數(shù)控銑鏜床滑枕進(jìn)給精確定位補(bǔ)償系統(tǒng)的研究

王海軍 王莘澳

（齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 齊齊哈爾161005）

對(duì)于數(shù)控機(jī)床，其加工精度是衡量數(shù)控機(jī)床制造水平的一個(gè)重要因素，其中數(shù)控銑鏜床滑枕在工作過(guò)程中，受溫度因素影響，長(zhǎng)度會(huì)變化，使滑枕的理論與實(shí)際定位值產(chǎn)生偏差，從而嚴(yán)重影響了數(shù)控銑鏜床的加工精度。為了消除溫度變化對(duì)數(shù)控銑鏜床滑枕定位精度的影響，建立數(shù)控銑鏜床滑枕進(jìn)給精確定位補(bǔ)償系統(tǒng)已成為必然。數(shù)控銑鏜床滑枕進(jìn)給精確定位補(bǔ)償技術(shù)的成功研制可大大提高數(shù)控銑鏜床的加工精度，降低數(shù)控銑鏜床的調(diào)試周期，從而降低制造成本，極大提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 設(shè)計(jì)思想

數(shù)控銑鏜床的滑枕內(nèi)部裝有銑軸和鏜軸，由于銑鏜軸的高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量會(huì)傳遞給滑枕，使滑枕產(chǎn)生熱膨脹，從而影響加工工件的平面度。

機(jī)床規(guī)格不同滑枕大小也不同，而滑枕自身形狀又不規(guī)則，其受熱伸長(zhǎng)量與溫度的關(guān)系不容易測(cè)得。而材料固定、形狀規(guī)則的桿件，其伸長(zhǎng)量與溫度變化關(guān)系很容易通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得，這個(gè)桿件稱為基準(zhǔn)桿。將基準(zhǔn)桿的一端固定在滑枕的前部，另一端自由伸展，當(dāng)滑枕在某一溫度下伸長(zhǎng)時(shí)，將帶動(dòng)基準(zhǔn)桿移動(dòng)，通過(guò)與基準(zhǔn)桿尾部接觸的位移傳感器可精確地檢測(cè)出位移量，將這個(gè)位移量減去基準(zhǔn)桿自身的伸長(zhǎng)量就可確定滑枕的伸長(zhǎng)量。伺服電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償就是通過(guò)滾珠絲杠向相反方向驅(qū)動(dòng)滑枕實(shí)現(xiàn)的。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 數(shù)控銑鏜床滑枕進(jìn)給精確定位補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，滑枕2安裝于主軸箱1內(nèi)，并且相對(duì)于主軸箱1運(yùn)動(dòng)。該裝置的基準(zhǔn)桿3一端固定于滑枕2的前部，另一端為自由端，在長(zhǎng)度方向上采用兩個(gè)支座4支承，保證其水平伸展。位移傳感器5在常溫下安裝，與基準(zhǔn)桿自由端端部接觸，當(dāng)溫度升高時(shí)，基準(zhǔn)桿3自由端位置發(fā)生變化，位移傳感器5檢測(cè)到這一變化量，并將變化量數(shù)據(jù)傳送給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)將這一數(shù)值減去基準(zhǔn)桿自身的受熱伸長(zhǎng)量，其差值便為滑枕的受熱伸長(zhǎng)量，最后數(shù)控系統(tǒng)控制伺服電動(dòng)機(jī)6驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠7帶動(dòng)滑枕2反向運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)滑枕2伸長(zhǎng)給予補(bǔ)償。補(bǔ)償流程如圖2所示。

基準(zhǔn)桿3自身在不同溫度下的伸長(zhǎng)量可通過(guò)熱膨脹系數(shù)公式求得：

式中：ΔL為熱膨脹產(chǎn)生的長(zhǎng)度變化；L為基準(zhǔn)桿原長(zhǎng)度；a為基準(zhǔn)桿材料的熱膨脹系數(shù)；ΔT為基準(zhǔn)桿溫度的變化。其中熱膨脹系數(shù)a可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得。通常情況下，滑枕2在工作中溫度的變化范圍為20～60℃，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)測(cè)量若干個(gè)溫度下基準(zhǔn)桿3的伸長(zhǎng)量ΔL，基準(zhǔn)桿3的伸長(zhǎng)量ΔL隨溫度的變化產(chǎn)生線性變化，進(jìn)而算出熱膨脹系數(shù)a。這個(gè)系數(shù)可作為常量輸入機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。

位移傳感器5測(cè)得的值是基準(zhǔn)桿3自身伸長(zhǎng)量與滑枕2伸長(zhǎng)量之和，位移傳感器5將測(cè)得值反饋給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到滑枕2的伸長(zhǎng)量，進(jìn)而控制伺服電動(dòng)機(jī)6進(jìn)行對(duì)滑枕2的精度補(bǔ)償。

2.2 數(shù)控銑鏜床滑枕進(jìn)給精確定位補(bǔ)償系統(tǒng)的工作原理

滑枕通過(guò)滾珠絲杠與伺服電動(dòng)機(jī)相連，滑枕上固定有基準(zhǔn)桿及位移傳感器。基準(zhǔn)桿為材料固定且形狀規(guī)則的桿件。基準(zhǔn)桿的一端固定在滑枕上，另一端自由伸展且其端面與位移傳感器相接觸。通過(guò)對(duì)滑枕進(jìn)給的精確定位研究，建立了一套系統(tǒng)的補(bǔ)償理論。適用于不同規(guī)格數(shù)控落地銑鏜床的滑枕的精度補(bǔ)償。

3 應(yīng)用范圍

目前數(shù)控銑鏜床滑枕進(jìn)給精確定位補(bǔ)償系統(tǒng)已廣泛用于 FA—130、FA—160、TK（H）6913、TK（H）6916、TK（H）6920、TK（H）6925、TK（H）6926等，鏜軸直徑范圍為φ130～260 mm，主軸轉(zhuǎn)速范圍為650～3000 r/min，進(jìn)給速度范圍為6000～15000 mm/min。可實(shí)現(xiàn)多軸控制及五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑鏜床的滑枕精度補(bǔ)償。此系統(tǒng)的成功研制和應(yīng)用，使數(shù)控銑鏜床的加工平面度由原來(lái)的0.1 mm減小到0.015 mm甚至更小。使我國(guó)的數(shù)控銑鏜床的加工精度達(dá)到了國(guó)際水平，縮短了我國(guó)與世界先進(jìn)數(shù)控銑鏜床制造企業(yè)的差距。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控銑鏜床滑枕進(jìn)給精確定位補(bǔ)償系統(tǒng)的成功研制和應(yīng)用使數(shù)控落地銑鏜床的加工精度達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，從而使采用該裝置的數(shù)控落地銑鏜床在國(guó)際市場(chǎng)上有了更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。目前采用該裝置的數(shù)控落地銑鏜床已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，廣泛用于國(guó)防軍工、航空航天、機(jī)械、能源、船舶、核電等復(fù)雜、異形件的加工行業(yè)，對(duì)民族裝備工業(yè)的振興及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。