CN110303368B - 一种超高精度液压微分机床给进系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高精度液压微分机床给进系统，包括动力机构、若干油缸、供油管路、回油管、补偿油路和若干连接管，若干所述连接管内连接有多个电磁阀，所述动力机构包括初级注塞泵和直线电机，若干所述油缸包括一组油缸、二组油缸、三组油缸、四组油缸、五组油缸和六组油缸，若干所述油缸和所述初级注塞泵内均连接有连杆轴，所述直线电机包括一对滑动端；本发明中的一种超高精度液压微分机床给进系统，其可根据实际所需的给进量的进行精准调节，精度可达纳米或皮米级别，也可根据需求继续提升精度，可通过直线电机的脉冲控制实现末端上一个纳米单位和下一个纳米单位之间的点启或点停动作，可满足高精度工件的加工。

Description

一种超高精度液压微分机床给进系统

技术领域

本发明涉及给进装置技术领域，特别是涉及一种超高精度液压微分机床给进系统。

背景技术

机床进给箱是用以改变机床切削时的进给量或改变表面形成运动中刀具与工件相对运动关系的机构。改变进给量有无级和有级之分。有级进给的级数数列有等比数列和等差数列两种，现有技术中进给箱利用交换齿轮、滑移齿轮、棘轮机构、拉键机构、回曲机构、摆移塔齿轮机构、双轴滑移公用齿轮机构和三轴滑移公用齿轮机构等实现进给量的改变。采用交换齿轮、滑移齿轮和无级改变进给量的机构基本上与机床变速箱中的相同，但进给机构为恒扭矩传动，速度较低、功率较小。

为了提高给进的精度以及操作的便利性，现有技术中存在数控机床，通过数控技术实现数字化自动的给进，其给进装置的控制系统一般都包括伺服电机，通过相关电气元件控制给进装置的给进，可实现丝米(0.1毫米)级别的给进控制，但是其精度有一定的误差范围，因为它是由旋转运动变直线运动靠机械转换的，其中的齿轮组和丝杆等加大了轮廓连接，累计误差就大，造成误差的因素包括齿轮啮合、径向、轴向、倾角和间隙等。

很多工件的加工需要高精度的给进量，以满足工件的加工需求，现有技术中还没有能够实现超高精度的液压微分机床给进系统。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种超高精度液压微分机床给进系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超高精度液压微分机床给进系统，其可根据实际所需的给进量的进行精准调节，精度可达纳米或皮米级别，也可根据需求继续提升精度，可通过直线电机的脉冲控制实现末端上一个纳米单位和下一个纳米单位之间的点启或点停动作，可满足高精度工件的加工。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种超高精度液压微分机床给进系统，包括动力机构、若干油缸、供油管路、回油管、补偿油路和若干连接管，若干所述连接管内连接有多个电磁阀，所述动力机构包括初级注塞泵和直线电机，若干所述油缸包括一组油缸、二组油缸、三组油缸、四组油缸、五组油缸和六组油缸，若干所述油缸和所述初级注塞泵内均连接有连杆轴，所述一组油缸、二组油缸、三组油缸、四组油缸和五组油缸的连杆轴上固定连接有大活塞和一对小活塞，一对所述小活塞关于大活塞对称，所述六组油缸的连杆轴与工作台连接，所述一组油缸、二组油缸、三组油缸、四组油缸和五组油缸内均设置有顶腔、大油腔和小油腔，所述顶腔包括左顶腔和右顶腔，所述大油腔包括左大油腔和右大油腔，所述小油腔包括左小油腔和右小油腔，所述直线电机包括一对滑动端，一对所述滑动端与初级注塞泵的连杆轴固定连接，所述初级注塞泵、一组油缸、二组油缸、三组油缸、四组油缸、五组油缸和六组油缸依次相连通，若干所述油缸和所述初级注塞泵的顶腔均与供油管路连通，若干所述油缸均与补偿油路和回油管连通。

作为本发明的进一步改进，所述初级注塞泵的连杆轴两侧均设置有一号限位开关，所述六组油缸的连杆轴两侧均设置有二号限位开关。

作为本发明的进一步改进，所述初级注塞泵的连杆轴的一侧设置有一号直线光栅尺，所述二组油缸的连杆轴一侧设置有二号直线光栅尺，所述六组油缸的连杆轴一侧设置有三号直线光栅尺。

