數控落地銑鏜床滑枕撓度補償控制形式的改進及調試

劉志友

(齊重數控裝備股份有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161005)

數控落地銑鏜床滑枕撓度補償控制形式的改進及調試

劉志友

(齊重數控裝備股份有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161005)

針對數控落地銑鏜床滑枕行程大而產生的撓度變形問題，采用改進液壓控制、電氣反饋裝置及電氣控制等措施，提高了滑枕低頭補償的精度及滑枕移動時的補償反應速度。該技術提高了數控落地銑鏜床滑枕的穩定性。

S7-300PLC;銑鏜床;滑枕撓度補償

目前在機械制造行業，大型數控落地銑鏜床主軸直徑在260 mm及以上，滑枕和鏜箱質量大、相對結構剛性差，尤其主軸箱在工作過程中，銑鏜軸及滑枕從主軸箱中伸出的距離比較大，從而使主軸工藝系統在加工過程中剛性變差，造成理論與實際重心值偏差增大［1－2］。為補償受滑枕伸縮產生的主軸箱重心偏移，普遍采用液壓缸對主軸箱理論與實際重心值產生的偏差進行補償的結構，但液壓控制部分無一例外地全部采用進口比例閥控制方式，在實際應用中存在諸多弊端，如:補償響應速度慢［3－4］、開環控制、系統重復精度低，比例閥控制系統成本過高并且容易受油液溫度及清潔度的影響［5］，發生故障時不易察覺等。文中對該結構的控制形式進行了徹底的改進，以某公司為青島海西重工生產的FMBI26X120X60L-NC數控落地鏜為例，該臺機床主軸直徑260 mm，滑枕行程1 600 mm，通過改進提高了系統補償精度和穩定性，同時降低生產及維修成本，以保證滑枕移動母線與立柱移動母線的垂直度在規定范圍內，保證整機的加工精度要求。文中介紹的方案經該設備長期使用驗證，已完全解決了這項技術難題。

1 主軸箱平衡補償系統的補償結構及檢測和反饋裝置

如圖1所示，滑枕伸出時受其自重影響，使其產生向下彎曲變形產生進度誤差［6］。以上述機床為例，實測滑枕伸出1 600 mm時變形量在0.45 mm左右，數控落地銑鏜床的W軸與Y軸的垂直度精度 (即滑枕水平方向與立柱垂直方向的垂直度)為一項最基本的幾何精度要求，嚴重影響著該機床的加工精度，該項精度的補償需要有良好的定位精度、快速的響應和跟隨性，使W軸在靜止、運動的狀態下有一個高精確的水平定位精度，使機床幾何精度保持在最佳狀態。如圖2所示，采用絕對值編碼器將其用支架固定在鏜箱上，將導軌固定在活塞與鋼絲繩聯接支架上，中間采用軸承杠桿臂聯接，通過編碼器的旋轉角度直接反映油缸的位置實際值，西門子CNC系統將反饋裝置提供的實際值傳送給PLC直接控制油缸位置，可有效防止中間環節產生的誤差對補償精度的不良影響，并有利于監控補償效果，當補償未到位時及時提醒操作者，并自動做出保護措施。

圖1 落地銑鏜結構示意圖

圖2 油缸測量反饋裝置圖

2 液壓控制系統的改進

圖3 改進前和改進后液壓控制系統示意圖

對補償油缸的液壓控制方式進行了徹底的改進，如圖3所示。將原比例減壓閥取消，用ATOS生產的方向控制閥代替原有的比例減壓閥，并在回油T口和A口增加兩個節流閥用以減小切換動作時的沖擊;同時將油缸的行程加大，由原來的80 mm增加到改造后的120 mm，以提高補償量，減少故障概率及維修成本。

3 電氣控制及程序設計

西門子S7-300是一種功能非常強大的PLC系統［7－9］，通過PLC對W軸與Q軸 (補償油缸活塞移動)絕對位置的讀取和監控，將W軸絕對位置值作為補償的參考值，通過系統PLC的運算，將控制信號轉化為誤差脈沖量輸出到PLC的輸出口，驅動方向閥的開閉及換向，控制補償油缸的絕對位置。為防止操作人員誤操作，特編寫電子鎖程序。編寫專用平衡油缸補償量手動調整控制程序，方便操作者在補償精度不理想時調整補償量，調節結束后自動保存新補償值，并為常用調整參數、多附件頭補償表預留接口方便調試。在程序中監控補償響應，在實際補償值未達到設定值時觸發報警，提示操作者查找原因。在調試主軸箱平衡補償系統前，應首先保證各部件相關幾何精度合格。調試中兼顧系統的穩定性、超調量與穩態精度。

