利用垂度补偿提高数控落地镗滑枕加工精度

俞志锋 江 懿 刘 红

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

某机床厂生产的TK6920B数控落地镗在我公司一直承担着繁重的加工任务，由于常年高负荷运转，近年来操作人员反映设备滑枕精度下降严重。每次通过精度调整能达到使用要求，使用一段时间后精度又不能满足加工要求。此种现象越来越明显，已无法通过机械调整达到工艺要求。设备制造厂技术人员到现场诊断，判定为机械硬件磨损，需将设备床头箱整体返厂维修，周期3个月以上。由于公司生产任务繁重，且考虑到费用问题，最终决定自主维修。

1 故障现象及控制原理分析

1.1 故障现象

先利用专业检测量具(方尺、平尺)对滑枕精度进行检测，发现滑枕全长1200 mm仰头0.23 mm。随后机械员与维修人员一起对滑枕结构进行分析，TK6920B数控落地镗滑枕挠度补偿控制机构与国内其他机床厂家补偿控制机构原理有区别，大多数机床厂的落地镗滑枕挠度补偿为液压缸式补偿机构，见图1所示。液压缸位于床头箱前段，利用液压比例阀控制液压缸的升降，拉动床头箱上扬或下降，从而保证滑枕运行轨迹的直线度，达到保证滑枕几何夹角精度的目的。但某厂生产的B系列数控落地镗滑枕挠度补偿机构利用了较为先进的控制方式，用了两套补偿装置，分别为滑枕自重挠度平衡补偿和拉杆液压补偿两部分，见图2。

图1 传统的滑枕挠度液压缸补偿原理简图

1—滚动体 2—自重挠度平衡补偿机构 3—拉杆 4—锁紧螺母 5—拉杆液压挠度补偿机构 6—补偿油缸 7—补偿滚动体运行导轨

1.2 补偿原理

滑枕自重挠度平衡补偿的原理为：在滑枕中心位置设置两支撑油缸，油缸外安装有两个直线滚动块，支撑滑枕把合在主轴箱箱体内的导轨上运行，根据计算，导轨预加工成有挠度的现状，保证滑枕在移动时的下挠度符合设计要求。

拉杆液压挠度补偿的原理为：在滑枕上部设置两根预计拉杆，在拉杆后部安装有两个增压油缸，用来增强滑枕的抗下挠能力，并可根据滑枕的负载变化实现编程控制拉杆预紧力。

2 故障分析及检查

了解该设备的故障现象及控制原理后，便可有针对性的对故障点进行排查。首先对拉杆液压挠度补偿进行排查，通过对两个增压油缸压力的测量，对照设计要求值，排除了该机构故障的可能性。

从检测数据来看，滑枕伸出过程中其运动轨迹整体上扬。一般，镗床的滑枕或镗杆在伸出时，由于滑枕或镗杆的自身重力，常规情况下滑枕或镗杆都是下垂趋势。但从对该设备的监测数据来看却是上扬，极有可能是由于滑枕自重挠度补偿机构的两个支撑油缸或滚动块出现故障，导致自重补偿支撑机构失效，由于滑枕重心偏移后，使滑枕整体上翘。通过对机床床头箱结构分析，要检查验证上述判断，必须将滑枕脱出。经逐步拆解，滑枕抽出，发现滑枕自重挠度补偿机构的支撑滚动体损坏，见图3，支撑导轨拉伤。重新更换滚动体，将损坏的导轨上磨床进行修磨，回装后按机床使用说明书要求重新调整各项参数至合适值，再对滑枕精度复查，发现滑枕伸出全长精度达不到出厂要求，且差值呈非线性。经综合分析，根本原因是支撑导轨经磨损导致出厂时加工成的挠度形状被破坏，致使滑枕运动的挠度达不到设计要求。

图3 损坏的滚动快

3 故障的解决

为提高滑枕的加工精度，节约时间成本，经研究，可利用840D数控系统的垂度补偿功能解决滑枕伸出精度超差问题。

3.1 垂度补偿原理简介

某些数控机床一个或两个坐标轴在伸出时，一头处于悬空状态，这样由于坐标轴自身重力会产生下垂现象。例如镗床的滑枕或镗杆在伸出时，由于滑枕或镗杆的自身重力，使滑枕或镗杆产生一定的下垂，影响到机床的加工精度。垂度是指坐标轴由于部件的自重而引起的弯曲变形，如图4所示。

图4 垂度产生示意图

Z轴向外运动得越远，Z轴横臂弯曲越大，越能影响到Y轴负方向的坐标值，利用系统垂度补偿功能，补偿坐标轴下垂引起的位置误差，当Z轴执行移动命令时，系统会在一个插补周期内计算出Y轴相应的补偿值，通过Y轴运动，保证Z轴的水平度，从而保证Z轴的加工精度。垂度补偿与螺距补偿不同，螺距补偿是对单个轴进行补偿的，坐标轴之间的补偿是相对独立的，而垂度补偿则不一样，它是坐标之间的补偿，通过某一坐标轴的运动，来补偿受垂度影响的坐标轴。通常把受重力影响产生形变的坐标轴叫做基础轴，如图4的Z轴；受影响的坐标轴叫做补偿轴，如图4的Y轴。把一个基础轴与一个坐标轴定义成一种补偿关系，基础轴作为输入，由此决定补偿点，补偿轴作为输出，计算得到补偿值，加到该轴的位置调节器中。具有两个以上坐标轴的数控机床，由于一个坐标轴的垂度可能影响到其他几个坐标轴，需要建立几个补偿关系。基础轴与补偿轴之间的补偿关系称为垂度补偿表，由系统规定的变量组成，以补偿文件的形式存入内存中。

