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第二节

X轴大导轨结构与工作原理

一、大导轨的拼接及与底盘的静压接触

1.大导轨之间的拼接

落地镗铣机床的X轴大导轨通常都要超过10m以上,这在机加工上是较难完成的,即使完成,在出厂后的运输上也是个很大的问题,所以都会把这样的导轨做成几段,到了用户安装现场,再用销钉接合。

为了保证导轨变形(比如下沉)后没有台阶,以保护在导轨上运行的立柱底盘不被啃坏,在接缝的定位中,会在水平和垂直位置都设置销钉或者键子连接。为了使两块导轨的接合紧密,还会用大螺栓将两块导轨紧密地连接在一起。

还有一个调整问题,无论是调整水平还是垂直(和V轴的垂直度),都要松开上面的几排(一般为三排)大螺栓,否则将会把导轨顶变形,但松开会无法保证调整的每个螺栓的力都一样,在锁紧后机床运行起来还是会变,因为立柱几十吨的重量压力,远比用人力拧螺栓的力大很多,它会把顶得高的向下压,直到所有垫铁都吃上力而平衡立柱的压力,就是说刚刚调好的大导轨又变形了,原因在哪?在于预应力,松开锁紧大螺栓时再往回拧一下进行应力预载,然后用力矩扳手顶垫铁。如果时间允许,操作者千万不要马上看到精度合格就接收机床,要把立柱开到调整过的位置进行压实,如果精度不变才可合上导轨托板。

2.大导轨与立柱底盘的静压接触

机床导轨和上面的运动部件之间的接触,基本分为以下三类。

(1)最原始的方法是直接接触,即滑动导轨,两个相接触的部件运动时摩擦力很大,要很大扭矩的电动机来带动,会消耗大量电能,而且直接接触易磨损,改良后的导轨彻底放弃了一味的加大导轨硬度和耐磨的淬硬或镶条,这样能降低磨损但无法减轻电动机的承载。

(2)将直接摩擦改成滚动摩擦是个不错的选择,两个接触部件之间用滚珠或者滚针隔开,降低了摩擦,耐磨性能也进一步提高,但它有一个缺点就是滚针的价格很高,而且它的抗振性能是最弱的,这就阻碍了这项技术的广泛应用。

(3)静压导轨,是现在国际上通用的最先进的导轨处理模式,通过高压油将导轨和运动部件隔开,由这层高压油膜来承受载荷,没有机械磨损,易保持机床精度;摩擦力小,驱动功率大幅度降低;而且因为油的黏性具有吸振作用,抗振性能好,被广泛应用。

对于流传的静压系统没有爬行,笔者认为是不准确的,至少对于整个运动系统来讲,因为种种原因,爬行这个老问题一直存在,而不是用了静压系统就能消除爬行的,对这个问题将在后边进行详细的原因分析。

静压系统的高压油是常开的,隔开运动部件的油膜为0.02~0.05mm,这就会打消有些人担心压力卸掉后主轴中心高会对加工造成影响的顾虑,但是也要注意,如果正在精镗孔的中途,泄压后的高度定位精度会有影响,这要尽力避免。

二、立柱的锁紧与运行导向

1.立柱的锁紧机构——抱轨压板

抱轨压板用于X轴、Y轴、V轴的锁紧,都是用螺栓固定在上边的底盘上。其工作部分是一个活动的可被液压顶起的铜片,浮在抱在导轨外边的夹子内侧,如图2-4所示。当操作人员在控制机床面板停止该轴使用时,供油系统马上动作,打入高压油,锁紧的关键部位在于铜片,被高压油顶起中部和导轨紧紧贴合在一起而制动锁紧。因为它的两端是和夹子连接在一起的,所以它即使是Y轴的侧立方向,也不会发生脱落现象。

图2-4 抱轨压板

对于静压系统来说,都是通过液压力来锁紧的,它和静压系统使用同一个油泵,利用分流器和电磁阀控制。当操作人员启动这个轴时,数控系统输出信号给电磁阀动作,关闭高压油的供给,抱轨压板松开导轨,这样轴就能够运行了。当操作人员取消了轴的操作时,系统会自动输出信号控制电磁阀接通高压油,顶起铜片抱死在导轨上而锁定该轴。

2.立柱移动的精度保证——楔板

为了立柱能够运行平稳而不发生扭曲,即Z轴的轴线始终与X轴的轴线保持在水平位置上的垂直,这就要保证前后两个侧导轨上的静压压力大致相同,也要求大导轨上的齿条尽量设置在前后两块楔板(下面有详述)中间使拉力位于中心位置不易偏心。导轨上还有一个重要的部位,即光栅尺,为了能够准确地记录位置,要求它最好靠近传动齿条,越近越好,因为它就是校核传动距离的,必须离传动部件近,具体各部分的排列位置如图2-5和图2-6所示。

