数控机床闭式液压补偿平衡系统结构和计算

数控机床闭式液压补偿平衡系统结构和计算李金刚摘要几种重力轴平衡应用形式和利弊。以结构复杂且多应用在大型数控机床的闭式液压补偿平衡系统为例，论述重力轴滑板液压补偿平衡系统中，液压平衡油缸压力计算、校对及蓄能器容量计算过程，电机负载电流和液压压力综合调试过程和注意事项。关键词重力轴垂直滑板液压补偿平衡系统蓄能器中图分类号TG659文献标识码B为保证数控机床，特别是重力轴垂直滑板(立式数控机床Z轴和卧式加工中心的y轴)，有稳定的加工状态和快速响应速度。大中型数控机床均需重力轴垂直滑板平衡装置，以消除垂直滑板自重对其移动精度和控制的影响，防止重力轴漂移并减少伺服驱动电机的负载。一、重力轴垂直滑板平衡装置作用1．提高重力轴运动的稳定性在数控机床动态运动时，提供与重力轴垂直滑板重量相等的平衡力，减少了驱动伺服电机的驱动负载电流，重力轴运动稳定性提高。一般重力轴垂直滑板上都安装主轴部件，变速齿轮箱和主轴电机。若是五坐标数控机床，还要加装AB摆角齿轮齿条传动机构或AC摆角蜗轮蜗杆传动机构。同时，垂直滑板也要有足够的强度和刚性，来保证加工过程的稳定性，因此重力轴垂直滑板自身很重，而且随重力轴垂直滑板向上升高，其向下重力势能也就越大。故驱动重力轴的伺服电机的负载电流随着重力势能的变化而变化，以产生足够的转矩，以防止重力轴垂直滑板自由下滑。在数控机床动态运动时，特别是重力轴快速上下移动时，产生的重力势能变化较大，由此重力轴伺服电机的负载电流变化逆差也较大，极易引起伺服单元和伺服电机过载报警和过流损坏。通过重力轴平衡装置，可以抵消重力轴垂直滑板因位置差而带来的重力势能差，极大减轻伺服电机的驱动负载电流，提高了重力轴运动的稳定性，减低对驱动伺服系统的配置要求。2．静态时防止重力轴滑板下滑在数控机床静态停止时，锁住重力轴垂直滑板的滚珠丝杠，防止滚珠丝杠向下反转导致重力轴滑板自由下滑。为实现高精度和快速响应的加工速度，数控机床均采用高精度的滚珠丝杠代替普通机床的梯形丝杠，使主要直线运动机械传动部件由滚动摩擦代替滑动摩擦。但因滚珠丝杠螺旋升角45。，即滚珠丝杠轴向分力大于径向分力，而不能像梯形丝杠那样可以实现静态自锁，若无其他锁紧装置时，易导致重力轴滑板下滑。故在数控系统闭电时，采用电机抱闸或机械式气液抱闸等锁紧装置来锁住重力轴垂直滑板的滚珠丝杠。但在数控系统通电时，重力轴随时都因加工程序要求而运动，故电机抱闸或机械式气液抱闸等锁紧装置处于打开状态。此时，只有依靠伺服驱动电机根据实际位置，输出不同的转矩来克服重力轴滑板对滚珠丝杠的上下轴向驱动力，保持重力轴滑板停在指定的垂直位置。通过重力轴平衡装置可以抵消重力轴滑板对丝杠的上下轴向驱动力，从而减少伺服驱动电机静态负载和电流?二、重力轴垂直滑板平衡装置形式1．链式重锤平衡装置中小型三坐标立式加工中心，因重力轴滑板质量不大且切削力不高，一般采用链式重锤平衡。在立式加工中心z轴床身后面悬挂一个与Z轴重力滑板重量约等的铸铁块，二者用两根链条相连，通过安装在z轴床身顶部的链轮作为支撑和传动部件，当z轴伺服电机驱动z轴重力滑板上下移动时，悬挂的铸铁块与之反方向联动，如杠杆般使两端悬浮平衡。链式重锤平衡装置是一种非常经济耐用且故障率低的平衡形式，如图1所示2．液压补偿平衡装置对于重力轴滑板自身很重(AB大摆角五坐标数控机床)且为矩形镶钢贴塑导轨结构，低速重载的数控机床上，一般采用液压补偿平衡。液压补偿平衡系统由液压站，液压平衡油缸，蓄能器组件，液压平衡补偿组件构成。液压平衡装置又分开式液压平衡和闭式液压平衡两种。目前，闭式液压补偿平衡系统中广泛采用蓄能器，按结构和应用场合不同分为皮囊式蓄能器，活塞式蓄能器，隔膜式蓄能器。开式液压平衡系统中，广泛采用变量液压泵，行程凸轮样板和可调溢流阀组合。二者的区别是蓄能器的容积大小和液压站是否始终运转工作。