專利名稱：機床z坐標軸的雙絲杠重心驅動及龍門軸控制結構的制作方法
技術領域：
本新型涉及機械制造設備機床中的Z坐標傳動結構。 技術背景數控機床的加工精度大概每8年提高一倍，目前精密數控機床的重復定位精度已 經達到1 μ m，即將告別微米級，而進入亞微米時代。此外，對數控機床精度的要求已經不局 限于靜態的幾何精度，運動精度、熱變形和振動的監控和補償越來越獲得重視，以適應高性 能加工和高可靠性的需要。重心驅動是一項可以縮短加工時間、改善輪廓加工精度、提高加工表面質量的技 術。
發明內容本實用新型的目的是提供一種機床Z坐標軸的雙絲杠重心驅動及龍門軸控制結 構，提高數控機床Z坐標傳動及控制的精度及可靠性。機床Z坐標軸的雙絲杠重心驅動及龍門軸控制結構，其特征在于Z坐標軸的軸一 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、相對拖板的重心對稱 位置分布，共同驅動拖板上下移動，組成雙絲杠重心驅動結構；將兩平行的軸一和軸二在數 控系統內設置為龍門軸組，龍門軸組控制采用雙電機，雙絲杠，雙光柵尺結構，對軸一和軸 二運動的實際值進行連續數據采集，控制器實時以龍門軸組的理論值監控移動部件拖板在 軸一與軸二上的動態位置，檢查并糾正Z坐標軸的實際位置偏差，以實現Z坐標軸的重心驅 動。由于在移動部件拖板上安裝有與Z坐標軸垂直移動的移動部件滑枕，當移動部件 滑枕位于其行程的不同位置時會產生拖板部件的重心移動，在此過程中可出現兩種情況: 一、當對兩根用于Z坐標軸驅動的滾珠絲杠中心線進行連線，其連線的中點與移動部件拖 板的重心重合；二、當對兩根用于Z坐標軸驅動的滾珠絲杠中心線進行連線，其連線的中點 與移動部件拖板的重心不重合。采用重心驅動的技術可以使機床獲得高速度和高精度。重 心驅動的優點就是它能減少振動，具有重心驅動的設備能部分抵消振動，使振動很快消除， 而沒有重心驅動的設備消除振動則需要很長時間。在機床Z坐標軸上使用還可通過計算及 優化設計取消機床的平衡裝置，使Z坐標軸運行更加平穩、定位精度更高。當偏差大于機床 參數設定值時，控制器會自動停下龍門組的軸，以免損壞機床。面向飛機自動裝配的精加工 機床中的三臺臥式加工中心的Z軸均應用此功能進行控制。
附圖1是基于龍門軸的同步控制機械結構連接簡圖；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
本新型機床Z坐標軸的雙絲杠重心驅動和龍門軸控制結構，用于飛機整機精加工 及裝配生產線中的三臺臥式加工中心，結合附圖說明設計的聯接關系，見圖1，Z坐標軸的 雙絲杠重心驅動，其特征在于Z坐標軸是移動部件拖板6上下移動軸，在此結構中軸一和軸 二分別位于移動部件拖板6兩側、相對拖板重心對稱位置共同驅動拖板上下移動，組成雙 絲杠重心驅動，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坐標軸垂直移動的移動部件滑枕11，當移動部件 滑枕11移動時產生拖板部件的重心偏移無法實現Z坐標軸的雙絲杠重心驅動，見圖2. 2，因 此該結構需采用龍門軸控制以實現Z坐標軸的重心驅動。在數控系統內為Z坐標軸設置兩 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1、10，雙絲杠4、 7，雙光柵尺3、8結構，運動的實際值連續進行比較，控制器實時監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床的Z軸傳動部件末端(滾珠絲杠副)力 學狀態是動態變化，產生這種力學狀態變化的原因是，由于滑枕11在水平面內移動位置上 的變化導致ζ軸拖動負載重心變化，由此而產生拖板6在Z軸上的扭轉變形，為抵抗這種變 形，Z軸同步驅動要求雙絲杠協調配合抵抗這種扭轉變形產生的位置偏差。