數控工具機滑枕懸伸變形實時補償方法
2023-07-29 06:17:31 1
專利名稱：數控工具機滑枕懸伸變形實時補償方法
技術領域：
本發明屬於數控工具機誤差檢測與補償設備領域，它是一種通過實時檢測數控工具機 滑枕懸伸下垂變形量並進行實時誤差補償的方法。
背景技術：
隨著現代製造業的不斷發展，精密和超精密加工技術的重要性日益凸顯。數控機 床作為製造業的重要裝備，也面臨了新時代的機遇和挑戰。提高數控工具機的精度是提高數 控工具機產品質量、增強市場競爭力的關鍵所在。數控工具機滑枕沿滑軌在垂直於立柱方向做 前後水平運動，當滑枕向前伸出時，形成懸臂梁結構，在自重及切削力等外力作用下，滑枕 伸出部分會自根部產生下垂撓曲形變，引起工具機主軸和刀具的角度誤差和位移誤差，從而 影響工具機的加工精度。因此，對滑枕下垂變形的實時檢測與補償就顯得尤為必要。目前，為解決這一技術難題，齊二工具機廠在滑枕內部上側安裝一個液壓缸和一個 平行拉杆，通過液壓油使液壓缸拉杆對滑枕上部產生一個水平拉力，使滑枕向上彎曲，補 償其下垂量。江蘇恆力工具機廠採用在滑枕內部上側加兩個液壓缸，其中一個產生拉力， 另一個產生推力，以使滑枕產生向上的彎曲來補償下垂量，並申請了國內專利，專利號為 200710020440. 3，發明名稱滑枕懸伸下垂分段變形補償裝置，發明人孫德洲。以上兩種 方法均存在問題是第一，都是預先在工具機空載的理想情況下通過實驗測得伸長量和液壓 缸油壓的關係，獲取擬合曲線，在補償程序中提前設定伸長量和液壓缸油壓的關係。由於採 用非實時開環補償方式，補償具有滯後性，實際補償效果並不理想。第二，隨著工具機的應用， 當滑枕軌道與滑塊之間的磨損達到一定程度，或在較大外力變化作用下而突然產生下垂變 形時，液壓系統無法根據實際情況進行下垂補償，甚至需要定期重新設定伸長量和液壓缸 油壓的函數關係，費時費力，實用性差。
發明內容
本發明要解決的技術難題是克服上述補償方法的不足，發明一種數控工具機滑枕懸 伸變形實時補償方法，採用閉環控制補償方式，利用液壓缸和拉杆對滑枕上部施加拉力進 行下垂變形補償，利用雷射發射器和位置傳感器檢測滑枕的最大下垂變形量，PLC控制器調 節電液數字閥的流量，進而控制液壓缸和拉杆對滑枕的拉力作用，使滑枕產生向上的彎曲 變形，補償其下垂變形量，補償效率和精度高，實用性強。本發明採用的技術方案一種數控工具機滑枕懸伸變形實時補償方法，採用閉環控 制補償方式，利用雷射發射器和位置傳感器檢測滑枕的懸伸變形量，通過PLC控制器調節 電液數字閥的流量，控制油泵進入液壓缸的液壓，通過液壓缸和拉杆的拉力作用使滑枕產 生向上的彎曲變形，補償滑枕的下垂變形量，其步驟為1)先在滑枕1的內部上側分別安裝兩組結構相同的液壓缸11和拉杆6，每組液壓 缸11的活塞杆19和拉杆6之間分別通過螺紋連接；2)然後將雷射發射器8安裝在雷射頭固定器9內，雷射頭固定器9通過雷射固定座7安裝在十字滑座10上，利用調整螺套16和調整螺杆17對雷射發射器8進行豎直和水 平方向的微調；3)將位置傳感器4安裝在支架2上，支架2通過螺釘固定在滑枕1的最前端；4)位置傳感器4分別輸出兩路電流信號，輸出的上、下電流信號(I1U2)分別輸入 到PLC控制器5的兩個埠，PLC控制器5對兩路電流進行處理後，輸出脈衝指令到電液數 