CN113021053A - 一种数控机床进给轴精度自愈试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种数控机床进给轴精度自愈试验装置及方法。预紧力调节螺母副包括丝杠螺母、中心体支承套筒和三个均布于套筒中的监测—执行机构。监测—执行机构由压电陶瓷促动器、柔性末端、力分布帽以及压力传感器组成。信号采集—反馈系统包括工业计算机、采集卡、电荷放大器与压电放大器。工业计算机根据输入输出电压量，采用PID控制方法实现恒预紧力闭环调控。本发明实现了丝杠螺母副预紧力的自动采集与主动调控功能，克服了现有预紧力调节装置可操控性不足、结构设计不合理等缺陷，解决了由于丝杠螺母副磨损导致的机床精度保持性下降的问题,为开展进给轴精度保持性与稳定性试验提供了基础，也对数控机床进给轴精度设计具有重要借鉴意义。
Description
技术领域
本发明属于数控机床精度保持技术领域，特别涉及一种数控机床进给轴精度自愈试验装置及方法。
背景技术
进给轴的定位精度是影响数控机床精度的重要因素之一。在机床工作过程中，丝杠螺母副受到机械磨损等因素的影响加工精度逐渐衰退，精度保持性随之下降。在实际生产过程中，主要依靠定位误差补偿缓解零件磨损、失效等带来的精度保持性下降问题，严重情况下则需要更换机床零部件。然而，定期对进给轴进行定位补偿不能本质上解决磨损带来的问题，丝杠螺母副磨损导致的工作状态复杂变化会增加定位补偿的难度，降低定位补偿的准确性。另一方面，更换机床零部件可以根本上解决丝杠螺母副磨损带来的问题，但是生产设备停机会降低生产效率，增加生产成本，更换零部件后的调试工作也相当费时费力。
丝杠螺母副的磨损会导致进给轴反向误差的产生，进而影响进给轴双向定位精度。反向间隙主要受到丝杠螺母副预紧状态的影响。预紧力是影响丝杠双向定位精度的重要因素。如果可以实现丝杠螺母副预紧力的自动调节，使预紧力不随丝杠螺母副磨损发生变化，就可以抑制反向间隙误差与双向定位误差，提高机床进给轴的精度保持性。
2016年，Drossel等在《IFAC PAPERSONLINE》第49卷发表文章《Evaluation ofShape Memory Alloy Bulk Actuators for Wear Compensation in Ball ScrewDrives》，提出一种采用形状记忆合金代替双螺母间垫片来减缓零件磨损带来的精度损失的方法，这种方法可操控性不足。2017年，Wang等在《JOURNAL OF THE BRAZILIAN SOCIETYOF MECHANICAL SCIENCES AND ENGINEERING》第39卷发表文章《Design of new giantmagnetostrictive structures for double-nut ball screw pre-tightening》，采用超磁致伸缩杠杆的形式调节丝杠螺母副的预紧力，但装置安装在丝杠螺母外部，不具有实用性。2015年，李郝林等在201510167990.2中发明了一种利用压电陶瓷调节工作台预紧力的装置。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是克服现有预紧力调节装置的不足，针对已有预紧力调节装置可操控性不足、结构设计不合理等问题，发明了一种数控机床进给轴精度自愈试验装置。
本发明的技术方案：
一种数控机床进给轴精度自愈试验装置，包括预紧力调节螺母副、监测—执行机构和信号采集—反馈系统；
所述预紧力调节螺母副通过左侧螺母2与右侧螺母5实现双向预紧；在双螺母间安装有中心体支承套筒3，通过三个均匀分布的定位螺栓4固定于双螺母中间，用于安装监测—执行机构；中心体支承套筒3与右侧螺母通过六个均匀分布的中心体固定螺栓6实现固定，防止压电陶瓷促动器11伸长过程中中心体支承套筒3发生窜动；中心体支承套筒3中为监测—执行机构预留空间与开口，用于调节与观察；
