机床Z坐标轴的双丝杠重心驱动及龙门轴控制结构

摘要

机床Z坐标轴的双丝杠重心驱动和龙门轴控制结构，其特征在于Z坐标轴的轴Z1和轴Z2是移动部件拖板的上下移动轴，分别位于移动部件拖板两侧、相对拖板的重心对称位置分布，共同驱动拖板上下移动，组成双丝杠重心驱动结构；将两平行的轴Z1和轴Z2在数控系统内设置为龙门轴组，龙门轴组控制采用双电机，双丝杠，双光栅尺结构，对轴Z1和轴Z2运动的实际值进行连续数据采集，控制器实时以龙门轴组的理论值监控移动部件拖板在轴Z1与轴Z2上的动态位置，检查并纠正Z坐标轴的实际位置偏差，以实现Z坐标轴的重心驱动，提高数控机床Z坐标传动及控制的精度及可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及机械制造设备机床中的Z坐标传动结构。

技术背景

数控机床的加工精度大概每8年提高一倍，目前精密数控机床的重复定位精度已经达到1μm，即将告别微米级，而进入亚微米时代。此外，对数控机床精度的要求已经不局限于静态的几何精度，运动精度、热变形和振动的监控和补偿越来越获得重视，以适应高性能加工和高可靠性的需要。

重心驱动是一项可以缩短加工时间、改善轮廓加工精度、提高加工表面质量的技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种机床Z坐标轴的双丝杠重心驱动及龙门轴控制结构，提高数控机床Z坐标传动及控制的精度及可靠性。

机床Z坐标轴的双丝杠重心驱动和龙门轴控制结构，其特征在于Z坐标轴的轴Z1和轴Z2是移动部件拖板的上下移动轴，分别位于移动部件拖板两侧、相对拖板的重心对称位置分布，共同驱动拖板上下移动，组成双丝杠重心驱动结构；将两平行的轴Z1和轴Z2在数控系统内设置为龙门轴组，龙门轴组控制采用双电机，双丝杠，双光栅尺结构，对轴Z1和轴Z2运动的实际值进行连续数据采集，控制器实时以龙门轴组的理论值监控移动部件拖板在轴Z1与轴Z2上的动态位置，检查并纠正Z坐标轴的实际位置偏差，以实现Z坐标轴的重心驱动。

由于在移动部件拖板上安装有与Z坐标轴垂直移动的移动部件滑枕，当移动部件滑枕位于其行程的不同位置时会产生拖板部件的重心移动，在此过程中可出现两种情况：一、当对两根用于Z坐标轴驱动的滚珠丝杠中心线进行连线，其连线的中点与移动部件拖板的重心重合；二、当对两根用于Z坐标轴驱动的滚珠丝杠中心线进行连线，其连线的中点与移动部件拖板的重心不重合。采用重心驱动的技术可以使机床获得高速度和高精度。重心驱动的优点就是它能减少振动，具有重心驱动的设备能部分抵消振动，使振动很快消除，而没有重心驱动的设备消除振动则需要很长时间。在机床Z坐标轴上使用还可通过计算及优化设计取消机床的平衡装置，使Z坐标轴运行更加平稳、定位精度更高。当偏差大于机床参数设定值时，控制器会自动停下龙门组的轴，以免损坏机床。面向飞机自动装配的精加工机床中的三台卧式加工中心的Z轴均应用此功能进行控制。

附图说明

附图1是基于龙门轴的同步控制机械结构连接简图；

附图2.1是Z轴滚珠丝杠拖动受力动作1简图；

附图2.2是Z轴滚珠丝杠拖动受力动作2简图。

具体实施方式

本发明机床Z坐标轴的双丝杠重心驱动和龙门轴控制结构，用于飞机整机精加工及装配生产线中的三台卧式加工中心，结合附图说明设计的联接关系，见图1，Z坐标轴的双丝杠重心驱动，其特征在于Z坐标轴是移动部件拖板6上下移动轴，在此结构中Z1轴和Z2轴分别位于移动部件拖板6两侧、相对拖板重心对称位置共同驱动拖板上下移动，组成双丝杠重心驱动，此时移动部件拖板6的重心与两根滚珠丝杠4、7中心连线重合，见图2a；但是由于在移动部件拖板6上安装有与Z坐标轴垂直移动的移动部件滑枕11，当移动部件滑枕11移动时产生拖板部件的重心偏移无法实现Z坐标轴的双丝杠重心驱动，见图2b，因此该结构需采用龙门轴控制以实现Z坐标轴的重心驱动。在数控系统内为Z坐标轴设置两平行轴Z1、Z2，并将Z1、Z2轴定义为龙门轴组，龙门轴控制采用双电机1、10，双丝杠4、7，双光栅尺3、8结构，运动的实际值连续进行比较，控制器实时监控龙门轴Z1与Z2的实际位置，检查并纠正龙门轴的偏差。

