数控机床垂直运动部件动态平衡方法研究

　　近来,随着数控机床向重型化发展,机床的垂直运动部件的重量越来越重。因重力的作用,垂直运动部件向下运动时的驱动力与重力方向相同,向上运动时的驱动力与重力方向相反。如果不采取措施对重力进行平衡,在运动的两个方向上对传动系统的功率要求大小就会不一致,从而对供电、传动零件设计、运动精度和零件寿命产生影响。不仅影响到部件的运动平稳性,而且传动部件始终承担着运动部件的重量,会导致运动部件的单面磨损,影响机床精度的保持性[1]。因此,必须采取措施进行重力平衡。目前传统重力平衡方法中,机械配重方式因为占用空间大,且会增大装备的重量而不适宜应用[2];采用溢流阀、减压阀的定量泵系统等液压平衡方式,当运动部件的速度、加速度较大时,由实现平衡作用的溢流阀、减压阀的的压力特性曲线可见,平衡压力的建立过程都存在压力超调,随部件运动速度与加速度的增大,其趋势越明显,因而会出现液压冲击、驱动过载等问题[3],使得常规液压平衡回路只能用于中速度运动部件的平衡,而达不到目前对于高速运动的应用要求。作者针对满足高速重载的可靠平衡应用的要求,研究了采用变量泵与电比例控制相结合的容积控制液压平衡新方法。

　　1　基于电液比例控制与负荷传感控制的液压平衡方法

　　随着具备负荷传感的变量泵和电液比例阀的应用,现代液压平衡系统具备了良好的随动性能,同时具备双向控制的对称性与非对称适时可调性,进而大幅度提高了液压平衡的平衡精度与可靠性。液压平衡方法是在运动部件重力G相反的方向上施加一个与其相等的液压力F,液压力通常由液压缸(平衡油缸)提供。其原理如图1所示。基于电液比例控制的液压平衡系统如图2所示,由负荷传感变量泵5、电液比例控制阀4及自重平衡油缸3构成;工作时,利用泵的变量特性,实现泵的输出流量与部件运动需求流量的动态匹配,满足对响应度、控制精度、变速与变加速度运动平衡的需要;同时,利用变量泵的负荷传感功能,对速度控制比例阀的进出口压差进行补偿,进而消除负载变化对速度控制精度的干扰[4]。部件上升工作阶段,泵按照平衡油缸的运动速度和加速度需要设定输出流量曲线,不产生过流冲击,平衡压力与驱动压力之和与泵工作压力通过负荷传感控制始终保持为一较小的恒定值,精确控制的平衡压力消除了自重影响,满足运动部件实现高精度、高响应速度的控制;下降阶段,泵输出流量可以提供给其他执行机构,重力平衡背压由比例阀按照平衡压力要求进行设定,通过压力反馈控制比例阀开口开度,满足运行速度与加速度要求;由于电液比例换向阀在电信号调节控制作用下始终处于开启状态,下腔液流平稳通流,平衡压力不产生压力突变,没有液压冲击,不会造成过载,部件运行精度得到可靠保证,且利用比例阀的无级调节性能,可以满足平衡系统对加速度多变的适应性。