CN104148988B - 落地镗铣床主轴箱动态平衡补偿装置 - Google Patents

Abstract

<b>本发明公开了</b><b>一种落地镗铣床主轴箱动态平衡补偿装置，其中包括用于对主轴箱的倾斜状态进行动态平衡补偿的倾斜补偿装置，该倾斜补偿装置包括相配合的丝杠与丝杠螺母、与丝杠螺母相固定的升降架、设于升降架上的顶升滑轮、相对机座固定设置的固定滑轮、张紧在顶升滑轮与固定滑轮上的钢绳、用于检测钢绳上受力状况的测力传感器，钢绳的一端固定地连接在主轴箱的前端上部，钢绳的另一端固定地连接在主轴箱的后端下部，通过测力传感器检测钢绳的受力状况，控制系统即时地根据该受力状况控制丝杠转动而驱动顶升滑轮升降，从而利用钢绳对主轴箱提供补偿力，使主轴箱达到动态平衡，避免其出现倾斜而影响加工精度和加剧主轴箱与立柱之间的磨损。</b>

Description

落地镗铣床主轴箱动态平衡补偿装置

技术领域

本发明涉及一种落地镗铣床主轴箱动态平衡补偿装置。

背景技术

落地镗铣床可以加工复杂、大型的零件，广泛地应用于航空、航天、造船等行业的精密加工领域，其在现代工业中日益发挥着越来越重要的作用。落地镗铣床是一种超重型机床，在立柱上移动的主轴箱的重量通常达到10吨以上。主轴箱在上下移动的过程中传动部件始终承担着运动部件的重量，这往往会影响到主轴箱运动的平稳性，也会对立柱产生一个很大的倾覆力矩，引起相关部件的不均匀磨损。因此，为了减少驱动力，必须对主轴箱的自重进行平衡。现有技术中，通常是采用重锤来对主轴箱的自重进行平衡，然而，这样无疑是又增大了立柱的受力。

此外，在主轴箱内作水平移动的滑枕的重量也很大，在滑枕伸出或缩回的过程中，以及滑枕前端安装附件的影响，必然会导致主轴箱系统重心的改变，使主轴箱产生倾斜现象，这也被称作主轴箱的低头现象，这会严重地影响机床的加工精度，造成零部件的加工精确度得不到保证。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种落地镗铣床主轴箱动态平衡补偿装置，以提高落地镗铣床的加工精度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种落地镗铣床主轴箱动态平衡补偿装置，所述落地镗铣床包括机座、固定地设于所述机座上的立柱、上下升降地设于所述立柱上的主轴箱、用于驱动所述主轴箱上下升降的升降驱动机构，所述主轴箱包括轴心线沿前后方向延伸的箱体、设于所述箱体中且可相对所述箱体沿其轴向运动的滑枕，所述平衡补偿装置包括用于对所述主轴箱的倾斜状态进行动态平衡补偿的倾斜补偿装置，所述倾斜补偿装置包括轴心线沿竖直方向分布且可绕自身轴心线旋转的丝杠、配合地设于所述丝杠上且随着所述丝杠的旋转而上下运动的丝杠螺母、与所述丝杠螺母相固定的升降架、用于驱动所述丝杠旋转的驱动机构、用于控制所述驱动机构工作的控制系统，所述倾斜补偿装置还包括设于所述升降架上的顶升滑轮、相对所述机座固定设置的固定滑轮、张紧在所述顶升滑轮与所述固定滑轮上的钢绳、用于检测所述钢绳上受力状况的测力传感器，所述钢绳的一端固定地连接在所述主轴箱的前端上部，所述钢绳的另一端固定地连接在所述主轴箱的后端下部，所述控制系统与所述测力传感器信号连通设置。

优选地，所述平衡补偿装置还包括用于对所述主轴箱的重量进行动态平衡的重力平衡装置，所述重力平衡装置包括缸体固设于所述立柱上的平衡液压缸，所述平衡液压缸位于所述主轴箱的上方，所述平衡液压缸的活塞杆与所述主轴箱相固接，所述重力平衡装置还包括用于检测所述平衡液压缸的压力腔内液压压力的压力传感器、用于控制所述平衡液压缸进出油状态的液控阀组件，所述压力传感器与所述液控阀组件相信号连通。

进一步优选地，所述平衡液压缸为双作用液压缸，所述压力腔为所述平衡液压缸的无杆腔，油箱通过所述液控阀组件与所述平衡液压缸的有杆腔相连通。

更进一步优选地，所述液控阀组件包括液控单向阀、电液伺服阀以及电液比例阀、用于控制所述电液比例阀工作状态的控制器，所述电液比例阀与所述油箱相连通，所述电液伺服阀连接在所述电液比例阀与所述液控单向阀的进口之间，所述液控单向阀的出口与所述平衡液压缸的所述有杆腔相连通。

