專利名稱：機(jī)床z坐標(biāo)軸的雙絲杠重心驅(qū)動及龍門軸控制結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本新型涉及機(jī)械制造設(shè)備機(jī)床中的Z坐標(biāo)傳動結(jié)構(gòu)。 技術(shù)背景數(shù)控機(jī)床的加工精度大概每8年提高一倍，目前精密數(shù)控機(jī)床的重復(fù)定位精度已 經(jīng)達(dá)到1 μ m，即將告別微米級，而進(jìn)入亞微米時代。此外，對數(shù)控機(jī)床精度的要求已經(jīng)不局 限于靜態(tài)的幾何精度，運(yùn)動精度、熱變形和振動的監(jiān)控和補(bǔ)償越來越獲得重視，以適應(yīng)高性 能加工和高可靠性的需要。重心驅(qū)動是一項可以縮短加工時間、改善輪廓加工精度、提高加工表面質(zhì)量的技 術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種機(jī)床Z坐標(biāo)軸的雙絲杠重心驅(qū)動及龍門軸控制結(jié) 構(gòu)，提高數(shù)控機(jī)床Z坐標(biāo)傳動及控制的精度及可靠性。機(jī)床Z坐標(biāo)軸的雙絲杠重心驅(qū)動及龍門軸控制結(jié)構(gòu)，其特征在于Z坐標(biāo)軸的軸一 和軸二是移動部件拖板的上下移動軸，分別位于移動部件拖板兩側(cè)、相對拖板的重心對稱 位置分布，共同驅(qū)動拖板上下移動，組成雙絲杠重心驅(qū)動結(jié)構(gòu)；將兩平行的軸一和軸二在數(shù) 控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置為龍門軸組，龍門軸組控制采用雙電機(jī)，雙絲杠，雙光柵尺結(jié)構(gòu)，對軸一和軸 二運(yùn)動的實際值進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)采集，控制器實時以龍門軸組的理論值監(jiān)控移動部件拖板在 軸一與軸二上的動態(tài)位置，檢查并糾正Z坐標(biāo)軸的實際位置偏差，以實現(xiàn)Z坐標(biāo)軸的重心驅(qū) 動。由于在移動部件拖板上安裝有與Z坐標(biāo)軸垂直移動的移動部件滑枕，當(dāng)移動部件 滑枕位于其行程的不同位置時會產(chǎn)生拖板部件的重心移動，在此過程中可出現(xiàn)兩種情況: 一、當(dāng)對兩根用于Z坐標(biāo)軸驅(qū)動的滾珠絲杠中心線進(jìn)行連線，其連線的中點與移動部件拖 板的重心重合；二、當(dāng)對兩根用于Z坐標(biāo)軸驅(qū)動的滾珠絲杠中心線進(jìn)行連線，其連線的中點 與移動部件拖板的重心不重合。采用重心驅(qū)動的技術(shù)可以使機(jī)床獲得高速度和高精度。重 心驅(qū)動的優(yōu)點就是它能減少振動，具有重心驅(qū)動的設(shè)備能部分抵消振動，使振動很快消除， 而沒有重心驅(qū)動的設(shè)備消除振動則需要很長時間。在機(jī)床Z坐標(biāo)軸上使用還可通過計算及 優(yōu)化設(shè)計取消機(jī)床的平衡裝置，使Z坐標(biāo)軸運(yùn)行更加平穩(wěn)、定位精度更高。當(dāng)偏差大于機(jī)床 參數(shù)設(shè)定值時，控制器會自動停下龍門組的軸，以免損壞機(jī)床。面向飛機(jī)自動裝配的精加工 機(jī)床中的三臺臥式加工中心的Z軸均應(yīng)用此功能進(jìn)行控制。

附圖1是基于龍門軸的同步控制機(jī)械結(jié)構(gòu)連接簡圖；附圖2. 1是Z軸滾珠絲杠拖動受力動作1簡圖；附圖2. 2是Z軸滾珠絲杠拖動受力動作2簡圖。
具體實施方式
