反向轴模块定位的解决方案

HEATS

在整个产品寿命周期中，提高-机床的可再配置性是DFG资助的交换项目（TFB 59）的研究课题。在研究项目范围内，与Index、机床研究所（IfW）和斯图加特大学控制技术研究所（ISW）合作，为可再配置的机床和控制组件制订出了新的解决方案。作为具体的应用案例，IfW研发了一种反向轴模块，这种模块在明显减少更换时间的情况下，使用户重新装备主轴或更换主轴成为可能（见图1）。

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图1 内置主轴微调和精确定位调节单元的反向轴模块（样机），
使用户在明显减少更换时间的情况下重新装备或更换成为可能

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在产品寿命周期缩短的同时，产品的种类在持续增加，以及高效地生产能力和生产单元，是实现更大灵活性和自动化的推动力。因此，车床的再配置和快速适应新的生产任务的自动适应生产系统，要求在机床的结构和设计中“走出新路子”。

主要机床制造厂家的现代加工系统往往采用模块式结构，这就是说，单个模块在企业范围内实现了标准化，因而可以根据客户的愿望，利用“积木系统”构成不同的机床配置。然而，这种配置的可能性仅限于机床预订或安装时。因而，需要购买的反向轴模块必须在已经起热的加工状态下按主轴进行精确和共线的定向定位（见图2）。除了在安装车床时需要花费不菲的电缆铺设费用之外，在测量、调整、匹配、调节、刮削和钻孔的过程中也需要有一个耗时费力的机械程序。决定精度的这个生产步骤只有工厂里少数有经验的员工在机器模块可以自由操作的情况下才能做到，并且需要花费很长的时间和很高的成本。因此，一旦选择好了配置，就只能花费大量的费用才能修改，所以只是在极其罕见的情况下才会进行改动。

 

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图2 反向轴对主轴的共线定向原理

在四个自由度上定向

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要寻找一种用于主轴模块的设计方案，这种方案能够使反向轴的各个轴在安装好的状态下，通过采取适当的措施，精确地对主轴实现共线定向。定向应在四个自由级别中都能实现，在X方向和Y方向上精度为1μm，在所属的倾斜方向φy（z）和φx（z）上，精度为2μm/m。需要新研发的模块或有待新研发的部分组件，应当在轴向和径向上都具有很高的刚性，而在结构、加工和投入运营方面又要成本低廉。根据这些要求研究人员研发了多种不同的方案。

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在对位置调节进行干预的可能性进行分析时，考虑了几种不同的方案。作为第一个标准，先对干预的地点进行了调查。这方面考虑到了几种不同的可能性：在轴滑座与机壳之间，与滚柱轴承并排的位置上，以及安装一个可调节的轴承作为取代现有滚柱轴承的替代物。第二是研究了不同的物理原理。除了纯机械原理以外，也可以根据压电原理考虑调节的可能性，但也可以考虑采用液压或空气/流体静力原理的解决方案。第三个标准是考虑设计结构方案的可能性。同时，除了简单的调节和适配元件之外，包括螺钉、杠杆、楔子、偏心轮，以及弹簧支撑的结构和其他经过考验的调节方案也应纳入到寻求的解决方案当中。最后总共选出了5种主轴调节的方案，对它们进行了评价，下面我们将简单地一一介绍（见图3）。

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a）流体静力轴承，b）压电执行器，
c）偏心轮原理，d）流体调节元素，e）采用匹配板的装置
图3 选出的主轴调整的可能性方案

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使用流体静力轴承有这样的可能性，即在油槽加压不同的情况下，能够将主轴定位到它的位置上（见图3a）。流体静力轴承只需要很小的结构空间，因而可以取代现有的轴承，安装在同样的主轴壳中。轴承本身需要全新的设计和结构，在制造和运行方面费用比较昂贵。

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预应力压电执行器的作用

图3b是一种采用预应力压电执行器的方案，压电执行器经过很小的连接面积被扭矩退耦，也就是没有扭力和弯曲负载，而对专用的压力元件发生作用。为了达到必要的主轴定向，至少需要六个传感器和执行器。图3c是双偏心轮原理的第一个草案，该方案当选为解决方案并得到了细化，下面就对该方案做详细介绍。

