數(shù)控落地鏜銑床滑枕變形電氣補(bǔ)償系統(tǒng)簡析

尹建賢

摘 要：簡要總結(jié)傳統(tǒng)的液壓式滑枕補(bǔ)償方法及數(shù)控系統(tǒng)的垂度誤差補(bǔ)償功能，重點(diǎn)介紹一種新型的滑枕變形電氣補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)依托西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)械電氣相結(jié)合，為解決大型落地鏜銑床滑枕伸出后低頭變形的問題提供一種新的思路。

關(guān)鍵詞：落地鏜銑床；滑枕補(bǔ)償；電氣補(bǔ)償；西門子840D

在重力作用下，數(shù)控落地鏜銑床的滑枕Z軸伸出后會(huì)產(chǎn)生一定的彎曲變形，進(jìn)而影響到主軸箱Y軸方向坐標(biāo)位置的準(zhǔn)確性。滑枕伸出越長，變形就越明顯。滑枕垂度誤差就是指滑枕伸出后下垂和變形引起的位置誤差，又稱滑枕低頭誤差。因機(jī)床機(jī)械部件的制造偏差、裝配偏差以及彈性變形引起的誤差無法避免，需要通過方法來補(bǔ)償滑枕的低頭誤差，提高機(jī)床的加工精度。

1 常見液壓補(bǔ)償方法

目前數(shù)控落地鏜銑床多使用液壓方式補(bǔ)償滑枕垂度誤差。如在滑枕上部安裝兩條拉桿，一端與滑枕前端固定，另一端經(jīng)油缸與滑枕后端固定。滑枕伸出后電液比例閥控制油缸油壓逐漸增加，使拉桿拉力增大，補(bǔ)償滑枕的垂度誤差。或者在主軸箱的前下后上設(shè)置補(bǔ)償油腔，滑枕伸出后電液比例閥控制油腔壓力增加，補(bǔ)償滑枕的低頭變形。當(dāng)安裝不同附件時(shí)，補(bǔ)償油缸或油腔的壓力也不同。

還可在立柱上設(shè)置兩組鋼絲繩，一端均固定在平衡重錘上，另一端分別固定在主軸箱的前部和后部。后部鋼絲繩起承擔(dān)主軸箱重量的作用，前部鋼絲繩通過一個(gè)油缸連在主軸箱上。使用測力傳感器及電液比例閥等組成的電子液壓補(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償功能。滑枕伸出后前鋼絲繩下油缸的油壓逐漸增加，使鋼絲繩的拉力逐漸增大。拉力作用在主軸箱上，補(bǔ)償滑枕的低頭誤差。

以上幾種補(bǔ)償方式可以單獨(dú)應(yīng)用或者配合使用，應(yīng)用廣泛，但液壓補(bǔ)償系統(tǒng)受壓力波動(dòng)的影響較大，穩(wěn)定性不足，響應(yīng)速度較慢，經(jīng)濟(jì)性也一般。

2 數(shù)控系統(tǒng)的垂度誤差補(bǔ)償功能

除液壓補(bǔ)償方式，數(shù)控系統(tǒng)通常附帶垂度誤差補(bǔ)償功能。以西門子840D系統(tǒng)控制的落地鏜銑床為例，滑枕Z軸移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)計(jì)算Y軸上相應(yīng)的補(bǔ)償值。習(xí)慣將變形的Z軸稱為基礎(chǔ)軸，受影響的Y軸稱為補(bǔ)償軸。基礎(chǔ)軸作為輸入，決定補(bǔ)償點(diǎn)的位置，補(bǔ)償軸作為輸出，補(bǔ)償值加到它的位置調(diào)節(jié)器中。

首先確定基礎(chǔ)軸的補(bǔ)償范圍，即補(bǔ)償?shù)奈恢闷瘘c(diǎn)和終點(diǎn)以及兩補(bǔ)償點(diǎn)間距，確定補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)。利用千分表與大理石平尺測量Z 軸移動(dòng)時(shí)，Y 軸位置的變化量，兩軸間的補(bǔ)償關(guān)系和測得的補(bǔ)償值以補(bǔ)償文件的形式存入數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存中，通過使機(jī)床數(shù)據(jù)MD32710=1激活軸的垂度誤差補(bǔ)償功能。該方法屬于軟件補(bǔ)償方式，只需增加較少的費(fèi)用即可提高機(jī)床精度。但是滑枕下垂和變形導(dǎo)致的主軸軸線不水平等問題絲毫沒得到解決。

