机床计量垫铁的研究

胡万良 杨奇俊 张云华

（陕西秦川机械发展股份有限公司，陕西宝鸡721009）

近几年，大、重型精密机床越来越多，这些机床对基础的平稳性、隔振性要求越来越高，没有稳定的机床基础，无法调整机床精度，即使调整后也会反复变化。

机床装配、调试及加工使用时安装在机床垫铁上，垫铁作为机床安装的垫块，用于调整机床的安装水平，保证机床基础的稳定、可靠。

传统的机床垫铁有减振垫铁、调整垫铁、三层垫铁、阶梯垫铁，等高垫铁等。

一台机床一般有几个到几十个垫铁，我们知道，三点决定一个平面，多于3个以上的垫铁，属于过定位支撑，这些垫铁垫到机床下面，很难调整到支撑力适当。垫铁支撑力调整得太小，起不到支撑作用;支撑力调整得太大，会抬高机床，在支撑平面上形成一个高点，使旁边的垫铁失去作用，时间长了，会造成床身变形。

另外，随着机床加工及机床运动部件移动引起的机床重心变化和振动，造成机床垫铁支撑的松动，会进一步影响机床的稳定性和精度，由于无法检测支撑力的变化，因此，每个垫铁支撑是否合适不得而知，长期工作，不但影响机床的精度和稳定性，而且会影响机床的使用寿命。因此，对于大、重型精密机床，迫切需要可以检测支撑力的智能计量垫铁。

1 常用垫铁结构简介

机床常用的垫铁为调整垫铁，如图1所示，使用时垫铁垫于机床床身下面，并用地脚螺栓固定。垫铁一般由垫铁座、下垫块、上垫块、螺栓等零件组成，下垫块置于垫铁座上，调整螺栓与下垫块连接，上垫块的下面为斜面，与下垫块的上面（斜面）相配，通过螺栓调整下垫块，可调整上垫块的高度。

机床放置在上垫块上，使用时根据机床重量及外形尺寸在机床底座下均匀放置不同数量的垫铁。图1所示的垫铁只能调整高度，垫铁垫在床身下面后，垫铁是否垫实、是否稳定可靠不得而知。一台机床有许多垫铁，如果垫得不均匀，有些垫得实、有些垫得不实，放置一段时间后会引起机床变形，引起机床振动，进而导致精度降低等。因此，垫铁对于保证机床的精度、保证机床工作的可靠性和稳定性具有十分重要的作用。

2 智能计量垫铁原理及结构设计

为了即时、方便及准确地测量和显示垫铁支撑力，同时保证垫铁长期在潮湿、温差较大及振动等环境条件下的可靠性及稳定性，参考称重量仪原理，在调整垫铁的基础上，增加压力传感器和外接式压力测试仪，使垫铁具备智能测量和数据采集显示功能，实现机床基础稳定性、可靠性数字化分析处理。

机床计量垫铁结构（如图2所示）由机械部分、电器部分和测量接口等共7个零件组成，高度调整斜铁放置在垫铁座的上斜面，调整螺栓与调整斜铁连接，调整螺栓的头部卡在垫铁座的端面，垫块座、下垫块和上垫块依次放置在斜铁的上平面上，转动调整螺栓，移动调整斜铁的水平位置，可调整上垫块的高度。

上、下垫块之间为圆弧形状，可自动调整上垫块的水平。在下垫块下面的空腔处，贴有4块压力传感器，垫铁垫到机床下面后，压力传感器测出垫铁受力，再通过外接显示仪读出。压力传感器用导线与外接显示仪插座相连，取下垫铁接口防护盖，插上外接显示器，可读出垫铁的压力数值。

计量垫铁与现有技术相比具有的优点和效果:与传统机床垫铁相比，计量垫铁属于计量型智能垫铁，可以测量及显示垫铁本身承受的压力大小，为调试、安装机床提供可靠的技术数据，根据受力情况，可分析机床基础是否稳定、可靠，对提高稳定性、抗振性、保证机床的加工精度和效率具有十分重要的作用。

