利用垂度補償提高數(shù)控落地鏜滑枕加工精度

俞志鋒 江 懿 劉 紅

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

某機床廠生產(chǎn)的TK6920B數(shù)控落地鏜在我公司一直承擔著繁重的加工任務，由于常年高負荷運轉(zhuǎn)，近年來操作人員反映設備滑枕精度下降嚴重。每次通過精度調(diào)整能達到使用要求，使用一段時間后精度又不能滿足加工要求。此種現(xiàn)象越來越明顯，已無法通過機械調(diào)整達到工藝要求。設備制造廠技術人員到現(xiàn)場診斷，判定為機械硬件磨損，需將設備床頭箱整體返廠維修，周期3個月以上。由于公司生產(chǎn)任務繁重，且考慮到費用問題，最終決定自主維修。

1 故障現(xiàn)象及控制原理分析

1.1 故障現(xiàn)象

先利用專業(yè)檢測量具(方尺、平尺)對滑枕精度進行檢測，發(fā)現(xiàn)滑枕全長1200 mm仰頭0.23 mm。隨后機械員與維修人員一起對滑枕結構進行分析，TK6920B數(shù)控落地鏜滑枕撓度補償控制機構與國內(nèi)其他機床廠家補償控制機構原理有區(qū)別，大多數(shù)機床廠的落地鏜滑枕撓度補償為液壓缸式補償機構，見圖1所示。液壓缸位于床頭箱前段，利用液壓比例閥控制液壓缸的升降，拉動床頭箱上揚或下降，從而保證滑枕運行軌跡的直線度，達到保證滑枕幾何夾角精度的目的。但某廠生產(chǎn)的B系列數(shù)控落地鏜滑枕撓度補償機構利用了較為先進的控制方式，用了兩套補償裝置，分別為滑枕自重撓度平衡補償和拉桿液壓補償兩部分，見圖2。

圖1 傳統(tǒng)的滑枕撓度液壓缸補償原理簡圖

1—滾動體 2—自重撓度平衡補償機構 3—拉桿 4—鎖緊螺母 5—拉桿液壓撓度補償機構 6—補償油缸 7—補償滾動體運行導軌

1.2 補償原理

滑枕自重撓度平衡補償?shù)脑頌椋涸诨碇行奈恢迷O置兩支撐油缸，油缸外安裝有兩個直線滾動塊，支撐滑枕把合在主軸箱箱體內(nèi)的導軌上運行，根據(jù)計算，導軌預加工成有撓度的現(xiàn)狀，保證滑枕在移動時的下?lián)隙确显O計要求。

拉桿液壓撓度補償?shù)脑頌椋涸诨砩喜吭O置兩根預計拉桿，在拉桿后部安裝有兩個增壓油缸，用來增強滑枕的抗下?lián)夏芰?，并可根?jù)滑枕的負載變化實現(xiàn)編程控制拉桿預緊力。

2 故障分析及檢查

了解該設備的故障現(xiàn)象及控制原理后，便可有針對性的對故障點進行排查。首先對拉桿液壓撓度補償進行排查，通過對兩個增壓油缸壓力的測量，對照設計要求值，排除了該機構故障的可能性。

從檢測數(shù)據(jù)來看，滑枕伸出過程中其運動軌跡整體上揚。一般，鏜床的滑枕或鏜桿在伸出時，由于滑枕或鏜桿的自身重力，常規(guī)情況下滑枕或鏜桿都是下垂趨勢。但從對該設備的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看卻是上揚，極有可能是由于滑枕自重撓度補償機構的兩個支撐油缸或滾動塊出現(xiàn)故障，導致自重補償支撐機構失效，由于滑枕重心偏移后，使滑枕整體上翹。通過對機床床頭箱結構分析，要檢查驗證上述判斷，必須將滑枕脫出。經(jīng)逐步拆解，滑枕抽出，發(fā)現(xiàn)滑枕自重撓度補償機構的支撐滾動體損壞，見圖3，支撐導軌拉傷。重新更換滾動體，將損壞的導軌上磨床進行修磨，回裝后按機床使用說明書要求重新調(diào)整各項參數(shù)至合適值，再對滑枕精度復查，發(fā)現(xiàn)滑枕伸出全長精度達不到出廠要求，且差值呈非線性。經(jīng)綜合分析，根本原因是支撐導軌經(jīng)磨損導致出廠時加工成的撓度形狀被破壞，致使滑枕運動的撓度達不到設計要求。

