柵尺線位移讀數頭；當所述光柵尺線位移讀數頭在所述熱標準元件的帶動下運動以生成讀數時，所述控制系統能夠根據所述讀數控制所述滑枕進行補償運動。本申請?zhí)峁嶙冃窝a償機構和方法將滑枕前端的熱伸長變形傳遞到光柵尺線位移讀數頭。光柵尺線位移讀數頭和光柵尺位移傳感器產生運動量數值并且反饋至控制系統，以使得控制系統能夠控制伺服電機調整滑枕的位置，實現對滑枕主軸的熱變形進行補償。
【專利說明】
用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償機構及方法
技術領域
[0001]本發(fā)明及數控機床領域，特別涉及用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形主軸的熱變形補償機構和補償方法。
【背景技術】
[0002]目前，影響數控機床的加工精度的因素主要可以歸結為四類:機床主要機械結構的幾何誤差;加工過程中的載荷誤差;熱變形誤差;伺服系統控制誤差。大量研究表明，精密加工中的熱變形已成為影響加工精度穩(wěn)定性的關鍵因素，由其所引起的加工誤差在總誤差中所占的比例高達40%?70%。
[0003]數控機床在工作過程中受到摩擦熱、切削熱和室溫變化等多種熱源的影響，其各部件會產生不同程度的溫度變化，進而形成非均勻的溫度場，使得各零部件通過變形來平衡熱應力的作用。對于鏜銑床而言，導致滑枕主軸銑頭各零部件不同幅值的熱位移，進而引起拉、壓、彎、扭等多種滑枕的熱變形，以改變滑枕與工作臺之間的相對位置，破壞二者相對運動的正確性，使得承載于工作臺上的被加工零件的尺寸發(fā)生變化，影響零件的加工精度。

【發(fā)明內容】

[0004]鑒于現有技術中存在的問題，本發(fā)明提供一種用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償機構，所述鏜銑床包括溜板、設置于所述溜板上上且能夠沿其運動的滑枕以及控制所述滑枕運動的控制系統，其特征在于，所述熱變形補償機構包括:
[0005]固定地設置于所述溜板的軸孔內壁的光柵尺位移傳感器；
[0006]固定地設置于所述滑枕內的熱標準元件；
[0007]設置于所述滑枕外且和所述熱標準元件固定連接的光柵尺線位移讀數頭，所述光柵尺位移傳感器和所述光柵尺線位移讀數頭相互匹配；
[0008]所述光柵尺線位移讀數頭、所述光柵尺位移傳感器以及所述控制系統配置成:
[0009]當所述光柵尺線位移讀數頭在所述熱標準元件的帶動下運動以生成讀數時，所述控制系統能夠根據所述讀數控制所述滑枕進行補償運動。
[0010]在本發(fā)明的一些實施方式中，所述熱標準元件的端部和所述滑枕的端部固定連接。
[0011]在本發(fā)明的一些實施方式中，所述熱標準元件為沿著所述滑枕的軸向設置的熱標準桿；
[0012]所述熱變形補償機構還包括:
[0013]固定設置于所述熱標準桿上的承載板，所述承載板沿著所述滑枕的徑向向外延伸；
[0014]所述光柵尺線位移讀數頭固定設置于所述承載板上。
[0015]在本發(fā)明的一些實施方式中，所述熱變形補償機構還包括固定設置于所述滑枕上的支撐板，所述支撐板和所述承載板彈性連接。
[0016]在本發(fā)明的一些實施方式中，所述支撐板通過彈簧片和所述承載板連接。
[0017]在本發(fā)明的一些實施方式中，所述支撐板和所述彈簧片之間設置有墊塊。
[0018]在本發(fā)明的一些實施方式中，所述熱變形補償機構還包括:
[0019 ]設置于所述滑枕內部的隔圈；
[0020]所述熱標準桿的端部和所述滑枕的端部固定連接，中部和/或尾部設置于所述隔圈內。
[0021]在本發(fā)明的一些實施方式中，所述熱標準元件的線性熱膨脹系數為1.8X10—8/°C?1.5X10-6/Γ。
[0022]此外，本發(fā)明還提供了一種用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償方法，包括:
[0023]測定滑枕的多個溫度值；
[0024]利用上述熱變形補償機構測定與所述多個溫度值對應的滑枕熱變形補償數值；
[0025]建立和存儲溫度值和熱變形補償數值的數學模型；
[0026]測定實際工作狀態(tài)下滑枕的溫度值；
[0027]根據所述測定的溫度值調取滑枕熱變形補償數值，并根據該熱變形補償數值控制所述滑枕進行補償運動。