所述监测—执行机构共有三组，均匀分布在中心体支承套筒3中；监测—执行机构主要由压电陶瓷促动器11、柔性末端10、力分布帽9以及压力传感器8组成；压电陶瓷促动器11通过压电陶瓷促动器固定螺栓12固定于左侧螺母2上，压力传感器8通过压力传感器固定螺栓7固定于右侧螺母5上；压电陶瓷促动器11与压力传感器8通过柔性末端10和力分布帽9连接，实现力的传递；
所述信号采集—反馈系统包括工业计算机、采集卡、电荷放大器与压电放大器；压力传感器8产生的电荷量信号经过电荷放大器转化为-10V～+10V的电压模拟量，被输入采集卡采集；输出采集卡输出0～10V电压信号，经压电放大器放大为原来的10倍，压电陶瓷促动器11的伸长范围为0～15μm，且电压与伸长量为线性关系；工业计算机根据输入输出电压量，采用PID控制方法实现恒预紧力闭环调控。
一种用数控机床进给轴精度自愈试验方法，具体步骤包括：
第一步，安装精度自愈试验装置
在机床进给轴丝杠上安装带有精度自愈装置的预紧力调节螺母副，该装置通过定位螺栓4实现左侧螺母2、右侧螺母5与中心体支承套筒3的固定；中心体支承套筒3中安装有三个均布的安装监测—执行机构；压力传感器8与输入采集卡通过电荷放大器连接，输出采集卡与压电陶瓷促动器11通过压电放大器连接；
第二步，初设丝杠预紧力
对预紧力调节螺母副进行预紧，分别测量三个监测—执行机构的压力值，调节压电放大器的电压值，通过改变的压电陶瓷促动器11的初始伸长量使三个监测—执行机构的压力值相等；
第三步，丝杠预紧力的自动调节
随着机床的持续工作，预紧力调节螺母副产生磨损，螺母与丝杠1之间产生间隙，预紧力发生变化；压力传感器产生的电荷量发生变化，工业计算机根据输入电压的变化，采用PID控制方法调节输出电压，使预紧力保持恒定。
本发明的有益效果是：解决了由于丝杠螺母副磨损导致的机床精度保持性下降的问题，克服了现有预紧力调节装置可操控性不足、结构设计不合理等缺陷，实现了丝杠螺母副预紧力的自动采集与主动调控功能，为开展进给轴精度保持性与稳定性试验提供了基础，也对数控机床进给轴精度设计具有重要借鉴意义。
附图说明
图1是预紧力调节装置主视图；
图2是预紧力调节装置俯视图；
图3是监测—执行机构示意图；
图4是实验平台系统框架示意图；
图5是恒预紧力PID控制示意图；
图6是预紧力调控系统示意图；
图中：1丝杠；2左侧螺母；3中心体支承套筒；4定位螺栓；5右侧螺母；6中心体固定螺栓；7压力传感器固定螺栓；8压力传感器；9力分布帽；10柔性末端；11压电陶瓷促动器；12压电陶瓷促动器固定螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，监测—执行机构均布于中心体支承套筒3中，中心体支承套筒3通过六个均布的中心体固定螺栓6与右侧螺母5进行固定，中心体支承套筒3通过三个均布的定位螺栓4与左侧螺母2、右侧螺母5固定。预紧力调节螺母副通过左侧螺母2、右侧螺母5实现双向预紧。中心体支承套筒3与丝杠1间隙配合，保证丝杠在其中自由转动。
如图2所示，监测—执行机构包括压电陶瓷促动器11、柔性末端10、力分布帽9以及压力传感器8。压电陶瓷促动器11通过压电陶瓷促动器固定螺栓12固定于左侧螺母2上，压力传感器8通过压力传感器固定螺栓7固定于右侧螺母5上。压电陶瓷促动器11与压力传感器8通过柔性末端10和力分布帽9连接。
所述信号采集—反馈系统包括工业计算机、采集卡、电荷放大器与压电放大器，如图5所示，压力传感器8与输入采集卡通过电荷放大器连接，输出采集卡与压电陶瓷促动器11通过压电放大器连接。输出采集卡与输入采集卡分别与工业计算机连接。
上述预紧力自动调控装置的具体步骤包括：
第一步，安装精度自愈试验装置。