圖3 損壞的滾動快

3 故障的解決

為提高滑枕的加工精度，節(jié)約時間成本，經(jīng)研究，可利用840D數(shù)控系統(tǒng)的垂度補償功能解決滑枕伸出精度超差問題。

3.1 垂度補償原理簡介

某些數(shù)控機床一個或兩個坐標軸在伸出時，一頭處于懸空狀態(tài)，這樣由于坐標軸自身重力會產(chǎn)生下垂現(xiàn)象。例如鏜床的滑枕或鏜桿在伸出時，由于滑枕或鏜桿的自身重力，使滑枕或鏜桿產(chǎn)生一定的下垂，影響到機床的加工精度。垂度是指坐標軸由于部件的自重而引起的彎曲變形，如圖4所示。

圖4 垂度產(chǎn)生示意圖

Z軸向外運動得越遠，Z軸橫臂彎曲越大，越能影響到Y軸負方向的坐標值，利用系統(tǒng)垂度補償功能，補償坐標軸下垂引起的位置誤差，當Z軸執(zhí)行移動命令時，系統(tǒng)會在一個插補周期內(nèi)計算出Y軸相應的補償值，通過Y軸運動，保證Z軸的水平度，從而保證Z軸的加工精度。垂度補償與螺距補償不同，螺距補償是對單個軸進行補償?shù)模鴺溯S之間的補償是相對獨立的，而垂度補償則不一樣，它是坐標之間的補償，通過某一坐標軸的運動，來補償受垂度影響的坐標軸。通常把受重力影響產(chǎn)生形變的坐標軸叫做基礎軸，如圖4的Z軸；受影響的坐標軸叫做補償軸，如圖4的Y軸。把一個基礎軸與一個坐標軸定義成一種補償關系，基礎軸作為輸入，由此決定補償點，補償軸作為輸出，計算得到補償值，加到該軸的位置調(diào)節(jié)器中。具有兩個以上坐標軸的數(shù)控機床，由于一個坐標軸的垂度可能影響到其他幾個坐標軸，需要建立幾個補償關系?；A軸與補償軸之間的補償關系稱為垂度補償表，由系統(tǒng)規(guī)定的變量組成，以補償文件的形式存入內(nèi)存中。

3.2 垂度補償表的編制

3.2.1 為了編制垂度補償表，應采取如下步驟：

首先應當定義作為輸入的基礎軸和作為輸出的補償軸，其次確定基礎軸的坐標補償范圍，即補償?shù)钠鹗键c和終點，而后確定兩補償點之間的距離，以便計算補償點數(shù)，理論上補償距離越短越好，但所需的補償點就越多，占用大量的系統(tǒng)內(nèi)存，實際應用中根據(jù)需要而定。此次應用中，為的是解決滑枕的低頭問題，基礎軸為W軸，輸出軸為Y軸，補償間距根據(jù)實際測量的結果，最后確定為100 mm。

3.2.2 垂度補償表主要包含下列系統(tǒng)變量：

①＄ AN-CEC-STEP[t]：在補償表t中，兩個相鄰補償表之間的距離。

②＄ AN-CEC-MIN[t]：在補償表t中，基礎軸補償點的起始位置。

③＄ AN-CEC-MAX[t]：在補償表t中，基礎軸補償點的結束位置。

④＄ AN-CEC[t，N]：在補償表t中，基礎軸補償點N對應補償軸的補償值。

⑤＄ AN-CEC-INPUT-AXIS[t]：定義垂度補償?shù)幕A軸，作為補償值的輸入。

⑥＄ AN-CEC- OUTPUT-AXIS[t]：定義需要補償?shù)难a償軸，作為補償值的輸出。

⑦＄ AN-CEC-DIRECTION[t]：基礎軸的補償方向，0為基礎軸在兩個方向運動補償都有效，1為僅在基礎軸正方向運動補償有效，-1為在基礎軸負方向運動有效。

