數(shù)控龍門深孔鉆床的設(shè)計(jì)分析

譚德寧 滕 云

(德隆集團(tuán)機(jī)床有限責(zé)任公司技術(shù)開發(fā)中心，山東德州253003)

數(shù)控龍門深孔鉆床是一種自主創(chuàng)新的專用機(jī)床，填補(bǔ)了國內(nèi)空白;這里對與龍門刨床相似的結(jié)構(gòu)不再闡述，主要進(jìn)行機(jī)床的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和數(shù)控系統(tǒng)分析。該專機(jī)適用于加工大型圓盤類零件，主要技術(shù)規(guī)格及參數(shù)如下:最大鉆孔直徑30 mm，最大鉆削深度500 mm;工作臺面尺寸2.5 m ×1.6 m，工作臺行程2.5 m，承重可達(dá)10 t的滑動貼塑導(dǎo)軌，為滾珠絲杠傳動;橫梁行程0.6 m，帶貼塑滑動導(dǎo)軌的立柱，立柱最大移動尺寸2 m，橫梁垂直運(yùn)動采用滾珠絲杠;橫梁上鉆削動力頭左右運(yùn)動為滾珠絲杠傳動。

1 數(shù)控龍門深孔鉆床總體要求

(1)試件為大連撫順煉油廠加工零件:換熱器管板孔的深孔鉆削。每件上有160個(gè)φ20 mm×350 mm的孔。如圖1所示。

(2)動梁龍門式、雙深孔鉆削動力裝置的數(shù)控機(jī)床。主機(jī)總體結(jié)構(gòu)與龍門刨床比較相似，見圖2。

(3)工作臺水平運(yùn)動(X向)，橫梁上下垂直運(yùn)動(Z向)，深孔鉆削動力頭裝置橫向運(yùn)動(Y向)，鉆桿箱垂直方向進(jìn)給運(yùn)動，對管板坐標(biāo)孔進(jìn)行加工。

(4)橫梁垂直運(yùn)動導(dǎo)軌采用帖塑滑動導(dǎo)軌。

(5)工作臺運(yùn)動，兩個(gè)深孔鉆削動力頭裝置橫向運(yùn)動，橫梁上下垂直運(yùn)動，鉆桿箱垂直進(jìn)給運(yùn)動均為交流伺服電動機(jī)驅(qū)動。

(6)集屑箱，收集鉆削后的切屑。

(7)數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)電合一，提高機(jī)床的內(nèi)部質(zhì)量。

2 提高鉆孔位置度的措施

該機(jī)床的外觀總體裝配圖如圖2所示。

深孔鉆削有這么一個(gè)特點(diǎn):孔的尺寸公差及表面粗糙度由深孔鉆刀具本身保證;孔的位置度與導(dǎo)向架、刀具有關(guān);各孔之間的孔距與機(jī)床的位置控制有關(guān)。將數(shù)控系統(tǒng)、直線導(dǎo)軌及其光柵，簡單地拼湊起來，并不能提高數(shù)控龍門深孔鉆床的工作精度，如何提高機(jī)床的內(nèi)在質(zhì)量是需要解決的首要問題。

從圖3的局部視圖可以看出:深孔鉆動力頭和橫梁雖然采取了平衡裝置，但鉆孔中心線與龍門立柱間的導(dǎo)軌面距離L太大，深孔鉆動力頭的重量達(dá)2 t左右，橫梁10 t左右，它們的重心與立柱垂直導(dǎo)軌形成一傾覆力矩，長期使用會使立柱與橫梁導(dǎo)軌結(jié)合面橫梁一側(cè)的下部磨損快，導(dǎo)致動力頭鉆桿軸心線即導(dǎo)向架上的導(dǎo)向套軸心線前后方向傾斜偏離垂直位置，以致影響鉆孔的位置度。這是需要解決的第一個(gè)問題。

從圖4的局部視圖可以看出:深孔鉆動力頭在Y軸方向上左右運(yùn)動，導(dǎo)致橫梁重心偏移變動，同樣會使導(dǎo)向架上的導(dǎo)向套軸心線左右方向偏離垂直位置，以致影響鉆孔的位置度。這是需要解決的第二個(gè)問題。

上述兩個(gè)問題是“數(shù)控龍門深孔鉆床”設(shè)計(jì)成功與失敗的關(guān)鍵。第一個(gè)問題是因?yàn)閮A覆力矩產(chǎn)生前后方向?qū)蛱孜恢枚绕睿梢圆捎梅聪蝾A(yù)傾斜的方法來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。總裝時(shí)測量出因傾覆力矩產(chǎn)生的傾斜量，將立柱與橫梁之間的橫梁拖板再卸下來，刮掉相應(yīng)的部分，上部比下部多刮一些(約0.03～0.05 mm)，使動力頭鉆桿軸心線相對于立柱導(dǎo)軌面略成抬頭狀。由于立柱與橫梁之間只有在安裝和拆卸工件時(shí)才相對運(yùn)動，所以立柱與橫梁導(dǎo)軌結(jié)合面下部磨損很慢，一般在三年左右精度也在允差之內(nèi)，提高了使用壽命。動力頭上的鉆桿箱導(dǎo)軌面磨損對精度影響很小。