[0028]本發(fā)明提供的另一種用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償方法，包括:
[0029]在滑枕上設置用于測定其溫度的傳感器；
[0030]利用上述熱變形補償機構測定與所述多個溫度值對應的滑枕熱變形補償數值；[0031 ]利用最小二乘法建立溫度值和熱變形補償數值的數學模型，將所述數學模型存儲至數控系統；
[0032]利用傳感器測量實際工作狀態(tài)下滑枕的溫度值，將該溫度值傳送至控制系統；
[0033]控制系統根據該溫度值調取滑枕熱變形補償數值并將該數值傳送至伺服驅動器，以使得伺服驅動器驅動伺服電機控制滑枕運動；
[0034]光柵尺線位移讀數頭在光柵尺位移傳感器上產生讀數值，所述讀數值被反饋至數控系統，以用于判斷滑枕補償運動數值和所述熱變形補償數值是否一致。
[0035]本發(fā)明提供的用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償機構專門在滑枕內部設置了熱標準元件，以將滑枕前端的熱伸長變形傳遞到滑枕后端的光柵尺線位移讀數頭。光柵尺線位移讀數頭和光柵尺位移傳感器產生運動量數值并且反饋至控制系統，以使得控制系統能夠控制伺服電機調整滑枕的位置，實現對滑枕主軸的熱變形進行補償。本發(fā)明提供的用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償方法能夠在建立溫度值和熱變形補償數值后，根據工作狀態(tài)下實際測量的滑枕溫度值，自動地調取熱變形補償數值，進而驅動滑枕作出熱變形補償運動。
【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明一實施方式的鏜銑床龍門架的結構示意圖；
[0037]圖2為安裝有熱變形補償機構的滑枕的側視圖；
[0038]圖3為圖2中沿B方向的視圖；
[0039]圖4為顯示了帶有溜板的滑枕的結構示意圖；
[0040]圖5為圖2中I部分的放大示意圖；[0041 ]圖6為圖2中沿A-A剖面線的剖視圖；
[0042]圖7為圖6中Π部分的放大不意圖；
[0043]圖8為圖6中ΙΠ部分的放大示意圖；
[0044]圖9為圖6中IV部分的放大示意圖；
[0045]圖10為本發(fā)明的熱變形補償機構的工作流程圖；
[0046]圖11為本發(fā)明提供的實時熱變形補償方法流程圖。
【具體實施方式】
[0047]為了使發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖和具體實施例對發(fā)明作進一步詳細的說明。雖然附圖中顯示了本公開示例性實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現本發(fā)明而不應被這里闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹的理解本發(fā)明，并且能夠將本發(fā)明的范圍完整的傳達給本領域的技術人員。
[0048]圖1顯示了本發(fā)明一實施方式的鏜銑床龍門架的結構示意圖，該鏜銑床的龍門架的橫梁上設置有具有溜板1、設置于溜板I上且能夠沿其滑軌運動的滑枕2，該鏜銑床還包括控制上述滑枕2運動的控制系統(圖未示)。
[0049]圖2和圖3分別顯示了安裝有熱變形補償機構的滑枕的側視圖和圖2中沿B方向的視圖。本發(fā)明一實施方式的用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償機構包括光柵尺位移傳感器
3、熱標準元件4、光柵尺線位移讀數頭5。
[0050]具體地，結合圖4，光柵尺位移傳感器3通過安裝板31固定地設置于溜板I上，并非設置于滑枕2上。熱標準元件4可以采用熱標準桿，其沿著滑枕2的軸向設置于滑枕2內且端部和所述滑枕2的端部固定連接。熱標準桿可以采用線性熱膨脹系數為1.5X10—6/°C的鐵基高鎳合金。當含鎳36 %時，其線性熱膨脹系數可以達到1.8 X 10-8/oC ο熱標準桿在-80 V?100°C下基本不會出現受熱膨脹的現象，相對于滑枕2的材料(球墨鑄鐵)而言，其膨脹可以忽略不計。光柵尺線位移讀數頭5則設置于滑枕2外且和熱標準元件4固定連接。光柵尺位移傳感器3和光柵尺線位移讀數頭5相互匹配。
