用于數(shù)控機(jī)床鏜軸熱伸長變形誤差實(shí)時(shí)在線檢測與補(bǔ)償裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種用于數(shù)控機(jī)床鏜軸熱伸長變形誤差實(shí)時(shí)在線檢測與補(bǔ)償?shù)难b置。主要解決現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床因鏜軸發(fā)生熱伸長變形而導(dǎo)致加工精度變差的問題。其特征在于：此裝置由一種低熱膨脹系數(shù)的材料做成的檢測軸套、定位盤、檢測環(huán)、傳遞螺桿、位移傳感器、傳感器安裝座、PLC模擬輸入模塊、數(shù)控系統(tǒng)溫度補(bǔ)償功能模塊、滾珠絲杠副共同構(gòu)成；通過在鏜軸內(nèi)部、拉刀桿外部安裝檢測軸套，檢測軸套的前端通過定位盤與鏜軸剛性連接在一起，后端與檢測環(huán)一起在軸向方向可以相對(duì)于鏜軸自由運(yùn)動(dòng)，通過位移傳感器測出鏜軸的熱伸長變形誤差，反饋給數(shù)控系統(tǒng)，借助數(shù)控系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償功能實(shí)現(xiàn)鏜軸熱伸長誤差的實(shí)時(shí)在線檢測與補(bǔ)償。本裝置及檢測與補(bǔ)償方法應(yīng)用后能夠?qū)?shù)控機(jī)床由于鏜軸熱伸長變形而導(dǎo)致的加工誤差大大降低，確保實(shí)現(xiàn)機(jī)床預(yù)定的控制精度，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
【專利說明】用于數(shù)控機(jī)床鏜軸熱伸長變形誤差實(shí)時(shí)在線檢測與補(bǔ)償裝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于數(shù)控機(jī)床鏜軸熱伸長變形誤差實(shí)時(shí)在線檢測與補(bǔ)償裝置，屬于精密加工機(jī)床【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)床在使用過程中，各運(yùn)動(dòng)部件之間由于摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱量，同時(shí)機(jī)床和外界環(huán)境也會(huì)發(fā)生熱交換，這樣就會(huì)引起各部件的熱膨脹，在各種約束的作用下，最終導(dǎo)致各運(yùn)動(dòng)部件位置和姿態(tài)的不精確，從而產(chǎn)生熱誤差。熱誤差在機(jī)床整個(gè)誤差中占有相當(dāng)大的比重，研究表明:在精密加工中熱變形引起的加工誤差占總加工誤差的4(Γ70%，成為影響機(jī)床加工精度最主要的因素之一，目前已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
[0003]鏜軸組件作為數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件，很大程度上制約著機(jī)床精度的提高。由于主軸高速旋轉(zhuǎn)生熱的影響，鏜軸將會(huì)產(chǎn)生較大的熱變形，特別是在鏜軸進(jìn)給方向的熱伸長誤差更為明顯，嚴(yán)重影響機(jī)床的加工精度、穩(wěn)定性和應(yīng)用范圍。如在鏜軸上安裝銑刀銑削較大平面時(shí)，由于兩次銑削間隔時(shí)間較長，鏜軸在這段時(shí)間內(nèi)的熱伸長較大，目前在現(xiàn)有條件下其熱伸長量不可測、也不可控，將會(huì)產(chǎn)生較為明顯的接刀痕，使得銑削的平面不符合零件的加工工藝要求，導(dǎo)致較高的廢品率，成為各主機(jī)廠商亟需解決的關(guān)鍵問題之一。
