一种滑枕悬伸变形补偿装置及方法

摘要

本发明属于大型数控机床或大型搅拌摩擦焊设备的误差补偿技术领域，具体地说是一种滑枕悬伸变形补偿装置及方法，包括滑鞍、滑枕、立柱、力传感器以及质心调节机构，其中立柱上沿竖直方向开设有矩形通孔I，滑鞍设置于立柱的矩形通孔I内、并与立柱的前端和矩形通孔I的内壁沿竖直方向滑动连接，滑鞍上沿长度方向设有矩形通孔II，滑枕插设于滑鞍的矩形通孔II内、并与滑鞍沿水平方向滑动连接，滑鞍在立柱的矩形通孔I内竖直方向运动，滑枕在滑鞍的矩形通孔II内伸出或缩回；滑鞍的一侧或两侧设有质心调节机构，滑鞍与立柱的前端滑动连接处设有力传感器。本发明补偿弯矩大，补偿效果好，且精度高，响应速度快，动态性能好。

说明书

技术领域

本发明属于大型数控机床或大型搅拌摩擦焊设备的误差补偿技 术领域，具体地说是一种滑枕悬伸变形补偿装置及方法，适用于大型 卧式数控镗铣床及结构相似的大型搅拌摩擦焊设备。

背景技术

随着我国航空航天业、制造业的发展，大型卧式数控镗铣床及结 构相似的大型搅拌摩擦焊设备应用越来越广泛。然而其精度仍然是制 约其发展的关键因素，其中滑枕悬伸变形对其精度的影响很大，目前 仍是难以解决的技术问题。滑枕悬伸变形是指在滑枕前端在伸出滑鞍 后，滑枕质心前移使得滑枕前端向下倾斜。该变形是末端执行工具偏 离了预设的位置，从而产生了加工或焊接误差。目前的补偿方法主要 为运动部件的质心补偿、滑枕变形补偿、由滑枕与滑鞍整体重心变化 产生变形的补偿、液压弯矩补偿法等。虽然现有补偿方法均不同程度 地补偿了部分滑枕悬伸变形，并取得了一些效果，然而其不足之处是 滑枕伸出后，补偿滑枕重心变化产生的变形，其作用力均作用滑鞍上， 而滑鞍的变形引起的末端误差没有补偿。而且还导致滑鞍上下运动导 轨的受力严重不均，使得导轨磨损增大，降低了导轨使用寿命。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种滑枕悬伸变形补偿装 置及方法。该装置结构简单、紧凑，易于安装，可靠实用，且补偿弯 矩大，补偿效果好，能够满足强度和刚度的要求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种滑枕悬伸变形补偿装置，包括滑鞍、滑枕、立柱、力传感器 以及质心调节机构，其中立柱上沿竖直方向开设有矩形通孔I，所述 滑鞍设置于立柱的矩形通孔I内、并与立柱的前端和矩形通孔I的内 壁沿竖直方向滑动连接，所述滑鞍上沿长度方向设有矩形通孔II，所 述滑枕插设于滑鞍的矩形通孔II内、并与滑鞍沿水平方向滑动连接， 所述滑鞍在立柱的矩形通孔I内竖直方向运动，所述滑枕在滑鞍的矩 形通孔II内伸出或缩回；所述滑鞍的一侧或两侧设有质心调节机构， 滑鞍与立柱的前端滑动连接处设有力传感器，通过所述质心调节机构 对滑枕悬伸后的变形进行补偿。

所述质心调节机构包括支撑箱体和设置于支撑箱体内的马达、铰 链支撑、升降机连接座、销轴、扭转轴、杠杆臂、螺旋升降机以及球 形铰链，其中扭转轴安装于滑鞍的侧壁上，支撑箱体的一端与扭转轴 转动连接，杠杆臂的圆柱端套装在扭转轴上、并与扭转轴连接，杠杆 臂的另一端通过销轴与球形铰链相连，所述球形铰链上端连有螺旋升 降机，所述马达安装在螺旋升降机的一侧，所述螺旋升降机上部安装 有升降机连接座，所述升降机连接座的两侧分别安装有用于支撑螺旋 升降机的铰链支撑，所述铰链支撑与支撑箱体的两侧连接，所述支撑 箱体的一端与立柱的矩形通孔I内壁滑动连接。