作为本发明的进一步改进，若干所述油缸和所述初级注塞泵内均的连杆轴直径均相等。

作为本发明的进一步改进，所述若干所述油缸内的顶腔内径相等，若干所述油缸内的大油腔内径，若干所述油缸内的小油腔内径相等。

作为本发明的进一步改进，若干所述油缸、所述初级注塞泵、所述供油管路、所述回油管和所述补偿油路内均注满无气泡油。

作为本发明的进一步改进，所述供油管路、回油管、补偿油路和若干连接管的管内截面积与所述小油腔和所述初级注塞泵的内环形面积相等。

作为本发明的进一步改进，所述动力机构采用PID或H∞控制，所述电磁阀采用PLC控制。

作为本发明的进一步改进，所述油缸的数量大于5组。

本发明的有益效果是：本发明中的一种超高精度液压微分机床给进系统，其可根据实际所需的给进量的进行精准调节，精度可达纳米或皮米级别，也可根据需求继续提升精度，可通过直线电机的脉冲控制实现末端上一个纳米单位和下一个纳米单位之间的点启或点停动作，可满足高精度工件的加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一具体实施例中一种超高精度液压微分机床给进系统的结构示意图；

图2为图1中A处的结构示意图；

图3为图1中B处的结构示意图；

图4为图1中C处的结构示意图。

图中标号说明：1～58分别为1～58号电磁阀；145、146、147、148和149分别为主中管、一组中管、二组中管、三组中管、四组中管和五组中管；135为做功油路；136为供油管、137为回油管、138为补偿油路；139为初级注塞泵；140为直线电机；141为滑动端；142为支撑座；143为连杆轴；144为一号限位开关；1441为二号限位开关；93为一号直线光栅尺；991为二号直线光栅尺；99为三号直线光栅尺。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在本发明的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分扩大，因此，仅用于图示本发明的主题的基本结构。

本文使用的例如“左”、“右”、“左侧”、“右侧”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“右侧”的单元将位于其他单元或特征“左侧”。因此，示例性术语“右侧”可以囊括左侧和右侧这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。

参图1～图4所示，本发明的一具体实施例中，一种超高精度液压微分机床给进系统，包括动力机构、若干油缸、供油管路、回油管、补偿油路和若干连接管，若干连接管内连接有多个电磁阀，动力机构包括初级注塞泵和直线电机，若干油缸包括一组油缸、二组油缸、三组油缸、四组油缸、五组油缸和六组油缸，若干油缸和初级注塞泵内均连接有连杆轴，一组油缸、二组油缸、三组油缸、四组油缸和五组油缸的连杆轴上固定连接有大活塞和一对小活塞，一对小活塞关于大活塞对称，六组油缸的连杆轴与工作台连接，所述一组油缸、二组油缸、三组油缸、四组油缸和五组油缸内均设置有顶腔、大油腔和小油腔，顶腔包括左顶腔和右顶腔，大油腔包括左大油腔和右大油腔，小油腔包括左小油腔和右小油腔，直线电机包括一对滑动端，一对滑动端与初级注塞泵的连杆轴固定连接，初级注塞泵、一组油缸、二组油缸、三组油缸、四组油缸、五组油缸和六组油缸依次相连通，若干油缸和初级注塞泵的顶腔均与供油管路连通，若干油缸均与补偿油路和回油管连通。

具体地，初级注塞泵的连杆轴两侧均设置有一号限位开关，六组油缸的连杆轴两侧均设置有二号限位开关。

进一步地，初级注塞泵的连杆轴的一侧设置有一号直线光栅尺，二组油缸的连杆轴一侧设置有二号直线光栅尺，六组油缸的连杆轴一侧设置有三号直线光栅尺。

其中，若干油缸和初级注塞泵内均的连杆轴直径均相等。

进一步地，若干油缸内的顶腔内径相等，若干油缸内的大油腔内径，若干油缸内的小油腔内径相等。

具体地，若干油缸、初级注塞泵、供油管路、回油管和补偿油路内均注满无气泡油，供油管路、回油管、补偿油路和若干连接管的管内截面积与小油腔和初级注塞泵的内环形面积相等，动力机构采用PID或H∞控制，电磁阀采用PLC控制，油缸的数量大于5组。

