數(shù)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(shù)控鏜銑加工中心主要負責(zé)大型發(fā)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(shè)備，相關(guān)資料缺乏，運行多年該機 床 Y 軸精度越來越差，易出現(xiàn) Y 軸與 Z 軸間的垂直度不穩(wěn)定或“爬行”現(xiàn)象。初步分析該狀況由主軸箱平衡系統(tǒng)調(diào)試不佳導(dǎo)致。在該機床大修改造過程中，對機床主軸箱平衡系統(tǒng)進行了較系統(tǒng)的研究，并探索了相關(guān)的調(diào)試方法。
1 主軸箱平衡系統(tǒng)原理
該機床采用傳統(tǒng)的重錘平衡系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、無需多余的控制系統(tǒng)。缺點是調(diào)試困難，首先需要準確測量平衡錘、主軸箱的 質(zhì)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(tǒng)研究
2. 1 測量平衡錘、主軸箱質(zhì)量
經(jīng)查閱相關(guān)資料對于類似的鏜銑加工中心，平衡錘的重量應(yīng)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(jié)果為: 平衡錘質(zhì)量 M1 = 17 900 kg;
主軸箱質(zhì)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(yīng)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。
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。
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(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
2. 2. 2 計算、分配平衡鏈條拉力
設(shè)主軸箱所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為 M，從減小摩擦力消除
“爬行”現(xiàn)象及提高機床精度的角度考慮，應(yīng)盡量使 M
減小。聯(lián)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(lián)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(yīng)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(lián)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(jié)中已經(jīng)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(jié) 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(dǎo)致以下情況:
( 1) 平衡錘產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致平衡錘傾斜并靠在導(dǎo)向?qū)к壣?span style="position:relative;top:-1px;letter-spacing:-7px">，造成鏈條存在長度差。
( 2) 力的大小、鏈條剛度不一樣，導(dǎo)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(jīng)計算其長度差 ΔX1 = 1. 5 mm。下面計算
情況( 2) 的長度差。
設(shè)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(jié)模型進行有限元分析( 如圖 4) ，得到了單個鏈節(jié)剛度。由于鏈節(jié)數(shù)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。
將計算數(shù)據(jù)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(diào)試后發(fā)現(xiàn)，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(wěn)定現(xiàn)象及“爬行”現(xiàn)象，達到了恢復(fù) Y 軸精度的目的。
3 結(jié)語
鏜銑加工中心主軸箱平衡錘平衡系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)均可以采用本文方法進行分析、調(diào)試。