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六个或八个非常紧凑的调节元件内置于主轴外壳里，在采用液压方案（见图3d）时，可以使主轴的定向有比较大的变化。采用圆筒系统时，现在的主轴被安装在一个附加的外壳里，而且在采用不同定向时，转子和定子之间的距离不发生变化。必要的传感器可以内置于调节元件中。

采用可调节配合板规的方案（图3e）时，使用活塞和路径传感器对位置和倾斜进行调整和整定。反向轴在活塞的帮助下准确地定位在所需要的调整尺寸标准上。利用路径传感器测定所属的值，以便在车床运行时用精确研磨的协调板取代可调节的配合规板。

偏心轮方案基于两个环形调节单元，调节单元位于主轴单元和周围的模块外壳之间。每个调节单元都有两个相互嵌合的偏心环，偏心环在其角度位置上是可以调节的，因而通过对偏心的调定，可以实现对主轴在X和Y方向上的调节。图4表明了其功能原理。

调节单元偏心外环分开

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由于安装技术而分开的偏心外环的外部轮廓，围绕外壳上的钻孔中心点旋转。但该环的内部轮廓则有位移偏心率ea，与第二个偏心环（内部环）相衔接。内环的内部轮廓与外部轮廓相比则有位移偏心率ei，同时又包围主轴单元。因此，内部主轴的轴位置则可通过两个偏心环的旋转定向在离心率ea和ei的总和范围内进行调整。

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主轴模块结构简单

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由于在两个现有的双偏心轮单元上可以相互独立地对各种不同的定向参数进行调整，因而除了主轴位置的精确校准外，也可以对内置主轴的角位置在几何限度内进行定向调整。研制出的这种带内置偏心轮的调节单元，其特点主要是结构简单，位置修正性能精确，同时由于主轴和外壳体上具有充足的支撑面而具有很高的刚性。借助双偏心轮进行主轴位置调节的原理是在转移项目范围内形成的，并且已经递交了专利申请。

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图4 双偏心轮方案的功能原理

早在创新型反向轴模块的设计和研发过程中，IfW研究所的研究人员就已经深入调查过能否将新模块在工业用途中的可操作性和可使用性设计得尽可能简单和安全。为此，除了研发反向轴模块以外，我们还研制了一套合适的测量方法和测量数据分析评价程序。研制测量方法的目的主要是获取关于与主轴相对的反向轴模块的实际Pose（位置和定向）的数据。

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然后，由评价程序从中测算出相应偏心单元的补偿参数，从这些参数可以推导出对反向轴的位置和方向的修正值。

这种方法是在主轴或反向轴上固定了一个热稳定和抗弯曲刚性的测量芯棒，该芯棒在末端上有一个径向定位的距离传感器。在测量过程中，传感器潜入到与之相对的主轴里（见图5），并在360°的测量弧度内在寻找过的测量点上获取到主轴内部轮廓的距离值。为了使这种测量法对出现的位置和定向偏差更加敏感，以此达到尽可能高的精确度，故将测量点分布在所能使用的整个主轴长度上。

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图5 研发的测量法基于一个旋转的和热稳定的测量芯棒和一个径
向安装的距离传感器a几何比例测量点，b测量过程，c传感器数据

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距离传感器在扫描时走过的测量面积的精度，对整个测量法的精度具有重要的影响，以至于在最后的生产步骤中对其实施了一个研磨过程。这样就保证了圆周运动的精度，以及在任何一个测量点上对理想圆柱形的最大允许误差，保证了两个测量面之间的相对位置。目前，正在IfW研究所的试验台上对研发的反向轴模块，以及补偿法进行测量技术上的调查和验证。

分析程序简化计算

IfW研究所利用分析程序Exzento开发了一种对用户友好的软件工具，该软件中集中了用于补偿的可靠方法和算法，并向使用者提供了一个精炼的操作界面。用于计算补偿参数的输入值，包括在测量过程中测得的相应的距离值和所属的角位置。

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图6 分析和计算工具Exzento的操作界面

分析和计算工具Exzento的界面如图6所示。使用时先输入几何参数，以及对前置和后置偏心轮的实际调整情况。然后，在一个菜单上选出测量过程中在前后偏心轮上测得的测量数据组。Exzento从输入的参数和测量数据组中计算出位置偏差和补偿参数，然后再把这些数据显示在显示区。工程师们就可以利用测得的这些补偿参数，对反向轴的位置进行修正，把偏心轮单元调整到测得的参数上。

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