CN105312959B - 一种落地镗铣床自适应重心补偿装置及方法 - Google Patents

一种落地镗铣床自适应重心补偿装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种落地镗铣床自适应重心补偿装置及方法，使得镗床在镗孔时能够满足相关技术要求，提升机床的可靠性能。本发明包含有镗头箱，镗头箱上面设有横向的滑枕，镗头箱下面设有支撑的立柱，滑枕远离镗头箱的一端设有与之平行的镗杆，镗头箱纵向两边各设有一对直线导轨，镗头箱内设有固定支架，立柱上设有伺服电机。本发明达到自动调节镗头箱、滑枕、镗杆部分因工作尺寸不断改变引起的重心偏移问题。

Description

一种落地镗铣床自适应重心补偿装置及方法
技术领域
本发明涉及一种数控落地镗铣床，特别涉及是一种落地镗铣床镗头箱-滑枕-镗杆部件自适应重心补偿装置及方法。
背景技术
数控落地镗铣床镗头部分因为在工作过程中需要不断补偿的精度众多，其补偿技术具有相当的难度。现有机床技术的设计中，主要采用以下几种补偿方式：
1、镗杆悬垂补偿；
2、滑枕挠曲补偿；
3、镗头箱—滑枕—镗杆部件重心补偿。
以上结合进行综合应用，以满足机床的性能，达到镗铣床加工过程中的加工精度。
其中，第1、2项技术比较成熟，镗杆悬垂补偿可由CNC补偿得到；滑枕挠曲补偿可由拉杆油缸机构实现。第3项重心补偿技术难度较高，其难点在于，当滑枕和镗轴向前伸出时，其重心会一同前移，对前导轨产生附加力矩(设前导轨为主导轨)，而且此附加力矩会随着滑枕和镗轴伸出距离的改变而不断变化，所以此时主导轨所受支反力会随变量而不断改变，以平衡此力矩。镗头箱—滑枕—镗杆部件大且重，支反力会很大，因导轨的刚度是一个定量值，在较大的支反力作用下势必有微量的形变，尤以F1、F2处为甚。由于落地镗Z、 W轴行程一般都在1米以上，导轨微量变形会根据受力长度而被放大，从而导致滑枕和镗轴的下垂量会不可控。当机床加工中采用大而重的刀具进行加工时，会进一步引起滑枕、镗轴的下垂，带来刀齿平面和Y轴的不平行，引起产品质量异常，诸如刀痕严重、加工孔使孔的轴线歪斜等问题。这些都是重心偏移带来的问题。
发明内容
鉴于现有技术所存在的问题，容易造成镗孔时出现孔异常，本发明目的旨在提供一种落地镗铣床镗头箱-滑枕-镗杆部件自适应重心补偿技术，本发明是对现有技术进行改良，使得镗床在镗孔时能够满足相关技术要求，弥补国内在此技术上的短板，降低生产过程中出现的产品不良率，提升机床的可靠性能。
为达到上述目的，本发明采用以下方案：
一种落地镗铣床自适应重心补偿装置，包含有镗头箱，镗头箱上面设有横向(X轴)的滑枕，滑枕上设有纵向(Y轴)的第一滑枕配重钢丝绳、第二滑枕配重钢丝绳，镗头箱下面设有支撑的立柱，滑枕远离镗头箱的一端设有与之平行的镗杆，镗头箱纵向(Y轴)两边各设有一直线导轨，镗头箱内设有固定支架，立柱上设有伺服电机，伺服电机输出端设有横向(X轴)的滚珠丝杆，滚珠丝杆支撑座固定设有可动平衡块，固定支架上设有纵向(Y轴)的第一固定支架配重钢丝绳、第二固定支架配重钢丝绳。
进一步，在一些实施例中，所述镗头箱纵向(Y轴)两边各设有一对直线导轨，镗头箱前边设有一对主直线导轨，镗头箱后边设有一对后直线导轨，主直线导轨与后直线导轨位于立柱上。
进一步，在一些实施例中，所述镗杆设于滑枕中。
进一步，在一些实施例中，所述固定支架通过中部的第一连接机构与第一固定支架配重钢丝绳连接；固定支架通过中部的第二连接机构与第二固定支架配重钢丝绳连接；第一滑枕配重钢丝绳通过第一连接机构与第一固定支架配重钢丝绳连接；第二滑枕配重钢丝绳通过第二连接机构与第二固定支架配重钢丝绳连接。
一种落地镗铣床自适应重心补偿装置的重心补偿方法，方法如下：
S1，滑枕单独向前伸出时，当滑枕以匀速V2向前横向(X轴)进给时，由滑枕和镗头箱及镗杆组成的质点系的重心横向(X轴)坐标为变量X，该变量会引起F1、F2处支反力的变化，从而造成镗杆下垂：
重心变量X位移为：