[0004]目前，針對(duì)鏜軸由于受溫度場變化而導(dǎo)致的熱伸縮變形，還沒有有效的預(yù)防與解決措施，主要還是采用誤差防止的辦法，比如通過優(yōu)化改進(jìn)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者在支撐鏜軸的軸承外圈處增加冷卻裝置間接使鏜軸溫度降低，或者通過在正式切削加工前用空行程預(yù)熱以均衡溫度場的方式加以改善。但由于冷卻套裝置的作用有限，不能徹底解決鏜軸的熱伸長問題，并且鏜軸的熱伸長誤差大小將隨著工作狀態(tài)和環(huán)境溫度等條件的改變而變化。因此，在當(dāng)前高精度數(shù)控機(jī)床需求日益增大的前提下，需要尋求適當(dāng)?shù)姆椒▉韺?duì)機(jī)床鏜軸的定位誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測，并將檢測值實(shí)時(shí)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，以控制鏜軸的伺服進(jìn)給裝置進(jìn)行與熱伸長誤差相反方向的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鏜軸定位誤差的補(bǔ)償，從而使機(jī)床的精度得以提聞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決【背景技術(shù)】中所提出的現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種專門用于減少鏜軸熱伸長變形對(duì)機(jī)床加工精度影響的實(shí)時(shí)在線檢測與補(bǔ)償裝置，該裝置應(yīng)用后，能夠?qū)?shù)控機(jī)床由于鏜軸的熱伸長變形而導(dǎo)致的加工誤差大大降低，確保實(shí)現(xiàn)機(jī)床預(yù)定的控制精度。
[0006]本發(fā)明用于數(shù)控機(jī)床鏜軸熱伸長變形誤差實(shí)時(shí)在線檢測與補(bǔ)償控制的裝置的技術(shù)方案是:由錐套(I)、鏜軸(2)、定位盤(6)、檢測軸套(8)、檢測環(huán)(11)、傳遞螺桿(12)、非接觸式位移傳感器(13)、傳感器安裝座(14)、滾珠絲杠螺母座(22)、傳感器電纜(34)、數(shù)控系統(tǒng)(35)、滾珠絲杠(36)和滾珠絲杠螺母(37)共同構(gòu)成的裝置，其定位盤(6)通過錐套(I)與鏜軸(2)前端固連，通過螺紋連接與檢測軸套(8)前端固連；與鏜軸(2)后端固連的軸(10)在檢測軸套(8)后端位置處開一腰形槽，使得與檢測軸套(8)后端相固連的檢測環(huán)
(II)在保證與鏜軸(2) 一起旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，能夠在軸向方向相對(duì)于鏜軸(2 )產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。
[0007]所述的檢測軸套(8)通過傳遞螺桿(12)與檢測環(huán)(11)相互連接。傳遞螺桿(12)與檢測軸套(8)通過螺紋固連，傳遞螺桿(12)與檢測環(huán)(11)通過圓錐配合面實(shí)現(xiàn)連接，可通過傳遞螺桿(12)來調(diào)節(jié)檢測軸套(8)和檢測環(huán)(11)的對(duì)中情況。
[0008]所述的兩個(gè)非接觸式位移傳感器(13)對(duì)稱安裝在傳感器安裝座(14)上，可用于檢測檢測環(huán)(11)相對(duì)于滾珠絲杠螺母座(22)的位移，兩個(gè)位移傳感器(13)的讀數(shù)求平均后可消除不對(duì)稱誤差。
[0009]所述檢測軸套(8)采用的熱膨脹系數(shù)極小的合金材料，合金材料是指因瓦合金材料是一種鎳鋼合金，俗稱殷鋼，不變鋼，其熱膨脹系數(shù)約為1.2 X 10_6/°C。
[0010]所述補(bǔ)償是通過設(shè)置數(shù)控系統(tǒng)(35)的溫度補(bǔ)償功能中的位置無關(guān)溫度補(bǔ)償值機(jī)床數(shù)據(jù)(如Sinumerik 840D系統(tǒng)中的機(jī)床設(shè)置數(shù)據(jù)SD43900)來實(shí)現(xiàn)的。
[0011]所述的將對(duì)相應(yīng)原機(jī)床拉刀機(jī)構(gòu)中拉刀桿進(jìn)行后置，以便讓出檢測軸套(8)的安裝空間。
[0012]所述的定位盤(6)和檢測軸套(8)采用熱膨脹系數(shù)極小的合金材料制成。
