CK5116型數(shù)控單柱立車的平衡補償*

□ 譚德寧 □ 楊瑞青 □ 鄭明輝

山東華宇工學(xué)院 機械工程學(xué)院 山東德州 253034

1 數(shù)控單柱立車概況

CK5116型數(shù)控單柱立車經(jīng)過多年生產(chǎn)和使用,基本已經(jīng)定型。這一機床適用于加工各種黑色金屬、有色金屬,以及部分非金屬材料,可以粗精車內(nèi)外圓柱面、內(nèi)外圓錐面、平面、曲面,以及鉆、擴、鉸孔等。這一機床采用西門子802D數(shù)控系統(tǒng),進給軸由交流伺服電機驅(qū)動,主傳動為交流主軸伺服電機驅(qū)動,可以實現(xiàn)無級調(diào)速。

CK5116型數(shù)控單柱立車主要規(guī)格和技術(shù)參數(shù)如下:最大車削直徑為1 600 mm,最大工件質(zhì)量為8 t,回轉(zhuǎn)工作臺直徑為1 400 mm,回轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)速范圍為4～200 r/min、兩擋,進給范圍為0.01～1 000 mm/min,進給電機扭矩X軸、Z軸均為27 N·m,垂直刀架最大切削力為20 000 N,垂直刀架行程為水平915 mm、豎直800 mm/1 000 mm,垂直刀架快速移動速度為水平6 000 mm/min、垂直6 000 mm/min,主電機功率為30 kW,橫梁升降電機功率為2.2 kW,外形尺寸為5 600 mm×4 000 mm×55 mm。

CK5116型數(shù)控單柱立車結(jié)構(gòu)如圖1所示。在垂直刀架自重的作用下,垂直刀架質(zhì)心在水平方向左右移動時會產(chǎn)生撓曲變形,打表檢測機床的靜態(tài)幾何精度,結(jié)果超差。垂直刀架精度檢測如圖2所示。

▲圖1 CK5116型數(shù)控單柱立車結(jié)構(gòu)

▲圖2 垂直刀架精度檢測

2 結(jié)構(gòu)分析

從總體外觀看,CK5116型數(shù)控單柱立車采用立式床身,排屑性能很好,但回轉(zhuǎn)工作臺上由工件重力所產(chǎn)生的變形正好為垂直運動方向,對精度影響很大。垂直刀架在橫梁上水平移動,橫梁在垂直導(dǎo)軌上垂直移動。由于為單臂立柱結(jié)構(gòu),在進行幾何精度檢測時,垂直刀架在橫梁上從右水平移動到左,垂直刀架移動對工作臺面的平行度為0.03 mm,這一精度會影響工件的加工精度。

采用液壓夾緊鎖緊橫梁的結(jié)構(gòu),如圖3所示。液壓夾緊鎖緊橫梁結(jié)構(gòu)由回轉(zhuǎn)銷、鉤頭壓板、立柱、液壓缸、橫梁、垂直刀架組成。立柱采用矩形和燕尾導(dǎo)軌組合型式,由液控斜鑲條鎖緊消隙。在左側(cè)增加矩形輔助導(dǎo)軌,目的是通過鉤頭壓板液壓夾緊,使橫梁與立柱連成一體,防止工作時垂直刀架傾斜。鉤頭壓板以回轉(zhuǎn)銷為支點,由液壓缸頂緊夾緊矩形輔助導(dǎo)軌的后部。橫梁升降時,液壓缸后退,使橫梁放松。此時橫梁升降電機旋轉(zhuǎn)運動,橫梁開始升降。在橫梁停止升降的同時,壓力油進入液壓缸,鉤頭壓板壓緊,使橫梁夾緊。液壓夾緊鎖緊能夠保證橫梁在切削時保持固定位置,但由于存在導(dǎo)軌間隙和垂直導(dǎo)軌相對工作臺垂直度的誤差,導(dǎo)致橫梁導(dǎo)軌位置微量變化。

▲圖3 液壓夾緊鎖緊橫梁結(jié)構(gòu)

3 平衡補償

3.1 平衡補償結(jié)構(gòu)

橫梁導(dǎo)軌為懸臂結(jié)構(gòu),垂直刀架在水平方向移動,在自重作用下產(chǎn)生向下?lián)锨?越向右移動,變形量越大。橫梁在垂直導(dǎo)軌上垂直移動,垂直導(dǎo)軌與橫梁拖板的配合為間隙配合,盡管采用液壓夾緊鎖緊,但也會產(chǎn)生變形。一些精密盤套類零件的加工,內(nèi)外圓的同軸度要求為0.02 mm,端面對內(nèi)孔垂直度要求為0.015 mm,如果不消除以上誤差,就無法達到加工要求。