在基于龙门轴移动同步控制模式下的机床的Z轴传动部件末端(滚珠丝杠副)力学状态是动态变化，产生这种力学状态变化的原因是，由于滑枕11在水平面内移动位置上的变化导致Z轴拖动负载重心变化，由此而产生拖板6在Z轴上的扭转变形，为抵抗这种变形，Z轴同步驱动要求双丝杠协调配合抵抗这种扭转变形产生的位置偏差。在机床Z轴传动部件末端(滚珠丝杠副)力学状态有以下两种状态：

1)滑枕11重心在Z轴直线导轨跨距中心时，此时的机床Z轴滚珠丝杠拖动受力简图如图2.1。左右两侧驱动的滚珠丝杠的位置平均分配在Z轴拖动重心两侧，即L₁＝L₂，因此二者的负载相等，即F₁＝F₂，也就是说此时左右两个伺服驱动各分担Z轴总负载的一半。

2)滑枕11重心不在导轨跨距中心时(以滑枕运动到前端极限位置时为例)，此时的机床Z轴滚珠丝杠拖动受力简图如图2.2所示。滑枕11运动到前端极限位置，由于滑枕11重心的位置的前移导致Z轴运动导轨滑块受重心前移(L₁＜L₂)产生的弯矩产生弹性变形，造成拖板左右两侧产生位置偏差，又由于龙门轴(Gantry)的移动同步控制功能要求左右两个驱动同步控制，因此，此时左右驱动部分协调控制消除差距(此时F₁＞F₂)，调整左右两个驱动的控制状态力求一致，以抵抗由于导轨滑块弹性变形产生的拖板扭转产生的位置偏差。

龙门轴控制结构：如图1中1(机床轴Z1)、2(机床轴Z2)共为龙门轴，通过同步控制使拖板6作为一个坐标Z轴移动，传动系统由机械结构上相互独立、并固定在平行的移动部件上的两套传动机构组成，每套传动机构由伺服电机1、10作为驱动执行单元驱动减速箱2、9实现驱动力的大扭矩、低速输出，再经过滚珠丝杠4、7传动副实现对移动部件的运动驱动，两套传动机构的伺服驱动单元通过龙门轴功能模块实现同步控制；

对编程而言，将龙门轴组视为单一同体的通道轴Z轴，然而需要分别对龙门轴Z1、Z2设定系统参数，对应西门子840D系统需设定的参数如下：

Z1轴参数设定：

N37100 $MA_GANTRY_AXIS_TYPE＝1(龙门轴组1的主动轴)

N37110 $MA_GANTRY_POS_TOL_WARNING(报警偏差)

N37120 $MA_GANTRY_POS_TOL_ERROR(同步后允许的最大偏差)

N37130 $MA_GANTRY_POS_TOL_REF(同步前允许的偏差)

Z2轴参数设定：

N37100 $MA_GANTRY_AXIS_TYPE＝11(龙门轴组1的从动轴)

N37110 $MA_GANTRY_POS_TOL_WARNING(报警偏差)

N37120 $MA_GANTRY_POS_TOL_ERROR(同步后允许的最大偏差)

N37130 $MA_GANTRY_POS_TOL_REF(同步前允许的偏差)

如上述2)所述当外部因素使Z1、Z2位置反馈值发生变化即位置设定值与实际位置值不同时，如果在同步的报警偏差内，则在龙门轴的同步控制下，控制器会实时驱动电机动作消除这种偏差，即保证位置设定值与实际位置值始终保持一致。因此这种控制原理及机械结构使得机床Z轴比普通带有平衡装置的单电机驱动的Z轴能够获得更高的刚度、更高的精度及更高的动态响应。