其重心变量X移动的速度为V2：
在X、Y平面上建立平衡方程：
P1+P2＝G1+G2
(G1+G2)*X＝P1*L1+P2*L2
解得：
在滑枕以速度V2向前进给时，P1、P2的变化率为：
上述参数说明如下：
G1：镗头箱重心质量；
G2：滑枕、镗杆组合的重心质量；
X：镗杆—滑枕—镗头箱以构成质点系重心在横向(X轴)的质心坐标；
X1：镗头箱质心在横向(X轴)的坐标；
X2：滑枕—镗杆组合质心在横向(X轴)的坐标；
L2：第二滑枕配重钢丝绳中心距；
P1：第一滑枕配重钢丝绳产生的拉力；
P2：第二滑枕配重钢丝绳产生的拉力；
L1：第一滑枕配重钢丝绳中心距；
F1：是对后直线导轨内侧处的支反力；
F2：是对主直线导轨外侧处的支反力。
按(1)、(2)式来调节P1、P2的值，并按(3)、(4)式调节其变化率，则此力系是平衡的，F1、F2的值恒为初始值，所以并不存在重心偏移的问题，解决了重心偏移补偿的问题；
S2，当滑枕、镗杆及其余附件同时相对运动(位移)或负重变化时，需实现重心适时调节的机构，将配重做成重心可动的机构，调剂可动平衡块(滑动配重块G4)位移，如图2重心移动机构简图所示：
当可动平衡块(滑动配重块G4)沿横向(X轴)左右移动时，即可改变钢丝绳上的P1、P2拉力，满足(1)、(2)、(3)、(4)方程所限定的条件，经计算可得可动平衡块的移动速度V：
上述参数说明如下：
L：第一固定支架配重钢丝绳与第二固定支架配重钢丝绳之间的中心距；
Xˊ：可动平衡块(滑动配重块)在横向(X轴)的质心坐标；
G4：滑动配重块(可动平衡块)质心重量；
即为得到可动平衡块的移动速度与滑枕运行速度V2直接构成函数，该数值随时由系统计算得出，可随时调节装置的可动平衡块移动速度V，使镗床得到自适应重心补偿。
本发明为了攻克自适应重心补偿技术难题，经过慎重的技术研讨和论证，提出一种新的解决方案：该方案的设想是将配重钢丝绳或链条的拉力做成可自动调节，当两拉力不同时，会同时产生附加力矩，若此力矩能抵消由于重力偏移带来的力矩，则(主、后)直线导轨所受支反力F1、F2与初始值相比并未改变，意味着重心偏移所带来的附加力矩已被平衡掉，达到自动调节镗头箱- 滑枕-镗杆部分因工作尺寸不断改变引起的重心偏移问题，获得落地镗铣床镗头箱-滑枕-镗杆部件自适应重心补偿装置及方法，此为自适应重心补偿技术。
附图说明
图1为本发明实例镗头箱正面的结构示意图；
图2为本发明实例镗头箱背面的结构示意图。
附图标记说明如下：
镗头箱10，立柱11，固定支架12，可动平衡块13，主直线导轨14，伺服电机15，滚珠丝杆16，后直线导轨17，第一连接机构18，镗杆21，滑枕 22，第一滑枕配重钢丝绳24，第二滑枕配重钢丝绳25，第二连接机构28，第一固定支架配重钢丝绳34，第二固定支架配重钢丝绳35。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，解析本发明的优点与精神，藉由以下通过实施例对本发明做进一步的阐述。
本发明包含有镗头箱10，镗头箱10上面设有横向(X轴)的滑枕22，滑枕22可以在镗头箱10上滑动，滑枕22上设有纵向(Y轴)的第一滑枕配重钢丝绳24、第二滑枕配重钢丝绳25，镗头箱10下面设有支撑的立柱11，滑枕22远离镗头箱10的一端设有与之平行的镗杆21，镗杆21设于滑枕22中，镗杆21可以从滑枕22中伸缩位移。
镗头箱10纵向(Y轴)两边各设有一对直线导轨，镗头箱10前边设有一对主直线导轨14，镗头箱10后边设有一对后直线导轨17，主直线导轨14与后直线导轨17位于立柱11上，镗头箱10可在立柱11上的主直线导轨14与后直线导轨17上滑动。
镗头箱10内设有固定支架12，固定支架12与镗头箱10固定连接，固定支架12可随镗头箱10一起滑动；立柱11上设有伺服电机15，伺服电机15 输出端设有横向(X轴)的滚珠丝杆16，滚珠丝杆16支撑座固定设有可动平衡块13(滑动配重块G4)，可动平衡块13(滑动配重块G4)设置在镗头箱 10内。