比例为1:10组合油路：初级注塞泵、六组，通过下述操作实现：

图中初级注塞泵139为直线电机140驱动的双杆双作用初级注塞泵，初级注塞泵139的两端为顶腔，标号101和标号102为左右腔，由于直线电机140和两侧滑动端141、支撑座142、连杆轴143为固定为一体化结构，当直线电机140向右移动，同时1号电磁阀、25号电磁阀、27号电磁阀、53号电磁阀、50号电磁阀、23号电磁阀开启，其余电磁阀均关闭，初级注塞泵139吸油，初级注塞泵139中的活塞向右移动，其右腔中的注满的无泡液压油从右腔中推出，使液压油经25号电磁阀所在油路进入145中管，经53号电磁阀开、50号电磁阀开进入六组油缸，末端工作台油缸的右腔推动活塞向左移动，工作台向左移动，实现工作台位移，53号电磁阀、23号电磁阀开，六组油缸左腔液压油排出到回油管136中，形成一个闭合回路。

直线电机140需往复运动，当直线电机140到达右侧止点时，左侧的一号限位开关144关闭，连杆轴143左侧一号直线光栅尺93同时反馈，按位取反，由于现有技术中初级注塞泵、一组、二组、三组、四组、五组和六组的油缸缸径存在绝对误差，直线光栅尺可对连杆轴的实际位置进行检测，便于本领域技术人员根据实际的检测数据及时作出校对和调整，初级注塞泵139左端，2号电磁阀开，27号电磁阀开，24号电磁阀开，53号电磁阀、50号电磁阀、23号电磁阀开启，其余电磁阀均保持关闭，初级注塞泵139进入液压油，26号电磁阀关经主中管145、做功油路135，53号电磁阀开，六组油缸50号电磁阀开，23号电磁阀开，51号电磁阀和52号电磁阀关，稍作延时直线电机140向左移动，是1:10行程关系。

同理，上述往复行程重复4次，行程共往复5次，总行程为10次，工作台端一个行程结束，若需工作台往返，可重复上述行程。

这里需注解说明，途中所有连杆轴直径都是相等的，直径为4厘米，所有左右小缸，缸筒内径和初注塞泵的缸筒内径都相等，大小缸活塞左右止点的行程距离相等，所有连接大小油缸顶腔的进出油管，管内截面积都等于所有左右小缸和初注塞泵的环形面积相等，供油管136、回油管137、补偿油路138管内径大于它们。各缸油腔，油管路注满油无气泡状态。

比例为1:100组合油路：初级注塞泵、一组、六组，通过下述操作实现：

直线电机140的滑动端141向右移动，1号电磁阀、25号电磁阀、26号电磁阀、4号电磁阀、28号电磁阀、31号电磁阀、50号电磁阀、53号电磁阀、23号电磁阀开，其余电磁阀均关闭。

比例为1:1000组合油路：初级注塞泵、一组、二组、六组，通过下述操作实现：

直线电机140的滑动端141向右移动，1号电磁阀、7号电磁阀、10号电磁阀、25号电磁阀、26号电磁阀、28号电磁阀、5号电磁阀、32号电磁阀、9号电磁阀、33号电磁阀、36号电磁阀、50号电磁阀、23号电磁阀开，其余电磁阀均关闭，此时二组油缸的活塞向左运动，当二组油缸的活塞向右运动时，1号电磁阀、25号电磁阀、26号电磁阀、28号电磁阀、5号电磁阀、6号电磁阀、8号电磁阀、55号电磁阀、34号电磁阀、50号电磁阀、23号电磁阀开，其余电磁阀均关闭。

一组油缸150中间大油缸和五六组油缸相等，它们一个行程为吸入和推出的液体体积相等，体积为V2，二组油缸151、三组油缸152、四组油缸153中的大油缸的环形体积，即有效行程推出的液体体积相等，其体积为V3。

所有小缸的有效环形体积为V1，它们之间的关系为V3＝10V2＝100V1，

所以初级注塞泵要10个行程，六组活塞才能到达左侧止点位置。为了区分行程和途中大、中、小油缸的环形体积长度设英文字母区分开来。

所有大小油缸行程为h，一组、五组、六组中间油缸体积长度为H2，二、三、四组中大油缸体积为H3，所有小缸行程，由于它们之间体积相等为H1＝h，其截面积S1，一组、五组、六组环形截面积为S2。二、三、四组环形截面积为S3，所以S3＝10S2＝100S1，

