对于机床生产厂家来说，如何平衡垂直运动部件的重量一直是个需认真考虑的问题。通常平衡的方法主要有三种：第一是当垂直运动部件的重量较轻时，可采用直接加粗传动丝杠，加大电机扭矩的方法。但这样将使得传动丝杠始终承担着运动部件的重量，导致单面磨损加重，影响机床精度的保持性；第二种是使用平衡重锤，但这将增加运动部件的质量，使惯量增大，影响系统的快速性；第三种是液压平衡法。它可以避免前面两种方法所出现的问题。
1-2.伺服阀 3.电磁换向阀 4-5.液控单向阀 6-7.油缸
8.主轴箱 9.前钢丝绳 10.后钢丝绳
图1 |
我公司与法国FOREST——LINE公司联合设计生产的GIMAX200型数控落地镗铣床，其各个轴的运动皆采用静压导轨，主轴箱通过滚珠丝杠带动作上下运动，滑枕在主轴箱内运动，镗杆在滑枕内运动。对机床的设计，我们用液压平衡法来平衡主轴箱的重量，同时还对由于滑枕移动以及装卸附件所造成的主轴箱重心变化进行补偿。其原理如图1所示。
在图1中，油缸6与一个动滑轮相联，两根钢丝绳9、10绕过动滑轮后，又分别经过一对定滑轮与主轴箱 8联接。其中，前钢丝绳9直接固定于主轴箱上，后钢丝绳10通过油缸7与主轴箱联接。两个伺服阀1、2分别经液控单向阀4、5与油缸6、7联通。3为电磁换向阀，可以控制液控单向阀反向打开，使油缸回油。其中，油缸6的行程为主轴箱上下运动行程的一半，其活塞上的压力是主轴箱重量的两倍。在这套平衡系统中，主轴箱的重量是由前后两根钢丝绳9、10共同承担的。
我们可粗略地将主轴箱的重力及前后钢丝绳的拉力看作一个平衡力系(将静压导轨及滚珠丝杠摩擦力忽略不计)。当滑枕端部安装的刀具或附件改变时，或滑枕在主轴箱内移动时，主轴箱的重心将发生变化，原有的平衡力系将受到破坏。为了形成新的平衡力系，需要对两根钢丝绳的拉力重新分配。这个“任务”主要是由图1中的两个伺服阀来完成的。下面简单介绍一下这两个伺服阀。
伺服阀1、2是两个双功能阀，内部装有位置传感器及压力传感器，可以迅速、精确地调整流量和压力。其工作过程见图2。当用开关接通1、2时，可实现流量控制。位置传感器检测阀芯位置，以电压信号uL1表示，经比较器与指令电压信号uQS进行比较，比较结果Δu存入位置控制器。位置控制器通过改变先导阀线圈电流来控制阀芯移动，得到所需要的流量。此时，反馈电压uL1等于指令电压uQS。在此控制过程中，阀芯的位置与指令电压大小成正比。当指令电压极性改变时，阀芯运动方向亦随之改变。
当开关接通1、3时，可实现压力控制。压力传感器检测A口(图1)压力PL，以电压信号uP1表示。uP1与指令电压信号uP2比较后，结果输入压力控制器。若两者不相等，则压力控制器输出改变阀芯位移的信号，从而改变流量并最终实现对压力的控制。在此控制过程中，A口压力PL1与指令电压uPS的值成正比。
在图1中，伺服阀1是用来控制油缸6的。油缸6的作用是平衡主轴箱组件的重量。当主轴箱上下运动的速度改变时，我们可以通过改变输给伺服阀1的指令电压信号uQS，来相应地调节油缸6输入或输出的流量。当滑枕端部安装不同的刀具或附件时，整个主轴箱组件(包括装在滑枕端部的刀具或者附件)的重量将发生变化。此时，可以通过改变输给伺服阀1的指令电压信号uPS来改变供给油缸6的液压油的压力，从而使得主轴箱组件仍旧能保持平衡。
伺服阀2控制油缸7。油缸7的作用是补偿因主轴箱组件的重心变化所带来的影响。例如，当滑枕向外伸出时，由于主轴箱重心的前移，原来的平衡力系受到了破坏，相对原来的平衡位置产生了一个附加倾覆力矩，使主轴箱体前倾，前钢丝绳张力增加，后钢丝绳张力减小。这时，可以通过伺服阀2减小供给油缸7的液压油压力，改变前后钢丝绳的张力，平衡掉因滑枕外伸而产生的倾覆力矩，使主轴箱始终处于平衡状态。
在伺服阀1、2中，通过压力传感器所测得的反馈值只是伺服阀A口(图1)的压力，这个压力与油缸6、7中的压力存在一定的差值。这个差值主要是液压油流经伺服阀与油缸之间的管道以及液控单向阀时的压力损失。伺服阀与油缸间的管道越长，压力损失将越大。因此，在装配时应将伺服阀尽量靠近油缸安装，同时选择开启压力较小的液控单向阀，以减小压力损失所造成的影响。
由于镗杆相对较细(GIMAX200镗杆直径是200mm)，因此当镗杆伸出时，必须考虑其自重挠曲变形的影响，又如何补偿这个变形是个很重要的问题。GIMAX200是通过Y轴位移补偿法来解决这个问题的。镗杆每伸出一定距离，主轴箱就上移一次，从而使得镗杆端部能保持在理论位置。
在上述的平衡及补偿过程中，输给伺服阀的电压信号以及对镗杆下垂的补偿量都是根据理论状态计算后输入数控系统的。在实际调试过程中，由于各种因素(例如环境条件)的影响，有些精度可能达不到要求。这时，需要根据滑枕以及镗杆每伸出一定距离时的下垂量，计算出补偿值，对上述控制过程进行补偿。
经过上述的平衡及补偿，GIMAX200在最终检验几何精度时，与此有关的几项精度都达到了相当不错的水平。其中，滑枕伸出时(行程是1250mm)，在垂直平面内的直线度是0.025mm/1250mm，与水平基准面的平行度是0.03mm/1250mm；而镗杆伸出时(行程也是1250mm)，在垂直平面内的直线度是0.03mm/1250mm，与水平基准面的平行度是0.03mm/1250mm。经过1年使用后，重新检验，发现精度保持得很好，完全可以保证加工精度。
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