鏜銑床主軸箱重心補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

李 勇，錢鳳來

1.沈陽機(jī)床股份有限公司中捷鉆鏜床廠，遼寧 沈陽 110141 2.沈陽機(jī)床股份有限公司中捷機(jī)床，遼寧 沈陽 110141

數(shù)控落地鏜銑床是一種性能優(yōu)良、工藝范圍廣泛、生產(chǎn)效率高的先進(jìn)數(shù)控加工設(shè)備。特別是大型數(shù)控落地鏜床在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中甚至可以完全可取代龍門刨床以及老式的落地鏜床。盡管數(shù)控落地鏜銑床在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用廣泛，但是一些老的數(shù)控落地鏜銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)卻很少得到改良，使得數(shù)控落地鏜銑床在現(xiàn)代工業(yè)的高精度生產(chǎn)中暴露出很多問題，特別是在加工過程中，數(shù)控落地鏜銑床的銑鏜軸、滑枕從伸出量較長(zhǎng)而且距離主軸箱較遠(yuǎn)，而且還要受到安裝在滑枕前端的各種附件的影響，在這種情況下滑枕進(jìn)行伸出動(dòng)作，在產(chǎn)生位移時(shí)，由于主軸的工藝系統(tǒng)要求等因素，使得主軸在加工過程中剛性較差，主軸箱重心容易產(chǎn)生偏移，從而導(dǎo)致實(shí)際重心值與理論要求偏差過大，造成加工精度降低。因此有必要改良主軸箱重心補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使數(shù)控落地鏜銑床在加工作業(yè)時(shí)，全面補(bǔ)償主軸箱的重心偏差，解決工件的加工精度得不到保障的問題。

1 數(shù)控落地鏜銑床主軸箱系統(tǒng)平衡分析

數(shù)控落地鏜銑床加工工藝系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)中，主軸箱是重要?jiǎng)恿蛡鲃?dòng)模塊，主軸箱動(dòng)作時(shí)主要通過前補(bǔ)償繩和后平衡繩配合導(dǎo)繩輪和平衡錘維持平衡。這種工藝系統(tǒng)在理想條件下并且重心穩(wěn)定沒有偏差的情況下，主軸箱的主軸回轉(zhuǎn)軸線在加工作業(yè)動(dòng)作時(shí)的相對(duì)空間的位置應(yīng)該是穩(wěn)定不變的。但是實(shí)際情況中，在加工工件特別是對(duì)工件做強(qiáng)力切削時(shí)，主軸箱的重心由于滑枕伸出位移和安裝在滑枕前端各種附件等因素的共同影響下使得主軸箱重心不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生偏移，從而嚴(yán)重影響了機(jī)床加工精度以及產(chǎn)品質(zhì)量。是因?yàn)楣ぷ鬟^程中存在以上不利因素，在硬件改良方面，方滑枕盡量采取縱向大截面結(jié)構(gòu)，以提高方滑枕的縱向剛度；在系統(tǒng)改良方面更需要設(shè)計(jì)出一種力敏、轉(zhuǎn)矩、新平衡點(diǎn)的主軸箱重心補(bǔ)償系統(tǒng)讓數(shù)控落地鏜銑床加工精度進(jìn)一步提高。

2 重心補(bǔ)償方法及其結(jié)構(gòu)

具體新設(shè)計(jì)的重心補(bǔ)償系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)是：在主軸箱上部，安裝“重心懸掛點(diǎn)”和“補(bǔ)償懸掛點(diǎn)”，應(yīng)用電橋測(cè)力電路，以及通過結(jié)合伺服電機(jī)蝸輪箱平衡機(jī)構(gòu)。其中伺服電機(jī)蝸輪箱平衡機(jī)構(gòu)主要是由“前平衡補(bǔ)償拉桿”、“U型拉板”、“拉桿”和 “精密雙齒輪齒條”、“電機(jī)”、“隨動(dòng)電位器”以及“偏移補(bǔ)償伺服電動(dòng)機(jī)”和“力敏應(yīng)變電阻器”等部件組成，它和電橋測(cè)力補(bǔ)償電路一起完成重心補(bǔ)償工作。其中的具體工藝要求為：采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)各坐標(biāo)移動(dòng)。在X軸向上，采用雙齒輪箱齒條驅(qū)動(dòng)技術(shù)，為了使整個(gè)系統(tǒng)傳動(dòng)剛性好，因此整個(gè)進(jìn)給結(jié)構(gòu)在滑座體中，而且，雙齒輪箱齒條驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以有效消除間隙，方便調(diào)整，避免滾珠絲杠的絲杠剛性不足等問題，可以顯著增強(qiáng)機(jī)床X軸向驅(qū)動(dòng)力，通過數(shù)控系統(tǒng)的同步控制，使X軸正、反向的無間隙傳動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)。在Y軸向上，驅(qū)動(dòng)采用雙電機(jī)搭配雙絲杠驅(qū)動(dòng)。數(shù)控落地鏜銑床的Z、W坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)方式采用高剛性預(yù)壓滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。W軸向?qū)к壍妮o助導(dǎo)軌采用線性導(dǎo)軌，并在線性導(dǎo)軌上加裝測(cè)量裝置，對(duì)鏜、軸等的作業(yè)實(shí)現(xiàn)了全閉環(huán)控制。X、Y（Y向?yàn)殡p光柵尺）、Z向采用光刪尺，實(shí)現(xiàn)數(shù)控落地鏜銑床工作的全閉環(huán)控制，使機(jī)床的定位精度得到了有效的提高。機(jī)床主軸箱（拖板）上裝有大截面數(shù)控方滑枕，使剛性得到進(jìn)一步提高，為解決較深孔面加工，可以將數(shù)控鏜銑軸安裝在方滑枕內(nèi)。