在機床Z軸傳 動部件末端(滾珠絲杠副)力學狀態有以下兩種狀態1)滑枕11重心在Z軸直線導軌跨距中心時，此時的機床Z軸滾珠絲杠拖動受力簡 圖如圖2. 1。左右兩側驅動的滾珠絲杠的位置平均分配在Z軸拖動重心兩側，即L1 = L2,因 此二者的負載相等，WF1 =F2，也就是說此時左右兩個伺服驅動各分擔Z軸總負載的一半。2)滑枕11重心不在導軌跨距中心時(以滑枕運動到前端極限位置時為例)，此時 的機床ζ軸滾珠絲杠拖動受力簡圖如圖2. 2所示。滑枕11運動到前端極限位置，由于滑 枕11重心的位置的前移導致Z軸運動導軌滑塊受重心前移(L1 < L2)產生的彎矩產生彈性 變形，造成拖板左右兩側產生位置偏差，見圖2. 2中右側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動同步控制，因 此，此時左右驅動部分協調控制消除差距(此時F1 > F2)，調整左右兩個驅動的控制狀態 力求一致，以抵抗由于導軌滑塊彈性變形產生的拖板扭轉產生的位置偏差。龍門軸控制結構如圖1中機床軸一 Z1、機床軸二 Z2共為龍門軸，通過同步控制 使拖板6作為一個坐標Z軸移動，傳動系統由機械結構上相互獨立、并固定在平行的移動部 件上的兩套傳動機構組成，每套傳動機構由伺服電機1、10作為驅動執行單元驅動減速箱 2、9實現驅動力的大扭矩、低速輸出，再經過滾珠絲杠4、7傳動副實現對移動部件的運動驅 動，兩套傳動機構的伺服驅動單元通過龍門軸功能模塊實現同步控制；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設定系統參數，對應西門子840D系統需設定的參數如下Zl軸參數設定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軸參數設定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)所述當外部因素使軸一 Z1、軸二 Z2位置反饋值發生變化即位置設定值 與實際位置值不同時，如果在同步的報警偏差內，則在龍門軸的同步控制下，控制器會實時 驅動電機動作消除這種偏差，即保證位置設定值與實際位置值始終保持一致。因此這種控 制原理及機械結構使得機床Z軸比普通帶有平衡裝置的單電機驅動的Z軸能夠獲得更高的 剛度、更高的精度及更高的動態響應。
權利要求機床Z坐標軸的雙絲杠重心驅動及龍門軸控制結構，其特征在于Z坐標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、相對拖板的重心對稱位置分布，共同驅動拖板上下移動，組成雙絲杠重心驅動結構；將兩平行的軸一和軸二在數控系統內設置為龍門軸組，龍門軸組控制采用雙電機，雙絲杠，雙光柵尺結構，對軸一和軸二運動的實際值進行連續數據采集，控制器實時以龍門軸組的理論值監控移動部件拖板在軸一與軸二上的動態位置，檢查并糾正Z坐標軸的實際位置偏差，以實現Z坐標軸的重心驅動。
專利摘要機床Z坐標軸的雙絲杠重心驅動及龍門軸控制結構，其特征在于Z坐標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、相對拖板的重心對稱位置分布，共同驅動拖板上下移動，組成雙絲杠重心驅動結構；將兩平行的軸一和軸二在數控系統內設置為龍門軸組，龍門軸組控制采用雙電機，雙絲杠，雙光柵尺結構，對軸一和軸二運動的實際值進行連續數據采集，控制器實時以龍門軸組的理論值監控移動部件拖板在軸一與軸二上的動態位置，檢查并糾正Z坐標軸的實際位置偏差，以實現Z坐標軸的重心驅動，提高數控機床Z坐標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 優先權日2010年2月10日
發明者嚴昊明, 巴林, 李麗麗, 李健康, 楊寧, 林鵬, 王紅亮, 郭志超 申請人:中捷機床有限公司