FBC160rh數(shù)控落地式銑鏜床主軸箱部件設(shè)計(jì)分析

孫玉民 劉 磊

(①沈陽(yáng)中捷機(jī)床有限公司，遼寧沈陽(yáng)110142;②大連理工大學(xué)，遼寧大連116024)

FBC160rh數(shù)控落地式銑鏜床，是針對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)非常需求大功率，大扭矩，高轉(zhuǎn)速的大型數(shù)控落地式銑鏜床而研發(fā)的。隨著機(jī)械加工朝著高精度、高速度、高自動(dòng)化方向發(fā)展，數(shù)控落地式銑鏜床已成為一種集機(jī)、電、液為一體的技術(shù)密集型產(chǎn)品，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用。主要技術(shù)參數(shù):主軸扭矩6 000/8 000 N·m;主軸轉(zhuǎn)速 5～1 500 r/min(無級(jí));方滑枕截面480 mm×540 mm;滑座行程(X)軸6 000 mm(任意加長(zhǎng));主軸箱行程(Y軸)3 000 mm(可加高)滑枕最大行程(Z軸)1 200 mm;主軸最大行程(W軸)1 200 mm;機(jī)床定位精度X、Y、Z、W軸均為0.01 mm/1 000 mm。由機(jī)床以上的技術(shù)參數(shù)不難看出此機(jī)床要求轉(zhuǎn)速高，扭矩大，各向行程大，定位精度高。要保證機(jī)床精度，主軸箱部件設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。主軸箱部件由主軸部件、滑枕部件、主軸箱體組成。本文對(duì)FBC160rh主軸箱部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，以驗(yàn)證其是否滿足機(jī)床各項(xiàng)精度要求。

1 主軸部件對(duì)機(jī)床精度的影響

FBC160rh主軸部件為多層式，其外層為銑軸只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，內(nèi)層為鏜軸兼有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向移動(dòng)。主軸部件是決定機(jī)床性能的重要因素。為提高主軸部件精度采取如下措施:

(1)在保證主軸部件最大剛度的情況下，主軸采用兩支撐結(jié)構(gòu)，主軸支撐選用SKF精密主軸角接觸球軸承，通過選取正確配合和與合適的預(yù)緊力來提高主軸剛度;(2)采用循環(huán)冷卻系統(tǒng)對(duì)主軸軸承進(jìn)行冷卻，降低主軸因溫升而引起的變形;(3)盡量減少主軸前端懸伸;(4)采用獨(dú)立的變速箱，避免傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)主軸部件的干擾;(5)主軸移動(dòng)導(dǎo)向?yàn)橹本€導(dǎo)軌且?guī)Т艝艤y(cè)量，形成閉環(huán)控制，提高主軸定位精度;(6)注重裝配調(diào)整質(zhì)量，使各種誤差盡可能相互抵消。

2 滑枕部件對(duì)機(jī)床精度的影響

由于滑枕在主軸箱內(nèi)作前后移動(dòng)，當(dāng)滑枕懸伸較大時(shí)，滑枕將產(chǎn)生撓度?；懋a(chǎn)生撓度有2個(gè)原因:(1)滑枕與主軸箱導(dǎo)軌面接觸的彈性變形;(2)滑枕自重產(chǎn)生的彎曲變形。所以滑枕與主軸箱導(dǎo)軌采用了閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，避免了滑枕與主軸箱導(dǎo)軌接觸面接觸的彈性變形;為避免滑枕自重產(chǎn)生的彎曲變形，在滑枕上部的2個(gè)角上分別設(shè)計(jì)了2個(gè)作用拉桿及油缸(圖1)，解決了滑枕懸伸因自重產(chǎn)生撓度的問題。

