大型龍門機(jī)床自適應(yīng)框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配要點(diǎn)

漢川數(shù)控機(jī)床股份公司范會軍　劉 杰　呂國彥　王雷

大型龍門機(jī)床自適應(yīng)框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配要點(diǎn)

漢川數(shù)控機(jī)床股份公司范會軍劉 杰呂國彥王雷

通過對一種帶內(nèi)循環(huán)平衡壓力油缸裝置的新型動柱式、自適應(yīng)溫度及其它因素帶來的微量尺寸變化而能保持自身運(yùn)動精度的龍門框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，進(jìn)一步在實(shí)際裝配應(yīng)用中重點(diǎn)關(guān)注和攻克了實(shí)現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，使其設(shè)計(jì)的目的和作用在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中達(dá)到了預(yù)期的效果，有效解決了動柱式、大跨度龍門機(jī)床作為基礎(chǔ)支撐件的龍門框架在外界條件適量變化的情況下的精度保持難題和制造瓶頸。

龍門框架移動式機(jī)床結(jié)構(gòu)多應(yīng)用于大型、重型、超重型機(jī)床，其不僅避免了對大重量運(yùn)動部件的拖動而帶來的高能損耗，而且使得運(yùn)動部件相對輕量化和對運(yùn)動行程支撐零件尺寸的進(jìn)一步縮減。

此類機(jī)床工作臺一般為落地式置放，在工作臺的兩側(cè)各有一個用于支承龍門框架沿坐標(biāo)方向運(yùn)動的固定式床身。故運(yùn)動式龍門框架的運(yùn)動精度不僅依賴于作為支撐、導(dǎo)向的兩個床身，更取決于自身精度的保持與變化。影響龍門框架運(yùn)動精度的因素包括超長行程機(jī)床較大的安裝調(diào)試誤差，受環(huán)境溫度變化和加工中自身溫度變化而引起的熱脹冷縮變形造成的線性尺寸變化，或這種尺寸變化的趨勢使移動龍門框架所形成和承受較大的內(nèi)應(yīng)力。

傳統(tǒng)龍門移動式機(jī)床的龍門框架和兩側(cè)支撐運(yùn)動的滑座都為剛性固定（滑座沿床身導(dǎo)軌運(yùn)行），這種剛性結(jié)構(gòu)在外界溫度和機(jī)床工作過程中產(chǎn)生的溫度變化，勢必影響該結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力變化導(dǎo)致機(jī)床零件的幾何精度發(fā)生變化，這不僅影響機(jī)床的工作精度，甚至?xí)斐蓜傂赃B接的損壞而導(dǎo)致機(jī)床損壞。特別是對于高速度、高精度、高剛度和超長行程的大型龍門移動式機(jī)床來說，以上各種因素對機(jī)床整體性能的影響就更加突出。這種微動態(tài)的變化所形成的不利因素，即使采用提高機(jī)床零部件的制造精度和裝配精度都很難消除其對機(jī)床整體性能的影響，故要從根本上消除這種動態(tài)應(yīng)力對龍門框架運(yùn)動精度的影響，就必須在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上提供消除這種不確定動態(tài)應(yīng)力的機(jī)構(gòu)或裝置，來保證龍門框架既要有足夠的支撐剛性還要具備能釋放、舒緩應(yīng)力變形造成的精度下降和變化的功能。

本文以很好解決以上問題而設(shè)計(jì)的 “自適應(yīng)龍門框架”機(jī)構(gòu)，從其結(jié)構(gòu)的分析和實(shí)際裝配應(yīng)用的特點(diǎn)入手，從分析結(jié)構(gòu)要點(diǎn)和總結(jié)裝配關(guān)鍵點(diǎn)出發(fā)，詳細(xì)地做一分析和分享。

該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要包括兩大部分：自適應(yīng)龍門框架和內(nèi)循環(huán)平衡壓力油缸。

1. 自適應(yīng)龍門框架結(jié)構(gòu)分析

圖1　自適應(yīng)龍門框架結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，自適應(yīng)龍門框架是由左立柱4、右立柱2、頂梁3和右滑座1、微動托板5、左滑座6、內(nèi)循環(huán)平衡壓力油缸裝置7和一組微動導(dǎo)軌8等零部件組成。

