帶有熱伸長補償結構的旋轉軸進給裝置的製作方法

2023-04-28 10:38:56

本發明涉及數控工具機領域，特別涉及一種帶有熱伸長補償結構的旋轉軸進給裝置。

背景技術：

工具機正朝著高速、高精的方向發展，工具機在使用過程中，會產生熱誤差。熱誤差在工具機整個誤差中佔有相當大的比重，研究表明：在精密加工中熱變形引起的加工誤差佔總加工誤差的40～70％，成為影響工具機加工精度最主要的因素之一，目前已成為國內外研究的熱點。

鏜軸組件作為數控工具機的關鍵部件，受熱產生的熱變形誤差較大，尤其是在鏜軸進給方向的熱伸長誤差更為明顯，嚴重影響工具機的加工精度、穩定性和應用範圍。如在鏜軸上安裝銑刀，進行較大斜面或平面的銑削，由於兩次銑削間隔時間較長，鏜軸在這段時間內的熱伸長量較大，將會產生較為明顯的接刀痕，使得銑削平面的平面度較差，不符合零件的加工工藝要求，導致較高的廢品率，成為各主機廠商亟需解決的關鍵問題之一。

目前，針對鏜軸由於受溫度場變化而導致的熱伸縮變形，在現有條件下其熱伸長量不可測、也不可控，還沒有有效的預防與解決措施，主要還是控制生熱以及對工具機進行預熱以均衡溫度場的方式加以改善。但由於上述方式作用有限，不能徹底解決鏜軸的熱伸長問題，並且鏜軸的熱伸長誤差大小將隨著工作狀態和環境溫度等條件的改變而變化。

因此，在當前高精度數控工具機需求日益增大的前提下，需要尋求適當的方法來對工具機鏜軸的熱伸長進行修正、補償。

技術實現要素：

鑑於現有技術中存在的問題，本發明提供一種帶有熱伸長補償結構的旋轉軸進給裝置，其特徵在於，包括：

具有周向地形成於外圓面的對稱的槽的鏜軸，所述槽沿著所述鏜軸的軸向延伸分布；

套設於所述鏜軸的外圓面且位於所述槽內的檢測元件，所述檢測元件的一端和所述槽固定連接以形成固定端，另一端形成自由端，所述檢測元件受熱時基本不變形；

設置於所述鏜軸外圓面靠近所述檢測元件的自由端一側的傳感器元件；

所述鏜軸受熱變形時，所述檢測元件的固定端被所述鏜軸帶動產生軸向位移，所述傳感器元件能夠獲知所述檢測元件自由端的位移量。

在本發明的一些實施方式中，所述檢測元件包括：

套設於所述鏜軸且處於所述槽內的檢測杆，所述檢測杆的一端固定連接在所述槽內以形成固定端，所述檢測杆的另一端由所述槽伸出以形成自由端；

套設於所述鏜軸且和所述檢測杆的自由端連接的檢測盤；

所述傳感器元件設置於所述鏜軸外圓面靠近所述檢測盤的位置，以使得所述檢測杆的固定端被所述鏜軸帶動產生軸向位移，所述傳感器元件能夠獲知所述檢測盤的位移量。

在本發明的一些實施方式中，所述檢測杆和所述鏜軸小間隙配合。

在本發明的一些實施方式中，所述的帶有熱伸長補償結構的旋轉軸進給裝置包括：

和所述鏜軸關聯的滾珠絲槓；

和外部驅動單元關聯的滾珠絲槓螺母，隨著所述滾珠絲槓螺母的旋轉，所述滾珠絲槓能夠直線運動；

所述傳感器元件獲取所述檢測元件的自由端的位移量後，所述滾珠絲槓螺母被所述驅動單元驅動，促使所述滾珠絲槓帶動所述鏜軸向著所述自由端位移的反方向等量補償運動。

在本發明的一些實施方式中，所述鏜軸和所述滾珠絲槓通過角接觸軸承連接，以使得二者之間的直線運動相互關聯，二者之間的旋轉運動相互獨立。

在本發明的一些實施方式中，所述滾珠絲槓具有中空的內腔；所述進給裝置還包括：

設置於所述滾珠絲槓內腔的拉刀杆；

所述拉刀杆和所述鏜軸相關聯，以使其能夠隨著鏜軸旋轉；

所述拉刀杆和所述滾珠絲槓通過無內圈的滾針軸承連接，以使得二者之間保持獨立的旋轉運動。

本發明提供帶有熱伸長補償結構的進給裝置的傳感器元件與數控系統相連接，數控系統中的plc控制器採集傳感器元件獲取的位移量值，並換算為鏜軸熱伸長的補償值，進而控制驅動系統驅動鏜軸進行相應的反向運動，以保證零件機械加工的精度及質量。