4 主軸箱平衡補償系統的調試

4.1 調節鏜桿回轉軸線與鏜箱移動母線的垂直度

將滑枕鏜軸全部縮進主軸箱內，在鏜軸端部固定一輔助測量臂 (端部固定一平頭螺絲的鋼條)，置一千分表，轉動鏜桿，輔助測量臂隨之做回轉運動，將測量臂調節至與立柱導軌大致平行的狀態下，在此位置對表，將鏜桿回轉180°，移動鏜箱使千分表測頭與測量臂測頭接觸，讀出誤差值，調節補償鋼絲繩的預緊力，使兩者垂直度在公差范圍內即可。

4.2 調整滑枕鏜軸伸出時的誤差補償

將滑枕鏜軸全部縮進主軸箱內，在鏜軸端部固定一千分表，當滑枕鏜軸外伸時，由于主軸箱重心變化導致傾斜，千分表數值會變化。此時通過調整補償斜率表的補償給定值，即可控制補償油缸的拉伸量，使數值趨于零。然后每隔50 mm進行測量，按上述步驟進行補償，直至全行程。

4.3 連接附件后的誤差補償

當加上附件后，滑枕前端連接質量不同的附件后主軸箱重心發生變化，需再進行補償油缸的拉伸量補償。

5 出現問題與解決方法

(1)補償油缸缸內油壓振蕩，活塞位置不穩定

檢查控制換向閥是否內泄漏過大，如是則更換換向閥。檢查補償油缸是否內泄漏過大，如是則更換活塞密封圈。檢查來油節流閥是否開口過大，適當調節節流閥開口。

(2)補償油缸補償動作緩慢，跟不上滑枕移動速度

檢查來油回油節流閥是否開口過小，適當調節節流閥開口。檢查補償油泵輸出壓力及流量是否滿足工藝要求，適當提高油缸輸出壓力。

(3)鏜軸微量下垂

鏜軸外伸時自重產生撓曲變形而下垂，同樣不能僅靠補償油缸解決，要采用數控系統的垂度補償來補償這一變形。該補償是一個單純的CNC動作，與液壓平衡系統沒有直接關系。鏜軸每外伸100 mm，其下垂量通過改變Y值進行線性補償，實施后補償效果良好，鏜軸精度合格。

6 結束語

數控落地銑鏜床主軸箱平衡補償系統是設計與調試的難點，也是關鍵技術所在，調整不好將造成Z、W軸相關精度不合格，經過補償后可以使滑枕1 600 mm全行程內直線度控制在0.03 mm內，而且補償反應速度快，穩定性高。文中所述的控制方法具有結構簡單、成本低廉、維修容易、實施效果好等優點，滿足了機床滑枕前端安裝附件和滑枕伸出時產生的重心偏差的全部補償要求，大大減小了機床加工時由于重心偏差導致的主軸回轉精度誤差，更有效地提高了機床對工件的加工精度，保證了產品的加工質量，給實際生產加工帶來了很大的方便。

【1】戴晨，劉小鵬，張文橋.TK6916B數控落地銑鏜床補償系統分析［J］.湖北工業大學學報，2007，22(4):4－5.

【2】賈銘新.液壓傳動與控制［M］.北京:國防工業出版社，2001.

【3】王建中，黃成軍.大型落地銑鏜床方滑枕精度變形補償措施［J］.制造技術與機床，2006(7):61－62.

【4】孫文，劉俊龍，李福才，等.數控落地銑鏜床滑枕變形補償系統［J］.齊齊哈爾大學學報，2002(3):100－102.

【5】包秀杰.數控落地銑鏜床溫度影響滑枕定位精度的補償系統［J］.制造技術與機床，2012(1):98－99.

【6】張曉毅.落地銑鏜床主軸系統精度補償技術研究［J］.機床與液壓，2011，39(16):11－13.

【7】西門子.S7-300指令列表手冊(A5E00432713-10)［M］，2008.

【8】西門子(中國)有限公司.西門子簡明調試手冊［M］，2006.

【9】西門子.S7-300語句表(STL)編程參考手冊(A5E01112995-01)［M］，2007.

TG53;TG54

B

1001－3881(2014)8－135－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.043

2013－02－19

劉志友 (1981—)，男，大專，助理工程師，長期從事于重型機床的制造、安裝、調試及改造。E－mail: zyliu1981@163.com。