從結(jié)構(gòu)圖中可以看出：龍門框架的右端，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本一致，即支撐固定立柱和橫梁的滑座1落在了對其起支撐和運(yùn)動導(dǎo)向作用的右床身上而組成相對的運(yùn)動連接。而龍門框架的左端在與右端相同的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在滑座的上面增加了一層可自由微動的結(jié)構(gòu)，即左立柱固定連接一個托板5，其下部通過一組直線滾動導(dǎo)軌8與床身滑座6組成一個能相對運(yùn)動的微動機(jī)構(gòu)，微動方向與龍門框架的伸長方向相一致，也即與龍門框運(yùn)動的方向相垂直。由這樣兩個分別坐落在不同結(jié)構(gòu)的床身滑座上的左、右立柱，上端與頂梁3固定連接而組成了一種全新的龍門框架結(jié)構(gòu)。但是這種動態(tài)連接方式在單獨(dú)出現(xiàn)時是大大降低了機(jī)床的連接剛性，這時就需要帶有一定壓力的內(nèi)循環(huán)平衡壓力油缸裝置7來雙向、動態(tài)夾緊龍門框的自由微動端，從而確保整個龍門框架的整體剛性不受影響。

2.內(nèi)循環(huán)平衡壓力油缸裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖2所示，內(nèi)循環(huán)平衡壓力油缸裝置主要是由油缸支座1、兩個單向閥8、油缸體4、油缸蓋5、活塞桿6、兩個溢流閥7組成。缸體4中左右兩個油腔大小相等，每個油腔分別連接一個單向閥8及接頭等液壓元件，在裝置使用前用來向缸體的左右兩個油腔分別注入壓力油，每個油腔各裝有一套油腔壓力微調(diào)組件，用來排除液體內(nèi)的空氣和微量調(diào)定壓力。兩個溢流閥7的進(jìn)油口分別與左右兩個油腔相連，與左腔連接的溢流閥的出油口連接在右腔溢流閥的進(jìn)油口，與右腔連接的溢流閥的出油口連接在左腔溢流閥的進(jìn)油口。

油缸支座1安裝在圖1所示自適應(yīng)龍門框架非定位側(cè)（即自由微動端）的床身滑板3上，并與其運(yùn)動方向垂直，床身滑板3沿床身導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)X軸運(yùn)動。內(nèi)循環(huán)平衡壓力油缸裝置的輸出端活塞桿6一端與托板9固定聯(lián)接，另一端為自由端。

圖3　內(nèi)循環(huán)平衡壓力油缸液壓原理圖

由內(nèi)循環(huán)平衡壓力油缸裝置的液壓原理圖可以看出：該裝置在工作前需經(jīng)兩個單向閥1和8向缸體3左右油腔注入一定壓力的液壓油，然后調(diào)整油腔壓力微調(diào)組件4和7進(jìn)行排氣并微量調(diào)定壓力。因油缸兩腔活塞的作用面積相同，在相同油壓作用下活塞應(yīng)在中間位置并處于鎖緊狀態(tài)（鎖緊力的大小與油壓和活塞面積有關(guān)）。

將這樣一個調(diào)試好一定壓力的平衡油缸裝置固定在機(jī)床龍門框的自由微動端的油缸支座上，活塞桿與微動托板固定聯(lián)接，這樣就相當(dāng)于用一定的雙向夾緊力“穩(wěn)”住了微動托板，使移動龍門框架在當(dāng)前狀態(tài)下處于一種動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)龍門框架的頂梁因熱伸長或其它原因發(fā)生變形時，推動圖2中的托板9向左移動時，油缸左腔的壓力升高，在達(dá)到設(shè)計(jì)要求的設(shè)定值后，與左油腔連接的溢流閥開啟并卸荷，托板等組件沿微動導(dǎo)軌微量左移動，這樣左腔的液壓油流入右腔，并使其壓力逐漸升高，當(dāng)左右油腔壓力相等時，系統(tǒng)再次達(dá)到平衡，此時因龍門框架伸長產(chǎn)生的變形和內(nèi)應(yīng)力在釋放后由平衡油缸的固定載荷重新把托板固定“穩(wěn)”住，保持了一定的剛性。同理，當(dāng)頂梁因冷縮等原因帶動托板向右回縮時，油缸右腔壓力升高并達(dá)到設(shè)計(jì)要求的設(shè)定值后，右油缸連接的溢流閥開啟并流入左腔卸荷，托板等組件沿微動導(dǎo)軌微量右移動，使油缸左腔的壓力逐漸升高，當(dāng)左右油腔壓力相等時系統(tǒng)再次達(dá)到平衡，此時因回縮而產(chǎn)生的龍門框架變形和內(nèi)應(yīng)力釋放后由平衡油缸的固定載荷再次重新把托板固定“穩(wěn)”住。所以不管橫梁伸長或回縮，該機(jī)構(gòu)始終緊緊動態(tài)夾緊龍門框架的托板，使整個消除變形和內(nèi)應(yīng)力的過程中，龍門框架的結(jié)構(gòu)剛性始終保持不減弱。