在机床进给轴丝杠上安装预紧力调节螺母副，该装置通过定位螺栓4实现左侧螺母2、右侧螺母5与中心体支承套筒3的固定。中心体支承套筒3中安装有三个均布的安装监测—执行机构，该机构由压电陶瓷促动器11、柔性末端10、力分布帽9以及压力传感器8组成。压力传感器8与输入采集卡通过电荷放大器连接，输出采集卡与压电陶瓷促动器11通过压电放大器连接。
第二步，初设丝杠预紧力。
对预紧力调节螺母副进行预紧，分别测量三个监测—执行机构的压力值，调节压电放大器的电压值，通过改变的压电陶瓷促动器11的初始伸长量使三个监测—执行机构的压力值相等。
第三步，丝杠预紧力的自动调节。
随着机床的持续工作，预紧力调节螺母副产生磨损，螺母与丝杠之间产生间隙，预紧力发生变化。压力传感器产生的电荷量发生变化，工业计算机根据输入电压的变化，采用PID控制方法调节输出电压，使预紧力保持恒定，如图4所示。
应该说明的是，本发明的上述具体实施方式仅用于示例性阐述本发明的原理和流程，不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明精神和范围的情况下所做的任何修改和等同替换，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种数控机床进给轴精度自愈试验装置，其特征在于，该数控机床进给轴精度自愈试验装置包括预紧力调节螺母副、监测—执行机构和信号采集—反馈系统；
所述预紧力调节螺母副通过左侧螺母(2)与右侧螺母(5)实现双向预紧；在双螺母间安装有中心体支承套筒(3)，通过三个均匀分布的定位螺栓(4)固定于双螺母中间，用于安装监测—执行机构；中心体支承套筒(3)与右侧螺母通过六个均匀分布的中心体固定螺栓(6)实现固定，防止压电陶瓷促动器(11)伸长过程中中心体支承套筒(3)发生窜动；中心体支承套筒(3)中为监测—执行机构预留空间与开口，用于调节与观察；
所述监测—执行机构共有三组，均匀分布在中心体支承套筒(3)中；监测—执行机构主要由压电陶瓷促动器(11)、柔性末端(10)、力分布帽(9)以及压力传感器(8)组成；压电陶瓷促动器(11)通过压电陶瓷促动器固定螺栓(12)固定于左侧螺母(2)上，压力传感器(8)通过压力传感器固定螺栓(7)固定于右侧螺母(5)上；压电陶瓷促动器(11)与压力传感器(8)通过柔性末端(10)和力分布帽(9)连接，实现力的传递；
所述信号采集—反馈系统包括工业计算机、采集卡、电荷放大器与压电放大器；压力传感器(8)产生的电荷量信号经过电荷放大器转化为-10V～+10V的电压模拟量，被输入采集卡采集；输出采集卡输出0～10V电压信号，经压电放大器放大为原来的10倍，压电陶瓷促动器(11)的伸长范围为0～15μm，且电压与伸长量为线性关系；工业计算机根据输入输出电压量，采用PID控制方法实现恒预紧力闭环调控。
2.一种用数控机床进给轴精度自愈试验装置的试验方法，其特征在于，具体步骤包括：
第一步，安装精度自愈试验装置
在机床进给轴丝杠(1)上安装带有精度自愈装置的预紧力调节螺母副，该装置通过定位螺栓(4)实现左侧螺母(2)、右侧螺母(5)与中心体支承套筒(3)的固定；中心体支承套筒(3)中安装有三个均布的安装监测—执行机构；压力传感器(8)与输入采集卡通过电荷放大器连接，输出采集卡与压电陶瓷促动器(11)通过压电放大器连接；
第二步，初设丝杠预紧力
对预紧力调节螺母副进行预紧，分别测量三个监测—执行机构的压力值，调节压电放大器的电压值，通过改变的压电陶瓷促动器(11)的初始伸长量使三个监测—执行机构的压力值相等；
第三步，丝杠预紧力的自动调节
随着机床的持续工作，预紧力调节螺母副产生磨损，螺母与丝杠(1)之间产生间隙，预紧力发生变化；压力传感器产生的电荷量发生变化，工业计算机根据输入电压的变化，采用PID控制方法调节输出电压，使预紧力保持恒定。
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