液压补偿平衡系统的平衡结构复杂，且需定期检查和补偿液压值。结构简图见图2。3．大功率伺服电机直接带动重力轴工作形式随着大功率伺服电机应用和伺服控制单元价格的下降，某些机床生产厂家取消了重力轴垂直滑板上的平衡装置，采用大功率伺服电机直接带动重力轴工作，但主要应用在重力轴滑板自身不是很重且为直线滚动导轨结构，高速轻载有电主轴的数控机床上。此类装置，故障点多为伺服单元过流损坏和伺服电机的过载报警。三、闭式液压补偿平衡系统计算和调试一台五坐标AC摆角动龙门数控铣床，重力轴滑板为z坐标。已知垂直滑板和辅助部件重2t，主轴部件重0．2t，变速齿轮箱及主轴电机重0．5t，摆角传动机构重0．5t。重力轴垂直滑板运动距离为800mm。快速进给速度10m／arin。采用节能且可靠性好的闭式液压平衡系统，选用两个单作用柱塞式液压缸分装在重力轴滑板两侧与之联动，以提供液压补偿平衡力，活塞杆直径36mm，‘作行程1000mm。结构可参考图2。1．重力轴液压补偿平衡压力的计算(1)重力轴垂直滑板重量计算。计算后，整个重力轴垂直滑板装置重(五坐标AC摆角)3．2t。(2)液压平衡油缸压力计算。因为选用单作用柱塞式液压缸，活塞两个方向作用力基本相同，计算后，平衡油缸有效作用面积10．173~10~m，平衡油缸最小压力一15．4MPa。2．液压平衡中的液压压力实际校对调整将重力轴滑板移动到z坐标T作行程上顶端，用木块将重力轴滑板可靠支撑。把垂直驱动的滚珠丝杠副与重力轴垂直滑板脱开，将百分表表针顶在重力轴垂直滑板下端，对表凋零，以便观察重力轴垂直滑板向上顶的微小轴向移动。启动液压系统，利用控制液压动力泵出口压力的可调溢流阀，逐渐增大液压平衡系统压力，至前面计算的液压平衡油缸压力15．4MPa，观察百分表表针没有发生变化，说明计算值有误差。缓慢继续增大液压平衡系统压力到16MPa时，顶在重力轴垂直移动滑板下端的百分表表针有0．05mm的向上移动量，说明液压平衡系统中的实际液压压力至少为16MPa时，才能为重力轴垂直滑板提供向上平衡力。按上述过程，将重力轴滑板移动到z坐标一作行程下顶端，实测液压平衡油缸最大压力20MPa3．蓄能器作用与工作原理(1)蓄能器的作用。蓄能器是闭式液压补偿平衡系统中的重要液压部件，因为同重力轴垂直滑板相连接的液压平衡油缸，随着重力轴滑板的上下移动位置不同而产生的重力不同，必然同步引起液压平衡油缸：1_=作容积和油液压力的不同变化，即有压力差。因而在液压补偿平衡系统中，要求有随重力轴垂直滑板行程内不同位置而产生不同压力要求的液压调节装置。但在密闭的液压补偿平衡系统中，油液实际上是不可压缩的，即不能储存液体压力能。故无法释放和补偿因重力轴滑板的上下移动而产生的液压平衡油缸油液压力差和容量差，因此借助液压蓄能器来完成这一T作。(2)蓄皮囊式蓄能器的结构和：I作原理。皮囊式蓄能器外部是南焊接或锻造而成的压力容器，内部由油液和作为气密隔离件的皮囊构成。气体和液体被皮囊隔开，皮囊里充氮气作为可压缩_l作介质，来储存液体。皮囊周围的油液与密闭的液压回路接通，重力轴滑板向下移动，液压平衡油缸工作容积变小，多出来的油液从平衡油缸被挤入皮囊式蓄能器油液部分，进而压缩皮囊部分的气体体积，来实现储存液体压力能的过程。因此，液压补偿平衡系统中压力表所示油液压力，会随重力轴滑板逐渐向下移动而逐渐增高。当重力轴滑板向上移动，液压平衡油缸作容积变大，油缸内所需油量变大，之前被压人蓄能器的油液会因皮囊部分产生的弹力，将油液顶回液压补偿平衡系统中。此时，液压平衡系统中压力表所示平衡油液的压力，会随重力轴滑板逐渐向上移动而逐渐降低。4．蓄能器容量的计算(1)平衡油缸排油体积=垂向滑板运动距离×平衡油缸有效作用面积一1．63L。(2)设蓄能器预充压力时的温度=25~C，：45℃。平衡油缸最tbT．作乐力=16MPa，最大压力P~=20MPa。蓄能器预充压力P=0．