固定支架12上边设有纵向(Y轴)的第一固定支架配重钢丝绳34、第二固定支架配重钢丝绳35。固定支架12通过中部的第一连接机构18与第一固定支架配重钢丝绳34连接；固定支架12通过中部的第二连接机构28与第二固定支架配重钢丝绳35连接；
第一滑枕配重钢丝绳24通过第一连接机构18与第一固定支架配重钢丝绳 34连接；第二滑枕配重钢丝绳25通过第二连接机构28与第二固定支架配重钢丝绳35连接。
参照附图1，在落地镗铣床的工作过程中，影响重心偏移的有下面几种情况：
1、滑枕22单独向前伸出；
2、滑枕22和镗杆21同时向前伸出；
3、滑枕22向前伸出，镗杆21缩回；
4、滑枕22缩回，镗杆21向前伸出；
5、滑枕22和镗杆21同时缩回；
6、镗杆21上装较重刀具；
7、滑枕22上加装附件头。
参数说明如下：
G1：镗头箱10重心质量；
G2：滑枕22、镗杆21组合的重心质量；
X：镗杆21—滑枕22—镗头箱10以构成质点系在横向(X轴)的质心坐标；
X1：镗头箱10在横向(X轴)的质心坐标；
X2：滑枕22—镗杆21组合在横向(X轴)的质心坐标；
L1：第一滑枕配重钢丝绳24中心距；
L2：第二滑枕配重钢丝绳25中心距；
P1：第一滑枕配重钢丝绳24产生的拉力；
P2：第二滑枕配重钢丝绳25产生的拉力；
F1：是对后直线导轨17内侧处的支反力；
F2：是对主直线导轨14外侧处的支反力。
现对第一种工况进行补偿的原理进行分析：
当滑枕22单独向前伸出时，滑枕22以匀速V2向前横向(X轴)进给时，由滑枕22和镗头箱10及其余零件组成的质点系的重心横向(X轴)坐标为变量X，该变量会引起F1、F2处支反力的变化，从而造成镗杆21下垂：
重心变量X位移公式为：
其重心变量X移动的速度为V2：
在X、Y平面上建立平衡方程：
P1+P2＝G1+G2
(G1+G2)*X＝P1*L1+P2*L2
解得：
在滑枕22以速度V2向前进给时，P1、P2的变化率为：
换言之，若按(1)、(2)式来调节P1、P2的值(P1：第一滑枕配重钢丝绳24产生的拉力，P2：第二滑枕配重钢丝绳25产生的拉力)，并按(3)、 (4)式调节其变化率，则此力系是平衡的，F1、F2的值恒为初始值，所以并不存在重心偏移的问题，解决了重心偏移补偿的问题。
但是，当滑枕22、镗杆21及其余附件同时相对运动(位移)或负重变化时：滑枕22和镗杆21同时向前伸出；滑枕22向前伸出，镗杆21缩回；滑枕22缩回，镗杆21向前伸出；滑枕22和镗杆21同时缩回；镗杆21上装较重刀具；滑枕22上加装附件头。需实现重心适时调节的机构，将配重做成重心可动的机构，调剂可动平衡块13(滑动配重块G4)位移，如图2重心移动机构简图所示：
L：第一固定支架配重钢丝绳34与第二固定支架配重钢丝绳35之间的中心距；
Xˊ：可动平衡块13(滑动配重块)在横向(X轴)的质心坐标；
G4：滑动配重块(可动平衡块13)质心重量；
当滑动配重块G4(可动平衡块13)沿横向(X轴)左右移动时，即可改变第一固定支架配重钢丝绳34、第二固定支架配重钢丝绳35的拉力。而第一滑枕配重钢丝绳24连接第一固定支架配重钢丝绳34，第二滑枕配重钢丝绳25连接第二固定支架配重钢丝绳35。因第一固定支架配重钢丝绳34、第二固定支架配重钢丝绳35的拉力与第一滑枕配重钢丝绳24、第二滑枕配重钢丝绳25的拉力为作用和反作用力的关系，即第一固定支架配重钢丝绳34拉力、第二固定支架配重钢丝绳35拉力和P1、P2为作用和反作用力的关系。可动平衡块13(滑动配重块 G4)的移动，即可改变P1、P2的钢丝绳拉力，因为作用和反作用力的关系，如满足(1)(2)(3)(4)方程所限定的条件，经计算可得：
即为得到可动平衡块13的移动速度与滑枕22运行速度V2直接构成函数，该数值随时由CNC系统计算得出，可随时调节装置的可动平衡块13移动速度V，使镗床得到自适应重心补偿。
