消除滑枕低頭現(xiàn)象的機(jī)構(gòu)研究與設(shè)計

管西巧，趙慶志，隋鵬林，高躍武

(1．山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博 255049;2．山東恒濤節(jié)能環(huán)保有限公司，山東濰坊 261500)

牛頭刨床是一種用于平面切削的機(jī)床，由于滑枕的機(jī)構(gòu)類似于一個長方體，因此把滑枕的結(jié)構(gòu)簡化為一個懸臂梁。刨床未開始加工時滑枕與支撐座之間受力平衡，隨著滑枕伸出量的增加，其重心位置發(fā)生變化引起滑枕和支撐座之間受力不均勻而出現(xiàn)縫隙，導(dǎo)致滑枕出現(xiàn)“低頭現(xiàn)象”。隨著伸出量的增加，“低頭現(xiàn)象”就越嚴(yán)重。傳統(tǒng)的誤差補償方法有:康獻(xiàn)民提出了兩種控制滑枕低頭的機(jī)構(gòu):支撐座重心偏移結(jié)構(gòu)和滑枕重心移動平衡結(jié)構(gòu);富拉爾基第一重型機(jī)器廠提出用PC軟件自動補償滑枕低頭;王鴻博等采用滑枕平衡鏈條上的測力傳感器作為鏈條張力反饋信號，提出一種重錘平衡調(diào)制的閉環(huán)控制方法;西班牙SCEM公司通過PID雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器輸出一個穩(wěn)定信號給比例電液閥調(diào)節(jié)平衡油缸。袁邦輝等申請了一項專利，研究了一種滑枕懸伸撓度動態(tài)補償校正機(jī)構(gòu)，補償裝置安裝在滑枕內(nèi)部。雖然對于滑枕的“低頭現(xiàn)象”已經(jīng)有很多的補償方法，但是都存在著某些問題，文中在上述研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上提出了一種新的誤差補償方法。

1 誤差分析

為了分析滑枕在工作過程中是否發(fā)生了變形，需要對滑枕運動過程進(jìn)行受力分析。根據(jù)上面的分析，假設(shè)滑枕為一個懸臂梁之后，運用材料力學(xué)的知識對滑枕的初始狀態(tài)和滑枕伸出量最大這兩種情況進(jìn)行受力分析。滑枕在初始狀態(tài)時懸臂梁受力平衡，此時滑枕的撓度為零;工作時，隨著滑枕伸出量的不斷增加，其受力在不斷發(fā)生變化，滑枕伸出量最大時的受力如圖1所示(設(shè)此時滑枕的重力及兩個支撐座給滑枕的兩個反作用力這3個力的合力為F，方向豎直向下，力F距離刨刀為a，距離另一端為b)。建立坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)為x，縱坐標(biāo)為f。受力分析過程如下:(1)建立坐標(biāo)系的同時求出彎矩方程

圖1 滑枕伸出量最大時的受力

(2)求微分方程的積分

(3)用位移邊界條件求積分常數(shù)C1、C2、D1、D2(其中θ為滑枕傾斜角度)

(4)求出彈性曲線方程

(5)確定最大撓度及最大轉(zhuǎn)角

由上面的計算分析可以看出滑枕在伸出過程中撓度發(fā)生了變化，說明滑枕發(fā)生了變形，因此，為了實際零件加工精度的需要，必須對滑枕的這種變形誤差進(jìn)行補償，以得到高精度的零件產(chǎn)品。

2 選用元器件

2.1 陀螺儀+加速度傳感器

傾角傳感器體積小、質(zhì)量輕，易于集成并且部分傾角傳感器具有串口通信，可直接接單片機(jī)，被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、礦業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域?，F(xiàn)在市場上銷售的傾角傳感器大部分只用于靜態(tài)測量，它們是運用慣性原理的一種加速度傳感器，其理論基礎(chǔ)就是牛頓第二定律，雖然能有效地測出被測物體的傾斜角度，但由于積分效應(yīng)造成的累積誤差問題以及由于加速度而造成的動態(tài)信號問題都限制了傾角傳感器的使用范圍。而要測滑枕隨伸出量變化傾斜角度相應(yīng)地怎樣變化需要一種動態(tài)傳感器。陀螺儀的測量物理量是偏轉(zhuǎn)、傾斜時的轉(zhuǎn)動角速度。它可以積分得到角度關(guān)系，動態(tài)性能好，受外部干擾小，但測量值隨時間變化比較大。加速度傳感器(也就是現(xiàn)在人們常說的用于靜態(tài)測量的傾角傳感器)是極易受外部干擾的傳感器，但是測量值隨時間的變化相對較小。利用這兩種傳感器優(yōu)缺點互補，作者將測量方向的陀螺儀和測量位移的加速度傳感器結(jié)合起來用于滑枕傾斜角度的動態(tài)測量，采用集成了陀螺儀和加速度傳感器的MPU-6050模塊。