為從根源上解決問題,采用平衡補償,如圖4所示。平衡補償由橫梁、鏈輪組件、立柱、鏈條、垂直刀架、平衡油缸、壓力傳感器組成。在橫梁的左端增加一根鏈條,將橫梁與具有壓力反饋功能的平衡油缸通過鏈輪組件連接起來,平衡油缸用錐銷和螺釘固定在立柱后部。鏈輪組件安裝在固定板上,前后各一組,使鏈條受到的對橫梁拉力傳遞至平衡油缸的活塞桿上。固定板安裝在立柱的上部。平衡油缸的進出油口與液壓系統(tǒng)相連,平衡油缸下部的壓力傳感器與數(shù)控系統(tǒng)相連,數(shù)控系統(tǒng)與壓力電液比例閥連接。橫梁在垂直導(dǎo)軌上運動,右側(cè)導(dǎo)軌為固定端,左側(cè)導(dǎo)軌為游動端。為了確保實現(xiàn)自動補償,安裝橫梁時特意使水平導(dǎo)軌右端比左端高0.1 mm,這樣在鏈條的拉緊作用下,右端會以垂直導(dǎo)軌固定端為支點下移。橫梁上設(shè)置電子水平儀,可以自動檢測平衡位置,直到達到平衡位置,停止増壓。

平衡油缸主要由缸體、活塞、密封堵、壓力傳感器組成。當(dāng)平衡油缸工作時,上腔為壓力腔,壓力傳遞至下腔,作用于密封堵。密封堵下方為壓力傳感器,壓力由此傳遞至壓力傳感器。壓力的大小與橫梁的微量彈性變形成一定比例,用于調(diào)整橫梁質(zhì)心偏移產(chǎn)生的對應(yīng)補償量。

3.2 固定位置平衡補償

當(dāng)橫梁上的垂直刀架向左移動時,橫梁質(zhì)心向左偏移,橫梁左端就會產(chǎn)生向下?lián)锨Ｔ跈M梁上設(shè)置電子水平儀,用于檢測。由于鏈條與活塞桿相連,因此活塞桿隨之上移,使上腔空間減小,液壓油壓力增大。當(dāng)液壓油壓力增大至高于電液比例閥設(shè)定的壓力時,液壓油經(jīng)電液比例閥流回液壓箱,使平衡油缸的壓力保持恒定值。若下腔空間增大,則作用在壓力傳感器上的壓力減小,輸出的電壓降低,經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)處理后輸出至電液比例閥。電液比例閥壓力增大,平衡油缸壓力增大,帶動活塞桿下移,使橫梁左端向上移動,橫梁恢復(fù)至水平位置,電子水平儀刻度為0。

在橫梁上設(shè)置電子水平儀,由RS 232總線與數(shù)控系統(tǒng)相連,每隔100 mm測量平衡位置對應(yīng)的鏈條拉力值。F1至F6鏈條拉力逐漸增大,垂直刀架水平行程全長915 mm。同時用千分表測量各點的橫梁變形量,輸入數(shù)控系統(tǒng)存儲,作為平衡補償?shù)囊阎俊Ｍㄟ^平衡補償,精度高于0.01 mm。

平衡補償效果如圖5所示。平衡補償功能可以消除橫梁變形量,使垂直刀架的質(zhì)心始終保持在同一位置,CK5116型數(shù)控單柱立車加工精度明顯提高。需要注意的是,在平衡補償時,鉤頭壓板處壓力始終為定值,可以通過二級溢流閥實現(xiàn),進而保證橫梁能夠微量調(diào)整。當(dāng)壓力傳感器顯示壓力恒定后,發(fā)出信號至數(shù)控系統(tǒng),再使鉤頭壓板夾緊導(dǎo)軌,進而保證在加工過程中橫梁位置始終是正確的。

▲圖4 平衡補償

▲圖5 平衡補償效果

3.3 任意位置平衡補償

當(dāng)橫梁在垂直導(dǎo)軌上運動時,受導(dǎo)軌間隙和垂直度誤差的影響,橫梁導(dǎo)軌的水平面狀態(tài)會發(fā)生微量變化,右端變化量為±0.05 mm,并且這一誤差是隨機的。將設(shè)置在橫梁上的電子水平儀作為傳感器,橫梁移動到任意位置時都可以進行水平面變化檢測。將變化量輸入數(shù)控系統(tǒng),通過計算進行誤差補償,最終達到平衡補償?shù)哪康摹?/p>

數(shù)控系統(tǒng)框圖如6所示。

垂直刀架水平方向運動、橫梁在垂直導(dǎo)軌上下垂直運動、垂直刀架中方枕垂直方向運動均采用半閉環(huán)控制系統(tǒng),通過液壓電子平衡裝置與電子水平儀實現(xiàn)閉環(huán)控制。橫梁的變形量經(jīng)過平衡補償后,再進行兩軸聯(lián)動數(shù)控車削加工。

采用上述平衡補償,可以實時對橫梁超差的幾何精度進行平衡補償。對于CK5116型數(shù)控單柱立車,在理想垂直位置采用電子水平儀預(yù)先進行檢測,可以作為一項出廠前精度檢測,對應(yīng)數(shù)值輸入數(shù)控系統(tǒng)存儲,作為平衡補償?shù)囊阎俊τ谄渌怪蔽恢?可以基于上述理想垂直位置進行偏差調(diào)整。

4 結(jié)束語

筆者對CK5116型數(shù)控單柱立車單臂橫梁上垂直刀架質(zhì)心水平移動產(chǎn)生誤差進行分析,提出平衡補償措施,基于電子水平儀、壓力傳感器、壓力電液比例閥,實時進行平衡補償,由此保證了機床的精密加工,并且可以為同類型產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。

▲圖6 數(shù)控系統(tǒng)框圖