本新型機(jī)床Z坐標(biāo)軸的雙絲杠重心驅(qū)動和龍門軸控制結(jié)構(gòu)，用于飛機(jī)整機(jī)精加工 及裝配生產(chǎn)線中的三臺臥式加工中心，結(jié)合附圖說明設(shè)計的聯(lián)接關(guān)系，見圖1，Z坐標(biāo)軸的 雙絲杠重心驅(qū)動，其特征在于Z坐標(biāo)軸是移動部件拖板6上下移動軸，在此結(jié)構(gòu)中軸一和軸 二分別位于移動部件拖板6兩側(cè)、相對拖板重心對稱位置共同驅(qū)動拖板上下移動，組成雙 絲杠重心驅(qū)動，此時移動部件拖板6的重心與兩根滾珠絲杠4、7中心連線重合，見圖2. 1 ； 但是由于在移動部件拖板6上安裝有與Z坐標(biāo)軸垂直移動的移動部件滑枕11，當(dāng)移動部件 滑枕11移動時產(chǎn)生拖板部件的重心偏移無法實現(xiàn)Z坐標(biāo)軸的雙絲杠重心驅(qū)動，見圖2. 2，因 此該結(jié)構(gòu)需采用龍門軸控制以實現(xiàn)Z坐標(biāo)軸的重心驅(qū)動。在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)為Z坐標(biāo)軸設(shè)置兩 平行軸一、軸二，并將軸一、軸二定義為龍門軸組，龍門軸控制采用雙電機(jī)1、10，雙絲杠4、 7，雙光柵尺3、8結(jié)構(gòu)，運(yùn)動的實際值連續(xù)進(jìn)行比較，控制器實時監(jiān)控龍門軸一與軸二的實 際位置，檢查并糾正龍門軸的偏差。在基于龍門軸移動同步控制模式下的機(jī)床的Z軸傳動部件末端(滾珠絲杠副)力 學(xué)狀態(tài)是動態(tài)變化，產(chǎn)生這種力學(xué)狀態(tài)變化的原因是，由于滑枕11在水平面內(nèi)移動位置上 的變化導(dǎo)致ζ軸拖動負(fù)載重心變化，由此而產(chǎn)生拖板6在Z軸上的扭轉(zhuǎn)變形，為抵抗這種變 形，Z軸同步驅(qū)動要求雙絲杠協(xié)調(diào)配合抵抗這種扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的位置偏差。在機(jī)床Z軸傳 動部件末端(滾珠絲杠副)力學(xué)狀態(tài)有以下兩種狀態(tài)1)滑枕11重心在Z軸直線導(dǎo)軌跨距中心時，此時的機(jī)床Z軸滾珠絲杠拖動受力簡 圖如圖2. 1。左右兩側(cè)驅(qū)動的滾珠絲杠的位置平均分配在Z軸拖動重心兩側(cè)，即L1 = L2,因 此二者的負(fù)載相等，WF1 =F2，也就是說此時左右兩個伺服驅(qū)動各分擔(dān)Z軸總負(fù)載的一半。2)滑枕11重心不在導(dǎo)軌跨距中心時(以滑枕運(yùn)動到前端極限位置時為例)，此時 的機(jī)床ζ軸滾珠絲杠拖動受力簡圖如圖2. 2所示?；?1運(yùn)動到前端極限位置，由于滑 枕11重心的位置的前移導(dǎo)致Z軸運(yùn)動導(dǎo)軌滑塊受重心前移(L1 < L2)產(chǎn)生的彎矩產(chǎn)生彈性 變形，造成拖板左右兩側(cè)產(chǎn)生位置偏差，見圖2. 2中右側(cè)引出兩水平線并且上、下箭頭所指 為位置誤差，又由于龍門軸(Gantry)的移動同步控制功能要求左右兩個驅(qū)動同步控制，因 此，此時左右驅(qū)動部分協(xié)調(diào)控制消除差距(此時F1 > F2)，調(diào)整左右兩個驅(qū)動的控制狀態(tài) 力求一致，以抵抗由于導(dǎo)軌滑塊彈性變形產(chǎn)生的拖板扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的位置偏差。龍門軸控制結(jié)構(gòu)如圖1中機(jī)床軸一 Z1、機(jī)床軸二 Z2共為龍門軸，通過同步控制 使拖板6作為一個坐標(biāo)Z軸移動，傳動系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立、并固定在平行的移動部 件上的兩套傳動機(jī)構(gòu)組成，每套傳動機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)1、10作為驅(qū)動執(zhí)行單元驅(qū)動減速箱 2、9實現(xiàn)驅(qū)動力的大扭矩、低速輸出，再經(jīng)過滾珠絲杠4、7傳動副實現(xiàn)對移動部件的運(yùn)動驅(qū) 動，兩套傳動機(jī)構(gòu)的伺服驅(qū)動單元通過龍門軸功能模塊實現(xiàn)同步控制；對編程而言，將龍門軸組視為單一同體的通道軸Z軸，然而需要分別對龍門軸的 軸一 Z1、軸二 Z2設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，對應(yīng)西門子840D系統(tǒng)需設(shè)定的參數(shù)如下Zl軸參數(shù)設(shè)定N37100 $MA_GANTRY_AXIS_TYPE = 1 (龍門軸組 1 的主動軸)N37110 $MA_GANTRY_P0S_T0L_WARNING (報警偏差)N37120 $MA_GANTRY_P0S_T0L_ERR0R(同步后允許的最大偏差)