第二個(gè)問題是因?yàn)橹匦囊苿赢a(chǎn)生的，可以采用“數(shù)控自動補(bǔ)償”的方法消除，提高內(nèi)孔的位置度。如圖5所示，運(yùn)用機(jī)電一體化的知識，可以在橫梁兩側(cè)分別安裝兩個(gè)光柵尺，作為位移傳感器分別測量橫梁兩側(cè)的位移，通過I/O接口輸入CPU;在Z軸方向上任取一點(diǎn)做為原點(diǎn)，由總裝檢具和檢棒將導(dǎo)向架上的導(dǎo)向套軸心線調(diào)整到垂直位置，此時(shí)記錄下左、右光柵尺的數(shù)值，Z左=a，Z右=b。當(dāng)橫梁上下移動，左、右兩側(cè)導(dǎo)軌位置不同步時(shí)(導(dǎo)向有間隙)，衡量重心產(chǎn)生變化，相對位移 ΔZ左=Z′左-a，ΔZ右=Z′右-b，如果ΔZ左＞ΔZ右，則產(chǎn)生控制信號進(jìn)行補(bǔ)償，在橫梁右側(cè)的伺服油缸壓力增大，由數(shù)控系統(tǒng)CPU通過I/O接口控制調(diào)節(jié)水平液壓缸作相應(yīng)的動作。如圖4所示，鋼絲繩2、3是平衡配重塊，在立柱里面，平衡橫梁和動力頭的重量(約14 t);鋼絲繩1、4與調(diào)節(jié)水平液壓缸相連，使橫梁左右兩側(cè)力量發(fā)生變化，產(chǎn)生重心偏移，實(shí)現(xiàn)橫梁的自動找回水平，當(dāng)達(dá)到ΔZ左=ΔZ右時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出控制信號，兩頭調(diào)節(jié)水平液壓缸系統(tǒng)壓力不再變化，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)數(shù)字控制;反之亦然。平衡后由橫梁后部的液壓缸將橫梁鎖定，使導(dǎo)向架上的導(dǎo)向套軸心線左右方向不再偏離垂直位置，保證鉆孔的正確位置度。

橫梁垂直進(jìn)給運(yùn)動用光柵閉環(huán)控制，能達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后三位，控制平衡確保鉆孔位置度。實(shí)際中的加工零件孔距精度保證在0.02 mm就足夠了，橫梁上動力頭水平移動和動力頭上鉆桿箱的進(jìn)給運(yùn)動用交流伺服電動機(jī)上的編碼器控制就能滿足，對孔的加工精度(尺寸公差、表面粗糙度、直線度)沒有影響。

3 鉆桿箱的液壓平衡

垂直運(yùn)動的部件，有三種方法實(shí)現(xiàn)自動平衡;一種方法是當(dāng)部件比較輕時(shí)，采用電動機(jī)上的制動器平衡;另一種方法是采用配重的機(jī)械方法;最后一種是采用液壓自動平衡的方法。從上面介紹可知，顯然，橫梁已經(jīng)采用了配重的機(jī)械方法平衡，空間已經(jīng)占去，鉆桿箱有垂直方向的進(jìn)給運(yùn)動，只能采取液壓缸平衡的方法消除重力下滑，難點(diǎn)就是滑輪的Y、Z兩軸的擺動，既不能脫開，又不能影響平衡，這就需要采用創(chuàng)造性思維，用一種新穎的滑輪結(jié)構(gòu)。如圖6所示，繩索可以采用鋼絲繩索、鏈輪繩索，由于鏈輪繩索中的鏈輪不好換向，在這里采用鋼絲繩索。

鋼絲繩套入轉(zhuǎn)輪深一些，確保鋼絲繩不脫出轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪1可以沿著軸承回轉(zhuǎn)，安放在后部;轉(zhuǎn)輪2可以沿著軸承回轉(zhuǎn)且沿著直線導(dǎo)軌運(yùn)動，兩個(gè)轉(zhuǎn)輪的組合確保了鋼絲繩既不會脫開轉(zhuǎn)輪，又不會影響平衡，滿足Y、Z兩軸的擺動。顯然，定滑輪上的鋼絲繩拉力是不變的，如圖7所示。T1=T2=T3=T4，拉力恒定，由液壓缸平衡深孔鉆動力頭上鉆桿箱的重量。該結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪可以滿足深孔鉆動力頭的左、右移動要求，達(dá)到正常工作的目的。

4 結(jié)語

通過對數(shù)控龍門深孔鉆床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)控系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)，提出了一種保證鉆孔精度的方法。總體設(shè)計(jì)中提出了雙光柵檢測，伺服液壓缸、液壓閥控制，鋼絲繩調(diào)整橫梁和動力頭的平衡，數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行差值比較，達(dá)到微量補(bǔ)償。加工精度與臥式深孔鉆床ZK2102相同，該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成功為深孔鉆床開辟了一種新型布局方式，對實(shí)際應(yīng)用提出了理論基礎(chǔ)，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 趙松年.機(jī)電一體化技術(shù)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

2 林其駿.機(jī)床數(shù)控系統(tǒng).北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，1990.