所述立柱上的矩形通孔I与滑鞍连接的相对两侧面沿竖直方向 对称设有辅助导轨，所述支撑箱体上沿竖直方向设有凸台，该凸台上 设有两个辅助滑块，所述辅助滑块和辅助导轨形成滑动副。

所述支撑箱体的一端两侧开设有轴承安装座孔，所述扭转轴通过 第一轴承和第二轴承分别在支撑箱体两侧的轴承安装座孔处转动连 接，杠杆臂的圆柱端与第一轴承和第二轴承之间分别设有套筒和挡 圈，所述挡圈的外侧设有轴承挡板，支撑箱体开口侧安装盖板。所述 杠杆臂与扭转轴花键连接。所述扭转轴通过螺钉与滑鞍的侧面固接。

所述立柱前端矩形通孔I的两侧分别安装有主导轨，所述滑鞍的 矩形端面的两侧分别设有凹槽，该凹槽内设置有所述力传感器，所述 力传感器上设有与主导轨形成移动副的主滑块。

一种滑枕悬伸变形补偿方法，通过力传感器检测滑枕悬伸后产生 的弯矩，所述力传感器将检测到的数值输入至控制系统中，控制系统 输出指令给质心调节机构，通过质心调节机构对滑枕悬伸后的变形进 行补偿。

所述质心调节机构中的马达接收到控制系统的指令、并驱动螺旋 升降机工作，所述螺旋升降机推动杠杆臂，杠杆臂带动扭转轴旋转， 所述扭转轴带动滑鞍扭转，实现对滑枕悬伸后变形的补偿。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明结构简单、紧凑，易于安装，可靠实用，且补偿弯矩大， 补偿效果好，能够满足强度和刚度的要求。

2.本发明补偿实时性好、补偿精度高。本发明采用力传感器检测、 电机闭环控制，补偿精度高，同时其系统响应速度快，动态性能好。

3.本发明的动力系统采用电气驱动，避免了传统液压系统的使 用，在航空航天制造领域有一定优势。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明的立柱内部结构示意图；

图3为本发明的质心调节机构的结构示意图；

图4为本发明的质心调节机构的俯视图；

图5为本发明的质心调节机构的等轴视图；

图6为本发明的扭转轴的结构示意图；

图7为本发明的杠杆臂的结构示意图。

其中：1为滑鞍，2为螺钉，3为滑枕，4为主导轨，5为立柱， 6为力传感器，7为主滑块，8为辅助滑块，9为辅助导轨，10为马 达，11为盖板，12为铰链支撑，13为升降机连接座，14为销轴，15 为轴承挡板，16为扭转轴，17为套筒，18为挡圈，19为第一轴承， 20为第二轴承，21为支撑箱体，22为杠杆臂，23为螺旋升降机，24 为球形铰链。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～7所示，本发明包括滑鞍1、滑枕3、立柱5、力传感器 6以及质心调节机构，其中立柱5上沿竖直方向开设有矩形通孔I， 该矩形通孔I内侧相对的两个侧面上沿竖直方向对称设有凸台，凸台 上安装辅助导轨9，立柱5的前端面上矩形通孔I的两侧沿竖直方向 对称设有主导轨4。滑鞍1为T型，较宽一端的两侧沿竖直方向开设 有凹槽，该凹槽内设置有力传感器6，力传感器6上设有与主导轨4 形成移动副的主滑块7。滑鞍1的一侧或两侧设有质心调节机构，质 心调节机构上沿竖直方向设有辅助滑块8。滑鞍1设置于立柱5的矩 形通孔I内、并通过主滑块7和辅助滑块8分别与立柱5上的主导轨 4和辅助导轨9滑动连接。滑鞍1上沿长度方向设有矩形通孔II，滑 枕3插设于滑鞍1的矩形通孔II内、并与滑鞍1沿水平方向滑动连接， 滑枕3在滑鞍1的矩形通孔II内伸出或缩回。

