镗铣床主轴箱重心补偿系统的设计与分析

李 勇，钱凤来

1.沈阳机床股份有限公司中捷钻镗床厂，辽宁 沈阳 110141 2.沈阳机床股份有限公司中捷机床，辽宁 沈阳 110141

数控落地镗铣床是一种性能优良、工艺范围广泛、生产效率高的先进数控加工设备。特别是大型数控落地镗床在现代工业生产中甚至可以完全可取代龙门刨床以及老式的落地镗床。尽管数控落地镗铣床在现代工业中应用广泛，但是一些老的数控落地镗铣床的结构设计却很少得到改良，使得数控落地镗铣床在现代工业的高精度生产中暴露出很多问题，特别是在加工过程中，数控落地镗铣床的铣镗轴、滑枕从伸出量较长而且距离主轴箱较远，而且还要受到安装在滑枕前端的各种附件的影响，在这种情况下滑枕进行伸出动作，在产生位移时，由于主轴的工艺系统要求等因素，使得主轴在加工过程中刚性较差，主轴箱重心容易产生偏移，从而导致实际重心值与理论要求偏差过大，造成加工精度降低。因此有必要改良主轴箱重心补偿系统结构，使数控落地镗铣床在加工作业时，全面补偿主轴箱的重心偏差，解决工件的加工精度得不到保障的问题。

1 数控落地镗铣床主轴箱系统平衡分析

数控落地镗铣床加工工艺系统组成结构中，主轴箱是重要动力和传动模块，主轴箱动作时主要通过前补偿绳和后平衡绳配合导绳轮和平衡锤维持平衡。这种工艺系统在理想条件下并且重心稳定没有偏差的情况下，主轴箱的主轴回转轴线在加工作业动作时的相对空间的位置应该是稳定不变的。但是实际情况中，在加工工件特别是对工件做强力切削时，主轴箱的重心由于滑枕伸出位移和安装在滑枕前端各种附件等因素的共同影响下使得主轴箱重心不稳定，容易产生偏移，从而严重影响了机床加工精度以及产品质量。是因为工作过程中存在以上不利因素，在硬件改良方面，方滑枕尽量采取纵向大截面结构，以提高方滑枕的纵向刚度；在系统改良方面更需要设计出一种力敏、转矩、新平衡点的主轴箱重心补偿系统让数控落地镗铣床加工精度进一步提高。

2 重心补偿方法及其结构

具体新设计的重心补偿系统的主要结构是：在主轴箱上部，安装“重心悬挂点”和“补偿悬挂点”，应用电桥测力电路，以及通过结合伺服电机蜗轮箱平衡机构。其中伺服电机蜗轮箱平衡机构主要是由“前平衡补偿拉杆”、“U型拉板”、“拉杆”和 “精密双齿轮齿条”、“电机”、“随动电位器”以及“偏移补偿伺服电动机”和“力敏应变电阻器”等部件组成，它和电桥测力补偿电路一起完成重心补偿工作。其中的具体工艺要求为：采用交流伺服电机驱动各坐标移动。在X轴向上，采用双齿轮箱齿条驱动技术，为了使整个系统传动刚性好，因此整个进给结构在滑座体中，而且，双齿轮箱齿条驱动技术可以有效消除间隙，方便调整，避免滚珠丝杠的丝杠刚性不足等问题，可以显著增强机床X轴向驱动力，通过数控系统的同步控制，使X轴正、反向的无间隙传动得以实现。在Y轴向上，驱动采用双电机搭配双丝杠驱动。数控落地镗铣床的Z、W坐标驱动方式采用高刚性预压滚珠丝杠驱动。W轴向导轨的辅助导轨采用线性导轨，并在线性导轨上加装测量装置，对镗、轴等的作业实现了全闭环控制。X、Y（Y向为双光栅尺）、Z向采用光删尺，实现数控落地镗铣床工作的全闭环控制，使机床的定位精度得到了有效的提高。机床主轴箱（拖板）上装有大截面数控方滑枕，使刚性得到进一步提高，为解决较深孔面加工，可以将数控镗铣轴安装在方滑枕内。

该重心补偿机构的主要工作原理以及工作流程是，当滑枕伸出到一定长度或有附件安装在方滑枕前端方时，主轴箱受重力影响重心自然前移，数控落地镗铣床主轴箱重心因此出现偏差，并在滑枕前端产生方向向下的偏载力矩，偏载力经由主轴箱上的蜗轮箱作用于“U型拉板”上， “力敏应变电阻器” 随即受到附加拉力变化，阻值同时产生变化。由于“力敏应变电阻器” 阻值发生了变化，造成检测电桥失去平衡，产生并输出偏差信号，偏差信号经放大器进行放大后，生成“偏差校正伺服电动机”的驱动信号，“偏差校正伺服电动机”得电运转。“蜗轮箱”及“拉杆”和“精密双齿轮齿条”受转动力矩影响并对“前平衡补偿钢绳”产生作用，在主轴箱的前端产生方向向上的拉力，拉力使得主轴箱的重心偏移得到补偿，随着“偏差校正伺服电动机”动作“电机随动电位器”也同时产生变化使“检测电桥”重新建立了平衡点。之后由于“检测电桥”平衡，因此偏差补偿伺服电机同时失电并停止转动，此刻主轴箱的位移已经运动到了新的补偿位置，主轴箱重心补偿产生作用，并终止整个重心补偿过程。由于对主轴箱重心偏移进行自动跟踪，并在主轴箱重心发生偏移时及时进行补偿，满足了数控落地镗铣床时，在滑枕伸出过长以及滑枕前端安装附件的情况下工作时，主轴箱重心偏差补偿的补偿需求，防止了主轴出现了低头情况，而主轴箱在结构上采取整体包容式结构，方滑枕包容在主轴箱内，进一步提高了方滑枕的整体刚度，有利于机床作强力切削。因此有效的提高了加工精度和耐用性并使数控落地镗铣床的误差明显减小。

3 结论

新设计的数控落地镗铣床滑枕重心补偿系统，结构简单、触发灵敏、精确实用，适合应用于大型落地铣镗床的生产中，该系统的设计实现自动跟踪主轴箱重心偏移并实时进行补偿。具有实时性强，反应灵敏、补偿快速准确，动作稳定连续。该数控落地镗铣床滑枕重心补偿系统在实际工作应用时，可以快速调试设备，提高工作效率。并且在机床实际加工时，有效的控制了由于主轴箱的重心产生偏差，从而导致的主轴回转精度降低产生的误差，使数控落地镗铣床的加工精度得到很大的改善，提高了产品的品质，使工艺精度在产品的实际生产加工时得到了保障。

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