计量垫铁解决了以下技术问题:（1）解决了垫铁安装和调试机床盲目性、随意性的问题，可精确调整、测量各点的受力情况;（2）可一次测量机床的重量;（3）可测量机床的重心位置，防止机床偏置，保证机床安装的稳定、可靠;（4）机床放置一段时间后，重新测量垫铁的受力，与开始安装时的受力数值比较，可分析机床基础是否变化。

该计量垫铁已获国家发明专利，专利号:ZL 2009 1 0024358.7。

3 计量垫铁试验验证

计量垫铁理论分析及原理应该没问题，但能否用于生产实际，检测精度能否满足要求，还需要进行试验验证。试验分3部分:

3.1 检测计量垫铁的计量精度

试验方法:向计量垫铁分别施加50 kg、100 kg、500 kg、1 000 kg的标准重块载荷，用显示仪读出计量垫铁计量的载荷，分别测量10次，计算10次平均计量载荷与实际载荷的差值，测定计量垫铁测量精度。

经过检测试验，证明计量垫铁的计量精度可以达到97.85%，即计量垫铁检测的载荷与实际载荷误差小于2.15%，100 kg的载荷时用计量垫铁检测显示载荷范围在97.85～102.15 kg范围内。证明计量垫铁测量精度完全满足机床基础调整所需精度。

3.2 检测计量垫铁计量数据随时间变化的稳定性和可靠性

试验方法:取5个计量垫铁，分别按图3位置并编号垫在机床床身下，每隔一段时间记录一次计量数据，计算计量垫铁的计量数据随时间变化的稳定性和可靠性，分析影响计量数据的因素并提出计量垫铁改进建议。检测记录见表1。

按检测记录绘制分析曲线见图4～图9。

对表1记录数据进行分析，结果见表2。按表2分析显示:

表1 计量垫铁检测记录表

表2 记录数据分析表

（1）3组测量数据显示，在4月13－30日共18天时间内，计量垫铁计量的床身总重量最大相对误差为0.48%。说明计量垫铁计量的精度不会因时间改变，计量数据稳定、可靠。

（2）单个垫铁在同一组中（一周内）计量数据的最大偏差较小，如3号垫铁的最大偏差为1.88%（第1组）、1.46%（第2组）、2.46%（第 3组）;在总计量时间段内变化较大，1.83%（1号）、3.48%（2号）、2.69%（3号）、5.52%（4 号）、3.65%（5 号），说明时间越长，单个垫铁测量数据变化越大。结合床身的放置情况分析，该床身属于新铸件，随着放置时间的延长，床身内部应力变化造成床身的变形，是单个垫铁压力变化的主要原因。

（3）从表1显示，总计量时间段内，环境温度由13℃升为20℃，计量床身总的重量变化很小，说明温度对计量数据影响不大，可忽略。

3.3 其他试验工作

在以上试验的基础上，还进行了计量垫铁对保证机床基础稳定性、机床精度保持性作用的试验;通过计量垫铁计量，计算了机床重心等。

4 结语

试验证明，计量垫铁计量误差很小，在允许范围内，计量精度稳定、可靠。

采用计量垫铁，能精确、方便、快捷、精密地调整、定位机床，节省安装费用，缩短机床安装周期。另外，计量垫铁可测量机床安置或使用一段时间后基础是否变化，为分析机床的精度、稳定性等提供了方便的工具，也可精确测量机床的重心。

计量垫铁的推广使用，可提高大型精密机床基础精度和稳定性，有利于保证机床的工作精度。提高机床的使用寿命和工作效率，具有很大的经济效益和社会效益。

通过试验，也发现需要改进的地方，如测力仪电线接头与垫铁上的接口连接不方便;测力仪体积较大，功能单一等问题。这些问题，将在下一步工作中改进完善。