字閥15的信號輸入端，控制電液數字閥15內部的步進電機正轉、反轉或停止，電液數字閥 15的進口連接油泵13，出口連接液壓缸11的活塞杆19上的進油口 12，電液數字閥15根據 PLC控制器5的指令調節油泵13進入液壓缸11的油壓，控制液壓缸11和拉杆6的拉力大5)滑枕1向前伸出前，即沒有豎直方向的下垂變形時，打開雷射發射器8，調整激 光發射器8的入射雷射點打在位置傳感器4上，通過調整螺套16和調整螺杆17對雷射發 射器8進行豎直方向和水平方向的微調，使雷射點打在位置傳感器4的光敏面的零點位置 K，此時位置傳感器4的兩級輸出的電流大小相等，PLC控制器5發出停止指令，電液數字閥 15內的步進電機不轉動，液壓缸11和拉杆6不對滑枕1產生拉力作用；6)當滑枕1向前伸出時，其前端有下垂變形量，安裝在滑枕1前端的位置傳感器4 亦有相同的下垂量，此時雷射點打在位置傳感器4的光敏面零點的上方，位置傳感器4兩級 輸出的電流I1和I2,輸入到PLC控制器5，PLC控制器5對I1和I2進行比較，如果I1 I2，說明滑枕1的伸出端在豎直 方向向上偏離初始位置，PLC控制器5發出指令使電液數字閥15內的步進電機反轉，減小 電液數字閥15的流量，從而減小油泵13進入液壓缸11的液壓，減小液壓缸11和拉杆6對 滑枕1上部的拉力，對滑枕1的補償量減小，使滑枕1的前端在豎直方向下垂到初始位置。 如果I1 = I2，說明滑枕1沒有下垂變形量，則PLC控制器5發出指令使電液數字閥15內的 步進電機停止轉動，不對滑枕1產生拉力作用，不對滑枕1進行變形補償。至此，在滑枕1伸出或回縮的任何位置，雷射發射器8和位置傳感器4實時檢測滑 枕1的懸伸下垂變形量，並將下垂量信號輸送給電液數字閥15，通過電液數字閥15調整液 壓缸11和拉杆6對滑枕1的補償力，改變滑枕1前端在豎直方向的位置，雷射發射器8和 位置傳感器4連續對滑枕1前端的下垂變形量進行檢測，由此形成一個閉環控制系統，實現 對滑枕1前端下垂變形的實時補償。本發明具有以下明顯效果解決了現有滑枕懸伸形變補償系統由於先擬定補償曲 線，後進行補償，從而導致缺乏實時性的問題；使用雷射發射器和位置傳感器連續地檢測 滑枕下垂變形量，由液壓缸和拉杆實現對滑枕下垂變形量的補償，形成閉環控制系統，精度
高，效率高。
圖1為滑枕下垂變形實時補償方法的原理圖。圖2為滑枕下垂變形實時補償方法的示意圖。其中1-滑枕，2-支架，3-拉力螺母，4-位置傳感器，5-PLC控制器，6_拉杆，7_雷射固定座，8-雷射發射器，9-雷射頭固定器，10-十字滑座，11-液壓缸，12-進油口，13-油 泵，14-出油口，15-電液數字閥，F1為液壓缸對滑枕的作用力，F2為拉杆對滑枕的作用力。圖3為滑枕下垂變形實時補償方法的雷射系統結構圖。其中16-調整螺套，17-調整螺杆，d為調整螺套調整雷射發射器的豎直方向，e為 調整螺杆調整雷射發射器的水平方向。圖4為滑枕下垂變形實時補償方法的滑枕下垂量檢測原理圖。圖4為滑枕下垂變形實時補償方法的滑枕下垂量檢測原理圖。其中a為位置傳感器初始位置，b為位置傳感器下垂位置，c為雷射束，K為位置 傳感器零點位置。圖5為滑枕下垂變形實時補償方法的PLC控制流程圖。
具體實施例方式結合附圖和技術方案詳細說明本發明的