[0013]本發(fā)明裝置實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床鏜軸熱伸長變形誤差的實(shí)時(shí)在線動(dòng)態(tài)檢測與補(bǔ)償控制，能夠?qū)?shù)控機(jī)床由于鏜軸的熱伸長變形而導(dǎo)致的加工誤差大大降低，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0015]圖1是本發(fā)明用于鏜軸熱伸長變形誤差實(shí)時(shí)在線檢測與補(bǔ)償裝置的工作原理框圖。
[0016]圖2是本發(fā)明用于鏜軸系統(tǒng)及其熱伸長變形誤差實(shí)時(shí)在線檢測與補(bǔ)償裝置的三維立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3是圖2所示用于鏜軸熱伸長變形誤差實(shí)時(shí)在線檢測與補(bǔ)償裝置的二維工程圖。
[0018]圖4是圖3中A部位的局部放大視圖。
[0019]圖5是圖4中的B-B方向的剖面圖。
[0020]圖中:1-鍵/錐套，2-鏜軸，3-拉釘，4-拉爪，5、7_拉頭，6-定位盤，8-檢測軸套，
9-拉刀桿，10-軸，11-檢測環(huán)，12-傳遞螺桿，13-非接觸式位移傳感器，14-傳感器安裝座，15-軸承端蓋，16-調(diào)整墊圈，17-角接觸球軸承，18-內(nèi)隔圈，19-外隔圈，20-隔圈，21-鎖緊鎖定螺母，22-滾珠絲杠螺母座，23-碟簧，24-油缸，25-隔圈，26-鎖緊鎖定螺母，27-連接桿，28-隔圈，29-活塞，30-缸蓋，31-桿，32-垂直旋接器，33-隔圈，34-傳感器電纜，35-數(shù)控系統(tǒng)，36滾珠絲杠，37-滾珠絲杠螺母。

【具體實(shí)施方式】
[0021]如圖1所示，該種用于減少數(shù)控機(jī)床鏜軸熱伸長變形影響的機(jī)械裝置，主要包括實(shí)時(shí)在線檢測系統(tǒng)和補(bǔ)償控制系統(tǒng)兩部分。主要包括定位盤、前端通過定位盤與鏜軸前端相固連的檢測軸套、檢測環(huán)、傳遞螺桿、位移傳感器、傳感器安裝座、PLC模擬輸入模塊、數(shù)控系統(tǒng)溫度補(bǔ)償功能模塊以及滾珠絲杠副。
[0022]工作原理:為實(shí)現(xiàn)上述鏜軸熱伸長變形誤差的實(shí)時(shí)在線檢測功能，專門設(shè)計(jì)了定位盤、檢測軸套、傳遞螺桿、檢測環(huán)和傳感器及其安裝裝置，將鏜軸前端的熱伸長變形傳遞到鏜軸后端滾珠絲杠螺母座的安裝位置處，并通過非接觸式的位移傳感器進(jìn)行檢測。
[0023]為實(shí)現(xiàn)鏜軸熱伸長變形的補(bǔ)償控制功能，利用了數(shù)控系統(tǒng)中的PLC模擬輸入和溫度補(bǔ)償功能，將鏜軸熱伸長變形誤差信號(hào)采集并反饋給溫度補(bǔ)償功能模塊，控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做與鏜軸熱伸長誤差相反的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償控制功能。
[0024]其具體實(shí)現(xiàn)過程為:首先，鏜軸受熱后發(fā)生軸向伸長變形，由于熱變形可忽略的檢測軸套前端和鏜軸固連在一起，因此在檢測軸套和鏜軸后端將產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)位移；
其次，傳遞螺桿將位于鏜軸內(nèi)部的檢測軸套的位移傳遞給位于鏜軸外部的檢測環(huán)，以方便檢測；
再次，上述傳遞給檢測環(huán)的位移通過安裝于鏜軸進(jìn)給絲杠螺母座上的非接觸式位移傳感器進(jìn)行檢測，并由機(jī)床上的PLC模擬輸入模塊進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)反饋給數(shù)控系統(tǒng)；