优选地，所述顶升滑轮有两组，两组所述顶升滑轮分别位于所述主轴箱前后两端的上方，所述固定滑轮有一组，所述固定滑轮位于所述主轴箱后端的下方。

进一步优选地，所述测力传感器设置在位于所述固定滑轮与所述主轴箱后端下部之间的所述钢绳上。

优选地，所述驱动机构为伺服电机。

优选地，所述控制系统为所述落地镗铣床自带的数控系统。

优选地，所述升降驱动机构为滚珠丝杠机构。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的落地镗铣床主轴箱动态平衡补偿装置，其中通过采用倾斜补偿装置和重力平衡装置，可有效及时地在主轴箱运动过程中持续的改变平衡，减小对主轴箱的驱动力，同时防止主轴箱在滑枕伸出时出现倾斜的低头现象，提高了该落地镗铣床的整体精度。该平衡补偿装置采用机械补偿的方式，能够克服补偿滞后的现象，实现快速、准确的对主轴箱进行动态平衡。同时还避免了传统采用重锤平衡方式会增大立柱受力的缺陷，使得主轴箱在立柱上升降运动时两者之间的磨损大幅减小，有效地提高了机床的使用寿命和加工精度。

附图说明

附图1为本发明的平衡装置的工作原理及安装结构示意图；

附图2为本发明中滑枕在初始状态时主轴箱系统的受力示意图；

附图3为本发明中滑枕伸出过程中主轴箱系统的受力示意图；

其中：1、机座；2、立柱；3、主轴箱；31、箱体；32、滑枕；

4、倾斜补偿装置；41、伺服电机；42、丝杠；43、丝杠螺母；44、升降架；45、钢绳；46、顶升滑轮；47、固定滑轮；48、测力传感器；49、数控系统；

5、重力平衡装置；51、平衡液压缸；52、压力传感器；53、液控单向阀；54、电液伺服阀；55、电液比例阀；56、油箱；57、过滤器；58、液压泵；

6、升降驱动机构(滚珠丝杠机构)。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

以下关于方向的定义中，均是按照落地镗铣床在生产加工时操作者通常观察到的方向进行定义的，其中前后方向指的即为滑枕伸缩的方向，亦即图1中的左右方向，其中左方为前，右方为后。

参见图1所示，落地镗铣床包括机座1、固定地设于机座1上的立柱2、上下升降地设于立柱2上的主轴箱3、用于驱动主轴箱3上下升降的升降驱动机构，此处上述升降驱动机构采用滚珠丝杠机构6，主轴箱3包括轴心线沿前后方向分布的箱体31、设于箱体31中可相对箱体31沿其轴向伸缩的滑枕32，在平衡状态下，主轴箱3的轴心线沿水平前后方向延伸。此处箱体31指的是主轴箱3整体系统中除滑枕32以外的部件。

该落地镗铣床上设有用于主轴箱动态平衡补偿装置，该平衡补偿装置包括用于对主轴箱3的倾斜状态进行动态平衡补偿的倾斜补偿装置4。该倾斜补偿装置4包括轴心线沿竖直方向分布且可绕自身轴心线旋转的丝杠42、配合地设于丝杠42上且可随着丝杠42的旋转上下运动的丝杠螺母43、与丝杠螺母43相固定的升降架44、用于驱动丝杠42旋转的驱动机构41、用于控制驱动机构41工作状态的控制系统49，在这里，驱动机构41采用的是伺服电机，而控制系统49则采用数控系统(CNC系统)，即数控镗铣床自身携带的数控加工控制系统。当伺服电机41驱动丝杠42旋转时，丝杠螺母43沿丝杠42的轴向上下运动，带动升降架44随之上下运动。

倾斜补偿装置4还包括设于升降架44上的顶升滑轮46、相对机座1固定设置的固定滑轮47、张紧在顶升滑轮46与固定滑轮47上的钢绳45、用于检测钢绳45上受力状况的测力传感器48，顶升滑轮46设有两组，这两组顶升滑轮46分别位于主轴箱3的前端上方与后端上方，固定滑轮47有一组，该固定滑轮47位于主轴箱3的后端下方，钢绳45的一端固定地连接在主轴箱3的前端上部，钢绳45绕过两组顶升滑轮46，然后绕设在固定滑轮47上，钢绳45的另一端固定连接至主轴箱3的后端下部，测力传感器48设置在位于固定滑轮47与主轴箱3后端下部之间的钢绳45上，该测力传感器48与数控系统49信号连通设置。当测力传感器48上检测到力值发生变化时，数控系统49获取测力传感器48发出的信号并相应地驱动丝杠42旋转而使得升降架44对应地上升或下降，进而对主轴箱3的倾斜状态进行平衡补偿。

