数控落地铣镗床精度补偿系统介绍

王莘澳

（齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161005）

数控落地铣镗床为立柱移动式，且镗轴可在卧式铣轴中移动（W轴）；铣轴包含在滑枕内部，滑枕安装在主轴箱内部，并在其内部可直线移动（Z轴）；主轴箱沿立柱导轨垂直移动（Y轴）；立柱被牢固的固定在其下面的滑座上，并随滑座沿床身导轨在水平方向移动（X轴）。主要用于箱体的孔系镗孔加工，以及钻孔、扩孔、铰孔、切螺纹、切沟槽和平面的铣削加工。属于高档精密加工机床。在机床加工过程中由于滑枕的前后移动、滑枕伸出后的挠度变化、滑枕前端安装不同重量的加工附件及加工过程中温度的升高等因素影响，导致机床的相关精度下降，无法满足加工要求。为此笔者设计了一套相应的精度补偿系统，对机床的相关精度进行补偿，以满足加工的精度要求。

1 主轴箱系统力系平衡变化补偿

主轴箱的重力系统由主轴箱、方滑枕等部件的重力所组成。四根通过立柱顶部固定滑轮组的钢丝绳的两端分别联结主轴箱和立柱内的平衡锤，使整体重力被平衡锤平衡。这样可使驱动主轴箱上下运动所需的力基本相等。当方滑枕向外伸出时，整个主轴箱系统的重心发生变化，重心向方滑枕移动方向平移，与原力系比较，增加了一个随方滑枕伸出而变大的力矩。为了平衡这个扭矩，用一根补偿用的钢丝绳通过定滑轮组将装在主轴箱前端上方的液压油缸的活塞与装在主轴箱后部下方的钢丝绳座联结起来。当平衡钢丝绳张紧时，会将主轴箱的前方向上拉，同时将主轴箱的后方向下拉，形成一个与主轴箱重心移动产生的力矩方向相反的力矩，这样就使主轴箱力系达到了新的平衡。液压油缸内的油压控制平衡钢丝绳的张紧力。而电液比例阀控制油压，油压随方滑枕的伸出距离而变化。这使平衡钢丝绳的拉力随油压的变化而变化。随时平衡因方滑枕移动而产生的扭矩。

2 方滑枕内应力变化补偿

当方滑枕伸出时，除了会使整个主轴箱力系重心位移外，悬伸部位的自重引起悬伸部位的应力发生变化，在方滑枕的上部产生较大的拉应力，这应力随伸出的距离而变化。

在方滑枕的上部纵向装有两条拉杆，拉杆的一端固定在方滑枕的前端，拉杆的后端经油缸拉向滑枕后端面。

当滑枕伸出时，随着滑枕移动，数字式伺服电液比例阀控制拉杆油缸的压力不断增加，所产生的压力平衡方滑枕内部的应力。

3 方滑枕安装附件重力变化补偿

方滑枕前端安装附件后，因附件重量较大，而且不同的附件重量不同，使滑枕平衡力系增加了附件的重力，增加了一个附加的扭矩，使方滑枕力系的平衡产生变化。

主轴箱静压导轨的前端中间位置开有补偿油腔，当安装不同附件时，经电气识别，由数字式伺服电液比例阀控制油腔增加不同的压力，并且压力随方滑枕的位置变化而变化。平衡了附件的重力及附加的扭矩。

4 方滑枕静压补偿

随着滑枕的伸出，滑枕部件的重心将向外移动，将使限制滑枕的静压油膜厚度改变。滑枕前部下方和后部上方的静压油膜将变薄，使滑枕倾斜。为了解决这一问题，主轴箱前下方两侧导轨板和后上方两侧滑枕镶条上还配有静压补偿油腔。由比例减压阀控制油腔，改变油腔的压力，并且压力随方滑枕的位置变化而变化，起到对静压油膜补偿的作用。

5 滑枕进给精确定位补偿

图1 定位补偿图

由于铣镗轴的高速运转产生的热量会传递给滑枕，使滑枕产生热膨胀，这样会影响被加工工件的平面度。为了解决这一问题，采用材料固定、形状规则的杆件，其伸长量与温度变化关系很容易通过试验测得，这个杆件称为基准杆。将基准杆的一端固定在滑枕的前部，另一端自由伸展，当滑枕在某一温度下伸长时，将带动基准杆移动，通过与基准杆尾部接触的位移传感器可精确地检测出位移量，将这个位移量减去基准杆自身的伸长量就可确定滑枕的伸长量。伺服电机补偿就是通过滚珠丝杠向相反方向驱动滑枕实现的。如图1所示，滑枕2安装于主轴箱1内，并且相对于主轴箱1运动。该装置的基准杆3一端固定于滑枕2的前部，另一端为自由端，在长度方向上采用两个支座4支承，保证其水平伸展。位移传感器 5在常温下安装，与基准杆自由端端部接触，当温度升高时，基准杆3自由端位置发生变化，位移传感器3检测到这一变化量，并将变化量数据传送给数控系统，数控系统将这一数值减去基准杆自身的受热伸长量，其差值便为滑枕的受热伸长量，最后数控系统控制伺服电机6驱动滚珠丝杠7带动滑枕2反向运动，从而对滑枕2伸长给予补偿。

6 结语

通过以上的补偿方案，有效解决了变形对数控落地铣镗床精度的影响，使数控落地铣镗床的加工精度达到了国际先进水平，从而使使用以上方案的数控落地铣镗床在国际市场上有了更高的竞争优势。目前采用以上方案的数控落地铣镗床已实现产业化，广泛用于国防军工、航空航天、机械、能源、船舶、核电等复杂、异形件的加工行业，对民族装备工业的振兴及国民经济的发展具有重要意义。

［1］现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2006.