以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种落地镗铣床自适应重心补偿装置，包含有：镗头箱(10)，其特征在于，所述镗头箱(10)上面设有横向的滑枕(22)，滑枕(22)上设有纵向的第一滑枕配重钢丝绳(24)、第二滑枕配重钢丝绳(25)，镗头箱(10)下面设有支撑的立柱(11)，滑枕(22)远离镗头箱(10)的一端设有与之平行的镗杆(21)，镗头箱(10)纵向两边各设有一对直线导轨，镗头箱(10)内设有固定支架(12)，立柱(11)上设有伺服电机(15)，伺服电机(15)输出端设有横向的滚珠丝杆(16)，滚珠丝杆(16)支撑座固定设有可动平衡块(13)，可动平衡块(13)设置在镗头箱(10)内；固定支架(12)上设有纵向的第一固定支架配重钢丝绳(34)、第二固定支架配重钢丝绳(35)；
固定支架(12)通过中部的第一连接机构(18)与第一固定支架配重钢丝绳(34)连接；固定支架(12)通过中部的第二连接机构(28)与第二固定支架配重钢丝绳(35)连接；
第一滑枕配重钢丝绳(24)通过第一连接机构(18)与第一固定支架配重钢丝绳(34)连接；第二滑枕配重钢丝绳(25)通过第二连接机构(28)与第二固定支架配重钢丝绳(35)连接。
2.根据权利要求1所述的一种落地镗铣床自适应重心补偿装置，其特征在于，镗头箱(10)前边设有一对主直线导轨(14)，镗头箱(10)后边设有一对后直线导轨(17)，主直线导轨(14)与后直线导轨(17)位于立柱(11)上。
3.根据权利要求2所述的一种落地镗铣床自适应重心补偿装置，其特征在于，镗杆(21)设于滑枕(22)中。
4.一种如权利要求1～3任一项所述落地镗铣床自适应重心补偿装置的重心补偿方法，其特征在于，方法如下：
S1，当滑枕(22)单独向前伸出时，当滑枕(22)以匀速V2向前横向进给时，由滑枕(22)和镗头箱(10)及镗杆(21)组成的质点系的重心横向坐标为变量X，该变量会引起F1、F2处支反力的变化，从而造成镗杆(21)下垂：
重心变量X位移为：
其重心变量X移动的速度为V2：
在X、Y平面上建立平衡方程：
P1+P2＝G1+G2
(G1+G2)*X＝P1*L1+P2*L2
解得：
在滑枕(22)以速度V2向前进给时，P1、P2的变化率为：
由
则：
上述参数说明如下：
G1：镗头箱(10)重心质量；
G2：滑枕(22)、镗杆(21)组合的重心质量；
X：镗杆(21)—滑枕(22)—镗头箱(10)以构成质点系重心在横向的坐标；
X1：镗头箱(10)质心在横向的坐标；
X2：滑枕(22)—镗杆(21)组合质心在横向的坐标；
P1：第一滑枕配重钢丝绳(24)产生的拉力；
P2：第二滑枕配重钢丝绳(25)产生的拉力；
L1：第一滑枕配重钢丝绳(24)中心距；
L2：第二滑枕配重钢丝绳(25)中心距；
F1：是对后直线导轨(17)内侧处的支反力；
F2：是对主直线导轨(14)外侧处的支反力；
按(1)、(2)式来调节P1、P2的值，并按(3)、(4)式调节其变化率，则此力系是平衡的，F1、F2的值恒为初始值；
S2，当滑枕(22)、镗杆(21)及其余附件同时相对运动或负重变化时，需实现重心适时调节的机构，将配重做成重心可动的机构，调剂可动平衡块(13)位移：
当可动平衡块(13)沿横向左右移动时，即可改变钢丝绳上的P1、P2拉力，满足(1)、(2)、(3)、(4)方程所限定的条件，经计算可得可动平衡块(13)的移动速度V：
由
上述参数说明如下：
L：第一固定支架配重钢丝绳(34)与第二固定支架配重钢丝绳(35)之间的中心距；
Xˊ：可动平衡块(13)在横向的质心坐标；
G4：滑动配重块质心重量，即可动平衡块(13)的质心重量；
即为得到可动平衡块(13)的移动速度与滑枕(22)运行速度V2直接构成函数，可随时调节装置的可动平衡块(13)移动速度V，使镗床得到自适应重心补偿。
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