主轴箱3中，当滑枕32伸出主轴箱3的箱体31时，会导致主轴箱3系统整体重心的变化，而使得连接主轴箱3的钢绳45的拉力增大，这时测力传感器48检测到钢绳45上拉力增大，并将信号传给数控系统49，数控系统49则根据预先设定的拉力补偿曲线与实际检测到的拉力值进行比较，控制伺服电机41驱动丝杠42旋转，从而提升顶升滑轮46，使得钢绳45张紧提供主轴箱3一个补偿力。当滑枕32缩回箱体31中时，同样由于数控系统49控制伺服电机41反转，从而使得顶升滑轮46下降而放松钢绳45来补偿主轴箱3的“抬头”现象。整个过程完成了对主轴箱3倾斜的实时动态平衡。

该落地镗铣床上，平衡补偿装置还包括用于对主轴箱3的重量进行动态补偿的重力平衡装置5。该重力平衡装置5包括位于主轴箱3上方的平衡液压缸51，该平衡液压缸51为双作用液压缸，其缸体固定地连接在立柱2上，其活塞杆的伸出端固定地连接在主轴箱3上，该重力平衡装置5还包括用于检测平衡液压缸51的压力腔中液压压力的压力传感器52、用于控制平衡液压缸51进出油状态的液控阀组件，压力传感器52与液控阀组件相信号连通。在这里，压力传感器52所检测的压力腔为平衡液压缸51的无杆腔，油箱56通过液控阀组件与平衡液压缸51的有杆腔相连通。液控阀组件包括液控单向阀53、电液伺服阀54、电液比例阀55，以及用于控制电液比例阀55工作状态的控制器(图中未示出)，电液比例阀55与油箱56相连通，在电液比例阀55的阀口打开时，油箱56内的油在液压泵58的作用下经过滤器57过滤后通过电液比例阀55，液压泵58出口与油箱56之间还设有溢流阀59。电液伺服阀54连接在电液比例阀55与液控单向阀53的进口之间，而液控单向阀53的出口与平衡液压缸51的有杆腔相连通。此处，电液伺服阀54采用二位四通电磁换向阀。

当主轴箱3在升降驱动机构的作用下向上运动时，压力传感器52检测到平衡液压缸51内液压压力的变化，电磁铁YV2得电，同时压力传感器52将信号传送至控制器，控制器使得电液比例阀55的阀口变大，油压随之增大。油箱56内的液压油经过电液比例阀55的右侧并经液控单向阀53流入平衡液压缸51的有杆腔，使得油压增大，提升主轴箱3向上运动，同时减小升降驱动机构的驱动力。当主轴箱3向下运动时，电磁铁YV1与YV3得电，此时电液伺服阀54工作使得液控单向阀53反向打开，平衡液压缸51的有杆腔内的压力油通过液控单向阀53并经电液比例阀55左边汇到油箱56，平衡液压缸51的活塞杆拉力减小，使得主轴箱3向下运动。

参见图2、图3所示，以下对主轴箱3在动态平衡补偿装置作用下的受力状况进行分析，可以得出以下两组平衡方程式：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_1+F_2=G_1+G_2\\ F_{2}C=G_{1}a+G_{2}b+T_{1}d\end{array}\right.---\left(1\right);$

$\left\{\begin{array}{c}{F}_1+F_2=G_1+G_2\\ F_{2}C+G_2(S-b)=G_{1}a+T_{3}d\end{array}\right.---\left(2\right);$