H3＝10H2＝100H1＝100h

推动活塞机工作台左移，在二组油缸中左侧110油腔由于活塞向右移动，其腔的油需排出，69顶腔所在油路进入71号油腔，71油腔是吸油过程，71、110油腔和左侧的138补偿油路相连，中管路中没有阀门补偿油路一定的压力(相当于2-3压力)，用作两腔差补，放置极小极小的渗油，由于两端受力面积相等，作用力相互抵消。

当初级注塞泵相右至右止点时，直线光栅尺反馈位置信号，右侧限位开关动作或霍尔元件去翻，最优先级的指令，使电磁阀换相后，中间有稍作延时，是其流量不受影响，直线电机带初级注塞泵中活塞向左移动，1号电磁阀、25号电磁阀关，24号电磁阀开吸油，2号电磁阀开把101油腔油液经145中路油管，27号电磁阀开，53号电磁阀关，31号电磁阀开，通过146中路管，6号电磁阀开进入111号墙体推动活塞151二组大活塞向右移动。8号电磁阀开进油，55号电磁阀开排油，活塞将114腔油压出，34号电磁阀开，9号电磁阀、10号电磁阀、11号电磁阀、33号电磁阀、35号电磁阀、37号电磁阀、36号电磁阀关闭，69、71和补偿油路138无阀门相同进行差动补偿，其他电磁阀保持原状态，六组活塞工作台继续向左移动，由于H3＝10H2＝100H1，当注塞泵10个行程往返5次，六组活塞工作台同步到左止点位置，99直线光栅尺反馈，限位开关动作或者霍尔元件作反向指令，同样进行换向作往返运动，经二组比例油缸和六组比例缸不断得到液压传递使工作台位移，位移量是初级直线电机位移量的1/1000，如直线电机的一个脉冲是1μm，那么工作台位移量就是1nm。

1:10000即直线电机作10000个行程，工作台移一个行程，油路连接发、初级注塞泵和一组、二组、六组结合，比例真值表1:10:100:10＝1:10000的关系。由于直线电机是数字控制，根据1：10000的长度关系，得到工作台的实际位移量。当然，初级柱塞泵。一组二组。六组与其相关的电磁阀转换就不再详细陈述了。

设直线电机一个脉冲当量是1um，末端工作台位量就是0.1nm。

1：10的6次方长度比例关系就是末端工作台位移量是1pm，

比例表达式为1:10：100:100:10＝1：1000000。

油缸连接为初级注塞泵。一组二组，三组，六组的组合油路连结。

分级的比例关系为1:10^9。

比例关系表达式为1:10：100:100:100：10：10＝1:10^9关系。

油路连接为初级注塞泵，一组，二组，三组，四组，五组，六组的连接关系。电磁阀转换不作详解，总结如下；

比例为1:10组合油路：初级注塞泵、六组；

比例为1:1000组合油路：初级注塞泵、二组、六组；

比例为1:10000组合油路：初级注塞泵、一组、二组、六组；

比例为1:100000组合油路：初级注塞泵、一组、二组、三组、六组；

比例为1:1000000组合油路：初级注塞泵、一组、二组、三组、四组六组；

依次类推，可根据精度的需要选择所需的组合。

点启点停即点动距离原理。

直线电机的脉冲当量为1um，100个脉冲数距离为100um。

比例关系为100:100000是纳米级。比例为100:10^6是0.1纳米级。

或者直线电机10个脉冲和1000个脉冲的比例关系

10比1000为10nm。10:10000为1nm。10:100000为0.1纳米。1000:1000000为1nm，1000:10^5为10nm,1000:10^7为0.1纳米。

给进速度分级进行，便于缓解直线电机140的工作强度，便于提升直线电机140的使用寿命和稳定性，如工作台位移十厘米，在直线电机一个脉冲当量为1微米，末端工作台分辨率为一纳米工作台位移量10：0.00001等于十的五次方纳米。由于柱塞泵和六组是1:10的关系。

即(99.900+100)*10

999000+1000

999900+100

999990+10

所以初线注塞泵和六组结合频率数为999.990。后是注塞泵同二组油缸六组油缸结合脉冲数为十。

这样分两次组合搭配。使给进速度加快，这样分级调速时间缩短。

在此系统配置中供油管路，回油管路，补偿油管路。工作台六组因有活动范围，在不影响其活动范围内，可以用高压软管，其它油路连接。全用有很好刚度的无缝钢管连接。电磁阀阀体开与关，其体积要有等量让位，才能不影响油路的体积，使系统有更好的精度。

