對于機(jī)床生產(chǎn)廠家來說，如何平衡垂直運(yùn)動部件的重量一直是個需認(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)動部件的重量較輕時(shí)，可采用直接加粗傳動絲杠，加大電機(jī)扭矩的方法。但這樣將使得傳動絲杠始終承擔(dān)著運(yùn)動部件的重量，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。
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
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，其各個軸的運(yùn)動皆采用靜壓導(dǎo)軌，主軸箱通過滾珠絲杠帶動作上下運(yùn)動，滑枕在主軸箱內(nèi)運(yùn)動，鏜桿在滑枕內(nèi)運(yùn)動。對機(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)還對由于滑枕移動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。
在圖1中，油缸6與一個動滑輪相聯(lián)，兩根鋼絲繩9、10繞過動滑輪后，又分別經(jīng)過一對定滑輪與主軸箱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，需要對兩根鋼絲繩的拉力重新分配。這個“任務(wù)”主要是由圖1中的兩個伺服閥來完成的。下面簡單介紹一下這兩個伺服閥。
伺服閥1、2是兩個雙功能閥，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。位置傳感器檢測閥芯位置，以電壓信號uL1表示，經(jīng)比較器與指令電壓信號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，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A口(圖1)壓力PL，以電壓信號uP1表示。uP1與指令電壓信號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，從而改變流量并最終實(shí)現(xiàn)對壓力的控制。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，相對原來的平衡位置產(chǎn)生了一個附加傾覆力矩，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得的反饋值只是伺服閥A口(圖1)的壓力，這個壓力與油缸6、7中的壓力存在一定的差值。這個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，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)償這個變形是個很重要的問題。GIMAX200是通過Y軸位移補(bǔ)償法來解決這個問題的。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以及對鏜桿下垂的補(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。