王 兵 孫文才

（東阿阿膠股份有限公司 設(shè)備部，山東 聊城 252000）

0 引言

方滑枕變形問(wèn)題是國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)方滑枕移動(dòng)式數(shù)控機(jī)床的廠家所必須面對(duì)的主要難題之一，特別對(duì)于重型落地銑鏜機(jī)床而言，當(dāng)方滑枕伸出量達(dá)到800—1800mm 時(shí)候，在自身及內(nèi)部組件重力作用下，方滑枕伸出部分的變形量就比較大。如果使用附件，由于附件有的重達(dá)2 噸，其變形量最大達(dá)0.25mm，將嚴(yán)重影響加工產(chǎn)品平面度和加工粗糙度，也將影響數(shù)控銑鏜機(jī)床的整機(jī)精度。機(jī)床廠家為提高機(jī)床的精度和解決部件的變形問(wèn)題，主要采用兩種方法：誤差預(yù)防法和誤差補(bǔ)償法[1-2]。誤差預(yù)防法是一種“硬技術(shù)”，主要是通過(guò)提高機(jī)床各部件的加工和制造水平等途徑來(lái)消除或減少可能的誤差源，也即靠提高機(jī)床各部件的制造加工精度來(lái)滿足生產(chǎn)機(jī)床的加工精度要求。

1 方滑枕變形的誤差補(bǔ)償原理

方滑枕是重型數(shù)控落地銑鏜機(jī)床加工系統(tǒng)中的重要部件，其前端伸出主軸箱后，由于自重及外加負(fù)載等原因引起的前端向下傾斜，也即常說(shuō)的方滑枕的“低頭”現(xiàn)象?；硪苿?dòng)直線度誤差是指方滑枕前端運(yùn)動(dòng)軌跡偏離理想?yún)⒖贾本€的誤差，它決定著滑枕進(jìn)給軌跡的直線精度，是重型數(shù)控落地銑鏜機(jī)床的一項(xiàng)重要精度指標(biāo)[3-4]。方滑枕移動(dòng)直線度是保證方滑枕進(jìn)給軌跡的直線性，直接影響加工工件的精度。一是，方滑枕移動(dòng)直線度保證刀具移動(dòng)的直線移動(dòng)，進(jìn)而保證加工工件的直線度及平面度。二是，方滑枕移動(dòng)直線度影響滑枕端面與基準(zhǔn)豎直面的平行度，進(jìn)而影響鏜軸、銑軸的進(jìn)給精度，并引起刀具安裝的角度誤差，這種誤差最后影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。

2 基于PLC 測(cè)控的方滑枕?yè)隙茸冃窝a(bǔ)償方法

2.1 補(bǔ)償原理

方滑枕伸出時(shí)，由于自重等原因的影響，方滑枕產(chǎn)生撓度變形。方滑枕的位置由位置檢測(cè)元件光柵尺檢測(cè)并傳遞給數(shù)控機(jī)床，PLC 控制系統(tǒng)循環(huán)讀取方滑枕的位置信息并加以處理。PLC 將處理結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò)模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換為模擬量輸出給放大器，放大器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，最后控制液壓油管的油壓及拉桿拉力，達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

圖1 “回”字型矩形截面示意圖

2.2 拉桿拉力的計(jì)算

方滑枕上端對(duì)稱安裝兩個(gè)拉桿，拉桿拉力由多級(jí)油缸提供。通過(guò)給方滑枕兩端一個(gè)向上的彎曲力矩M，促使它向上彎曲以減小它的變形。將方滑枕簡(jiǎn)化為懸臂梁，利用材料力學(xué)梁的彈性彎曲變形經(jīng)驗(yàn)公式，已知變形反求彎曲力矩M，然后確定拉桿的拉力。而拉桿拉力與油壓成正比，油壓又與液壓比例伺服閥的輸出電流大小成正比，同時(shí)電流與PLC 控制輸出的電壓量成正比，從而實(shí)現(xiàn)方滑枕的變形補(bǔ)償。根據(jù)材料力學(xué)的彈性梁彎曲經(jīng)驗(yàn)公式：

其中：y 為方滑枕Z 向變形量，x 為方滑枕的伸出量，M 為彎矩，E為彈性模量，I 為梁的慣性矩。

根據(jù)方滑枕的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的截面可以簡(jiǎn)化為“回”字型矩形面，其示意圖如圖1 所示，慣性矩I 由公式求得：