最后，數(shù)控系統(tǒng)將反饋回來的位移值轉(zhuǎn)化為補(bǔ)償值，傳遞給數(shù)控系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償模塊，通過修改補(bǔ)償模塊中的與位置無關(guān)的溫度補(bǔ)償值，將補(bǔ)償信號(hào)疊加進(jìn)伺服控制中的位置環(huán)，使伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠副和鏜軸做與鏜軸前端熱變形相反的運(yùn)動(dòng)，以保證鏜軸前端在期望的位置。
[0025]本發(fā)明通過在原機(jī)床的鏜軸內(nèi)部、拉刀桿外部安裝檢測軸套，檢測軸套的前端通過定位盤與鏜軸剛性連接在一起，檢測軸套的后端與檢測環(huán)一起在軸向方向可以相對(duì)于鏜軸自由運(yùn)動(dòng)，通過位移傳感器測出鏜軸的熱伸長變形誤差，反饋給數(shù)控系統(tǒng)，借助數(shù)控系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償功能，實(shí)現(xiàn)鏜軸熱伸長誤差的實(shí)時(shí)在線檢測與補(bǔ)償。
[0026]本發(fā)明通過在鏜軸內(nèi)部、拉刀桿外部安裝檢測軸套，檢測軸套的前端通過定位盤與鏜軸剛性連接在一起，后端與檢測環(huán)一起在軸向方向可以相對(duì)于鏜軸自由運(yùn)動(dòng)，通過位移傳感器測出鏜軸的熱伸長變形誤差，反饋給數(shù)控系統(tǒng)，借助數(shù)控系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償功能實(shí)現(xiàn)鏜軸熱伸長誤差的實(shí)時(shí)在線檢測與補(bǔ)償。
[0027]本發(fā)明主要包括鍵/錐套I ;鍵軸2 ;定位盤6 ;檢測軸套8 ;檢測環(huán)11 ;傳遞螺桿12 ;非接觸式位移傳感器13 ;傳感器安裝座14 ;滾珠絲杠螺母座22 ;傳感器電纜34 ;數(shù)控系統(tǒng)35 ;滾珠絲杠36 ;滾珠絲杠螺母37，如圖3飛所示。其中，檢測軸套8前端通過定位盤6和鍵/錐套I與鏜軸2固連在一起；檢測軸套8后端通過4顆傳遞螺桿12與檢測環(huán)11相互連接，通過檢測環(huán)11和傳遞螺桿12的錐面保證檢測軸套8和檢測環(huán)的軸向固連和徑向?qū)χ?；?dāng)鏜軸2受熱后發(fā)生軸向伸長變形時(shí)，由于熱變形可忽略的檢測軸套8前端和鏜軸2固連在一起，因此在檢測軸套8和鏜軸2后端將產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)位移，即可認(rèn)為是鏜軸2前端的熱伸長誤差，亦即檢測環(huán)11相對(duì)于鏜軸2后端產(chǎn)生的位移；安裝于傳感器安裝座14上的兩顆非接觸式位移傳感器13檢測到檢測環(huán)11相對(duì)于滾珠絲杠螺母座22的位移后，將其反饋到數(shù)控系統(tǒng)35，數(shù)控系統(tǒng)35將反饋過來的熱誤差值換算成相應(yīng)的補(bǔ)償值，周期性地修改其與位置無關(guān)的熱誤差補(bǔ)償機(jī)床數(shù)據(jù)(如Sinumerik 840D系統(tǒng)中的機(jī)床設(shè)置數(shù)據(jù)SD43900)，控制伺服進(jìn)給電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠36旋轉(zhuǎn)，使得滾珠絲杠螺母37連同滾珠絲杠螺母座22和鏜軸2系統(tǒng)產(chǎn)生與鏜軸2前端熱變形相反方向的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鏜軸熱伸長誤差實(shí)時(shí)在線檢測與補(bǔ)償控制，保證鏜軸前端刀具安裝處不受鏜軸熱伸長變形的影響，從而提高其加工時(shí)的熱態(tài)精度。
[0028]所述檢測軸套8的材料采用熱膨脹系數(shù)極小的因瓦合金，因瓦合金是一種鎳鋼合金，俗稱殷鋼或不變鋼，其熱膨脹系數(shù)約為1.2 X 10_6/°C，相對(duì)于鏜軸材料一合金鋼的熱膨脹系數(shù)來說非常小，可認(rèn)為是零。
[0029]本發(fā)明用于減少數(shù)控機(jī)床鏜軸熱伸長變形影響的機(jī)械裝置，經(jīng)過試驗(yàn)證明，能夠有效減少數(shù)控機(jī)床的鏜軸隨溫度變化導(dǎo)致伸縮變形所產(chǎn)生的加工誤差，達(dá)到預(yù)定的機(jī)床控制精度，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
