一种热误差差动螺旋补偿装置及其使用方法

摘要

一种热误差差动螺旋补偿装置，包括丝杠螺母传动系统、蜗轮蜗杆补偿系统、套筒、支撑轴承、垫圈等。丝杠螺母2通过在圆周上均布的六个第一联接螺钉17与第一套筒3固定联接，右轴承6和左轴承7一对角接触球轴承安装在第一套筒3上以承受径向载荷和单方向的轴向载荷，左轴承7利用第一套筒3上的轴肩及第二套筒11实现轴向定位，右轴承6利用第三套筒5及轴肩实现轴向定位，第三套筒5由均布在圆周方向上的六个第三联接螺钉9与机床立柱联接，第二套筒11安装在第一套筒3上，并通过六个第二联接螺钉10与第三套筒5联接，蜗轮蜗杆补偿系统中的蜗轮15通过平键16与第一套筒3联接，电机直联型减速器的机座13通过四个第四联接螺钉12与立柱联接，电机直联型减速器19通过联轴器20与蜗杆14相联接，电机直接驱动蜗杆14带动蜗轮15转动，紧固螺母18通过螺纹连接用于蜗轮15的轴向定位，左垫圈8和右垫圈4用于两联接处以防止松动脱落及微量调整。

说明书

技术领域

本发明属于数控机床误差补偿领域，特别涉及一种热致误差的差动螺旋补偿装置及其使用方法。

背景技术

机床在运行过程中，由于工艺系统受到摩擦热、切削热和环境温度等因素的影响而温度升高，产生变形，因而改变了部件之间原先的相对位置，破坏其相对运动的正确性，导致尺寸发生变化，使机床精度降低阵。机床的热变形，是指机床在工作过程中由于摩擦、运动等发热，导致机床零部件膨胀变形的现象，是工艺系统热变形的主要体现。大量研究表明，热致误差是数控机床的最大误差源，占机床总误差的40％～70％，因此减小热误差对提高机床的加工精度至关重要。

目前主要有三种方法可以降低热变形的影响；一种是温度控制，一种是改进机床结构，另一种方法是热误差补偿。控制温度主要是控制数控机床床身上关键部件的温度，从而达到控制其热变形的大小。主要方法是在机床构件的一定位置布置加热元件或冷却系统，实现机床整体的温度场的均衡，减少热变形。具体实施包括：控制切削用量来减少切削热；采用气浮、液压主轴或导轨减少摩擦热；采用隔热层使机床发热部件产生的热量排出；采用油冷机对主轴进行强制冷却；采用陶瓷、磁力轴承等新型材料，从而降低发热量。

改进机床结构是指在机床设计时，合理地选择产生热变形部件材料的热膨胀系数、控制热变形和热误差的方向，从而有效防止重要部件的热变形对机床的加工误差产生影响。近年来还提出了一些改善机床结构，控制热变形的新方法。如浙江大学的应济等人根据相变材料的特性，提出将相变材料注入到机床基础件中，可在一定范围内消除基础件的热变形。吉林省机电研究设计院的研究人员利用自准直原理设计新型导轨磨床，这种方法可基本消除由于环境温度变化引起的基础件的热变形。吉林大学的闰占辉等研究环境温度变化对机床基础热变形的影响规律，认为随着基础深度的增加，基础温度分布呈负指数规律递减的简谐波，热变形主要集中在距离基础两端某距离以内，并利用自准直原理提出双层基础结构，使机床自重变形能够自动补偿环境温度变化引起的热变形，从而提高机床的加工精度及其稳定性。

但是，采用上述方法大多是以牺牲加工成本或加工时间为代价的。如当机床零件精度提高到一定精度的时候，其制造成本不是随着精度的提高按线性增加的，而是按指数曲线增加。对于机床的热变形，虽然采用一定的方法可降低机床摩擦热的产生，但不可能完全消除机床摩擦热量的产生，如主轴轴承，轴与油封间的摩擦等。降低某些参数可以减小切削力，但可能影响加工时间，增加工件的制造周期。因此，上述方法是有一定局限性的。

另一种降低热变形影响的方法是热误差补偿技术，它是采用各种检测手段对数控加工时产生的误差进行直接或间接的测量，然后根据己经建立的误差补偿模型进行误差补偿计算，将计算结果反馈给数控系统，使控制器发出相应的控制误差补偿指令以补偿相应的热误差，消除热变形影响，该方法是消除机床热变形、提高其加工精度的主要手段，但大多数数控系统的开放性不够，通过误差模型计算得出的误差补偿值无法实时的插入到已经生成好的数控程序中，即并不能实现实时的误差补偿。另外，大多数数控系统自身并不具备实时误差补偿功能，因此执行补偿任务时，需要针对具体机床专门设计接口电路。而且现在所目前所进行的研究大部分是一些个例研究，针对的是一些专用机床，所提出的补偿控制系统鲁棒性、通用性较差。

发明内容

本发明的目的是针对现有的热误差补偿技术中的不足之处，提出了一种热误差差动螺旋补偿装置，可直接在数控机床上实现机床在加工过程中热致变形的实时误差补偿，有效的提高了机床加工精度及产品合格率。