具體實施例方式本發明的補償原理如圖1所示，滑枕1前端下垂引起雷射發射器8的雷射點在位 置傳感器4的光敏面上的位置變化，位置傳感器4輸出變化的電流信號，此電流信號輸入 PLC控制器5，PLC控制器5不斷地對輸入電流進行比較後發出相應指令，調節電液數字閥 15的流量大小，實現對液壓缸11內液壓的控制，通過液壓缸11和拉杆6對滑枕1產生向上 的拉力，使滑枕1產生向上的彎曲變形，補償滑枕1的懸伸下垂變形量，形成一個閉環反饋 系統，能實時檢測並補償滑枕1的下垂變形量。如圖2所示為滑枕下垂變形實時補償方法的示意圖，位置傳感器4固定在支架2 上，支架2安裝在滑枕1的最前端的側面，位置傳感器4與滑枕1前端相對固定，與滑枕1 的前端在豎直方向上有同步的位置變化量。雷射發射器8安裝在雷射頭固定器9內，雷射發射方向垂直於位置傳感器4的光 敏面，雷射頭固定器9安裝在雷射固定座7上，雷射固定座7通過螺釘固定在十字滑座10 上，雷射發射器8可以通過雷射固定座7上的調整螺套16和調整螺杆17對雷射發射器8 在豎直方向和水平方向的位置進行微調，如圖3所示。其中十字滑座10可以帶動滑枕1在 豎直方向運動，但與滑枕1在豎直方向沒有相對位移，因此雷射發射器8不會隨滑枕1的伸 出端的下垂變形而有豎直方向的位置變化。滑枕1的上部後端有開孔，將兩組結構相同的拉杆6和液壓缸11安裝在滑枕1內 部，安裝位置如圖2所示。液壓缸11安裝在滑枕1的後部，活塞杆19和拉杆6之間通過螺 紋連接，液壓缸11和拉杆6產生的拉力作用在滑枕1的後部，拉杆6的另一端通過拉力螺 母3擰緊在滑枕的前端，液壓缸11和拉杆6產生的拉力通過拉力螺母3作用在滑枕1前部。 電液數字閥15的進口連接油泵13，出口連接活塞杆19上的進油口 12，油泵13的壓力油通 過電液數字閥15進入液壓缸11，通過對電液數字閥15的調節實現對液壓缸11內液壓的控 制。壓力油對液壓缸11拉杆6分別產生向左和償由於重力及外力產生的下垂變形量。圖4為滑枕下垂變形實時補償方法的滑枕下垂量檢測原理圖，其中位置傳感器4 的特點是對光斑的形狀和大小無嚴格要求，即輸出信號與光斑的聚焦無關，只與光斑的能 量中心位置有關；光敏面可連續測量光斑位置，位置解析度很高，精度可達ym級。K為位 置傳感器4的零點位置，雷射點在光敏面上的位移量ΔΧ與兩級輸出電流的關係為
權利要求
1. 一種數控工具機滑枕懸伸變形實時補償方法，特徵在於，採用閉環控制補償方式，利 用雷射發射器和位置傳感器檢測滑枕的懸伸變形量，通過PLC控制器調節電液數字閥的流 量，控制油泵進入液壓缸的液壓，通過液壓缸和拉杆的拉力作用使滑枕產生向上的彎曲變 形，補償滑枕的下垂變形量，其步驟如下1)先在滑枕(1)的內部上側分別安裝兩組結構相同的液壓缸(11)和拉杆(6)，每組液 壓缸(11)的活塞杆(19)和拉杆(6)之間分別通過螺紋連接；2)然後將雷射發射器(8)安裝在雷射頭固定器(9)內，雷射頭固定器(9)通過雷射固 定座(7)安裝在十字滑座(10)上，利用調整螺套(16)和調整螺杆(17)對雷射發射器(8) 進行豎直和水平方向的微調；3)將位置傳感器(4)安裝在支架( 上，支架( 通過螺釘固定在滑枕(1)的最前端；4)位置傳感器(4)分別輸出兩路電流信號，輸出的上、下電流信號(I1U2)分別輸入到 PLC控制器(5)的兩個埠，PLC控制器(5)對兩路電流進行處理後，輸出脈衝指令到電液 數字閥(1 的信號輸入端，控制電液數字閥(1 