所述质心调节机构包括支撑箱体21以及设置于支撑箱体21内的 马达10、盖板11、铰链支撑12、升降机连接座13、销轴14、轴承 挡板15扭转轴16、套筒17、挡圈18、第一轴承19、第二轴承20、 杠杆臂22、螺旋升降机23以及球形铰链24，其中扭转轴16通过螺 钉2与滑鞍1的侧面固接，杠杆臂22的圆柱端套装在扭转轴16上、 并与扭转轴16花键连接。杠杆臂22的圆柱端靠近滑鞍1的一侧装有 套筒17、第一轴承19，另一侧装有挡圈18、第二轴承20以及轴承 挡板15。杠杆臂22的另一端通过销轴14与球形铰链24相连，球形 铰链24上端连接有螺旋升降机23，马达10安装在螺旋升降机23的 一侧，螺旋升降机23上部安装有升降机连接座13，升降机连接座13 的两侧分别安装有用于支撑螺旋升降机23的铰链支撑12，两个铰链 支撑12分别与支撑箱体21的两侧连接。

所述支撑箱体21两侧开有轴承安装座孔，第一轴承19与第二轴 承20分别安装于支撑箱体21两侧的轴承安装座孔处，支撑箱体21 开口侧安装盖板11。辅助滑块8设置于支撑箱体21上。

质心调节机构的安装过程是：

用螺钉2将扭转轴16与滑鞍1固连在一起，扭转轴16较长的一 段在滑鞍1外侧，将第一轴承19和套筒17从扭转轴16的悬出一侧 安装进去，贴近滑鞍1的一侧为第一轴承，套筒17用于轴向固定第 一轴承19的内圈，使得第一轴承19与杠杆臂22不会相互接触摩擦； 将杠杆臂22位于支撑箱体21的内部，通过支撑箱体21的轴承安装 孔与杠杆臂22的圆柱孔套在扭转轴16上，之后再将挡圈18、第二 轴承20顺次套入扭转轴16之上，挡圈18用于轴向固定第二轴承的 内圈，使得第二轴承19与杠杆臂22不会相互接触摩擦；在扭转轴 16的端面安装一轴承挡板15，用于固定第二轴承20；杠杆臂22的 另一端通过销轴14与球形铰链24相连，球形铰链24上端连有螺旋 升降机23，马达10安装在螺旋升降机23的一侧，螺旋升降机23上 部安装有升降机连接座13，且升降机连接座的两侧分别装有铰链支 撑12，铰链支撑12与支撑箱体21固接，用于支撑螺旋升降机23， 安装完毕后，调心机构整体位于支撑箱体21的内部，开口侧安装一 盖板11，马达10通过盖板11的开孔处伸出；将辅助滑块8安装在 支撑箱体21的凸台上，且将辅助导轨9与辅助滑块8组成移动副。

本发明的工作原理是：

滑枕3伸出，滑枕3的重心移动，产生弯矩，该弯矩经过滑鞍1 传递到主导轨4，然后经主导轨4下的力传感器6传至立柱5上，使 力传感器6的测量值增大，将力传感器6测量值输入至控制系统中， 经过分析计算，输出模拟控制量。将模拟控制量输入马达10的驱动 器中，控制马达10的转矩大小。马达10驱动螺旋升降机23将旋转 运动转化为直线运动，螺旋升降机23的丝杠伸出，推动杠杆臂22， 杠杆臂22带动扭转轴16旋转，扭转轴16与滑鞍1连在一起，使得 滑鞍1扭转一个微小角度，从而使末端变形量减小。此时，支撑滑鞍 1运动的主导轨4下方力传感器6的压力减小，当力传感器6恢复到 初始标定值时，控制系统向马达10驱动器发送力矩保持指令，直到 力传感器6的测量值再次增大或减小。该补偿转矩由滑鞍1开始，经 扭转轴16-杠杆臂22-螺旋升降机23-支撑箱体21-辅助导轨9，最终 传递到立柱5上。