高速五軸加工中心垂直軸閉環平衡系統設計

萇曉兵 湯家榮 賴立迅

(①常州機電職業技術學院，江蘇 常州 213164；②常州創勝特爾數控機床設備有限公司，江蘇 常州 213164)

高速五軸加工中心垂直軸閉環平衡系統設計

萇曉兵①湯家榮①賴立迅②

(①常州機電職業技術學院，江蘇 常州 213164；②常州創勝特爾數控機床設備有限公司，江蘇 常州 213164)

以TOM-HV1060門式五軸高速精密加工中心垂直軸平衡系統為例，介紹了一種垂直軸閉環平衡系統，提高了高速高精機床垂直軸運動平穩性和快速響應性。

垂直軸；閉環平衡系統；設計；高速高精

在數控機床設計制造時，大中型數控機床垂直軸均需配備平衡裝置，以消除垂直運動部件自重對垂直軸運動平穩性和響應性的影響，提高加工精度，同時減少傳動部件磨損，并降低伺服電動機的工作電流，優化電動機選型。目前機床上常用的垂直軸平衡裝置主要有以下幾種：

(1)重錘平衡裝置 采用重錘通過鏈條鏈輪結構或鋼絲繩滑輪結構來平衡垂直運動部件自重。這種裝置體積較大，為非剛性連接，只適用于垂直運動部件自重不大、垂直軸速度和加速度不高的中小型機床。

(2)選用大扭矩伺服電動機 垂直軸上不配備平衡裝置，在伺服電動機選型時需額外選大伺服電動機扭矩，依靠伺服電動機過剩的扭矩來承擔垂直運動部件自重，這是以增大伺服電動機扭矩為代價，而且滾珠絲杠等傳動部件易磨損，只適用于小型、輕型機床。

(3)氣瓶式或平衡閥式平衡系統 采用氣瓶式或平衡閥式液壓平衡系統，由于現行的這類液壓平衡系統尚不能很好地解決快速響應和同步的問題，高速運行或速度變換頻率較高時，易出現活塞桿與垂直軸運行不同步的情況，使得垂直軸運動部件強行拉著或推著活塞桿運行，造成液壓沖擊或抖動，影響垂直軸的運動平穩性和快速響應性。

面對現代數控機床高速高精的要求，上述垂直軸平衡方案均不能很好地滿足現代高速高精機床的要求。TOM-HV1060門式五軸高速精密加工中心采用目前世界先進的FANUC 31I-B5數控系統，是一款具有B、C軸的五軸聯動加工中心，配有光柵尺和圓光柵的五軸全閉環控制，主軸最高轉速18 000 r/min，G00速度30 m/min，進給速度可達15 m/min，加速度0.5g，對機床垂直軸運動平穩性和快速響應性有很高的要求。針對該機床高速高精的特點，我們設計了一種垂直軸閉環平衡系統，以滿足其垂直軸運動平穩性和快速響應性的要求。

1 閉環平衡系統設計

1.1 液壓系統設計

針對TOM-HV1060五軸機床高速高精的性能要求，本文設計了圖1所示的閉環平衡液壓系統。為了保證平衡壓力的平穩性，設計時改變了常用的通過外部溢流閥調定壓力的方式，直接選用了恒壓變量泵作為動力源。為了保證活塞運動的快速響應性，設計時采用高頻伺服比例方向閥(見圖2)和蓄能器、補液筒相結合的方案。Z軸正向(上行)運動時，伺服比例閥根據接收到的0～+10 V的指令信號精確控制流量，保持活塞運動與Z軸運動的同步性。蓄能器負責Z軸正向高速運行時保證充足的壓力油持續注入平衡油缸下腔。Z軸負向(下行)運動時，伺服比例閥根據接收到的0～-10 V的指令信號精確控制流量，保持活塞運動與Z軸運動的同步性。補液筒負責將油液快速注入平衡油缸上腔，確保上腔充滿油液，提高活塞運動的平穩性。