9×平衡油缸最小工作压力=14．4MPa。(3)在时，蓄能器预充压力尸=13．18MPa。(4)蓄能器理想气体容积V。=平衡油缸排油体积÷{(÷尸)0．714(÷Pn)“l=9．2L。(5)计算压缩比，查修正系数CH。尸÷：1．25，查修正系数=1-27。(6)计算实际气体容积V。=蓄能器理想气体容积Vox修正系数×泄漏修正系数15．2L。根据样品手册选20L，压力25MPa的蓄能器。5．液压补偿平衡系统中电机负载电流和液压压力调整要求为达到理想的重力轴垂向滑板平衡运动配置，必须将重力轴垂直滑板在其行程内连续运动，综合调整电机负载电流和液压压力，以保证其同步合理变化。(1)正方向(，。和厶)必须大于负方向(，2和，3)的电流值。若负方向的电流值大于正方向的电流值，可能是液压平衡力过大，造成电机用较大的负载电流才能克服液压上浮力使滑板向下运动。若液压平衡压力产生的液压上顶力超过了电机负载时，会造成重力轴垂直滑板在移动中产生向上的不正常偏移，引起重力轴垂直滑板伺服电机监控轮廓误差过大报警及伺服单元错误报警，并使刀具在垂直方向无规律抬高，工件加工后垂直方向尺寸误差增大，即有失动的影响。(2)行程上下端点处正反方向轴移动的电流差值(，．，2，，1_，4)应尽可能小。若其电流差值较大，可能是液压平衡压力值过小或液压平衡元件(蓄能器、变量液压泵或可调溢流阀)调整或容量选型错误或损坏，也极易引起重力轴垂直滑板伺服电机监控及伺服单元频繁报警。应缓慢提升液压平衡压力值，使正反方向轴移动电流差值在0．3～IA即可。若液压平衡元件调整或容量选型错误或损坏，应准确找到问题，重新设计和更换故障液压元件。(3)行程上下端点液压平衡压力的差值(一。)应在合理的范围内变化。定义行程上端点处液压平衡压力值为，下端点处液压平衡压力值为。一般压力差值(一M。)的合理变化范围在0．8—4MPa。若压力差值0．3MPa，在闭式液压平衡系统内是因为蓄能器氮气压力不足或损坏，蓄能器失去液压平衡力调整功能；在开式液压平衡系统内则因为变量液压泵变量架构损坏或行程凸轮样板和可调溢流阀组合机构失灵。若压力差值0．4MPa，在闭式液压平衡系统内是蓄能器设计容量不够，满足不了液压平衡压力蓄压容积的要求，需在原蓄能器基础上再并联一个足够容量的蓄能器即可解决此问题。在开式液压平衡系统内则是变量液压泵变量机构设置不正确或行程凸轮样板和可调溢流阀组合机构相关位置不正确。6．综合调整实例仍以上文所述的五坐标AC摆角动龙门数控铣床为例，将驱动伺服电机安装在垂直驱动滚珠丝杠上并与重力滑板牢固连接。移去支撑物，将电流表连接在电机电源上，检测并记录电机在垂直滑板行程上端和上端时的各自正反运动方向的启动电流，记录相关数据。行程上端，正方向电流值=16A；负方向／2=6．18A，液压平衡压力值M。=16MPa。行程下端，正方向电流值4=6．2A；负方向h=6．4A，液压平衡压力值M2=20MPa。如果数控系统是SIMENS840D，则可在数控系统中通过页面路径Startup-4Machinedata--+DriveMD，调出MD参数来监控电机绝对电流。1719$MD—ABS—ACTUAL—CURRENT(反应电机绝对实际电流)1722$MDLOAD(反应电机负载率)进行驱动伺服电机的调整，结果同上。四、结论重力轴垂直滑板补偿平衡装置调整和种类的开发，对数控机床的静态摩擦重力的控制和动态运动响应效果的影响很重要。尤其在重载大型卧式数控镗铣床的加工过程中，滑枕镗轴的自重挠度补偿平衡系统的好坏，直接影响零件加工精度的高低。文中根据多年实践经验，只是论述了大型立式数控机床的闭式液压补偿平衡系统的结构和计算。对于有自重挠度平衡和温度补偿的双重多维因素的研究和应用，需从机械、液压气动、电气控制、传感器反馈控制、计算机软件等多方面综合计算测试和试验调整，方可实现良好的平衡补偿效果。