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數控落地鏜銑加工中心具有加工范圍廣、加工精度高等特點。筆者公司的 Heavy cut 225 數控鏜銑加工中心主要負責大型發電機出線罩、泵殼等大型工件平面及孔的加工。該機床為進口設備，相關資料缺乏，運行多年該機床 Y 軸精度越來越差，易出現 Y 軸與 Z 軸間的垂直度不穩定或“爬行”現象。初步分析該狀況由主軸箱平衡系統調試不佳導致。在該機床大修改造過程中，對機床主軸箱平衡系統進行了較系統的研究，并探索了相關的調試方法。

1 主軸箱平衡系統原理

該機床采用傳統的重錘平衡系統，其結構如圖 1 所示，依靠平衡錘的重力對主軸箱的重力進行平衡。這種結構優點是結構簡單、成本低、無需多余的控制系統。缺點是調試困難，首先需要準確測量平衡錘、主軸箱的質量，以確定平衡錘重量與主軸箱重量的比例是否合適; 其次安裝時需要準確分配好前后兩根鏈條的拉力。

2 主軸箱平衡系統研究

2. 1 測量平衡錘、主軸箱質量

經查閱相關資料對于類似的鏜銑加工中心，平衡錘的重量應為主軸箱組件重量的 103%［1］。為了確定該機床平衡錘重量與主軸箱重量的比例是否合適，在將機床解體后，使用地磅對平衡錘、主軸箱組件進行了稱重。

稱重結果為: 平衡錘質量 M1 = 17 900 kg;

主軸箱質量 M2 = 17 100 kg;

因此( M1 / M2 ) × 100% = 104. 7% 。

考慮到機床正常運行時主軸箱組件還應加上潤滑油的重量及操作人員的重量。因此可以認為該機床平衡錘重量與主軸箱重量的比例是符合要求的。

圖片.png

2. 2 計算、分配平衡鏈條拉力

2. 2. 1 計算主軸箱重心位置

使用 1 個液壓千斤頂及 1 個支點將主軸箱簡支，通過建立力的平衡方程計算了主軸箱重心的位置。然后通過測量，得出了絲杠及鏈條的位置尺寸，見圖 2、圖 3。

圖片.png

通過計算得到主軸箱重心的位置為距端面 1 656

mm。從圖 2、圖 3 可以看出主軸箱重心已超出后端鏈條，這說明主軸箱將對軌道產生轉矩。

2. 2. 2 計算、分配平衡鏈條拉力

設主軸箱所產生的轉矩為 M，從減小摩擦力消除

“爬行”現象及提高機床精度的角度考慮，應盡量使 M

減小。聯系圖 2、圖 3，建立力及力矩平衡方程如下:

F4 + F5 = 179 000 N ( 1)

F5 = F2 ( 2)

F4 = F1 ( 3)

F1 + F2 = G + F3 ( 4)

G = 171 000 N ( 5)

M = F2 × ( 1. 656 － 0. 575) +F1 × ( 1. 656 － 0. 575 － 0. 53 － 0. 35) －F3 × ( 1. 656 － 0. 575 － 0. 53) N·m ( 6)

聯立以上方程得:

M = ( 189 091 － 0. 88F1 ) N·m ( 7)

從方程( 7) 可以看出，要盡量使 M 減小應盡量增大 F1 ，由于 F1 所在的鏈條寬度是 F2 所在的鏈條寬度的兩倍，從機械強度考慮，取:

F1 = 2. 5F2 ( 8)

聯立方程( 1) 、( 2) 、( 3) 、( 7) 、( 8) 得:

F1 = 127 857 N; F2 = 51 143 N; M = 76 576 N·m

2. 3 裝配過程中分配鏈條拉力

在 2. 2 節中已經計算出了每條鏈條所需承受的拉力大小。如何通過裝配使鏈條實際受力大小與計算結果一致成為了難題。通過分析，采用控制裝配時的鏈條長度差來間接控制力的大小的方法是可行的。

由于 F1 、F2 大小不相等，將導致以下情況:

( 1) 平衡錘產生轉矩，導致平衡錘傾斜并靠在導向導軌上，造成鏈條存在長度差。

( 2) 力的大小、鏈條剛度不一樣，導致兩根鏈條伸長量不一樣。

這兩種情況造成的鏈條長度差的總和就是裝配時所需的鏈條長度差。情況( 1) 的長度差可以通過幾何計算得到，經計算其長度差 ΔX1 = 1. 5 mm。下面計算

情況( 2) 的長度差。

設裝配前鏈條 1、鏈條 2 的剛度分別為 K1 、K2 ，伸長量分別為 ΔL1 、ΔL2 。則

ΔL1 = F1 / K1 ( 9)

ΔL2 = F2 / K2 ( 10)

其中 F1 = 127 857 N; F2 = 51 143 N

為了得到鏈條剛度，使用 Ansys Workbench 軟件對單個鏈節模型進行有限元分析( 如圖 4) ，得到了單個鏈節剛度。由于鏈節數量已知，通過計算可以得到整根鏈條的剛度: K1 = 34 976 N / mm; K2 = 17 488 N / mm。

圖片.png

將計算數據代入方程( 9) 、( 10) ，得到:

ΔL1 = 3. 66 mm; ΔL2 = 2. 92 mm。

因此 ΔX2 = ΔL1 － ΔL2 = 0. 74 mm。

鏈條總長度差 ΔX = Δx1 + Δx2 = 2. 24 mm。

在裝配時按計算出的長度差進行裝配、調試后發現，Y 軸各項精度有很大的提高，徹底消除了 Y 軸與 Z軸間垂直度不穩定現象及“爬行”現象，達到了恢復 Y 軸精度的目的。

3 結語

鏜銑加工中心主軸箱平衡錘平衡系統中，平衡錘重量、主軸箱重心位置、鏈條剛度等因素對主軸箱受力情況影響很大，同時決定著主軸箱沿 Y 軸的運行精度。

本文對類似的平衡錘平衡系統進行了較細致的研究，并取得了良好的大修效果。對于類似的平衡系統均可以采用本文方法進行分析、調試。

落地鏜銑加工中心主軸箱平衡系統研究

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