其中：F₁—升降驱动机构6提供给主轴箱3的进给力；

F₂—平衡主轴箱重力的平衡液压缸51的拉力；

G₁—主轴箱3箱体31的重力；

G₂—滑枕32的重力；

T₁—主轴箱3前端钢绳45的拉力；

T₂—主轴箱3后钢绳45的拉力，T₁和T₂大小相等，方向相反；

T₃和T₄分别是滑枕32伸出后主轴箱3前后两端钢绳45拉力；

T₀—钢绳45的初始拉力；

a—主轴箱3重心到升降驱动机构6的滚珠丝杠中心的距离；

b—滑枕32重心到升降驱动机构6的滚珠丝杠中心的距离；

c—平衡液压缸51活塞杆中心到升降驱动机构6的滚珠丝杠中心的距离；

d—主轴箱3前后钢绳45之间的距离；

s—滑枕32伸出的长度；

由式(1)、式(2)可以得到钢绳45的拉力变化为：

所以钢绳45的补偿拉力为：

根据滑枕32的行程绘制补偿拉力曲线存入数控系统49中，与主轴箱3实际测得的拉力进行比较就可以进行实时动态平衡补偿，得到很好的平衡效果。

综上，本发明的落地镗铣床主轴箱动态平衡补偿装置，其中通过采用倾斜补偿装置4和重力平衡装置5，可有效及时地在主轴箱3运动过程中持续的改变平衡，减小对主轴箱3的驱动力，同时防止主轴箱3在滑枕32伸出时出现倾斜的低头现象，提高了该落地镗铣床的整体精度。该平衡补偿装置采用机械补偿的方式，能够克服补偿滞后的现象，实现快速、准确的对主轴箱3进行动态平衡。同时还避免了传统采用重锤平衡方式会增大立柱2受力的缺陷，使得主轴箱3在立柱2上升降运动时两者之间的磨损大幅减小，有效地提高了机床的使用寿命和加工精度。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种落地镗铣床主轴箱动态平衡补偿装置，所述落地镗铣床包括机座、固定地设于所述机座上的立柱、上下升降地设于所述立柱上的主轴箱、用于驱动所述主轴箱上下升降的升降驱动机构，所述主轴箱包括轴心线沿前后方向延伸的箱体、设于所述箱体中且可相对所述箱体沿其轴向运动的滑枕，其特征在于：所述平衡补偿装置包括用于对所述主轴箱的倾斜状态进行动态平衡补偿的倾斜补偿装置，所述倾斜补偿装置包括轴心线沿竖直方向分布且可绕自身轴心线旋转的丝杠、配合地设于所述丝杠上且随着所述丝杠的旋转而上下运动的丝杠螺母、与所述丝杠螺母相固定的升降架、用于驱动所述丝杠旋转的驱动机构、用于控制所述驱动机构工作的控制系统，所述倾斜补偿装置还包括设于所述升降架上的顶升滑轮、相对所述机座固定设置的固定滑轮、张紧在所述顶升滑轮与所述固定滑轮上的钢绳、用于检测所述钢绳上受力状况的测力传感器，所述钢绳的一端固定地连接在所述主轴箱的前端上部，所述钢绳的另一端固定地连接在所述主轴箱的后端下部，所述控制系统与所述测力传感器信号连通设置。

2.根据权利要求1所述的落地镗铣床主轴箱动态平衡补偿装置，其特征在于：所述平衡补偿装置还包括用于对所述主轴箱的重量进行动态平衡的重力平衡装置，所述重力平衡装置包括缸体固设于所述立柱上的平衡液压缸，所述平衡液压缸位于所述主轴箱的上方，所述平衡液压缸的活塞杆与所述主轴箱相固接，所述重力平衡装置还包括用于检测所述平衡液压缸的压力腔内液压压力的压力传感器、用于控制所述平衡液压缸进出油状态的液控阀组件，所述压力传感器与所述液控阀组件相信号连通。

3.根据权利要求2所述的落地镗铣床主轴箱动态平衡补偿装置，其特征在于：所述平衡液压缸为双作用液压缸，所述压力腔为所述平衡液压缸的无杆腔，油箱通过所述液控阀组件与所述平衡液压缸的有杆腔相连通。

4.根据权利要求3所述的落地镗铣床主轴箱动态平衡补偿装置，其特征在于：所述液控阀组件包括液控单向阀、电液伺服阀以及电液比例阀、用于控制所述电液比例阀工作状态的控制器，所述电液比例阀与所述油箱相连通，所述电液伺服阀连接在所述电液比例阀与所述液控单向阀的进口之间，所述液控单向阀的出口与所述平衡液压缸的所述有杆腔相连通。

5.根据权利要求1所述的落地镗铣床主轴箱动态平衡补偿装置，其特征在于：所述顶升滑轮有两组，两组所述顶升滑轮分别位于所述主轴箱前后两端的上方，所述固定滑轮有一组，所述固定滑轮位于所述主轴箱后端的下方。

6.根据权利要求5所述的落地镗铣床主轴箱动态平衡补偿装置，其特征在于：所述测力传感器设置在位于所述固定滑轮与所述主轴箱后端下部之间的所述钢绳上。

7.根据权利要求1所述的落地镗铣床主轴箱动态平衡补偿装置，其特征在于：所述驱动机构为伺服电机。

8.根据权利要求1所述的落地镗铣床主轴箱动态平衡补偿装置，其特征在于：所述控制系统为所述落地镗铣床自带的数控系统。

9.根据权利要求1所述的落地镗铣床主轴箱动态平衡补偿装置，其特征在于：所述升降驱动机构为滚珠丝杠机构。