該結(jié)構(gòu)主要由拉桿、油缸、活塞、定位套和雙數(shù)字式伺服電液比例閥等組成。壓力油通過P口進(jìn)入油缸體3作用于活塞2，經(jīng)螺母1、定位套6、鎖緊螺釘7壓力油使拉桿對(duì)滑枕產(chǎn)生一個(gè)拉力，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑枕移動(dòng)伸出后彎曲變形的補(bǔ)償。隨著滑枕伸出長(zhǎng)度的不同，滑枕的彎曲變形值也發(fā)生變化，這就要求拉桿的拉力也要隨著滑枕的伸出長(zhǎng)度來做相應(yīng)變化才能滿足彎曲變形補(bǔ)償?shù)囊?。因此，設(shè)計(jì)中我們?cè)谝簤夯芈飞习惭b2個(gè)數(shù)字式伺服電液比例閥，分別控制2個(gè)液壓油缸壓力的大小。當(dāng)滑枕不斷伸出時(shí)，數(shù)字式伺服電液比例閥控制油缸油壓逐漸升高，使拉桿的拉力不斷增大;當(dāng)滑枕不斷縮回時(shí)，數(shù)字式電液比例閥又控制油缸油壓逐漸降低，使拉桿拉力不斷減小。這樣就能使拉桿拉力得到不斷的調(diào)整，保證了滑枕在移動(dòng)伸出過程中各個(gè)位置的直線高度不變，從而保證了滑枕移動(dòng)時(shí)的剛度，大大減小了滑枕伸出時(shí)因自重產(chǎn)生變形而導(dǎo)致的主軸精度誤差。

3 主軸箱重心偏移對(duì)機(jī)床精度的影響

FBC160rh數(shù)控落地式銑鏜床滑枕部件重約6 t。隨著滑枕沿Z軸向前移動(dòng)，主軸箱部件的重心會(huì)隨之改變，導(dǎo)致主軸箱體傾斜，出現(xiàn)主軸箱低頭現(xiàn)象，影響機(jī)床的加工精度。對(duì)于主軸箱低頭的補(bǔ)償，目前方法主要是通過檢測(cè)方滑枕的位置來控制電液比例閥，再通過電液比例閥控制平衡油缸的壓力來調(diào)節(jié)主軸箱的重心。見圖2主軸箱重心補(bǔ)償簡(jiǎn)圖。圖2的主軸箱由絲杠拖動(dòng)，在主軸箱上有前后2組鋼絲繩與平衡重錘連接沿立柱導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng);方滑枕在主軸箱內(nèi)通過絲杠拖動(dòng)，在主軸箱內(nèi)做伸出和縮回，方滑枕的伸出，加上各種附件的重量，使得主軸箱重心前移，產(chǎn)生一個(gè)力矩，使主軸箱前傾，出現(xiàn)低頭，直接影響機(jī)床的加工精度。因此，在主軸箱前吊點(diǎn)箱體與鏈條之間串接一個(gè)油缸，通過NC裝置、放大器和比例閥等來控制油缸的壓力，來補(bǔ)償由于主軸箱重心變化出現(xiàn)的主軸箱低頭現(xiàn)象。這種補(bǔ)償方式雖然有一定的效果，但其滯后較大，不能實(shí)時(shí)對(duì)主軸箱的重心偏移做出補(bǔ)償，且對(duì)滑枕前端安裝附件無法補(bǔ)償。

FBC160rh數(shù)控落地式銑鏜床較好地解決了這一難題，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。主軸箱拖動(dòng)采用的是雙電動(dòng)機(jī)、雙絲杠拖動(dòng)，雙光柵檢測(cè)。這種結(jié)構(gòu)的工作原理是:在主軸箱前后布置了2根驅(qū)動(dòng)絲杠5和6，分別由18、19兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。在每根絲杠附近安裝了光柵尺3和4，用于檢測(cè)主軸箱前后兩處所在的位置狀態(tài)，其檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送給NC裝置經(jīng)處理后，分別控制18、19伺服電動(dòng)機(jī)。當(dāng)滑枕向外伸出或滑枕前端安裝附件頭時(shí)，主軸箱的重心發(fā)生前移變化，主軸箱有低頭的趨勢(shì)，此時(shí)前端光柵尺3檢測(cè)出這種變化并經(jīng)NC裝置控制伺服電動(dòng)機(jī)18轉(zhuǎn)動(dòng)，使主軸箱前端恢復(fù)到預(yù)先設(shè)定的坐標(biāo)位置，滑枕反向移動(dòng)縮回時(shí)，主軸箱的重心發(fā)生后移變化，也進(jìn)行同樣的控制。這樣主軸箱體就保持了原有的平衡狀態(tài)。該結(jié)構(gòu)較好地解決了數(shù)控落地式銑鏜床主軸箱重心偏移問題，具有響應(yīng)快，無滯后，精度高等特點(diǎn)。

FBC160rh主軸箱部件在整機(jī)的生產(chǎn)試造中得到驗(yàn)證，效果很好，機(jī)床精度得到保證，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。