本发明提出的一种热误差差动螺旋补偿装置，包括丝杠螺母传动系统、蜗轮蜗杆补偿系统、套筒、支撑轴承、垫圈等。丝杠螺母2通过在圆周上均布的六个第一联接螺钉17与第一套筒3固定联接，右轴承6和左轴承7一对角接触球轴承安装在第一套筒3上以承受径向载荷和单方向的轴向载荷，左轴承7利用第一套筒3上的轴肩及第二套筒11实现轴向定位，右轴承6利用第三套筒5及轴肩实现轴向定位，第三套筒5由均布在圆周方向上的六个第三联接螺钉9与机床立柱联接，第二套筒11安装在第一套筒3上，并通过六个第二联接螺钉10与第三套筒5联接，蜗轮蜗杆补偿系统中的蜗轮15通过平键16与第一套筒3联接，电机直联型减速器的机座13通过四个第四联接螺钉12与立柱联接，电机直联型减速器19通过联轴器20与蜗杆14相联接，电机直接驱动蜗杆14带动蜗轮15转动，紧固螺母18通过螺纹连接用于蜗轮15的轴向定位，左垫圈8和右垫圈4用于两联接处以防止松动脱落及微量调整。

本发明提出的一种热误差差动螺旋补偿装置的使用方法是：数控机床加工零件过程中，当数控系统发出指令，系统控制的伺服电机驱动滚珠丝杠螺母实现机床进给运动时，由电机直联型减速器及蜗轮蜗杆组成的热误差补偿系统随机床一起运动，其中蜗轮蜗杆处于自锁状态；当把间接或直接检测出的机床热变形信息通过一定模型得出需要补偿的误差值后，补偿系统的伺服电机控制蜗杆转动带动丝杆螺母移动从而推动机床立柱移动，从而实现实时的热误差补偿，此时丝杠处于制动状态。

本发明采用上述热误差差动螺旋补偿装置及其使用方法后，主要优点是：

1.上述热误差补偿装置可以应用于多种类型，多种型号的数控机床，即该补偿装置的通用性好。

2.上述热误差补偿装置是一套独立的补偿系统，抗干扰能力很强，鲁棒性较好。

3.采用蜗轮蜗杆的补偿系统，补偿过程中传动平稳，冲击振动小，噪声低，并且可实现自锁及微小位移的补偿。

4.采用上述补偿装置后，补偿时利用了滚珠丝杠螺母传动时滚动摩擦因素小、动作灵敏、高精度、运动平稳等优点。

5.经过热变形误差模型计算得出的补偿值不需要通过数控系统响应中断插补指令进行补偿，而是通过外部硬件及驱动装置独立的实现实时补偿。

6.采用上述补偿装置及使用方法后，补偿系统结构简单，成本较低，对加工过程不会有任何影响，不会影响加工效率。

附图说明

图1为本发明所提供的热误差差动螺旋补偿装置主视图。

图2为本发明所提供的热误差差动螺旋补偿装置左视图。

图1中，1-丝杠、2-螺母、3-第一套筒、4-右垫圈、5-第三套筒、6-左轴承、7-右轴承、8-左垫圈、9-第三联接螺钉，10-第二联接螺钉、11-第二套筒、12-第四联接螺钉、13-电机直联型减速器机座，14-蜗杆、15-蜗轮、16-平键、17-第一联接螺钉、18-紧固螺母。

图2中，19-电机直联型减速器、20-联轴器、21-左轴承、22-右轴承。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明所提供的一种热误差差动螺旋补偿装置，包括丝杠螺母传动系统、蜗轮蜗杆补偿系统、套筒、支撑轴承、垫圈等。在装配过程中，先将套筒5利用在圆周方向上均布的六个螺钉9固定于机床立柱，然后将轴承6，7、套筒3、滚珠丝杠螺母、垫圈4按图示结构穿入套筒5并压紧，套筒11利用垫圈8压紧轴承7并利用六个螺钉1 0联接于套筒5，电机直联型减速器机座13通过四个螺钉12固定于机床，电机直联型减速器19通过联轴器20与蜗杆14相联接，蜗轮蜗杆通过平键16安装于套筒3上，紧固螺母18及轴肩处用于蜗轮15的轴向定位。

本发明提出的热误差差动螺旋补偿结构的工作原理如图1所示，当数控系统发出指令，系统控制的伺服电机驱动滚珠丝杠螺母实现机床进给运动时，由电机直联型减速器及蜗轮蜗杆组成的热误差补偿系统随机床一起运动，其中蜗轮蜗杆处于自锁状态；当把间接或直接检测出的机床热变形信息通过一定模型得出需要补偿的误差值后，补偿系统的伺服电机控制蜗杆转动带动丝杆螺母移动从而推动机床立柱移动，实现实时的热误差补偿，此时丝杠处于制动状态。

本发明结构紧凑，传动平稳、高效，补偿精度高，可广泛用于数控机床上，随着机床各部件温度逐渐升高，在不影响机床整体特性及不改变数控程序的基础上，独立的实现对热变形误差的实时补偿，明显的改善了机床的加工效率及产品合格率，并且能够大幅度的提高零件的加工精度。