高速五轴加工中心垂直轴闭环平衡系统设计

苌晓兵 汤家荣 赖立迅

(①常州机电职业技术学院，江苏 常州 213164；②常州创胜特尔数控机床设备有限公司，江苏 常州 213164)

高速五轴加工中心垂直轴闭环平衡系统设计

苌晓兵①汤家荣①赖立迅②

(①常州机电职业技术学院，江苏 常州 213164；②常州创胜特尔数控机床设备有限公司，江苏 常州 213164)

以TOM-HV1060门式五轴高速精密加工中心垂直轴平衡系统为例，介绍了一种垂直轴闭环平衡系统，提高了高速高精机床垂直轴运动平稳性和快速响应性。

垂直轴；闭环平衡系统；设计；高速高精

在数控机床设计制造时，大中型数控机床垂直轴均需配备平衡装置，以消除垂直运动部件自重对垂直轴运动平稳性和响应性的影响，提高加工精度，同时减少传动部件磨损，并降低伺服电动机的工作电流，优化电动机选型。目前机床上常用的垂直轴平衡装置主要有以下几种：

(1)重锤平衡装置 采用重锤通过链条链轮结构或钢丝绳滑轮结构来平衡垂直运动部件自重。这种装置体积较大，为非刚性连接，只适用于垂直运动部件自重不大、垂直轴速度和加速度不高的中小型机床。

(2)选用大扭矩伺服电动机 垂直轴上不配备平衡装置，在伺服电动机选型时需额外选大伺服电动机扭矩，依靠伺服电动机过剩的扭矩来承担垂直运动部件自重，这是以增大伺服电动机扭矩为代价，而且滚珠丝杠等传动部件易磨损，只适用于小型、轻型机床。

(3)气瓶式或平衡阀式平衡系统 采用气瓶式或平衡阀式液压平衡系统，由于现行的这类液压平衡系统尚不能很好地解决快速响应和同步的问题，高速运行或速度变换频率较高时，易出现活塞杆与垂直轴运行不同步的情况，使得垂直轴运动部件强行拉着或推着活塞杆运行，造成液压冲击或抖动，影响垂直轴的运动平稳性和快速响应性。

面对现代数控机床高速高精的要求，上述垂直轴平衡方案均不能很好地满足现代高速高精机床的要求。TOM-HV1060门式五轴高速精密加工中心采用目前世界先进的FANUC 31I-B5数控系统，是一款具有B、C轴的五轴联动加工中心，配有光栅尺和圆光栅的五轴全闭环控制，主轴最高转速18 000 r/min，G00速度30 m/min，进给速度可达15 m/min，加速度0.5g，对机床垂直轴运动平稳性和快速响应性有很高的要求。针对该机床高速高精的特点，我们设计了一种垂直轴闭环平衡系统，以满足其垂直轴运动平稳性和快速响应性的要求。

1 闭环平衡系统设计

1.1 液压系统设计

针对TOM-HV1060五轴机床高速高精的性能要求，本文设计了图1所示的闭环平衡液压系统。为了保证平衡压力的平稳性，设计时改变了常用的通过外部溢流阀调定压力的方式，直接选用了恒压变量泵作为动力源。为了保证活塞运动的快速响应性，设计时采用高频伺服比例方向阀(见图2)和蓄能器、补液筒相结合的方案。Z轴正向(上行)运动时，伺服比例阀根据接收到的0～+10 V的指令信号精确控制流量，保持活塞运动与Z轴运动的同步性。蓄能器负责Z轴正向高速运行时保证充足的压力油持续注入平衡油缸下腔。Z轴负向(下行)运动时，伺服比例阀根据接收到的0～-10 V的指令信号精确控制流量，保持活塞运动与Z轴运动的同步性。补液筒负责将油液快速注入平衡油缸上腔，确保上腔充满油液，提高活塞运动的平稳性。

1.2 指令信号系统设计

液压系统中伺服比例换向阀的阀芯移动量和移动方向决定了平衡油缸活塞移动的速度和方向，而液压系统的关键技术之一就是能够保证平衡油缸活塞移动的速度和方向与Z轴运动速度和方向同步。由伺服比例阀闭环位置反馈放大器框图(见图3)可知，阀芯动作完全由5脚和6脚输入的0～±10 V指令信号控制，并经阀芯位移传感器实时反馈形成闭环控制，精确保证阀芯运动状态和指令信号要求的一致性。因此，指令信号实质上就是Z轴的速度和方向信号，指令信号系统的任务就是向数字放大器正确提供指令电压。

我们在数控系统I/O模块基本模块之后增加一模拟量扩展模块，通过I/O Link总线将主控器、基本模块和扩展模块之间联通，形成数据通道(见图4)。Z轴的速度和方向信号在CNC内经过PMC程序处理后，经过数据通道从CNC传送到ADA02A模拟量扩展模块，再由扩展模块产生0～±10 V DC电压送给伺服比例阀放大器作为指令信号输入控制阀芯运动。

1.3 PMC程序设计

我们充分利用PMC功能指令进行程序设计，使得控制程序简洁明了，且修改便捷，调试方便。首先，我们以子程序的方式进行编程，子程序号为P0106。通过SUB51窗口读指令中的17号功能代码将1420号参数中存储的Z轴G00速度值读入(见图5a)。接着通过SUB51窗口读指令中的91号功能代码实时将Z轴实际速度值读入(见图5b)。最后将±4095分别存储在D0600～D0603和D0604～D0607中，根据F0106.2=0或F0106.2=1判断Z轴为正向或负向运动后(见图5c)，将实际速度值除于G00速度值后的商去乘以4095或-4095，将乘积送入模拟量模块的地址中(本机床中模拟量模块输出地址分配为R500～R503)，再由模拟量模块负责输出。

2 结语

最后本文对平衡系统进行了现场测试，测试高速空载(G00指令运行)上下行，工作载荷(G01指令运行)上下行，频繁换向3种工况下Z轴运行负载情况：首先将显示监控画面参数No.3111#5设为1，依次按下POS功能键、扩展软键和监控软键，进入图6所示监控画面。然后按上述3种工况进行Z轴运行，观察伺服负载表，并记录Z轴负载情况，取5次检测数据平均值记入表1。

由表1可知，同工况下上下行负载数据较为接近，说明平衡系统设计合理，满足机床运行要求。该套闭环平衡系统在TOM-HV1060门式五轴高速精密加工中心上使用后取得了较好的效果，大大地提高了平衡油缸活塞和机床垂直轴运动的同步性，保证了垂直轴高速运动平稳性，避免了垂直轴在高速运动和频繁换向时平衡装置带来的冲击和振动，改善了伺服电动机和传动件的工况，为机床实现高速、高精加工提供了一定的保障。

表1Z轴伺服负载数据记录表

工况负载表数据备注高速空载上行11%下行9%G00(30m/min)稳态下检测记录5次平均值工作载荷上行23%下行21%G01(精加工)稳态下检测记录5次平均值频繁换向上行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

苌晓兵，男，1971年生，硕士研究生，副教授，高级工程师，主要研究方向为数控技术、机械设计。

�扬) (

2016-05-10)

160917