[0051 ]在工作過程中，滑枕2受熱而伸長時，光柵尺線位移讀數頭5在所述熱標準元件4的帶動下向著滑枕2伸長的方向運動以在光柵尺位移傳感器3上生成讀數，控制系統則能夠根據該讀數控制滑枕2進行反向的補償運動，即調整滑枕2的位置以消除熱膨脹帶來的加工誤差。
[0052]結合圖3、圖6和圖9，熱標準元件4的端部通過固定塊41和多個緊固螺釘42和滑枕2的端部固定且設置于滑枕2的內部。
[0053]在本發(fā)明的一種實施方式中，參照圖8，滑枕2的內部的固定設置有隔圈43，所述熱標準元件4的中部或者尾部設置于隔圈43之中，以使得熱標準元件4整體地、更為穩(wěn)定地設置于滑枕2內，不易因震動而錯位，增加了測量的準確性。
[0054]參照圖2?5，本發(fā)明提供的熱變形補償機構還包括固定設置于熱標準元件4上的承載板6，該承載板6沿著滑枕2的徑向向外布置。光柵尺線位移讀數頭5則固定設置于承載板6上。
[0055]在本發(fā)明的一些實施方式中，熱變形補償機構還可以包括固定設置于所述滑枕2上的支撐板7，該支撐板7和承載板6彈性連接。如圖3所示，支撐板7位于承載板6的下方。支撐板7既防止了承載板6在震動下而發(fā)生位置偏移，又通過彈性連接使得承載板6可以跟隨熱標準元件4沿著滑枕2的軸向方向運動，進而使得設置于承載板6上的光柵尺線位移讀數頭5在光柵尺位移傳感器3產生讀數。
[0056]結合圖7所示，承載板6通過緊固螺釘61和熱標準元件4固定連接。支撐板7通過緊固螺釘71和滑枕2固定連接。支撐板7和承載板6通過兩個彈簧片62彈性連接。此外，還可以在支撐板7和承載板6的連接處設置墊片63，以用于調整二者的相互位置。
[0057]參照圖10，本發(fā)明提供的用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償機構的工作流程為:
[0058]主軸軸承高速旋轉，產生大量熱，滑枕2受熱后伸長變形，帶動熱標準桿4整體向滑枕2前端方向運動；
[0059]設置于承載板6上的光柵尺線位移讀數頭5在熱標準桿4的帶動下向滑枕2的前端方向運動；
[0060]當光柵尺線位移讀數頭5的運動量小于光柵尺位移傳感器3的分辨率時，控制系統不作出響應。當光柵尺線位移讀數頭5的運動量達到光柵尺位移傳感器3的分辨率時，該運動量即為滑枕2前端的熱伸長量，該運動量被反饋至控制系統；
[0061]控制系統接收到該運動量數據后，向伺服電機發(fā)出指令，伺服電機進給機構控制滑枕2向著熱伸長變形方向的反方向運動(即光柵尺線位移讀數頭5回歸到初始位置)，以保證滑枕2前端的定位精度不受自身熱伸長變形的影響。
[0062]除此之外，如圖11所示，本發(fā)明還提供的一種實時熱變形補償方法，其利用本發(fā)明提供的熱變形補償機構建立滑枕熱變形量和溫度的關系的數學模型，并將該模型保存于控制系統中，以使得控制系統能夠根據該數學模型進行在線實時熱變形補償。具體過程如下:
[0063]在滑枕上設置用于測定滑枕溫度的傳感器；
[0064]利用本發(fā)明提供的熱變形補償機構獲得多個溫度值所對應的滑枕熱變形補償數值；
[0065]利用最小二乘法建立溫度值和熱變形補償數值的數學模型，將該數學模型存儲至數控系統；
[0066]實際工作時，利用傳感器測量滑枕的溫度，該溫度測量值被傳送至控制系統；
[0067]控制系統根據該溫度測量值調取滑枕熱變形補償數值，控制系統將該數值傳送至伺服驅動器，以使得伺服驅動器驅動伺服電機控制滑枕運動；
[0068]光柵尺線位移讀數頭在光柵尺位移傳感器上產生讀數值，所述讀數值被反饋至數控系統，以用于判斷滑枕補償運動數值和所述熱變形補償數值是否一致。
[0069]如果滑枕補償運動數值和所述熱變形補償數值一致，則上述補償運動正確的執(zhí)行。如果滑枕補償運動數值和所述熱變形補償數值不一致，則再次利用傳感器測量滑枕的溫度，該溫度測量值被傳送至控制系統，然后順序執(zhí)行步驟。
[0070]以上對本發(fā)明的各種實施例進行了詳細說明。本領域技術人員將理解，可在不偏離本發(fā)明范圍(由所附的權利要求書限定)的情況下，對實施方案進行各種修改、改變和變化。對權利要求范圍的解釋應從整體解釋且符合與說明一致的最寬范圍，并不限于示例或詳細說明中的實施范例。
【主權項】