2.2 液壓缸、垂直導(dǎo)向補償裝置

采用缸筒固定式的單作用單活塞高壓液壓(缸)千斤頂。這種液壓缸結(jié)構(gòu)簡單，配置靈活，它能夠?qū)⒁簤耗苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能，在重工業(yè)設(shè)備、煤礦機(jī)械、工程機(jī)械上的應(yīng)用最為廣泛。選用液壓缸是為了給垂直方向誤差補償裝置提供動力。為了補償因滑枕重力而產(chǎn)生的在垂直方向的誤差，需要在對誤差進(jìn)行實時監(jiān)測的同時，在垂直方向進(jìn)行誤差補償。采用包含鏈輪、鏈條的由液壓缸驅(qū)動的裝置來實時補償垂直方向的誤差。由陀螺儀+加速度傳感器和液壓缸驅(qū)動的垂直補償裝置組成的閉環(huán)控制原理如圖2所示。

圖2 閉環(huán)控制原理圖

3 新改進(jìn)的誤差補償機(jī)構(gòu)

新型補償機(jī)構(gòu)的電氣原理圖如圖3所示。首先將傳感器用螺栓固定安裝在滑枕上，注意安裝完成之后要將傳感器調(diào)零。滑枕工作時，由陀螺儀和加速傳感器實時監(jiān)測滑枕在垂直方向的角度變化，傳感器內(nèi)部具有InvenSense的運動處理資料庫，可處理運動感測的復(fù)雜數(shù)據(jù)，降低了運動處理運算對操作系統(tǒng)的負(fù)荷，并為應(yīng)用開發(fā)提供架構(gòu)化的API。這些信號是模擬量信號，需要對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理。這種測量方式考慮到了滑枕運動時的加速度影響，因此測量的傾角大小更為準(zhǔn)確。將所有這些檢測信號的裝置集成到一個模塊上，既方便安裝又節(jié)省了空間。把處理后的信號經(jīng)SDA、SCL接口連接到計算機(jī)的P1.0和P1.1(采用單片機(jī)AT89S52作為控制中心的PLC自動控制電路)。在單片機(jī)中對兩個口地址P1.0和P1.1進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)傳感器發(fā)出滑枕有偏角信號時P1.0發(fā)低電平，由P1.0發(fā)信號對滑枕進(jìn)行調(diào)平處理;當(dāng)傳感器未發(fā)出滑枕有傾角變化時P1.1發(fā)低電平，說明滑枕未開始工作，不需要對滑枕進(jìn)行調(diào)平處理。計算機(jī)處理完的反饋信號經(jīng)單片機(jī)AT89S52接口傳遞給脈寬調(diào)制放大器，控制電液伺服閥發(fā)出信號指令，伺服閥控制液壓缸輸出所需要的機(jī)械能。液壓缸下面安裝導(dǎo)向輪，輪子沿著帶有導(dǎo)軌的鐵板1(見圖4)跟著滑枕做滑動運動。液壓缸驅(qū)動垂直補償裝置進(jìn)行誤差補償。這種原理相當(dāng)于“蹺蹺板”原理，當(dāng)板子的一端往下沉?xí)r需要在另一端施加一個同樣大小的往下的力進(jìn)行平衡。其中垂直補償裝置的原理如圖4所示。垂直補償裝置中鏈條的一端和活塞桿相連，另一端和一對鏈輪咬合，鏈輪安裝在鏈輪軸上，在鏈輪軸上有兩對鏈輪，另外一對鏈輪、鏈條和鋼板5連接。當(dāng)滑枕偏離水平位置時P1.0發(fā)低電平，由電液伺服閥控制液壓缸減壓，活塞桿帶動鏈條和鏈輪往下運動，同時拉動鋼板6和滑枕下降來補償滑枕偏離水平方向的誤差。

圖3 新型機(jī)構(gòu)的電氣原理圖

圖4 垂直方向補償機(jī)構(gòu)

4 結(jié)束語

這種補償機(jī)構(gòu)的優(yōu)點:

(1)該補償機(jī)構(gòu)能夠?qū)C(jī)床因滑枕重力而導(dǎo)致的加工誤差大大降低，確保實現(xiàn)機(jī)床預(yù)定的工件加工精度，同時解決了以前的補償方法中實時性差的問題;

(2)利用陀螺儀和加速度傳感器實時動態(tài)監(jiān)測滑枕在豎直方向上的角度變化，它敏度高、反應(yīng)快、精度高、不易受機(jī)床加速度變化的影響;

(3)液壓缸驅(qū)動的豎直補償裝置很好地補償因滑枕重力在豎直方向產(chǎn)生的變形，研究采用的閉環(huán)控制系統(tǒng)精度高、效率高。

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