3.2 垂度补偿表的编制

3.2.1 为了编制垂度补偿表，应采取如下步骤：

首先应当定义作为输入的基础轴和作为输出的补偿轴，其次确定基础轴的坐标补偿范围，即补偿的起始点和终点，而后确定两补偿点之间的距离，以便计算补偿点数，理论上补偿距离越短越好，但所需的补偿点就越多，占用大量的系统内存，实际应用中根据需要而定。此次应用中，为的是解决滑枕的低头问题，基础轴为W轴，输出轴为Y轴，补偿间距根据实际测量的结果，最后确定为100 mm。

3.2.2 垂度补偿表主要包含下列系统变量：

①＄ AN-CEC-STEP[t]：在补偿表t中，两个相邻补偿表之间的距离。

②＄ AN-CEC-MIN[t]：在补偿表t中，基础轴补偿点的起始位置。

③＄ AN-CEC-MAX[t]：在补偿表t中，基础轴补偿点的结束位置。

④＄ AN-CEC[t，N]：在补偿表t中，基础轴补偿点N对应补偿轴的补偿值。

⑤＄ AN-CEC-INPUT-AXIS[t]：定义垂度补偿的基础轴，作为补偿值的输入。

⑥＄ AN-CEC- OUTPUT-AXIS[t]：定义需要补偿的补偿轴，作为补偿值的输出。

⑦＄ AN-CEC-DIRECTION[t]：基础轴的补偿方向，0为基础轴在两个方向运动补偿都有效，1为仅在基础轴正方向运动补偿有效，-1为在基础轴负方向运动有效。

⑧＄ AN-CEC-IS-MODULO[t]：带模补偿功能。0表示无模补功能，1表示激活模补功能。

3.2.3 垂度补偿功能在TK6920B的具体应用

通过用百分表检查发现滑枕全长伸出1200 mm，低头0.06 mm，达不到产品加工要求。为此，采用垂度补偿的功能完善设备精度，具体操作步骤如下：

第一步：找到系统中的垂度补偿表

在Nc-Active-Data菜单下直接复制“EEC_DATA”到一个新建立的备份文档目录*.MDN中。

第二步：打表采样低头数据

本机床滑枕的最大运动距离为1200 mm，其零点设在了最外端，为了打表读取数据方便，打表从滑枕坐标值为1200 mm开始，滑枕每走100 mm读取下垂数据，测到的数据见表1。

表1 滑枕下垂数据

第三步：根据上述数据建立补偿表

新建立的备份文档目录*.MDN中将垂度补偿表格打开，将上表中得到的补偿值输入到补偿表的对应补偿点中，得到的垂度补偿表如下：

＄ AN-CEC[28，0]=0.02；W位置坐标为0 mm时的Y轴补偿值

＄ AN-CEC[28，1]=0.06；W位置坐标为100 mm时Y轴补偿值

＄ AN-CEC[28，2]=0.06；W位置坐标为200 mm时Y轴补偿值

＄ AN-CEC[28，3]=0.05；W位置坐标为300 mm时Y轴补偿值

＄ AN-CEC[28，4]=0.04；W位置坐标为400 mm时Y轴补偿值

＄ AN-CEC[28，5]=0.05；W位置坐标为500 mm时Y轴补偿值

＄ AN-CEC[28，6]=0.03；W位置坐标为600 mm时Y轴补偿值

＄ AN-CEC[28，7]=0.03；W位置坐标为700 mm时Y轴补偿值

＄ AN-CEC[28，8]=0.02；W位置坐标为800 mm时Y轴补偿值

＄ AN-CEC[28，8]=-0.01；W位置坐标为900 mm时Y轴补偿值

＄ AN-CEC[28，10]=0.02；W位置坐标为1000 mm时Y轴补偿值

＄ AN-CEC[28，11]=0.01；W位置坐标为1100 mm时Y轴补偿值

＄ AN-CEC[28，12]=0；W位置坐标为1200 mm时Y轴补偿值

＄ AN-CEC-INPUT-AXIS[28]=AXIS6；基础轴为W轴

＄ AN-CEC-OUTPUT-AXIS[28]=AXIS2；补偿轴为Y轴

＄ AN-CEC-STEP[28]=100；补偿间距为100 mm

＄ AN-CEC-MIN[28]=0；补偿起始位置为0

＄ AN-CEC-MAX[28]=1200；补偿终点位置为1200 mm

＄ AN-CEC-DIRECTION[28]=0；W轴正负方向运动补偿都有效

＄ AN-CEC-IS-MODULO[28]=0；模功能无效。

第四步：运行补偿表

将做好的补偿表装入NC中使其生效，为使补偿生效，需满足以下条件：

①插补补偿已经使用；

②激活垂度补偿功能，即MD32710=1；

③补偿值已装入NC中。

将上述参数设好后，打表检查滑枕Y轴与W轴的垂直精度，效果很好，全长1200 mm误差在0.02 μm以内，能很好满足加工精度要求。

4 结语

以工作中的维修实例简述了840D数控系统垂度补偿功能在提高机床几何精度方面的应用，随着公司产品质量的升级，今后对机床的精度要求越来越高，利用数控系统自带的垂度补偿是一种方便快捷、经济适用的解决机床几何精度的方法。将此类补偿方法熟练地运用后，可以较好地提高机床精度状况，满足产品加工需求。目前，840D系统在国内数控机床的应用上占有较大的市场份额，该方法具有较好的参考性及推广价值。