本發明的檢測杆熱膨脹係數比鏜軸的熱膨脹係數低得多，比如低於後者的十分之一，檢測杆可由因瓦合金製成。

鏜軸增開兩個t型安裝槽後，需要校核其強度和剛度是否滿足使用要求，通過有限元分析計算，在同樣承受1000nm載荷情況下，增加t型槽前後鏜杆的最大變形量分別為0.047mm和0.049mm，二者相差在5％以內，可滿足使用要求。

本發明實現了數控工具機鏜軸熱伸長位移的實時在線動態檢測與補償控制，能夠大大降低由於鏜軸的熱伸長變形而導致的加工誤差，具有良好的經濟效益和社會效益。

附圖說明

圖1為本發明一實施方式中提供帶有熱伸長補償結構的旋轉軸進給裝置的結構示意圖；

圖2為圖1中q部分的局部放大圖；

圖3為圖1中p部分的局部放大圖。

具體實施方式

為了使發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖和具體實施例對發明作進一步詳細的說明。雖然附圖中顯示了本公開示例性實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現本發明而不應被這裡闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹的理解本發明，並且能夠將本發明的範圍完整的傳達給本領域的技術人員。

如圖1～圖3所示，本發明一實施方式提供的帶有熱伸長補償結構的旋轉軸進給裝置主要包括鏜軸1、檢測元件2、傳感器元件4。鏜軸1的外圓面上周向地形成對稱的t型槽，該t型槽沿著鏜軸1的軸向延伸分布。檢測元件2套設於鏜軸1的外圓面且位於t型槽內，檢測元件的一端和t型槽固定連接以形成固定端，另一端形成自由端，檢測元件2受熱時基本不變形。傳感器元件4設置於鏜軸1的外圓面靠近檢測元件2的自由端一側。鏜軸1受熱變形時，檢測元件2的固定端被鏜軸1帶動產生軸向位移，傳感器元件4能夠獲知檢測元件2自由端的位移量。

在本發明的一些實施方式中，檢測元件2包括檢測杆21和檢測盤22。檢測杆21套設於鏜軸1且處於t型槽內，檢測杆21的一端固定連接在t型槽內以形成固定端，檢測杆21的另一端由t型槽伸出以形成自由端。檢測盤22套設於鏜軸1且和檢測杆21的自由端連接。傳感器元件4設置於鏜軸1外圓面靠近檢測盤22的位置，以使得檢測杆21的固定端被鏜軸1帶動產生軸向位移，傳感器元件4能夠獲知檢測盤22的位移量。為減少軸向誤差，檢測盤22和軸承端蓋3之間採用小間隙配合。此外，傳感器元件4可以通過傳感器支架5安裝在鏜軸上。t型槽一方面可以限制檢測杆2在徑向方向運動，同時又能保證檢測杆2在t型槽中沿軸向方向自由運動，傳感器元件4與數控系統相連接，數控系統中的plc控制器採集傳感器元件4獲取的位移量的值，並換算為鏜軸熱伸長的補償值。

在本發明的一些實施方式中，檢測杆2和鏜軸1可採用小間隙配合。由於鏜軸1和檢測杆2具有不同的熱膨脹係數，故應根據工具機的使用溫度範圍計算並保證在最低溫度時二者之間的配合為間隙配合，以保證檢測杆2不被卡死，鏜軸1增開兩個t型安裝槽後，需要校核其強度和剛度是否滿足使用要求。

在本發明的一些實施方式中，帶有熱伸長補償結構的旋轉軸進給裝置包括滾珠絲槓6、滾珠絲槓螺母7。其中，滾珠絲槓6和鏜軸1軸關聯，滾珠絲槓螺母7和外部驅動單元關聯，隨著滾珠絲槓螺母7的旋轉，滾珠絲槓6能夠直線運動。傳感器元件4獲取檢測元件2的自由端的位移量後，滾珠絲槓螺母7被驅動單元驅動，促使滾珠絲槓6帶動鏜軸1向著所述自由端位移的反方向等量補償運動。

具體而言，控制伺服進給電機帶動帶輪8連同滾珠絲槓螺母7旋轉，使得滾珠絲槓6產生與鏜軸1前端熱變形相反方向的運動，並在角接觸球軸承9的連接下，將這一補償運動傳遞給鏜軸1，從而實現對鏜軸精度的控制，保證鏜軸前端刀具安裝處不受鏜軸熱伸長變形的影響，從而提高其加工時的熱態精度。角接觸球軸承9可以將鏜軸1的旋轉運動與滾珠絲槓6的旋轉運動隔離開，即鏜軸1和滾珠絲槓6可以同步地做直線運動，相互獨立地進行旋轉運動。

在本發明的一些實施方式中，滾珠絲槓6具有中空的內腔，該進給裝置還包括設置於滾珠絲槓6內腔的拉刀杆10。拉刀杆10和鏜軸1相關聯，以使其能夠隨著鏜軸1旋轉，拉刀杆10和滾珠絲槓6通過無內圈的滾針軸承連接11，以使得二者之間保持獨立的旋轉運動。

最後應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制性的。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，但本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。