1.一種用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償機構，所述鏜銑床包括溜板、設置于溜板上且能夠沿其運動的滑枕以及控制所述滑枕運動的控制系統，其特征在于，所述熱變形補償機構包括: 固定地設置于所述溜板的軸孔內壁的光柵尺位移傳感器； 固定地設置于所述滑枕內的熱標準元件； 設置于所述滑枕外且和所述熱標準元件固定連接的光柵尺線位移讀數頭，所述光柵尺位移傳感器和所述光柵尺線位移讀數頭相互匹配； 所述光柵尺線位移讀數頭、所述光柵尺位移傳感器以及所述控制系統配置成: 當所述光柵尺線位移讀數頭在所述熱標準元件的帶動下運動以生成讀數時，所述控制系統能夠根據所述讀數控制所述滑枕進行補償運動。2.根據權利要求1所述的用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償機構，其特征在于，所述熱標準元件的端部和所述滑枕的端部固定連接。3.根據權利要求1或2所述的用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償機構，其特征在于，所述熱標準元件為沿著所述滑枕的軸向設置的熱標準桿； 所述熱變形補償機構還包括: 固定設置于所述熱標準桿上的承載板，所述承載板沿著所述滑枕的徑向向外延伸； 所述光柵尺線位移讀數頭固定設置于所述承載板上。4.根據權利要求3所述的用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償機構，其特征在于，所述熱變形補償機構還包括: 固定設置于所述滑枕上的支撐板，所述支撐板和所述承載板彈性連接。5.根據權利要求4所述的用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償機構，其特征在于，所述支撐板通過彈簧片和所述承載板連接。6.根據權利要求5所述的用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償機構，其特征在于，所述支撐板和所述彈簧片之間設置有墊塊。7.根據權利要求3所述的用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償機構，其特征在于，包括: 設置于所述滑枕內部的隔圈； 所述熱標準桿的端部和所述滑枕的端部固定連接，中部和/或尾部設置于所述隔圈內。8.根據權利要求1所述的用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償機構，其特征在于，所述熱標準元件的線性熱膨脹系數為1.8 X 10—8/°C?1.5 X 10—6/°C。9.一種用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償方法，包括: 測定滑枕的多個溫度值； 利用權利要求1?8所述的熱變形補償機構測定與所述多個溫度值對應的滑枕熱變形補償數值； 建立和存儲溫度值和熱變形補償數值的數學模型； 測定實際工作狀態(tài)下滑枕的溫度值； 根據所述測定的溫度值調取滑枕熱變形補償數值，并根據該熱變形補償數值控制所述滑枕進行補償運動。10.根據權利要求9所述的用于鏜銑床滑枕主軸的熱變形補償方法，包括: 在滑枕上設置用于測定其溫度的傳感器； 利用權利要求1?8所述的熱變形補償機構測定與所述多個溫度值對應的滑枕熱變形補償數值； 利用最小二乘法建立溫度值和熱變形補償數值的數學模型，將所述數學模型存儲至數控系統； 利用傳感器測量實際工作狀態(tài)下滑枕的溫度值，將該溫度值傳送至控制系統； 控制系統根據該溫度值調取滑枕熱變形補償數值并將該數值傳送至伺服驅動器，以使得伺服驅動器驅動伺服電機控制滑枕運動； 光柵尺線位移讀數頭在光柵尺位移傳感器上產生讀數值，所述讀數值被反饋至數控系統，以用于判斷滑枕補償運動數值和所述熱變形補償數值是否一致。
【文檔編號】B23Q23/00GK105983883SQ201610565677
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年7月18日
【發(fā)明人】劉嘯, 李波波, 李紹萍, 彭梁鋒, 王元倫, 張文坤, 張楠, 李攀科, 夏躍榮, 尹亮, 楊林, 譚麗娟, 田劉平
【申請人】沈機集團昆明機床股份有限公司