該重心補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的主要工作原理以及工作流程是，當(dāng)滑枕伸出到一定長(zhǎng)度或有附件安裝在方滑枕前端方時(shí)，主軸箱受重力影響重心自然前移，數(shù)控落地鏜銑床主軸箱重心因此出現(xiàn)偏差，并在滑枕前端產(chǎn)生方向向下的偏載力矩，偏載力經(jīng)由主軸箱上的蝸輪箱作用于“U型拉板”上， “力敏應(yīng)變電阻器” 隨即受到附加拉力變化，阻值同時(shí)產(chǎn)生變化。由于“力敏應(yīng)變電阻器” 阻值發(fā)生了變化，造成檢測(cè)電橋失去平衡，產(chǎn)生并輸出偏差信號(hào)，偏差信號(hào)經(jīng)放大器進(jìn)行放大后，生成“偏差校正伺服電動(dòng)機(jī)”的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，“偏差校正伺服電動(dòng)機(jī)”得電運(yùn)轉(zhuǎn)。“蝸輪箱”及“拉桿”和“精密雙齒輪齒條”受轉(zhuǎn)動(dòng)力矩影響并對(duì)“前平衡補(bǔ)償鋼繩”產(chǎn)生作用，在主軸箱的前端產(chǎn)生方向向上的拉力，拉力使得主軸箱的重心偏移得到補(bǔ)償，隨著“偏差校正伺服電動(dòng)機(jī)”動(dòng)作“電機(jī)隨動(dòng)電位器”也同時(shí)產(chǎn)生變化使“檢測(cè)電橋”重新建立了平衡點(diǎn)。之后由于“檢測(cè)電橋”平衡，因此偏差補(bǔ)償伺服電機(jī)同時(shí)失電并停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此刻主軸箱的位移已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到了新的補(bǔ)償位置，主軸箱重心補(bǔ)償產(chǎn)生作用，并終止整個(gè)重心補(bǔ)償過程。由于對(duì)主軸箱重心偏移進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，并在主軸箱重心發(fā)生偏移時(shí)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，滿足了數(shù)控落地鏜銑床時(shí)，在滑枕伸出過長(zhǎng)以及滑枕前端安裝附件的情況下工作時(shí)，主軸箱重心偏差補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償需求，防止了主軸出現(xiàn)了低頭情況，而主軸箱在結(jié)構(gòu)上采取整體包容式結(jié)構(gòu)，方滑枕包容在主軸箱內(nèi)，進(jìn)一步提高了方滑枕的整體剛度，有利于機(jī)床作強(qiáng)力切削。因此有效的提高了加工精度和耐用性并使數(shù)控落地鏜銑床的誤差明顯減小。

3 結(jié)論

新設(shè)計(jì)的數(shù)控落地鏜銑床滑枕重心補(bǔ)償系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、觸發(fā)靈敏、精確實(shí)用，適合應(yīng)用于大型落地銑鏜床的生產(chǎn)中，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤主軸箱重心偏移并實(shí)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，反應(yīng)靈敏、補(bǔ)償快速準(zhǔn)確，動(dòng)作穩(wěn)定連續(xù)。該數(shù)控落地鏜銑床滑枕重心補(bǔ)償系統(tǒng)在實(shí)際工作應(yīng)用時(shí)，可以快速調(diào)試設(shè)備，提高工作效率。并且在機(jī)床實(shí)際加工時(shí)，有效的控制了由于主軸箱的重心產(chǎn)生偏差，從而導(dǎo)致的主軸回轉(zhuǎn)精度降低產(chǎn)生的誤差，使數(shù)控落地鏜銑床的加工精度得到很大的改善，提高了產(chǎn)品的品質(zhì)，使工藝精度在產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)加工時(shí)得到了保障。

[1]盧玉華.落地鏜銑床主軸箱重心補(bǔ)償壓力滯后的分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床，1988(1).

[2]機(jī)束酗.十編寫組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[4]朱大光.電橋式主軸箱重心補(bǔ)償裝置專利，2008.

[5]谷丹.落地銑鏜加工中心的主軸箱重心補(bǔ)償系統(tǒng)[J].機(jī)床設(shè)計(jì)與制造，2007(5).