對(duì)于機(jī)床生產(chǎn)廠家來說，如何平衡垂直運(yùn)動(dòng)部件的重量一直是個(gè)需認(rèn)真考慮的問題。通常平衡的方法主要有三種：第一是當(dāng)垂直運(yùn)動(dòng)部件的重量較輕時(shí)，可采用直接加粗傳動(dòng)絲杠，加大電機(jī)扭矩的方法。但這樣將使得傳動(dòng)絲杠始終承擔(dān)著運(yùn)動(dòng)部件的重量，導(dǎo)致單面磨損加重，影響機(jī)床精度的保持性；第二種是使用平衡重錘，但這將增加運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，使慣量增大，影響系統(tǒng)的快速性；第三種是液壓平衡法。它可以避免前面兩種方法所出現(xiàn)的問題。
我公司與法國FOREST——LINE公司聯(lián)合設(shè)計(jì)生產(chǎn)的GIMAX200型數(shù)控落地鏜銑床，其各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)皆采用靜壓導(dǎo)軌，主軸箱通過滾珠絲杠帶動(dòng)作上下運(yùn)動(dòng)，滑枕在主軸箱內(nèi)運(yùn)動(dòng)，鏜桿在滑枕內(nèi)運(yùn)動(dòng)。對(duì)機(jī)床的設(shè)計(jì)，我們用液壓平衡法來平衡主軸箱的重量，同時(shí)還對(duì)由于滑枕移動(dòng)以及裝卸附件所造成的主軸箱重心變化進(jìn)行補(bǔ)償。其原理如圖1所示。
1-2.伺服閥 3.電磁換向閥 4-5.液控單向閥 6-7.油缸
8.主軸箱 9.前鋼絲繩 10.后鋼絲繩
圖1
在圖1中，油缸6與一個(gè)動(dòng)滑輪相聯(lián)，兩根鋼絲繩9、10繞過動(dòng)滑輪后，又分別經(jīng)過一對(duì)定滑輪與主軸箱8聯(lián)接。其中，前鋼絲繩9直接固定于主軸箱上，后鋼絲繩10通過油缸7與主軸箱聯(lián)接。兩個(gè)伺服閥1、2分別經(jīng)液控單向閥4、5與油缸6、7聯(lián)通。3為電磁換向閥，可以控制液控單向閥反向打開，使油缸回油。其中，油缸6的行程為主軸箱上下運(yùn)動(dòng)行程的一半，其活塞上的壓力是主軸箱重量的兩倍。在這套平衡系統(tǒng)中，主軸箱的重量是由前后兩根鋼絲繩9、10共同承擔(dān)的。
我們可粗略地將主軸箱的重力及前后鋼絲繩的拉力看作一個(gè)平衡力系(將靜壓導(dǎo)軌及滾珠絲杠摩擦力忽略不計(jì))。當(dāng)滑枕端部安裝的刀具或附件改變時(shí)，或滑枕在主軸箱內(nèi)移動(dòng)時(shí)，主軸箱的重心將發(fā)生變化，原有的平衡力系將受到破壞。為了形成新的平衡力系，需要對(duì)兩根鋼絲繩的拉力重新分配。這個(gè)“任務(wù)”主要是由圖1中的兩個(gè)伺服閥來完成的。下面簡(jiǎn)單介紹一下這兩個(gè)伺服閥。
伺服閥1、2是兩個(gè)雙功能閥，內(nèi)部裝有位置傳感器及壓力傳感器，可以迅速、精確地調(diào)整流量和壓力。其工作過程見圖2。當(dāng)用開關(guān)接通1、2時(shí)，可實(shí)現(xiàn)流量控制。位置傳感器檢測(cè)閥芯位置，以電壓信號(hào)uL1表示，經(jīng)比較器與指令電壓信號(hào)uQS進(jìn)行比較，比較結(jié)果Δu存入位置控制器。位置控制器通過改變先導(dǎo)閥線圈電流來控制閥芯移動(dòng)，得到所需要的流量。此時(shí)，反饋電壓uL1等于指令電壓uQS。在此控制過程中，閥芯的位置與指令電壓大小成正比。當(dāng)指令電壓極性改變時(shí)，閥芯運(yùn)動(dòng)方向亦隨之改變。
圖2