值得注意的是，為防止機(jī)床在切削加工時因沿微動導(dǎo)軌方向上的切削力而使該動態(tài)裝置產(chǎn)生龍門框架的微動，這樣勢必會對機(jī)床的加工精度產(chǎn)生影響。所以在計(jì)算設(shè)定平衡油缸的溢流閥開啟條件時，必須要求當(dāng)沿微動導(dǎo)軌移動方向產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大于沿該方向的最大切削力時，兩個溢流閥方可產(chǎn)生溢流動作。該裝置的動態(tài)夾緊所需壓力大小的調(diào)整，可通過控制注入油缸兩腔的油壓來實(shí)現(xiàn)。

3.自適應(yīng)龍門框架的裝配要點(diǎn)和實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)

在自適應(yīng)龍門框架部件的總成裝配過程中，按照以上所分析的主要兩大部分可劃分為微動裝置的裝配和內(nèi)平衡壓力油缸的裝配。

（1）微動裝置的裝配

依照前面的結(jié)構(gòu)分析可知，微動裝置是在安裝于床身滑板上又增加的一層水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)，這層水平微動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度基礎(chǔ)不僅依賴于它自身幾條導(dǎo)軌的運(yùn)動精度，也與支撐它的下端滑座相互連接的之間的幾何精度有關(guān)。

下端滑座與床身導(dǎo)軌的裝配時，采用“修配裝配法”裝配，因?yàn)樵诿總€導(dǎo)軌塊上都配有一塊用于調(diào)整等高的調(diào)整墊，也就是為了保證支撐滑座的每一塊導(dǎo)軌塊受力均勻，運(yùn)動平穩(wěn)。

先將每一塊預(yù)先加工過的調(diào)整墊置于已裝配完成的導(dǎo)軌的每一個導(dǎo)軌塊上面，選擇已安裝好的一條基準(zhǔn)導(dǎo)軌的一個導(dǎo)軌塊作為基準(zhǔn)導(dǎo)軌塊，將千分表固定于上面，用以檢測其它導(dǎo)軌塊上自然放置的調(diào)整墊相互之間的等高差值并做記錄，還要把每個與導(dǎo)軌塊一一對應(yīng)的調(diào)整墊做編碼標(biāo)記標(biāo)識出，以便在修整調(diào)整墊后找到它在檢測時所屬于的導(dǎo)軌塊位置，此處通過調(diào)整墊的修配，要求每個導(dǎo)軌塊的共面度在0.01mm以內(nèi)，這樣就保證了微調(diào)機(jī)構(gòu)的支撐基礎(chǔ)在一個較高的運(yùn)動精度要求范圍內(nèi)。

微調(diào)機(jī)構(gòu)的三條導(dǎo)軌是安裝于滑座上面的，這三條導(dǎo)軌不但要求相互之間的共面度、平行度在0.01mm范圍內(nèi)，還得保證它們與滑座下面的運(yùn)動導(dǎo)軌之間的垂直度保證在0.015mm內(nèi)。在裝配微調(diào)機(jī)構(gòu)的這三條導(dǎo)軌時，因?yàn)樵诹慵募庸r已嚴(yán)格控制了其安裝基準(zhǔn)面的精度，故只采用“調(diào)整裝配法”做一些小的修整調(diào)整便可完成。

先選擇三條導(dǎo)軌中的一條基準(zhǔn)導(dǎo)軌與滑座下的縱向運(yùn)動導(dǎo)軌做相互垂直度的檢測，因縱向運(yùn)動導(dǎo)軌是已經(jīng)裝配調(diào)整好的基準(zhǔn)導(dǎo)軌，故用大理石角尺或方尺以此作為基準(zhǔn)來安裝調(diào)整微動機(jī)構(gòu)的基準(zhǔn)導(dǎo)軌，要求垂直度誤差在0.015mm范圍內(nèi)；然后再將其余兩條導(dǎo)軌與裝配固定好的基準(zhǔn)導(dǎo)軌做平行度的檢測和裝配，要求分別以基準(zhǔn)導(dǎo)軌作基準(zhǔn)來對比檢驗(yàn)、調(diào)整、裝配，誤差保證在0.01mm范圍內(nèi)。

