数字式电液比例阀在大型机床主轴变形补偿中的应用与研究

(齐齐哈尔大学 应用技术学院，黑龙江  齐齐哈尔 161005)
摘 要：文章对数字式电液比例阀在大型机床加工过程中 的主 轴滑枕变形补偿结构中的应用进行了分析，以提高机床在加工过程中滑枕移动伸出后对零件 加工的精度，从而满足补偿要求。
关键词：电液比例阀；主轴滑枕；补偿结构
中图分类号：TH137  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2009)07—0163—02

随着半导体器件、集成器件和超大规模集成器件的出现， 数字技术在机械加工中的应用迅 速而又普遍地发展起来，近几年，由于微型计算机的发展和提高，特别是单板机、单片机低 廉的价格，为机械加工及设计的数字化提供了必要的条件，使数字技术已应用于机械加工的 诸多方面，并且还不断地在开拓着新的应用领域。数字技术应用主要在直接数字控制(DDC )、计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助测试(CAT)等方面。大型机床加工使用过程中， 它的主轴或滑枕从主轴箱中伸出的距离比较大，使主轴工艺系统在加工过程中可能由于刚性 不足而产生变形引起加工误差，从而降低了机床的加工精度，使加工出来的产品精度达不到 设计要求,为解决这一问题，通常有三种方法：①当主轴箱等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；②使用平衡重锤，但这将增 加运动部件的质量，使惯量增大，增大电机功率及影响系统的快速性；③液压平衡法 。它可以避免前两种方法所出现的问题。但如何设计液压系统及液压控制元件的使用是本方 法的关键，只有信息反馈准确才能使变形补偿结构行之有效，以提高被加工工件的加工精度 。
1 数字式电液比例阀

数字式电液比例阀是20世纪80年代初发展起来的可用计算机实现电液系统控制的新型元件 ，主要 有数字式流量阀、数字式压力阀、数字式方向流量阀等，比如：增量式数字流量阀的组成是 由步进电动机、滚珠丝杠、阀心、阀套、阀杆、传感器等。 它的工作原理：计算机发出信 号后，步进电机转动，通过滚丝杠转化为轴向位移，带动节流阀阀心移动，首先打开非全周 节流，流量较小，而后打开全周节流口，流量较大。它的主要特点： 阀心、阀套、阀杆的 相对热膨胀取得温度补偿，维持流量恒定。 该阀无反馈功能，但装有零位移传感器，每个 控制终了，阀心都可在它控制下回到零位，重复精度较高。

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2 变形补偿方法及其结构

机床主轴是加工工艺系统中的重要组成部分，主轴回转时，在理想状态下，主轴的回转轴线 在空间的位置应该是稳定不变的，但是在机床主轴的制造、安装和使用过程中要产生误差， 在加工过程中，主轴受静力，动力的作用会产生变形，使主轴的轴线在任一瞬时都在变化， 这些都将直接影响着被加工零件的加工精度。在实际加工制造及生产过程中为解决上述问题 ，常采用一些辅助装置来提高主轴的刚度及其回转精度，设计中可以采取几方面的措施，如 为主轴滑枕安装导向加强杆，对机床主轴轴承进行预紧，安装支承套，采用多油楔动压轴承 ，或提高主轴滑枕本身的接触刚度，如采用静压轴承，均化主轴轴颈与轴瓦的制造误差，改 善主轴与滑枕的配合质量，预加载荷消除轴承间隙，使滚动轴承产生微量弹性变形来提高主 轴的刚度、回转精度和使用寿命等。本文结合国内外先进经验对该结构进行了优化设计，采 用一种简单、实用，并能大幅度提高主轴零件自身刚度的预加载荷的一种结构，并在实际中 加以应用，该结构不仅可以消除配合间隙，也可以使主轴接触表面之间产生预变形，大大提高了主轴滑枕的刚度，
从而对提高零件加工精度起到了很好的效果。

机床主轴滑枕从主轴箱中伸出的过程中，在重力的作用下主要产生的是弯曲变形，为了平衡 主轴的这种变形，我们可以采用一个集机械——电子——液压于一体的补偿结构——主轴自 重变形补偿结构。该结构主要由拉杆、自动增压油缸和数字式伺服电液比例阀等组成。在该 结构中可以通过压力油使拉杆对主轴产生一个拉力，并且压力油的压力可以随着主轴伸出长 度及变形的大小由自动调整增压油缸自动调整，实现对主轴移动伸出后弯曲变形的自动补偿 。具体结构见图2。

在设计过程中，我们在主轴滑枕上部的两个角上分别安装了两个作用拉杆(如图3)，拉杆 后端固定在主轴箱上，前端分别安装一个自动增压油缸，拉杆的拉力由自动增压油缸提供。 由于主轴滑枕的截面为长方形，滑枕的空间有限，所以其上面的油缸的体积不能做得太大， 同时液压系统的压力也不可能无限提高。因此，在这里采用了增压油缸形式，即在主轴的轴 向多加几组油腔，从而使液体的压力能够成倍增加。这样既能够保证液压油缸体积较小又能 使拉杆有足够的拉力，来保证补偿主轴滑枕的变形的需要。

另一方面，随着主轴滑枕伸出长度的不同，主轴滑枕的弯曲变形值也发生变化，这就要求， 拉杆的拉力也要随着主轴的伸出长度来做相应变化才能满足弯曲变形补偿的要求。因此，在 设计时我们在液压回路上加装一个数字式伺服电液比例阀，用该数字式伺服电液比例阀来控 制油缸压力的大小。当主轴滑枕不断伸出时，数字式伺服电液比例阀控制油压逐渐增大，使 拉杆的拉力不断增加，当主轴不断回缩时，数字式电液比例阀又控制油压逐渐降低，使拉杆 拉力不断减小，即使拉杆拉力不断调整。这样就保证了主轴滑枕在移动伸出过程中的各个位 置时的直线度不变，从而保证了主轴移动时的刚度，有效地提高了主轴回转精度，也就保证 了机床使用时对零件的加工精度要求。
3 数字式伺服电液比例阀的应用

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3。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。

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在图中，伺服阀一个是用来控制油缸的。油缸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的指令电压信号uQS来相应地调节油 缸输入或输出的流量。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来改变供给油缸的液压油的压力，从而使得主轴箱组件仍旧能保持平衡。 

在伺服阀中，通过压力传感器所测得的反馈值只是伺服阀A口的压力，这个压力与油缸中的 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。 
4 结论

该主轴滑枕自重变形补偿结构，结构简单、方便实用，使得液压控制系统广泛采用微机控制 。其数字控制系统兼有电气系统对信号检测、处理快捷方便，计算机控制方式灵活，结构紧 凑、响应快，在大型机床上使用后，有效地提高了主轴滑枕部件的刚度，大大减小了主轴伸 出时由于自重产生的变形导致的主轴回转精度误差，更有效地提高了机床对工件的加工精度 ，为实际生产加工带来了很大的方便。
［参考文献］
［1］ 陈彬,易孟林.数字技术在液压系统中的应用［J］.液压气动与密封,2006.
［2］ 王成林.数控落地镗铣床的液压平衡及补偿［J］.机械设计与制造,2007.