數控龍門深孔鉆床的設計分析
2018-11-5 來源： 德隆集團機床有限責任公司技術開發中心 作者：譚德寧 滕 云
摘 要: 通過對數控龍門深孔鉆床的分析，提出了機械結構設計和數控系統的改造設計。運用機電一體化知識進行改進設計，總體上提出了雙光柵檢測，伺服液壓缸、液壓閥控制，鋼絲繩調整橫梁和動力頭的平衡，數控系統進行差值比較，達到微量補償的方法。
關鍵詞: 機械結構設計 雙光柵檢測 數控系統與平衡補償
數控龍門深孔鉆床是一種自主創新的專用機床，填補了國內空白; 這里對與龍門刨床相似的結構不再闡述，主要進行機床的結構創新設計和數控系統分析。該專機適用于加工大型圓盤類零件，主要技術規格及參數如下: 最大鉆孔直徑 30 mm，最大鉆削深度 500mm; 工作臺面尺寸 2. 5 m × 1. 6 m，工作臺行程 2. 5 m，承重可達 10 t 的滑動貼塑導軌，為滾珠絲杠傳動; 橫梁行程 0. 6 m，帶貼塑滑動導軌的立柱，立柱最大移動尺寸 2 m，橫梁垂直運動采用滾珠絲杠; 橫梁上鉆削動力頭左右運動為滾珠絲杠傳動。
1 、數控龍門深孔鉆床總體要求
( 1) 試件為大連撫順煉油廠加工零件: 換熱器管板孔的深孔鉆削。
每件上有 160 個 20 mm × 350 mm的孔。如圖 1 所示。
( 2) 動梁龍門式、雙深孔鉆削動力裝置的數控機床。主機總體結構與龍門刨床比較相似，見圖 2。
( 3) 工作臺水平運動( X 向) ，橫梁上下垂直運動( Z 向) ，深孔鉆削動力頭裝置橫向運動( Y 向) ，鉆桿箱垂直方向進給運動，對管板坐標孔進行加工。
( 4) 橫梁垂直運動導軌采用帖塑滑動導軌.
(5) 工作臺運動，兩個深孔鉆削動力頭裝置橫向運動，橫梁上下垂直運動，鉆桿箱垂直進給運動均為交流伺服電動機驅動。
( 6) 集屑箱，收集鉆削后的切屑。
( 7) 數控系統，機電合一，提高機床的內部質量。
2 、提高鉆孔位置度的措施
該機床的外觀總體裝配圖如圖 2 所示。深孔鉆削有這么一個特點: 孔的尺寸公差及表面粗糙度由深孔鉆刀具本身保證; 孔的位置度與導向架、刀具有關; 各孔之間的孔距與機床的位置控制有關。
將數控系統、直線導軌及其光柵，簡單地拼湊起來，并不能提高數控龍門深孔鉆床的工作精度，如何提高機床的內在質量是需要解決的首要問題。
從圖 3 的局部視圖可以看出: 深孔鉆動力頭和橫梁雖然采取了平衡裝置，但鉆孔中心線與龍門立柱間的導軌面距離 L 太大，深孔鉆動力頭的重量達 2 t 左右，橫梁 10 t 左右，它們的重心與立柱垂直導軌形成一傾覆力矩，長期使用會使立柱與橫梁導軌結合面橫梁一側的下部磨損快，導致動力頭鉆桿軸心線即導向架上的導向套軸心線前后方向傾斜偏離垂直位置，以致影響鉆孔的位置度。
這是需要解決的第一個問題。從圖 4 的局部視圖可以看出: 深孔鉆動力頭在 Y軸方向上左右運動，導致橫梁重心偏移變動，同樣會使導向架上的導向套軸心線左右方向偏離垂直位置，以致影響鉆孔的位置度。
這是需要解決的第二個問題。上述兩個問題是“數控龍門深孔鉆床”設計成功與失敗的關鍵。第一個問題是因為傾覆力矩產生前后方向導向套位置度偏差，可以采用反向預傾斜的方法來實現補償。總裝時測量出因傾覆力矩產生的傾斜量，將立柱與橫梁之間的橫梁拖板再卸下來，刮掉相應的部分，上部比下部多刮一些( 約 0. 03 ～ 0. 05 mm) ，使動力頭鉆桿軸心線相對于立柱導軌面略成抬頭狀。