保证整个系统中液压油的恒定范围的温度。供油管、回油管和补偿油管要插入油箱内3/4位置加以固定，液压油过滤加消泡剂消泡。

如1:1000的距离时，柱塞往返行程10个，二组油缸中的大油缸只形成的1/10距离，而后级六组油缸的完成一个有效行程，而二组油缸左侧的二号直线光栅尺911反馈信息，直到油缸中活塞到达止点时，电磁阀就换向各组，因活塞移动方向和移动的速度不同步，只要有反馈就不断换向，就不能影响系统运转。

钢筒、连接轴最好是同台设备、同批次加工的产品，不是同台同批次加工的，尽量内处尺寸相符，如有相差，安装中利用本系统测定，由于各筒内径和轴处，组成的一组和各组之间有一定常量关系，利用直线电机的伺服PID、H00控制电子比例等方法，减少误差，使其能实现更好的分辨率。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明中的一种超高精度液压微分机床给进系统，其可根据实际所需的给进量的进行精准调节，精度可达纳米或皮米级别，也可根据需求继续提升精度，可通过直线电机的脉冲控制实现末端上一个纳米单位和下一个纳米单位之间的点启或点停动作，可满足高精度工件的加工，特别是针对精密光学器件或集成电路布线的加工，具有明显的优势；脉冲通过比例可以微分，经本领域技术人员控检测和统计，由于比例关系的存在，控制脉冲即可直接实现一定距离的移动。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种超高精度液压微分机床给进系统，其特征在于，包括动力机构、若干油缸、供油管路、回油管、补偿油路和若干连接管，若干所述连接管内连接有多个电磁阀，所述动力机构包括初级注塞泵和直线电机，若干所述油缸包括一组油缸、二组油缸、三组油缸、四组油缸、五组油缸和六组油缸，若干所述油缸和所述初级注塞泵内均连接有连杆轴，所述一组油缸、二组油缸、三组油缸、四组油缸和五组油缸的连杆轴上固定连接有大活塞和一对小活塞，一对所述小活塞关于大活塞对称，所述六组油缸的连杆轴与工作台连接，所述一组油缸、二组油缸、三组油缸、四组油缸和五组油缸内均设置有顶腔、大油腔和小油腔，所述顶腔包括左顶腔和右顶腔，所述大油腔包括左大油腔和右大油腔，所述小油腔包括左小油腔和右小油腔，所述直线电机包括一对滑动端，一对所述滑动端与初级注塞泵的连杆轴固定连接，所述初级注塞泵、一组油缸、二组油缸、三组油缸、四组油缸、五组油缸和六组油缸依次相连通，若干所述油缸和所述初级注塞泵的顶腔均与供油管路连通，若干所述油缸均与补偿油路和回油管连通；

所述初级注塞泵的连杆轴的一侧设置有一号直线光栅尺，所述二组油缸的连杆轴一侧设置有二号直线光栅尺，所述六组油缸的连杆轴一侧设置有三号直线光栅尺。

2.根据权利要求1所述的一种超高精度液压微分机床给进系统，其特征在于，所述初级注塞泵的连杆轴两侧均设置有一号限位开关，所述六组油缸的连杆轴两侧均设置有二号限位开关。

3.根据权利要求1所述的一种超高精度液压微分机床给进系统，其特征在于，若干所述油缸和所述初级注塞泵内的连杆轴直径均相等。

4.根据权利要求1所述的一种超高精度液压微分机床给进系统，其特征在于，若干所述油缸内的顶腔内径相等，若干所述油缸内的大油腔内径，若干所述油缸内的小油腔内径相等。

5.根据权利要求1所述的一种超高精度液压微分机床给进系统，其特征在于，若干所述油缸、所述初级注塞泵、所述供油管路、所述回油管和所述补偿油路内均注满无气泡液压油。

6.根据权利要求1所述的一种超高精度液压微分机床给进系统，其特征在于，所述供油管路、回油管、补偿油路和若干连接管的管内截面积与所述小油腔和所述初级注塞泵的内环形面积相等。

7.根据权利要求1所述的一种超高精度液压微分机床给进系统，其特征在于，所述动力机构采用PID或H∞控制，所述电磁阀采用PLC控制。

8.根据权利要求1所述的一种超高精度液压微分机床给进系统，其特征在于，所述油缸的数量大于5组。

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