图2-5 底盘的布置形式

图2-6 楔板的安装位置

对于X轴的行走必须保证立柱的平稳,使附于立柱上的主轴轴线在水平面上能始终和X轴轴线垂直,这样必须有一个导向部件来保证,通用的做法是用导向楔板夹持在底盘和导轨内壁之间,这就对导轨提出一个要求,不单要水平导轨面的水平度,导轨的侧面也必须是一条直线,这也是前面讲到的导轨接合的另一项任务,必须把导轨侧线调整好。

楔板和导轨侧线的接触,也是静压接触,对静压油路同样有着苛刻的要求。

三、铣面接刀与立柱爬行的原因分析

1.铣面接刀的原因与解决

在实际加工中,我们会经常发现用大刀盘铣面时,上的轴向量不大,但前半圈刀片还下屑而后半圈刀片根本刮不到,或者前半圈刀片走过后,后半圈刀片还在疯狂地切削(切削量巨大的不在此讨论范围内),就是说,刀盘端面和X轴不垂直,即Z轴和X轴不垂直,如图2-7所示,这在铣大平面左右接刀时非常明显,两刀中间的接刀印难以接受,而用通常的办法去检测主轴,是用X轴拉出一个直的立面,然后主轴上粘表轮大圆,然后得出直径距离内的表压差,经常是合格的,这又怎么解释呢?

这是楔板的问题,试想在静止状态下打出的表压数据,是在传动齿轮卸载,抱轨压板抱死的状态下打出来的。而加工时正好截然相反,是传动轮带动立柱底盘运行,抱轨压板完全松开的情况下进行的。底盘的运行,受到导轨接触面的静压压力不同的影响,包括水平导轨和侧线导轨两方面,这样就造成各部分的摩擦力不同,运行时底盘有一个扭曲的力,从而影响上面的主轴发生垂直度上的偏差。正常情况下,只要将各处静压调整到一致就可以了,在静压管路的分流器上,每个管路都有一个接出的压力表接口。如果还不能消除问题,就要调整楔板的位置或者厚度了,如图2-8所示。

图2-7 铣面接刀问题(偏摆被夸大)

图2-8 楔板的两种调整方法

2.立柱晃动与爬行的原因分析

必须时刻保证抱轨压板的灵敏,这是对液压系统的基本要求,如果液压管路中有一个堵塞或者电磁阀不灵敏,致使压板动作无力或滞后,后果非常严重。例如,你按下了X轴使能按钮,马上选择方向开始运行,而此时有一个又一个压板还没有完全松开,就会使Y轴晃动甚至爬行,严重影响机床的使用寿命。反过来,要G60定位精镗孔,而液压无法将压板顶死就会使机床发生漂移,镗孔的中心位置度有可能会有变化。

对于X轴导轨的爬行,还有另外两种独特的原因,就是油水混合问题和启动加速性能问题,这种现象在Y轴导轨和V轴导轨做运动时并不明显。

1)油水混合

在机床的维护保养上,要特别关注覆盖大导轨的防护托板,这个托板不单是防止铁屑溅入导轨区域拉坏导轨,还有就是密封防止切削液的飞溅,因为这个导轨中间的三条槽具有静压油的自然回流功能,如果切削液混合后回流到油箱,再经过加压给立柱底盘重新使用,静压油的黏合性能就大大降低,使立柱不能稳定运行,甚至在高温作用下油水混合物产生变质、气蚀,对导轨造成永久的破坏。所以,在平时的维护中,千万不要重压托板使其变形漏水。

2)启动加速性能

立柱的高度较大,启动时惯性作用非常明显,所以严禁突然启动X轴快速,这在很多企业已经形成管理上的操作规则。正确的做法是加载X轴使能,然后按下进给倍率按钮再调到最大,然后启动快速。如此烦琐的动作,有没有一种控制方法来代替呢,这就要依靠加速性能的控制了。它可以使位移速度从零在规定的延迟时间内加速到快速,这样就可以直接启动X轴快速了,停止也同理。具体的性能介绍,在后面的编程基础里有详细介绍。

四、硬限位、全系统介绍

每个轴的导轨长度都是有限的,不能让运动部件超出这个范围以免掉轨,除了电气上的软限位设置控制外,硬限位开关是最后一道防线了,如图2-9所示,它是一个突出导轨的一个小块,而在导轨运行的部件上,有一个和它位置相对应的电气开关,当组件运行到导轨边缘,前方的滚轮压到限位块时,被抬高的滚轮压迫电气开关动作,反馈给数控系统,系统会马上输出信号给该运动部件的动力部分断掉高压电,使该轴停止运行,有些单位还会设置成所有液压停止。

图2-9 一种硬限位开关

硬限位的解除,根据各个工厂的设置不同,千差万别。例如,发格公司是按一下Esc键就解除硬限位;而西门子公司的系统必须同时按压下复位键和超程解除键,并选择相应的轴运行,反向退出来才能解除硬限位。如果不熟悉机床性能且没有人帮助解除时,最笨的方法是到导轨尽头找到限位块并拆卸下来,使限位开关复位,就能使机床开回来了,但千万别忘记把限位块重新给装上,否则别人开的时候没准会冲出导轨。 ZtTFJK71S6mopYfpZWf8xfERxyohErJrERcovTOTGiMmfP2Picc2jNsUf6JaSbgv

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