當(dāng)開關(guān)接通1、3時(shí)，可實(shí)現(xiàn)壓力控制。壓力傳感器檢測(cè)A口(圖1)壓力PL，以電壓信號(hào)uP1表示。uP1與指令電壓信號(hào)uP2比較后，結(jié)果輸入壓力控制器。若兩者不相等，則壓力控制器輸出改變閥芯位移的信號(hào)，從而改變流量并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的控制。在此控制過程中，A口壓力PL1與指令電壓uPS的值成正比。
在圖1中，伺服閥1是用來控制油缸6的。油缸6的作用是平衡主軸箱組件的重量。當(dāng)主軸箱上下運(yùn)動(dòng)的速度改變時(shí)，我們可以通過改變輸給伺服閥1的指令電壓信號(hào)uQS，來相應(yīng)地調(diào)節(jié)油缸6輸入或輸出的流量。當(dāng)滑枕端部安裝不同的刀具或附件時(shí)，整個(gè)主軸箱組件(包括裝在滑枕端部的刀具或者附件)的重量將發(fā)生變化。此時(shí)，可以通過改變輸給伺服閥1的指令電壓信號(hào)uPS來改變供給油缸6的液壓油的壓力，從而使得主軸箱組件仍舊能保持平衡。
伺服閥2控制油缸7。油缸7的作用是補(bǔ)償因主軸箱組件的重心變化所帶來的影響。例如，當(dāng)滑枕向外伸出時(shí)，由于主軸箱重心的前移，原來的平衡力系受到了破壞，相對(duì)原來的平衡位置產(chǎn)生了一個(gè)附加傾覆力矩，使主軸箱體前傾，前鋼絲繩張力增加，后鋼絲繩張力減小。這時(shí)，可以通過伺服閥2減小供給油缸7的液壓油壓力，改變前后鋼絲繩的張力，平衡掉因滑枕外伸而產(chǎn)生的傾覆力矩，使主軸箱始終處于平衡狀態(tài)。
在伺服閥1、2中，通過壓力傳感器所測(cè)得的反饋值只是伺服閥A口(圖1)的壓力，這個(gè)壓力與油缸6、7中的壓力存在一定的差值。這個(gè)差值主要是液壓油流經(jīng)伺服閥與油缸之間的管道以及液控單向閥時(shí)的壓力損失。伺服閥與油缸間的管道越長(zhǎng)，壓力損失將越大。因此，在裝配時(shí)應(yīng)將伺服閥盡量靠近油缸安裝，同時(shí)選擇開啟壓力較小的液控單向閥，以減小壓力損失所造成的影響。
由于鏜桿相對(duì)較細(xì)(GIMAX200鏜桿直徑是200mm)，因此當(dāng)鏜桿伸出時(shí)，必須考慮其自重?fù)锨冃蔚挠绊?，又如何補(bǔ)償這個(gè)變形是個(gè)很重要的問題。GIMAX200是通過Y軸位移補(bǔ)償法來解決這個(gè)問題的。鏜桿每伸出一定距離，主軸箱就上移一次，從而使得鏜桿端部能保持在理論位置。
在上述的平衡及補(bǔ)償過程中，輸給伺服閥的電壓信號(hào)以及對(duì)鏜桿下垂的補(bǔ)償量都是根據(jù)理論狀態(tài)計(jì)算后輸入數(shù)控系統(tǒng)的。在實(shí)際調(diào)試過程中，由于各種因素(例如環(huán)境條件)的影響，有些精度可能達(dá)不到要求。這時(shí)，需要根據(jù)滑枕以及鏜桿每伸出一定距離時(shí)的下垂量，計(jì)算出補(bǔ)償值，對(duì)上述控制過程進(jìn)行補(bǔ)償。
經(jīng)過上述的平衡及補(bǔ)償，GIMAX200在最終檢驗(yàn)幾何精度時(shí)，與此有關(guān)的幾項(xiàng)精度都達(dá)到了相當(dāng)不錯(cuò)的水平。其中，滑枕伸出時(shí)(行程是1250mm)，在垂直平面內(nèi)的直線度是0.025mm/1250mm，與水平基準(zhǔn)面的平行度是0.03mm/1250mm；而鏜桿伸出時(shí)(行程也是1250mm)，在垂直平面內(nèi)的直線度是0.03mm/1250mm，與水平基準(zhǔn)面的平行度是0.03mm/1250mm。經(jīng)過1年使用后，重新檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)精度保持得很好，完全可以保證加工精度