⑧＄ AN-CEC-IS-MODULO[t]：帶模補償功能。0表示無模補功能，1表示激活模補功能。

3.2.3 垂度補償功能在TK6920B的具體應用

通過用百分表檢查發(fā)現(xiàn)滑枕全長伸出1200 mm，低頭0.06 mm，達不到產(chǎn)品加工要求。為此，采用垂度補償?shù)墓δ芡晟圃O備精度，具體操作步驟如下：

第一步：找到系統(tǒng)中的垂度補償表

在Nc-Active-Data菜單下直接復制“EEC_DATA”到一個新建立的備份文檔目錄*.MDN中。

第二步：打表采樣低頭數(shù)據(jù)

本機床滑枕的最大運動距離為1200 mm，其零點設在了最外端，為了打表讀取數(shù)據(jù)方便，打表從滑枕坐標值為1200 mm開始，滑枕每走100 mm讀取下垂數(shù)據(jù)，測到的數(shù)據(jù)見表1。

表1 滑枕下垂數(shù)據(jù)

第三步：根據(jù)上述數(shù)據(jù)建立補償表

新建立的備份文檔目錄*.MDN中將垂度補償表格打開，將上表中得到的補償值輸入到補償表的對應補償點中，得到的垂度補償表如下：

＄ AN-CEC[28，0]=0.02；W位置坐標為0 mm時的Y軸補償值

＄ AN-CEC[28，1]=0.06；W位置坐標為100 mm時Y軸補償值

＄ AN-CEC[28，2]=0.06；W位置坐標為200 mm時Y軸補償值

＄ AN-CEC[28，3]=0.05；W位置坐標為300 mm時Y軸補償值

＄ AN-CEC[28，4]=0.04；W位置坐標為400 mm時Y軸補償值

＄ AN-CEC[28，5]=0.05；W位置坐標為500 mm時Y軸補償值

＄ AN-CEC[28，6]=0.03；W位置坐標為600 mm時Y軸補償值

＄ AN-CEC[28，7]=0.03；W位置坐標為700 mm時Y軸補償值

＄ AN-CEC[28，8]=0.02；W位置坐標為800 mm時Y軸補償值

＄ AN-CEC[28，8]=-0.01；W位置坐標為900 mm時Y軸補償值

＄ AN-CEC[28，10]=0.02；W位置坐標為1000 mm時Y軸補償值

＄ AN-CEC[28，11]=0.01；W位置坐標為1100 mm時Y軸補償值

＄ AN-CEC[28，12]=0；W位置坐標為1200 mm時Y軸補償值

＄ AN-CEC-INPUT-AXIS[28]=AXIS6；基礎軸為W軸

＄ AN-CEC-OUTPUT-AXIS[28]=AXIS2；補償軸為Y軸

＄ AN-CEC-STEP[28]=100；補償間距為100 mm

＄ AN-CEC-MIN[28]=0；補償起始位置為0

＄ AN-CEC-MAX[28]=1200；補償終點位置為1200 mm

＄ AN-CEC-DIRECTION[28]=0；W軸正負方向運動補償都有效

＄ AN-CEC-IS-MODULO[28]=0；模功能無效。

第四步：運行補償表

將做好的補償表裝入NC中使其生效，為使補償生效，需滿足以下條件：

①插補補償已經(jīng)使用；

②激活垂度補償功能，即MD32710=1；

③補償值已裝入NC中。

將上述參數(shù)設好后，打表檢查滑枕Y軸與W軸的垂直精度，效果很好，全長1200 mm誤差在0.02 μm以內(nèi)，能很好滿足加工精度要求。

4 結語

以工作中的維修實例簡述了840D數(shù)控系統(tǒng)垂度補償功能在提高機床幾何精度方面的應用，隨著公司產(chǎn)品質(zhì)量的升級，今后對機床的精度要求越來越高，利用數(shù)控系統(tǒng)自帶的垂度補償是一種方便快捷、經(jīng)濟適用的解決機床幾何精度的方法。將此類補償方法熟練地運用后，可以較好地提高機床精度狀況，滿足產(chǎn)品加工需求。目前，840D系統(tǒng)在國內(nèi)數(shù)控機床的應用上占有較大的市場份額，該方法具有較好的參考性及推廣價值。