由于微動機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌在承載著立柱、橫梁、主軸箱的重量及加工切削力的重載下只在極小范圍內(nèi)運(yùn)動，所以導(dǎo)軌的承載滑塊的潤滑就顯得極其關(guān)鍵和重要。導(dǎo)軌塊的潤滑采用以下步驟進(jìn)行：首先應(yīng)分別從各自的導(dǎo)軌上謹(jǐn)慎操作依次卸下每一個導(dǎo)軌塊，在內(nèi)腔滾動體上均勻涂抹型號為BEM 34-132的潤滑脂后，再小心安裝到導(dǎo)軌上， 并沿導(dǎo)軌以先慢后快的速度來回推拉運(yùn)動二十個往復(fù)以上，目的是使?jié)L動體充分的得到潤滑脂的粘合、包裹。然后再小心拆下導(dǎo)軌滑塊再涂抹潤滑脂，并從滑塊兩端的潤滑油嘴用油脂槍注油，注滿為止，再次將滑塊依次裝到各自的導(dǎo)軌上并重復(fù)推拉運(yùn)動，最后在安裝好潤滑管路后，用油脂槍再次將連接滑塊潤滑接頭的油管充滿，這樣才能保證微動導(dǎo)軌的每個滑塊在重載條件下的充分可靠的潤滑，進(jìn)而保證微動機(jī)構(gòu)的有效、可靠的運(yùn)行。

（2）內(nèi)循環(huán)平衡壓力油缸裝置的裝配

內(nèi)循環(huán)平衡壓力油缸在自適應(yīng)龍門框架結(jié)構(gòu)中是一個起到“柔性”調(diào)節(jié)而“剛性”固定的非常關(guān)鍵的集成液壓部件，故它的裝配除要保證液壓裝置的裝配的條件外，還要在與主機(jī)聯(lián)接調(diào)試過程中做好精細(xì)的調(diào)節(jié)工作。

圖4　內(nèi)循環(huán)平衡壓力油缸加油方式示意圖

在依照圖2的結(jié)構(gòu)完成部件的組裝后，最關(guān)鍵的是在于按以下的步驟來進(jìn)行左右油腔的注油工作。

如圖4所示，首先應(yīng)按照設(shè)計(jì)計(jì)算的平衡油缸所承受的最大開啟壓力來調(diào)整油路塊上的溢流閥的溢流壓力達(dá)到設(shè)定值，然后將液壓泵的出油口用一個三通裝置分為兩路并用等長的液壓油管連接（目的是保證這兩路液壓油壓力充分相等），再將這兩路液壓油管分別與油缸的左右油腔進(jìn)油口上的單向閥可靠連接；啟動液壓泵，使兩路油管同時以同等壓力向油缸體的左右油腔注油，保證左右油腔的注油壓力相等，在注油過程中可小心調(diào)整安裝在左右油腔上的微調(diào)裝置，目的是排除油腔內(nèi)的空氣使油液以相同的壓力充分充滿左右油腔，使整個內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)處于一種平衡狀態(tài)。這樣經(jīng)按設(shè)定壓力注油后的平衡油缸才可安裝于自適應(yīng)龍門框架結(jié)構(gòu)中。

將注油后的平衡油缸按照圖2所示的位置先把油缸活塞桿6端頭M36×1.5的外螺紋旋入立柱托板9的螺紋孔內(nèi)，然后再配磨油缸支座1與床身滑板3結(jié)合面之間的調(diào)整墊2，注意在裝配時保證活塞桿與旋入托板上的螺紋孔同軸，不可有額外的受力，最后在自然狀態(tài)下將油缸支座1固定在床身滑板3上，可用扳手旋轉(zhuǎn)活塞桿，如能輕松在托板螺紋孔中旋轉(zhuǎn)，說明此時的內(nèi)平衡油缸沒有任何外力的加載，即達(dá)到裝配要求。

至此，用于大型、重載龍門機(jī)床的自適應(yīng)龍門框架結(jié)構(gòu)，其主要兩大部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析和裝配操作要點(diǎn)詳述于此。

4.結(jié)語

大型、重載機(jī)床在受外界環(huán)境條件的動態(tài)變化而帶來的運(yùn)動精度變化，需要設(shè)計(jì)精巧的輔助機(jī)構(gòu)來達(dá)到解決的目的。作為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)思路的最終制造——裝配環(huán)節(jié)，也是機(jī)床和設(shè)備制造過程中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是裝配操作者用對設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的理解和精細(xì)化的操作技能來體現(xiàn)、完成設(shè)計(jì)者目標(biāo)的再創(chuàng)造過程?！?/p>

［1］ 聞邦椿機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］雷天覺新編液壓工程手冊.北京理工大學(xué)出版社，1998.

［3］花國梁精密測量技術(shù).清華大學(xué)出版社，1990.［4］柯明揚(yáng)機(jī)械制造工藝學(xué).北京航空航天大學(xué)出版社，1996.