由于立柱與橫梁之間只有在安裝和拆卸工件時才相對運動，所以立柱與橫梁導軌結合面下部磨損很慢，一般在三年左右精度也在允差之內，提高了使用壽命。動力頭上的鉆桿箱導軌面磨損對精度影響很小。第二個問題是因為重心移動產生的，可以采用“數控自動補償”的方法消除，提高內孔的位置度。如圖 5 所示，運用機電一體化的知識，可以在橫梁兩側分別安裝兩個光柵尺，作為位移傳感器分別測量橫梁兩側的位移，通過 I/O 接口輸入 CPU; 在 Z 軸方向上任取一點做為原點，由總裝檢具和檢棒將導向架上的導向套軸心線調整到垂直位置，此時記錄下左、右光柵尺的數值，Z左= a，Z右= b。當橫梁上下移動，左、右兩側導軌位置不同步時( 導向有間隙) ，衡量重心產生變化，相對位移 ΔZ左= Z′左－ a，ΔZ右= Z′右－ b，如果ΔZ左> ΔZ右，則產生控制信號進行補償，在橫梁右側的伺服油缸壓力增大，由數控系統 CPU 通過 I/O 接口控制調節水平液壓缸作相應的動作。
如圖 4 所示，鋼絲繩 2、3 是平衡配重塊，在立柱里面，平衡橫梁和動力頭的重量( 約 14 t) ; 鋼絲繩 1、4 與調節水平液壓缸相連，使橫梁左右兩側力量發生變化，產生重心偏移，實現橫梁的自動找回水平，當達到 ΔZ左= ΔZ右時，數控系統發出控制信號，兩頭調節水平液壓缸系統壓力不再變化，實現全閉環數字控制; 反之亦然。
平衡后由橫梁后部的液壓缸將橫梁鎖定，使導向架上的導向套軸心線左右方向不再偏離垂直位置，保證鉆孔的正確位置度。
橫梁垂直進給運動用光柵閉環控制，能達到小數點后三位，控制平衡確保鉆孔位置度。實際中的加工零件孔距精度保證在 0. 02 mm 就足夠了，橫梁上動力頭水平移動和動力頭上鉆桿箱的進給運動用交流伺服電動機上的編碼器控制就能滿足，對孔的加工精度( 尺寸公差、表面粗糙度、直線度) 沒有影響。
3 、鉆桿箱的液壓平衡
垂直運動的部件，有三種方法實現自動平衡; 一種方法是當部件比較輕時，采用電動機上的制動器平衡；另一種方法是采用配重的機械方法; 最后一種是采用液壓自動平衡的方法。
從上面介紹可知，顯然，橫梁已經采用了配重的機械方法平衡，空間已經占去，鉆桿箱有垂直方向的進給運動，只能采取液壓缸平衡的方法消除重力下滑，難點就是滑輪的 Y、Z 兩軸的擺動，既不能脫開，又不能影響平衡，這就需要采用創造性思維，用一種新穎的滑輪結構。
如圖 6 所示，繩索可以采用鋼絲繩索、鏈輪繩索，由于鏈輪繩索中的鏈輪不好換向，在這里采用鋼絲繩索。
鋼絲繩套入轉輪深一些，確保鋼絲繩不脫出轉輪，轉輪 1 可以沿著軸承回轉，安放在后部; 轉輪 2 可以沿著軸承回轉且沿著直線導軌運動，兩個轉輪的組合確保了鋼絲繩既不會脫開轉輪，又不會影響平衡，滿足Y、Z 兩軸的擺動。顯然，定滑輪上的鋼絲繩拉力是不變的，如圖 7 所示。T1= T2= T3= T4，拉力恒定，由液壓缸平衡深孔鉆動力頭上鉆桿箱的重量。該結構的轉輪可以滿足深孔鉆動力頭的左、右移動要求，達到正常工作的目的。
4 、結語
通過對數控龍門深孔鉆床的機械結構設計和數控系統的改造設計，提出了一種保證鉆孔精度的方法。總體設計中提出了雙光柵檢測，伺服液壓缸、液壓閥控制，鋼絲繩調整橫梁和動力頭的平衡，數控系統進行差值比較，達到微量補償。加工精度與臥式深孔鉆床ZK2102 相同，該產品的設計成功為深孔鉆床開辟了一種新型布局方式，對實際應用提出了理論基礎，具有現實意義。
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