根據(jù)公式（1）、（2）即可求得彎曲力矩M。設(shè)作用在拉桿的拉力為F，拉桿距離X 軸中性面的距離d 為200mm，則拉力F、油壓P 可表示為：

其中：S 為油缸的橫截面積，直徑為60mm，P 為油缸油壓。

由公式（3）即可求得拉桿拉力F 和油壓P。自重下方滑枕的伸出量從300～1500mm 變化時(shí)，對(duì)方滑枕進(jìn)行完全補(bǔ)償需要的拉桿拉力F和油壓P 的關(guān)系如表1 所示，圖2、圖3 為相應(yīng)的曲線變化圖。

表1 伸出量x 與拉桿拉力F 和油壓P 的關(guān)系

圖2 拉桿拉力隨方滑枕伸出量變化圖

圖3 油缸油壓隨方滑枕伸出量變化圖

根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)擬合得到拉桿拉力F（KN）隨方滑枕伸出量x（mm）變化的曲線公式為：

油缸油壓P（MPa）隨方滑枕伸出量x（mm）變化的曲線公式為：

由圖2、圖3 可以看出，方滑枕伸出量與拉桿拉力和油壓表現(xiàn)為非線性，兩條曲線非常相似。方滑枕的伸出長(zhǎng)度較短時(shí)的補(bǔ)償拉力較大，在伸出量大約為550mm 時(shí)，所需拉力最小。

3 元件的選擇

3.1 執(zhí)行元件

1）多級(jí)增壓油缸

方滑枕內(nèi)部軸向設(shè)置多級(jí)增壓油缸，從而使液體的壓力能夠成倍增加。多級(jí)增壓油缸體積小，能滿足方滑枕內(nèi)部空間小的要求，同時(shí)也能保證液壓油缸提供拉桿足夠的拉力。采用德國(guó)REXROTH 公司生產(chǎn)的ADS1-307985。

3.2 放大器

PLC 輸出0～10V 電壓信號(hào)，需要將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)控制執(zhí)行元件，選用與執(zhí)行元件配套的VT—VSPA1—1 型電子放大器。它的工作電壓是24VDC，0～10V 電壓輸入對(duì)于0～2500mA（最大）電流輸出。

3.3 PLC

西門子的S7—300 是一款功能非常強(qiáng)大的PLC 控制系統(tǒng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)，多種接口模塊靈活配置，適用環(huán)境廣泛。

3.4 位置檢測(cè)元件

為與PLC 控制系統(tǒng)配套，采用HEIDENHAIN 生產(chǎn)的LB381 型光柵尺來(lái)檢測(cè)方滑枕的位置信號(hào)，其精度等級(jí)為2μm。

3.5 PLC 控制程序

1）實(shí)際位置信號(hào)檢測(cè)

數(shù)控機(jī)床根據(jù)光柵尺時(shí)時(shí)讀取方滑枕的位置信息并送入相應(yīng)的地址，PLC 通過(guò)宏程序周期讀取該位置信息。其程序時(shí)序如圖4 所示。

圖4 程序時(shí)序圖

圖中：DQXH 為讀取請(qǐng)求信號(hào)，SHDZ 為數(shù)據(jù)地址信號(hào)，GZTZ 為故障停止信號(hào)，1—讀取數(shù)據(jù)開始，2—上升沿指示，讀取成功，3—讀取后復(fù)位，4—程序信號(hào)改變，5—開始信號(hào)在成功讀取前被復(fù)位，6—下降沿指示，讀取故障。

4 本文小結(jié)

本文對(duì)方滑枕的常用變形補(bǔ)償方法和原理進(jìn)行了闡述，通過(guò)對(duì)方滑枕的進(jìn)行補(bǔ)償，使得方滑枕滿足機(jī)床加工的精度要求，分析了方滑枕?yè)隙茸冃窝a(bǔ)償方法，建立了拉桿拉力和油壓與方滑枕伸出量的關(guān)系曲線，編制了方滑枕?yè)隙茸冃窝a(bǔ)償程序時(shí)序圖。

［1］R.Ramesh，M.A.Mannan，A.N.Poo.Error Compensation in Machine Tool—a Review PartⅠ：Geometrie，Cutting—Force Indueed and Fixture—Dependent Errors[J].International Journal of Machine Tools &Manufacture.2000：1235－1256.

［2］曲波，王躍宏，王澤民，等.大型數(shù)控臥式銑鏜床滑枕移動(dòng)傾斜的導(dǎo)軌補(bǔ)償[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2008，10：3－4.

［3］劉文志.數(shù)控臥式銑床滑枕變形有限元分析及補(bǔ)償技術(shù)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2008，1：66.