CN106975959A - 带有热伸长补偿结构的旋转轴进给装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种带有热伸长补偿结构的旋转轴进给装置，包括具有周向地形成于外圆面的对称的槽的镗轴，所述槽沿着所述镗轴的轴向延伸分布；套设于所述镗轴的外圆面且位于所述槽内的检测元件，所述检测元件的一端和所述槽固定连接以形成固定端，另一端形成自由端，所述检测元件受热时基本不变形；设置于所述镗轴外圆面靠近所述检测元件的自由端一侧的传感器元件；所述镗轴受热变形时，所述检测元件的固定端被所述镗轴带动产生轴向位移，所述传感器元件能够获知所述检测元件自由端的位移量。本申请提供的进给装置的传感器元件与数控***相连接，PLC控制器采集传感器元件获取的位移量值，并换算为镗轴热伸长的补偿值，然后使镗轴根据该补偿值反向运动。

Description

带有热伸长补偿结构的旋转轴进给装置

技术领域

本发明涉及数控机床领域，特别涉及一种带有热伸长补偿结构的旋转轴进给装置。

背景技术

机床正朝着高速、高精的方向发展，机床在使用过程中，会产生热误差。热误差在机床整个误差中占有相当大的比重，研究表明：在精密加工中热变形引起的加工误差占总加工误差的40～70％，成为影响机床加工精度最主要的因素之一，目前已成为国内外研究的热点。

镗轴组件作为数控机床的关键部件，受热产生的热变形误差较大，尤其是在镗轴进给方向的热伸长误差更为明显，严重影响机床的加工精度、稳定性和应用范围。如在镗轴上安装铣刀，进行较大斜面或平面的铣削，由于两次铣削间隔时间较长，镗轴在这段时间内的热伸长量较大，将会产生较为明显的接刀痕，使得铣削平面的平面度较差，不符合零件的加工工艺要求，导致较高的废品率，成为各主机厂商亟需解决的关键问题之一。

目前，针对镗轴由于受温度场变化而导致的热伸缩变形，在现有条件下其热伸长量不可测、也不可控，还没有有效的预防与解决措施，主要还是控制生热以及对机床进行预热以均衡温度场的方式加以改善。但由于上述方式作用有限，不能彻底解决镗轴的热伸长问题，并且镗轴的热伸长误差大小将随着工作状态和环境温度等条件的改变而变化。

因此，在当前高精度数控机床需求日益增大的前提下，需要寻求适当的方法来对机床镗轴的热伸长进行修正、补偿。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种带有热伸长补偿结构的旋转轴进给装置，其特征在于，包括：