1.2 指令信號系統設計

液壓系統中伺服比例換向閥的閥芯移動量和移動方向決定了平衡油缸活塞移動的速度和方向，而液壓系統的關鍵技術之一就是能夠保證平衡油缸活塞移動的速度和方向與Z軸運動速度和方向同步。由伺服比例閥閉環位置反饋放大器框圖(見圖3)可知，閥芯動作完全由5腳和6腳輸入的0～±10 V指令信號控制，并經閥芯位移傳感器實時反饋形成閉環控制，精確保證閥芯運動狀態和指令信號要求的一致性。因此，指令信號實質上就是Z軸的速度和方向信號，指令信號系統的任務就是向數字放大器正確提供指令電壓。

我們在數控系統I/O模塊基本模塊之后增加一模擬量擴展模塊，通過I/O Link總線將主控器、基本模塊和擴展模塊之間聯通，形成數據通道(見圖4)。Z軸的速度和方向信號在CNC內經過PMC程序處理后，經過數據通道從CNC傳送到ADA02A模擬量擴展模塊，再由擴展模塊產生0～±10 V DC電壓送給伺服比例閥放大器作為指令信號輸入控制閥芯運動。

1.3 PMC程序設計

我們充分利用PMC功能指令進行程序設計，使得控制程序簡潔明了，且修改便捷，調試方便。首先，我們以子程序的方式進行編程，子程序號為P0106。通過SUB51窗口讀指令中的17號功能代碼將1420號參數中存儲的Z軸G00速度值讀入(見圖5a)。接著通過SUB51窗口讀指令中的91號功能代碼實時將Z軸實際速度值讀入(見圖5b)。最后將±4095分別存儲在D0600～D0603和D0604～D0607中，根據F0106.2=0或F0106.2=1判斷Z軸為正向或負向運動后(見圖5c)，將實際速度值除于G00速度值后的商去乘以4095或-4095，將乘積送入模擬量模塊的地址中(本機床中模擬量模塊輸出地址分配為R500～R503)，再由模擬量模塊負責輸出。

2 結語

最后本文對平衡系統進行了現場測試，測試高速空載(G00指令運行)上下行，工作載荷(G01指令運行)上下行，頻繁換向3種工況下Z軸運行負載情況：首先將顯示監控畫面參數No.3111#5設為1，依次按下POS功能鍵、擴展軟鍵和監控軟鍵，進入圖6所示監控畫面。然后按上述3種工況進行Z軸運行，觀察伺服負載表，并記錄Z軸負載情況，取5次檢測數據平均值記入表1。

由表1可知，同工況下上下行負載數據較為接近，說明平衡系統設計合理，滿足機床運行要求。該套閉環平衡系統在TOM-HV1060門式五軸高速精密加工中心上使用后取得了較好的效果，大大地提高了平衡油缸活塞和機床垂直軸運動的同步性，保證了垂直軸高速運動平穩性，避免了垂直軸在高速運動和頻繁換向時平衡裝置帶來的沖擊和振動，改善了伺服電動機和傳動件的工況，為機床實現高速、高精加工提供了一定的保障。

表1Z軸伺服負載數據記錄表

工況負載表數據備注高速空載上行11%下行9%G00(30m/min)穩態下檢測記錄5次平均值工作載荷上行23%下行21%G01(精加工)穩態下檢測記錄5次平均值頻繁換向上行16%下行14%5次平均值

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Design of closed loop balance system for vertical axis of high speed five axis machining center

CHANG Xiaobing①，TANG Jiarong①，LAI Lixun②

(①Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, CHN; ②Changzhou Chuangsheng Te'er CNC Equipment Co.,Ltd., Changzhou 213164, CHN)

The TOM-HV1060 portal five axis high speed precision machining center vertical axis balance system as an example, introduces the vertical axis closed-loop balance system, improved the high speed and high precision machine tool vertical axis motion stability and fast response.

vertical axis; closed loop balance system; design; high speed and high precision

TH17

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.012

萇曉兵，男，1971年生，碩士研究生，副教授，高級工程師，主要研究方向為數控技術、機械設計。

?揚) (

2016-05-10)

160917