数控落地镗铣加工中心具有加工范围广、加工精度高等特点。笔者公司的 Heavy cut 225 数控镗铣加工中心主要负责大型发电机出线罩、泵壳等大型工件平面及孔的加工。该机床为进口设备，相关资料缺乏，运行多年该机 床 Y 轴精度越来越差，易出现 Y 轴与 Z 轴间的垂直度不稳定或“爬行”现象。初步分析该状况由主轴箱平衡系统调试不佳导致。在该机床大修改造过程中，对机床主轴箱平衡系统进行了较系统的研究，并探索了相关的调试方法。

1      主轴箱平衡系统原理

该机床采用传统的重锤平衡系统，其结构如图 1 所示，依靠平衡锤的重力对主轴箱的重力进行平衡。这种 结构优点是结构简单、成本低、无需多余的控制系统。缺点是调试困难，首先需要准确测量平衡锤、主轴箱的 质量，以确定平衡锤重量与主轴箱重量的比例是否合 适; 其次安装时需要准确分配好前后两根链条的拉力。

2      主轴箱平衡系统研究

2. 1     测量平衡锤、主轴箱质量

经查阅相关资料对于类似的镗铣加工中心，平衡锤的重量应为主轴箱组件重量的 103%［1］。为了确定该机床平衡锤重量与主轴箱重量的比例是否合适，在将机床解体后，使用地磅对平衡锤、主轴箱组件进行了称重。

称重结果为: 平衡锤质量 M1 = 17 900  kg;

主轴箱质量 M2 = 17 100  kg;

因此( M1 / M2 ) × 100% = 104. 7% 。

考虑到机床正常运行时主轴箱组件还应加上润滑 油的重量及操作人员的重量。因此可以认为该机床平 衡锤重量与主轴箱重量的比例是符合要求的。

2. 2     计算、分配平衡链条拉力

2. 2. 1     计算主轴箱重心位置

使用 1 个液压千斤顶及 1 个支点将主轴箱简支， 通过建立力的平衡方程计算了主轴箱重心的位置。然后通过测量，得出了丝杠及链条的位置尺寸，见图 2、图 3。

通过计算得到主轴箱重心的位置为距端面 1 656

mm。从图 2、图 3 可以看出主轴箱重心已超出后端链条，这说明主轴箱将对轨道产生转矩。

2. 2. 2     计算、分配平衡链条拉力

设主轴箱所产生的转矩为 M，从减小摩擦力消除

“爬行”现象及提高机床精度的角度考虑，应尽量使  M

减小。联系图 2、图 3，建立力及力矩平衡方程如下:

F4  + F5  = 179 000 N                           ( 1)

F5 = F2                                                             ( 2)

F4 = F1                                                             ( 3)

F1  + F2  = G + F3                                              ( 4)

G = 171 000 N                                  ( 5)

M = F2 × ( 1. 656 － 0. 575) +F1 × ( 1. 656 － 0. 575 － 0. 53 － 0. 35) －F3 × ( 1. 656 － 0. 575 － 0. 53) N·m           ( 6)

联立以上方程得:

M = ( 189 091 － 0. 88F1 ) N·m                 ( 7)

从方程( 7) 可以看出，要尽量使 M 减小应尽量增大 F1 ，由于 F1 所在的链条宽度是 F2 所在的链条宽度的两倍，从机械强度考虑，取:

F1  = 2. 5F2                                                        ( 8)

联立方程( 1) 、( 2) 、( 3) 、( 7) 、( 8) 得:

F1 = 127 857  N; F2 = 51 143  N; M = 76 576 N·m

2. 3     装配过程中分配链条拉力

在 2. 2 节中已经计算出了每条链条所需承受的拉力大小。如何通过装配使链条实际受力大小与计算结 果一致成为了难题。通过分析，采用控制装配时的链条长度差来间接控制力的大小的方法是可行的。

由于 F1 、F2 大小不相等，将导致以下情况:

( 1) 平衡锤产生转矩，导致平衡锤倾斜并靠在导向导轨上，造成链条存在长度差。

( 2) 力的大小、链条刚度不一样，导致两根链条伸长量不一样。

这两种情况造成的链条长度差的总和就是装配时 所需的链条长度差。情况( 1) 的长度差可以通过几何计算得到，经计算其长度差 ΔX1  = 1. 5  mm。下面计算

情况( 2) 的长度差。

设装配前链条 1、链条 2 的刚度分别为 K1 、K2 ，伸长量分别为 ΔL1 、ΔL2 。则

ΔL1 = F1 / K1                                                       ( 9)

ΔL2 = F2 / K2                                                   ( 10)

其中 F1 = 127 857 N; F2 = 51 143 N

为了得到链条刚度，使用 Ansys Workbench 软件对单个链节模型进行有限元分析( 如图 4) ，得到了单个链节刚度。由于链节数量已知，通过计算可以得到整根链条的刚度: K1 = 34 976 N / mm; K2 = 17 488 N / mm。

将计算数据代入方程( 9) 、( 10) ，得到:

ΔL1 = 3. 66  mm; ΔL2 = 2. 92  mm。

因此 ΔX2 = ΔL1 － ΔL2 = 0. 74 mm。

链条总长度差 ΔX = Δx1 + Δx2 = 2. 24 mm。

在装配时按计算出的长度差进行装配、调试后发现，Y 轴各项精度有很大的提高，彻底消除了 Y 轴与 Z轴间垂直度不稳定现象及“爬行”现象，达到了恢复 Y 轴精度的目的。

3      结语

镗铣加工中心主轴箱平衡锤平衡系统中，平衡锤重量、主 轴箱重心位置、链条刚度等因素对主轴箱受力情况影响很大，同时决定着主轴箱沿 Y 轴的运行精度。

本文对类似的平衡锤平衡系统进行了较细致的研 究，并取得了良好的大修效果。对于类似的平衡系统均可以采用本文方法进行分析、调试。