具有周向地形成于外圆面的对称的槽的镗轴，所述槽沿着所述镗轴的轴向延伸分布；

套设于所述镗轴的外圆面且位于所述槽内的检测元件，所述检测元件的一端和所述槽固定连接以形成固定端，另一端形成自由端，所述检测元件受热时基本不变形；

设置于所述镗轴外圆面靠近所述检测元件的自由端一侧的传感器元件；

所述镗轴受热变形时，所述检测元件的固定端被所述镗轴带动产生轴向位移，所述传感器元件能够获知所述检测元件自由端的位移量。

在本发明的一些实施方式中，所述检测元件包括：

套设于所述镗轴且处于所述槽内的检测杆，所述检测杆的一端固定连接在所述槽内以形成固定端，所述检测杆的另一端由所述槽伸出以形成自由端；

套设于所述镗轴且和所述检测杆的自由端连接的检测盘；

所述传感器元件设置于所述镗轴外圆面靠近所述检测盘的位置，以使得所述检测杆的固定端被所述镗轴带动产生轴向位移，所述传感器元件能够获知所述检测盘的位移量。

在本发明的一些实施方式中，所述检测杆和所述镗轴小间隙配合。

在本发明的一些实施方式中，所述的带有热伸长补偿结构的旋转轴进给装置包括：

和所述镗轴关联的滚珠丝杠；

和外部驱动单元关联的滚珠丝杠螺母，随着所述滚珠丝杠螺母的旋转，所述滚珠丝杠能够直线运动；

所述传感器元件获取所述检测元件的自由端的位移量后，所述滚珠丝杠螺母被所述驱动单元驱动，促使所述滚珠丝杠带动所述镗轴向着所述自由端位移的反方向等量补偿运动。

在本发明的一些实施方式中，所述镗轴和所述滚珠丝杠通过角接触轴承连接，以使得二者之间的直线运动相互关联，二者之间的旋转运动相互独立。

在本发明的一些实施方式中，所述滚珠丝杠具有中空的内腔；所述进给装置还包括：

设置于所述滚珠丝杠内腔的拉刀杆；

所述拉刀杆和所述镗轴相关联，以使其能够随着镗轴旋转；

所述拉刀杆和所述滚珠丝杠通过无内圈的滚针轴承连接，以使得二者之间保持独立的旋转运动。

本发明提供带有热伸长补偿结构的进给装置的传感器元件与数控***相连接，数控***中的PLC控制器采集传感器元件获取的位移量值，并换算为镗轴热伸长的补偿值，进而控制驱动***驱动镗轴进行相应的反向运动，以保证零件机械加工的精度及质量。

本发明的检测杆热膨胀系数比镗轴的热膨胀系数低得多，比如低于后者的十分之一，检测杆可由因瓦合金制成。

镗轴增开两个T型安装槽后，需要校核其强度和刚度是否满足使用要求，通过有限元分析计算，在同样承受1000Nm载荷情况下，增加T型槽前后镗杆的最大变形量分别为0.047mm和0.049mm，二者相差在5％以内，可满足使用要求。

本发明实现了数控机床镗轴热伸长位移的实时在线动态检测与补偿控制，能够大大降低由于镗轴的热伸长变形而导致的加工误差，具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明一实施方式中提供带有热伸长补偿结构的旋转轴进给装置的结构示意图；

图2为图1中Q部分的局部放大图；

图3为图1中P部分的局部放大图。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对发明作进一步详细的说明。虽然附图中显示了本公开示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻的理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1～图3所示，本发明一实施方式提供的带有热伸长补偿结构的旋转轴进给装置主要包括镗轴1、检测元件2、传感器元件4。镗轴1的外圆面上周向地形成对称的T型槽，该T型槽沿着镗轴1的轴向延伸分布。检测元件2套设于镗轴1的外圆面且位于T型槽内，检测元件的一端和T型槽固定连接以形成固定端，另一端形成自由端，检测元件2受热时基本不变形。传感器元件4设置于镗轴1的外圆面靠近检测元件2的自由端一侧。镗轴1受热变形时，检测元件2的固定端被镗轴1带动产生轴向位移，传感器元件4能够获知检测元件2自由端的位移量。

在本发明的一些实施方式中，检测元件2包括检测杆21和检测盘22。检测杆21套设于镗轴1且处于T型槽内，检测杆21的一端固定连接在T型槽内以形成固定端，检测杆21的另一端由T型槽伸出以形成自由端。检测盘22套设于镗轴1且和检测杆21的自由端连接。传感器元件4设置于镗轴1外圆面靠近检测盘22的位置，以使得检测杆21的固定端被镗轴1带动产生轴向位移，传感器元件4能够获知检测盘22的位移量。为减少轴向误差，检测盘22和轴承端盖3之间采用小间隙配合。此外，传感器元件4可以通过传感器支架5安装在镗轴上。T型槽一方面可以限制检测杆2在径向方向运动，同时又能保证检测杆2在T型槽中沿轴向方向***，传感器元件4与数控***相连接，数控***中的PLC控制器采集传感器元件4获取的位移量的值，并换算为镗轴热伸长的补偿值。

在本发明的一些实施方式中，检测杆2和镗轴1可采用小间隙配合。由于镗轴1和检测杆2具有不同的热膨胀系数，故应根据机床的使用温度范围计算并保证在最低温度时二者之间的配合为间隙配合，以保证检测杆2不被卡死，镗轴1增开两个T型安装槽后，需要校核其强度和刚度是否满足使用要求。