3 滑枕變形電氣補(bǔ)償系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的液壓式補(bǔ)償系統(tǒng)不同，有一種新型的電氣補(bǔ)償裝置通過控制伺服電機(jī)對(duì)主軸箱施加外力來補(bǔ)償滑枕的垂度誤差。該裝置以840D系統(tǒng)為依托，包括一根固定長度的鋼絲繩，通過滑輪繞過立柱頂端，一端固定在主軸箱前部上方，另一端連在測力傳感器上。傳感器固定在主軸箱后部下方的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上。鋼絲繩對(duì)主軸箱前部施加一個(gè)向上的力，對(duì)后部施加一個(gè)向下的力，拉力由伺服電機(jī)經(jīng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)絲杠絲母施加，電機(jī)由數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，測力傳感器檢測鋼絲繩的張力作為閉環(huán)控制的反饋。當(dāng)滑枕處于不同位置時(shí)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制鋼絲繩的松緊，產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償拉力作用在主軸箱上，拉力與重力的方向相反使主軸箱抬頭，補(bǔ)償滑枕低頭引起的誤差。見下圖。

滑枕完全縮回時(shí)的拉力給定值與附件頭種類有關(guān)，作為基準(zhǔn)。滑枕伸出后，根據(jù)坐標(biāo)位置增加給定值，增加電機(jī)的輸出扭矩。與840D系統(tǒng)的垂度誤差補(bǔ)償功能類似，根據(jù)滑枕行程確定補(bǔ)償范圍，利用千分表與大理石平尺測量滑枕Z軸伸出到各測量點(diǎn)時(shí)，Y 軸的位置誤差，將誤差值換算成該位置的拉力給定值。各點(diǎn)補(bǔ)償值確定之后，通過編好的HMI OEM界面，傳送到PLC中參與控制，相鄰測量點(diǎn)之間位置的給定值由兩點(diǎn)給定值線性計(jì)算得到。補(bǔ)償生效后重新測量，然后調(diào)整設(shè)定值，直到獲得滿意的補(bǔ)償效果。由于安裝不同附件頭后主軸箱受力情況不同，對(duì)應(yīng)每種附件頭都要測定一套補(bǔ)償數(shù)據(jù)。安裝附件頭時(shí)，系統(tǒng)通過識(shí)碼來識(shí)別附件頭號(hào)，通過PLC確定使用哪套補(bǔ)償數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)設(shè)置兩種工作模式，自動(dòng)模式下電機(jī)處于伺服狀態(tài)，拉力的控制是跟隨給定值的閉環(huán)控制，給定值與滑枕的位置有關(guān)，該模式需滑枕找到參考點(diǎn)才能生效。手動(dòng)模式下可手動(dòng)控制電機(jī)使鋼絲繩拉力增加，當(dāng)拉力實(shí)際值與設(shè)定值的差值在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，迅速切換到自動(dòng)模式，系統(tǒng)因故障停止工作時(shí)，故障排除后可通過此方法快速恢復(fù)。模式切換也在OEM界面上操作，此外OEM界面顯示的信息包括附件號(hào)、相關(guān)軸的坐標(biāo)、拉力的給定值和實(shí)際值、補(bǔ)償裝置狀態(tài)等。其中補(bǔ)償裝置的狀態(tài)包括電機(jī)的使能和負(fù)載、系統(tǒng)是否超出補(bǔ)償范圍等，鋼絲繩因張力變化而伸縮，由正負(fù)限位開關(guān)監(jiān)控鋼絲繩長度的變化，如果超出補(bǔ)償范圍，或拉力實(shí)際值超過上限值，則出現(xiàn)報(bào)警，由液壓卡緊裝置將系統(tǒng)鎖住。

4 結(jié)束語

該滑枕變形電氣補(bǔ)償系統(tǒng)，相當(dāng)于840D系統(tǒng)控制下的一個(gè)軸，安裝調(diào)整方便。由于采用高性能伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)的控制精度高，響應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定可靠。必要時(shí)再結(jié)合840D系統(tǒng)的軟件補(bǔ)償方式，能顯著地提高機(jī)床的加工精度。目前，該補(bǔ)償方法已在國外的數(shù)控機(jī)床上得到了應(yīng)用，補(bǔ)償效果較好，這種電機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼絲繩的模式也已應(yīng)用到主軸箱配重系統(tǒng)上，其應(yīng)用前景比較樂觀。

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