內部的步進電機正轉、反轉或停止，電液 數字閥(15)的進口連接油泵(13)，出口連接液壓缸(11)的活塞杆(19)上的進油口(12)， 電液數字閥(15)根據PLC控制器(5)的指令調節油泵(13)進入液壓缸(11)的油壓，控制 液壓缸(11)和拉杆(6)的拉力大小；5)滑枕(1)向前伸出前，即沒有豎直方向的下垂變形時，打開雷射發射器(8)，調整激 光發射器(8)的入射雷射點打在位置傳感器(4)上，通過調整螺套(16)和調整螺杆(17) 對雷射發射器(8)進行豎直方向和水平方向的微調，使雷射點打在位置傳感器(4)的光敏 面的零點位置K，此時位置傳感器的兩級輸出的電流大小相等，PLC控制器(5)發出停 止指令，電液數字閥(1 內的步進電機不轉動，液壓缸(11)和拉杆(6)不對滑枕(1)產生 拉力作用；6)當滑枕(1)向前伸出時，其前端有下垂變形量，安裝在滑枕(1)前端的位置傳感器 (4)亦有相同的下垂量，此時雷射點打在位置傳感器的光敏面零點的上方，位置傳感器 (4)兩級輸出的電流1工和12，輸入到PLC控制器(5)，PLC控制器(5)對I1和I2進行比較， 如果I1 I2，說 明滑枕(1)的伸出端在豎直方向向上偏離初始位置，PLC控制器( 發出指令使電液數字 閥(15)內的步進電機反轉，減小電液數字閥(15)的流量，從而減小油泵(13)進入液壓缸 (11)的液壓，減小液壓缸(11)和拉杆(6)對滑枕⑴上部的拉力，對滑枕⑴的補償量減 小，使滑枕(1)的前端在豎直方向下垂到初始位置；如果I1 = I2，說明滑枕(1)沒有下垂變 形量，則PLC控制器(5)發出指令使電液數字閥(15)內的步進電機停止轉動，不對滑枕⑴ 產生拉力作用，不對滑枕(1)進行變形補償；至此，在滑枕(1)伸出或回縮的任何位置，雷射發射器(8)和位置傳感器(4)實時檢 測滑枕(1)的懸伸下垂變形量，並將下垂量信號輸送給電液數字閥(15)，通過電液數字閥 (15)調整液壓缸(11)和拉杆(6)對滑枕(1)的補償力，改變滑枕(1)前端在豎直方向的位 置，雷射發射器(8)和位置傳感器(4)連續對滑枕(1)前端的下垂變形量進行檢測，由此形成一個閉環控制系統，實現對滑枕(1)前端下垂變形的實時補償。
全文摘要
本發明數控工具機滑枕懸伸變形實時補償方法屬於數控工具機誤差檢測與補償設備領域，通過實時檢測數控工具機滑枕懸伸下垂變形量並進行實時誤差補償的方法。補償方法採用閉環控制補償方式，利用雷射發射器和位置傳感器檢測滑枕的懸伸變形量，通過PLC控制器調節電液數字閥的流量，控制油泵進入液壓缸的液壓，通過液壓缸和拉杆的拉力作用使滑枕產生向上的彎曲變形，補償滑枕的下垂變形量。在滑枕伸出或回縮的任何位置，雷射發射器和位置傳感器實時檢測滑枕的懸伸下垂變形量，通過電液數字閥調整液壓缸和拉杆對滑枕的補償力。本發明採用閉環控制補償方式，實時性好，精度高，效率高，實用性強。本發明可用於精度要求較高，具有滑枕結構的數控工具機。
文檔編號G05B19/404GK102063090SQ20101062369
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月30日 優先權日2010年12月30日
發明者劉海波, 盧豔峰, 焦志強, 王永青, 盛賢君, 陳松, 陶冶 申請人:大連理工大學