4[0020]N37130 $MA_GANTRY_P0S_T0L_REF (同步前允許的偏差)Z2軸參數(shù)設(shè)定N37100 $MA_GANTRY_AXIS_TYPE = 11 (龍門軸組 1 的從動軸)N37110 $MA_GANTRY_P0S_T0L_WARNING (報警偏差)N37120 $MA_GANTRY_P0S_T0L_ERR0R(同步后允許的最大偏差)N37130 $MA_GANTRY_P0S_T0L_REF (同步前允許的偏差)如上述2)所述當(dāng)外部因素使軸一 Z1、軸二 Z2位置反饋值發(fā)生變化即位置設(shè)定值 與實際位置值不同時，如果在同步的報警偏差內(nèi)，則在龍門軸的同步控制下，控制器會實時 驅(qū)動電機(jī)動作消除這種偏差，即保證位置設(shè)定值與實際位置值始終保持一致。因此這種控 制原理及機(jī)械結(jié)構(gòu)使得機(jī)床Z軸比普通帶有平衡裝置的單電機(jī)驅(qū)動的Z軸能夠獲得更高的 剛度、更高的精度及更高的動態(tài)響應(yīng)。
權(quán)利要求機(jī)床Z坐標(biāo)軸的雙絲杠重心驅(qū)動及龍門軸控制結(jié)構(gòu)，其特征在于Z坐標(biāo)軸的軸一和軸二是移動部件拖板的上下移動軸，分別位于移動部件拖板兩側(cè)、相對拖板的重心對稱位置分布，共同驅(qū)動拖板上下移動，組成雙絲杠重心驅(qū)動結(jié)構(gòu)；將兩平行的軸一和軸二在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置為龍門軸組，龍門軸組控制采用雙電機(jī)，雙絲杠，雙光柵尺結(jié)構(gòu)，對軸一和軸二運(yùn)動的實際值進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)采集，控制器實時以龍門軸組的理論值監(jiān)控移動部件拖板在軸一與軸二上的動態(tài)位置，檢查并糾正Z坐標(biāo)軸的實際位置偏差，以實現(xiàn)Z坐標(biāo)軸的重心驅(qū)動。
專利摘要機(jī)床Z坐標(biāo)軸的雙絲杠重心驅(qū)動及龍門軸控制結(jié)構(gòu)，其特征在于Z坐標(biāo)軸的軸一和軸二是移動部件拖板的上下移動軸，分別位于移動部件拖板兩側(cè)、相對拖板的重心對稱位置分布，共同驅(qū)動拖板上下移動，組成雙絲杠重心驅(qū)動結(jié)構(gòu)；將兩平行的軸一和軸二在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置為龍門軸組，龍門軸組控制采用雙電機(jī)，雙絲杠，雙光柵尺結(jié)構(gòu)，對軸一和軸二運(yùn)動的實際值進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)采集，控制器實時以龍門軸組的理論值監(jiān)控移動部件拖板在軸一與軸二上的動態(tài)位置，檢查并糾正Z坐標(biāo)軸的實際位置偏差，以實現(xiàn)Z坐標(biāo)軸的重心驅(qū)動，提高數(shù)控機(jī)床Z坐標(biāo)傳動及控制的精度及可靠性。
文檔編號B23Q5/10GK201755771SQ20102011099
公開日2011年3月9日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者嚴(yán)昊明, 巴林, 李麗麗, 李健康, 楊寧, 林鵬, 王紅亮, 郭志超 申請人:中捷機(jī)床有限公司