伸臂与铣削机床的液压平衡与补偿

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  长导轨上液压平衡与补偿为何重要
• 2
  平衡回路如何构成
• 3
  补偿伸臂下垂与重心偏移
• 4
  系统无法起作用的场合
• 5
  各项校正何时值得投入

落地式机床的立柱沿 X 轴移动，主轴头沿立柱正面上下移动。主轴头并不轻。带 200 mm 主轴、齿轮箱和电机的伸臂式主轴头可达数吨，承载它的滑枕座还会增加重量。重力将该质量沿导轨向下拉，导轨必须在定位前承受全部载荷。

载荷未处理时会出现两个问题。第一，垂直轴伺服要对抗恒定偏置，仅保持静止就消耗电流，并在量程低端损失分辨率。第二，导轨磨损不均，因为载荷主要压在导轨下表面。平衡回路可消除大部分恒定载荷，使伺服只需处理加速度和切削力。

回路采用液压而非气动，因为油几乎不可压缩。空气在载荷下会压缩，每次轴停止时主轴头会下沉零点几毫米。对保持 ±0.005 mm 的机床，这不可接受。油提供刚度很高的液柱，类似刚度极大的弹簧。

第二项任务紧随第一项。主轴头伸出和缩回时重心发生偏移。滑枕座倾斜、伸臂下垂，刀尖低于控制系统认为的位置。补偿层负责测量或预测该偏移并加以修正，可在液压回路或 CNC 轴偏置中实现。

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  平衡承担恒定重量，使伺服无需承担。
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  补偿修正随位置变化的变形。

经典结构使用一对油缸连接移动滑轮组。钢丝绳从滑枕座出发，绕过滑轮，回到主轴头或固定锚点。主轴头上升时，钢丝绳拉动滑轮，油缸吸收余量。油缸中的液压压力决定钢丝绳对主轴头施加多大的向上力。

压力并非固定。它由伺服阀调节，伺服阀读取两路信号：油缸管路上的压力传感器和主轴头上的位置传感器。控制回路比较指令压力与实测压力，移动阀芯直至二者一致。主轴头静止时，阀保持压力。主轴头加速时，阀调节流量，使钢丝绳张力跟随变化的载荷。

通常使用两个阀而非一个。一个阀工作在流量控制模式，匹配主轴头移动时油缸所需流量。另一个工作在压力控制模式，保持设定力。拆分两项任务可保持回路稳定。单个阀同时承担两项任务容易振荡，主轴头在低速时抖动。

蓄能器安装在压力管路上，吸收油缸产生的脉动。没有蓄能器，每次轴换向都会在回路中产生压力尖峰，主轴头点头。此尺寸的机床通常几升充气蓄能器就足够。预充压力设定在工作压力以下，使气囊在正常行程中不压到限位。

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  压力回路设定钢丝绳施加的提升力。
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  流量回路在主轴头移动时保持油缸供油。
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  蓄能器抑制换向时的压力尖峰。

从主轴头伸出 1,000 mm 的镗杆是悬臂梁。自身重量使其向下弯曲，切削力使其进一步弯曲。在卧式镗床上，误差表现为内孔锥度：入口处孔较大、底部较小，或镗杆伸出时轴线偏离。

补偿通过按 Y 和 Z 位置向垂直轴输入小幅修正来实现。控制系统保存已知伸出量下测得的下垂值表，并在其间插值。伸出 200 mm 时修正可能为几微米。伸出 1,000 mm 时，视镗杆直径可达百分之几毫米。

该表在调试时建立，不能猜测。将千分表或激光对准镗杆端部，分步伸出镗杆并记录下垂量。这些数值输入补偿表。若之后更换镗杆或主轴头，必须重建该表。用旧表配新镗杆是出现不明锥度的常见原因。

重心偏移是另一半。滑枕座沿导轨伸出时，前后导轨面的载荷发生变化。液压平衡可偏置以跟随该变化，在全伸出时增加一点压力。影响很小，通常低于 0.01 mm，但对精镗有影响。

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  测量，不要猜测用千分表或激光建立下垂表。
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  变更后重建新镗杆需要新表。

液压平衡能很好地处理静态和缓慢变化的负载，但对快速动态响应较差。油柱、阀和传感器构成一个有限带宽的回路，通常在几十赫兹范围。如果要求轴快速换向，平衡力会滞后，滑枕在伺服跟上之前就会过冲。落地式机床的高速轮廓加工受此限制，而不只是受伺服限制。

温度是另一个边界。油温升高时黏度下降，维持给定负载所需的压力也随之漂移。一个在冷态下平衡的回路，切削四小时后会略有偏差。压力回路能修正大部分偏差，但前提是传感器靠近油缸。安装在动力单元处的传感器读到的压力与油缸实际压力不同。

补偿表基于位置而非力。它假设横梁是直的、材料是均匀的。断续切削、铸件中的硬点或带跳动的横梁会产生补偿表无法预测的误差。补偿表还假设刀具长度已知。更换刀具却不更新偏置，修正就会施加在错误的位置。

这些都不能替代刚性机床。如果立柱本身在负载下扭转，滑枕处再多的液压修正也无法修复失圆的内孔。平衡和补偿是对刚性结构的细化，不能替代刚性结构。

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  带宽限制快速换向超出液压回路的响应能力。
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  热漂移油液黏度在一个班次内会变化。
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  刚性优先修正无法弥补柔性立柱。