具有反馈的落地铣镗床主轴箱补偿系统

刘建林

(沈阳中威重型机床有限公司，辽宁沈阳110043)

落地铣镗床是一种集机、电、液为一体的技术密集型产品，可加工复杂的大型工件，在机加工行业中属于高性能、高效率、高精度的大型装备，因而在现代工业生产中发挥着极其重要的作用。目前数控落地铣镗床主轴箱的动态平衡控制方法主要是通过检测方滑枕的位置来控制电液比例阀，再通过电液比例阀控制平衡油缸的压力来调节主轴箱的中心如图1。这种方式的缺点是不能实时地对主轴箱的重心的偏移做出补偿，即当方滑枕没有位移时在前端加装附件时无法补偿。下面介绍一种具有反馈功能的主轴箱补偿系统，它可以解决不能实时补偿的问题。

1 控制过程

1.1 机床零部件的连接

传统的落地镗的主轴箱通过丝杠带动，在主轴箱上有前后2组钢丝绳与平衡重锤连接沿立柱导轨上下运动，方滑枕在主轴箱内通过丝杠带动，在主轴箱内做伸出和缩回。但方滑枕伸出，加上各种附件的重量，使得主轴箱的重心向前偏移产生一个力矩M，主轴箱前端向下倾斜，这直接影响工件的加工精度。

具有反馈功能的主轴箱重心补偿系统是在主轴箱前钢丝绳与主轴箱之间加一个具有压力反馈的平衡油缸，油缸中的活塞与主轴箱前钢丝绳连接，平衡油缸的缸体与主轴箱连接，平衡油缸的进油口与液压的出油口和压力电液比例阀的进油口连接，平衡油缸下面的压力传感器与CNC数控系统连接，数控系统与压力电液比例阀连接，如图2。

1.2 压力反馈平衡油缸的结构

压力反馈平衡油缸的结构如图3所示，主要有油缸、活塞、蝶形弹簧、压力传感器组成。在油缸中主要有活塞，在活塞的下面是蝶形弹簧，在蝶形弹簧的下面是压力传感器，用于检测主轴箱重心的偏移。蝶形弹簧在安装时施加一定的预紧力，在活塞的上面是来自液压泵站的压力油主要用于调整主轴箱重心的偏移。

1.3 控制原理

当主轴箱中的方滑枕通过丝杠伸出时或方滑枕前端安装有附件时，主轴箱的重心向前发生偏移产生一个力矩M，主轴箱前端向下倾斜即低头，与主轴箱连接的平衡油缸缸体跟随主轴箱前端一起向下倾斜位移，而平衡油缸中的活塞由于受主轴箱前钢丝绳的牵引保持不动，因此液压平衡油缸和活塞之间将产生相对位移，在液压平衡油缸下面装有蝶形弹簧和压力传感器的空间增大，平衡油缸中液压油受到平衡油缸缸体下移的压迫压力增大，主轴箱前钢丝绳拉力F增大。平衡油缸中的液压油压力增大到高于压力电液比例阀设定的压力，而经电液比例阀流回液压泵站，使液压平衡缸液压油的压力保持一定。活塞下面的蝶形弹簧由于空间变大，预紧力减小，在蝶形弹簧下面的压力传感器检测的蝶形弹簧的预紧力减小，其输出的电压降低经CNC数控系统处理后输出到压力电液比例阀，电液比例阀调高压力，液压平衡缸中的压力油压力增大，活塞与平衡油缸之间的体积增大，平衡油缸带动主轴箱向上，平衡油缸向上移动压缩活塞下面的蝶形弹簧，蝶形弹簧的压力增大，在蝶形弹簧下面的压力传感器检测到蝶形弹簧压力增大，输出电压增大经数控系统处理后，电液比例阀输出的压力减小，液压平衡缸中液压油的压力减小，直至蝶形弹簧的压力达到和预紧力一致时，主轴箱恢复到水平位置。

当方滑枕缩回或附件卸下时，主轴箱的重心向后产生偏移，由于液压平衡油缸中液压油的压力仍然保持在方滑枕伸出或附件未卸下时的压力，而活塞由于受前钢丝绳牵引保持位置不变，从而造成液压平衡缸体向上移动，液压平衡缸体向上移动带动主轴箱向上移动，即主轴箱形成抬头。活塞下面的蝶形弹簧被压缩压力增大，在蝶形弹簧下面的压力传感器检测到蝶形弹簧压力增大，将信号传给CNC数控系统，经CNC数控系统处理后，控制压力电液比例阀调低液压平衡缸中液压油的压力。液压平衡缸中液压油压力减小后，主轴箱在自身重量的作用下向下偏移，液压平衡缸中的蝶形弹簧的压力减小，压力传感器检测到蝶形弹簧压力减小，将信号传到数控系统后，经数控系统处理后控制压力电液比例阀调低压力，直到蝶形弹簧的压力和预紧力一致时，主轴箱恢复到水平位置。

1.4 补偿与没有补偿的比较

有补偿与没有补偿的效果如图4所示，具有补偿功能的主轴箱的重心调整可以将主轴箱的重心始终保持在同一位置，使机床的加工精度有了明显的提高。

2 结语

主轴箱补偿系统在实际的生产过程中，提高了机床的加工精度。在这个主轴箱补偿系统中应用了传感器、压力电液比例阀实时地对主轴箱的重心进行补偿，具有很好的应用前景。