在本发明的一些实施方式中，带有热伸长补偿结构的旋转轴进给装置包括滚珠丝杠6、滚珠丝杠螺母7。其中，滚珠丝杠6和镗轴1轴关联，滚珠丝杠螺母7和外部驱动单元关联，随着滚珠丝杠螺母7的旋转，滚珠丝杠6能够直线运动。传感器元件4获取检测元件2的自由端的位移量后，滚珠丝杠螺母7被驱动单元驱动，促使滚珠丝杠6带动镗轴1向着所述自由端位移的反方向等量补偿运动。

具体而言，控制伺服进给电机带动带轮8连同滚珠丝杠螺母7旋转，使得滚珠丝杠6产生与镗轴1前端热变形相反方向的运动，并在角接触球轴承9的连接下，将这一补偿运动传递给镗轴1，从而实现对镗轴精度的控制，保证镗轴前端刀具安装处不受镗轴热伸长变形的影响，从而提高其加工时的热态精度。角接触球轴承9可以将镗轴1的旋转运动与滚珠丝杠6的旋转运动隔离开，即镗轴1和滚珠丝杠6可以同步地做直线运动，相互独立地进行旋转运动。

在本发明的一些实施方式中，滚珠丝杠6具有中空的内腔，该进给装置还包括设置于滚珠丝杠6内腔的拉刀杆10。拉刀杆10和镗轴1相关联，以使其能够随着镗轴1旋转，拉刀杆10和滚珠丝杠6通过无内圈的滚针轴承连接11，以使得二者之间保持独立的旋转运动。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制性的。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，但本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.带有热伸长补偿结构的旋转轴进给装置，其特征在于，包括：

具有周向地形成于外圆面的对称的槽的镗轴，所述槽沿着所述镗轴的轴向延伸分布；

套设于所述镗轴的外圆面且位于所述槽内的检测元件，所述检测元件的一端和所述槽固定连接以形成固定端，另一端形成自由端，所述检测元件受热时基本不变形；

设置于所述镗轴外圆面靠近所述检测元件的自由端一侧的传感器元件；

所述镗轴受热变形时，所述检测元件的固定端被所述镗轴带动产生轴向位移，所述传感器元件能够获知所述检测元件自由端的位移量。

2.根据权利要求1所述的带有热伸长补偿结构的旋转轴进给装置，其特征在于，所述检测元件包括：

套设于所述镗轴且处于所述槽内的检测杆，所述检测杆的一端固定连接在所述槽内以形成固定端，所述检测杆的另一端由所述槽伸出以形成自由端；

套设于所述镗轴且和所述检测杆的自由端连接的检测盘；

所述传感器元件设置于所述镗轴外圆面靠近所述检测盘的位置，以使得所述检测杆的固定端被所述镗轴带动产生轴向位移，所述传感器元件能够获知所述检测盘的位移量。

3.根据权利要求2所述的带有热伸长补偿结构的旋转轴进给装置，其特征在于：

所述检测杆和所述镗轴小间隙配合。

4.根据权利要求1所述的带有热伸长补偿结构的旋转轴进给装置，其特征在于，包括：

和所述镗轴关联的滚珠丝杠；

和外部驱动单元关联的滚珠丝杠螺母，随着所述滚珠丝杠螺母的旋转，所述滚珠丝杠能够直线运动；

所述传感器元件获取所述检测元件的自由端的位移量后，所述滚珠丝杠螺母被所述驱动单元驱动，促使所述滚珠丝杠带动所述镗轴向着所述自由端位移的反方向等量补偿运动。

5.根据权利要求1所述的带有热伸长补偿结构的旋转轴进给装置，其特征在于：

所述镗轴和所述滚珠丝杠通过角接触轴承连接，以使得二者之间的直线运动相互关联，二者之间的旋转运动相互独立。

6.根据权利要求1所述的带有热伸长补偿结构的旋转轴进给装置，其特征在于：

所述滚珠丝杠具有中空的内腔；

还包括：

设置于所述滚珠丝杠内腔的拉刀杆；

所述拉刀杆和所述镗轴相关联，以使其能够随着镗轴旋转；

所述拉刀杆和所述滚珠丝杠通过无内圈的滚针轴承连接，以使得二者之间保持独立的旋转运动。