重型数控落地铣镗床方滑枕移动精度补偿系统研究

丁岩，王海军

（齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司 技术中心设计研究院，黑龙江 齐齐哈尔 161005）

0 引言

随着国防、能源、航空航天等国家重点制造业的发展，对重型数控落地铣镗床的加工精度提出了越来越高的要求。对于重型数控落地铣镗床而言，方滑枕在主轴箱方孔沿导轨水平移动的的直线度是保证机床加工精度的重要技术指标之一。然而，方滑枕在加工过程中的移动会使整个主轴箱力系重心位移，从而导致主轴箱产生不同程度的倾斜，以及悬伸部位的自重引起悬伸部位的应力发生变化，在方滑枕的上部产生较大的拉应力使方滑枕产生弯曲变形，该变形随伸出的距离而变化。此现象严重影响机床的加工精度。为了消除方滑枕重心位置变化对数控铣镗床方滑枕水平移动直线度的影响，需要建立数控铣镗床方滑枕精度补偿系统。数控铣镗床方滑枕精度补偿系统的成功研制可大大提高数控铣镗床的加工精度，极大提高企业的竞争能力。

1 方滑枕精度补偿系统结构组成

重型数控落地铣镗床方滑枕补偿系统主要由方滑枕、主轴箱、方滑枕静压导轨、导绳滑轮、前、后平衡钢丝绳、立柱、平衡锤、主轴箱平衡补偿油缸、方滑枕内应力补偿油缸、拉杆、电液比例减压阀液压系统等主要部件组成，如图1 所示。

方滑枕在主轴箱方孔沿静压导轨水平移动，主轴箱平衡补偿油缸、方滑枕内应力补偿油缸分别安装在主轴箱和滑枕内部（如图1 所示位置），主轴箱通过前、后平衡钢丝绳与立柱腔内的平衡锤连接。液压系统通过电液比例减压阀为主轴箱平衡补偿油缸、方滑枕内应力补偿油缸及方滑枕静压补偿油腔提供非线性可变油压。从而实现对方滑枕移动直线度精度的补偿。

图1 滑枕精度补偿示意图

方滑枕精度补偿系统采用数字式电液比例减压阀控制液压系统的压力变化，实现非线性补偿，可对方滑枕任意移动进行位置补偿。

方滑枕精度补偿主要包括主轴箱系统力系平衡变化补偿、方滑枕内应力变化补偿、方滑枕静压补偿等三项。

2 方滑枕精度补偿

2.1 主轴箱系统力系平衡变化补偿

主轴箱的重力系统由主轴箱、方滑枕等部件的重力所组成。4 根通过立柱顶部的定滑轮组的钢丝绳的两端分别联结主轴箱和立柱内的平衡锤，使整体重力被平衡锤平衡。这样可使驱动主轴箱上下运动所需的力基本相等。

当方滑枕向外伸出时，整个主轴箱系统的重心发生变化，重心向方滑枕移动方向平移，与原力系比较，增加了一个随方滑枕伸出而变大的力矩。为了平衡这个扭矩，用1 根补偿用的钢丝绳通过定滑轮组将装在主轴箱前端上方的液压油缸的活塞与装在重锤上的钢丝绳座联结起来。当平衡钢丝绳张紧时，会将主轴箱的前方向上拉，形成一个与主轴箱重心移动产生的力矩方向相反的力矩，这样就使主轴箱力系达到了新的平衡。液压油缸内的油压控制平衡钢丝绳的张紧力。而比例减压阀控制油压，油压随方滑枕的伸出距离而变化。这使平衡钢丝绳的拉力随油压的变化而变化。随时平衡因方滑枕移动而产生的扭矩。

2.2 方滑枕内应力变化补偿

当方滑枕伸出时，除了会使整个主轴箱力系重心位移外，悬伸部位的自重引起悬伸部位的应力发生变化，在方滑枕的上部产生较大的拉应力，并随伸出的距离而变化。

在方滑枕的上部纵向装有2 条拉杆，拉杆的一端固定在方滑枕的前端，拉杆的后端经油缸拉向滑枕后端面。当滑枕伸出时，随着滑枕移动，数字式伺服电液比例阀控制拉杆油缸的压力不断增加，所产生的压力平衡方滑枕内部的应力。

2.3 方滑枕静压补偿

随着方滑枕沿着方滑枕静压导轨伸出，滑枕部件的重心将向外移动，使限制滑枕的静压油膜厚度改变。滑枕前部下方和后部上方的静压油膜将变薄，使滑枕倾斜。为了解决这一问题，主轴箱前下方的两侧导轨板和后上方的两侧滑枕镶条上还配有静压补偿油腔。由比例减压阀控制油腔的压力，使油腔压力随方滑枕的位置变化而变化，起到对静压油膜补偿的作用。

3 结语

目前重型数控落地铣镗床滑枕移动精度补偿系统已广泛用于镗轴直径130～260mm、进给速度6000～15000mm/min全部系列的重型数控落地铣镗床中。此系统的成功研制和应用，使重型数控落地铣镗床水平移动直线度由原来的0.2 mm/1 000 mm 减小到0.02 mm/1 000 mm，甚至更小。目前采用该装置的重型数控落地铣镗床已实现产业化，广泛用于国防军工、航空航天、机械、能源、船舶、核电等行业复杂、异形件的加工中。