[0030]本裝置及檢測與補(bǔ)償方法應(yīng)用后能夠?qū)?shù)控機(jī)床由于鏜軸熱伸長變形而導(dǎo)致的加工誤差大大降低，確保實(shí)現(xiàn)機(jī)床預(yù)定的控制精度，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
【權(quán)利要求】
1.一種用于數(shù)控機(jī)床鏜軸熱伸長變形誤差實(shí)時(shí)在線檢測與補(bǔ)償控制的裝置，其特征在于:裝置由錐套(I)、鏜軸(2)、定位盤(6)、檢測軸套(8)、檢測環(huán)(11)、傳遞螺桿(12)、非接觸式位移傳感器(13)、傳感器安裝座(14)、滾珠絲杠螺母座(22)、傳感器電纜(34)、數(shù)控系統(tǒng)(35 )、滾珠絲杠(36 )和滾珠絲杠螺母(37 )共同構(gòu)成，定位盤(6 )通過錐套(I)與鏜軸(2 )前端固連，通過螺紋連接與檢測軸套(8)前端固連；與鏜軸(2)后端固連的軸(10)在檢測軸套(8)后端位置處開一腰形槽，使得與檢測軸套(8)后端相固連的檢測環(huán)(11)在保證與鏜軸(2 ) —起旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，能夠在軸向方向相對(duì)于鏜軸(2 )產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，檢測軸套(8)通過傳遞螺桿(12)與檢測環(huán)(11)相互連接， 傳遞螺桿(12)與檢測軸套(8)通過螺紋固連，傳遞螺桿(12)與檢測環(huán)(11)通過圓錐配合面實(shí)現(xiàn)連接，可通過傳遞螺桿(12)來調(diào)節(jié)檢測軸套(8)和檢測環(huán)(11)的對(duì)中情況。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，兩個(gè)非接觸式位移傳感器(13)對(duì)稱安裝在傳感器安裝座(14)上，可用于檢測檢測環(huán)(11)相對(duì)于滾珠絲杠螺母座(22)的位移，兩個(gè)位移傳感器(13)的讀數(shù)求平均后可消除不對(duì)稱誤差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述檢測軸套(8)采用的熱膨脹系數(shù)極小的合金材料，合金材料是指因瓦合金材料是一種鎳鋼合金，俗稱殷鋼，不變鋼，其熱膨脹系數(shù)約為 1.2X10-6/。。。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述補(bǔ)償是通過設(shè)置數(shù)控系統(tǒng)(35)的溫度補(bǔ)償功能中的位置無關(guān)溫度補(bǔ)償值機(jī)床數(shù)據(jù)(如Sinumerik 840D系統(tǒng)中的機(jī)床設(shè)置數(shù)據(jù)SD43900)來實(shí)現(xiàn)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，對(duì)相應(yīng)機(jī)床中拉刀機(jī)構(gòu)的拉刀桿進(jìn)行后置，以便讓出檢測軸套(8)的安裝空間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，定位盤(6)和檢測軸套(8)采用熱膨脹系數(shù)極小的合金材料制成。
【文檔編號(hào)】B23Q23/00GK104227503SQ201410464103
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月14日
【發(fā)明者】崔崗衛(wèi), 王自強(qiáng), 袁勝萬, 寸花英, 張曉毅, 嚴(yán)江云, 孫薇, 王全寶, 彭梁鋒, 肖寧, 李朝萬, 張明旭, 余正斌, 王用, 李江艷, 鞏朋, 陶駿, 陳忠良, 字立敏 申請(qǐng)人:沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司