Механические системы уравновешивания (рис. 1, а) используют для компенсации веса шпиндельной бабки 1 потенциальную энергию противовеса 2, соединенного с уравновешиваемым узлом тросовой или цепной подвеской через систему блоков. Они не требуют внешнего источника энергии, если не учитывать маломощные средства контроля и защиты от падения узла: тормозной муфты 4, привода 3 и клапана управления 5. Их надежность определяется, в основном, надежностью подвески, при обрыве которой возможно падение как узла, так и противовеса.
Рис. 1. Типовые системы уравновешивания: а - механическая; б - комбинированная
В зависимости от компоновки станка размещение противовесов и их количество может быть различным. Траверсы, которые имеют портальные фрезерные станки обычно уравновешиваются двумя противовесами, установленными на направляющих стоек и соединенными тросами с концами траверсы. В станках с тяжелой горизонтально перемещающейся бабкой 2 (рис. 2), установленной на поперечине 1 с вертикальным ходом, применяют раздельное уравновешивание этих узлов, позволяющее разгрузить направляющие шпиндельной бабки от ее веса. При этом трос, соединяющий шпиндельную бабку с противовесом 4, переброшен через блок, установленный на поворотной консоли 3, закрепленной на верхнем торце стойки 5.
Рис. 2. Раздельное уравновешивание бабки и траверсы
Для уменьшения массы и размеров противовеса используют два троса, закрепленных на двухступенчатом барабане, концы тросов закреплены, соответственно, на узле и противовесе (рис. 3). Ступень барабана, на которой наматывается трос, соединяющий барабан с противовесом, имеет большой радиус (R), чем ступень, на которой наматывается другой трос. Таким образом, уменьшение массы противовеса достигается за счет его хода по сравнению с ходом узла, и может быть реализовано лишь при относительно малых ходах узла.
Рис. 3. Система уравновешивания со ступенчатым барабаном
Точность уравновешивания определяется соответствием веса подвижного узла и противовеса, т. е. точностью изготовления, которая весьма невысока ввиду несовершенства литейного производства. Разброс в весе шпиндельной бабки расточного станка может достигаться 10÷15%, противовеса - 5÷10%. С учетом возможного увеличения веса подвижного узла при использовании навесного оборудования неуравновешенность может составить до 30%, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на точности и других эксплуатационных характеристиках.
Возможность повышения точности уравновешивания обеспечивает система с промежуточным поворотным кронштейном 1 (рис. 4), который силой натяжения троса прижимает ролик 2 к замыкающей направляющей 3 стойки 4, создавая тем самым силовое замыкание для вертикально перемещаемого узла 5. Настраиваемая величина плеча L определяется соотношением:
L=Gб(RS/MGпр)
где Gб и Gпр - соответственно вес бабки и противовеса; R, M и S - геометрические параметры подвески (см. рис. 4).
Рис. 4. Система уравновешивания с поворотным кронштейном
Особенностью конструкции является возможность изменения величины L, т. е. точки подвеса троса на кронштейне. Таким образом можно не только обеспечить точное соответствие веса подвижного узла и усилия уравновешивания при неизменном противовеса, но и учитывать изменение веса при использовании сменного навесного дополнительного оборудования.
Особым случаем является необходимость компенсации переориентации подвижного узла в пространстве при горизонтальном перемещении шпиндельных устройств: ползунов, бабок, кареток и т. п. Система уравновешивания при этом содержит две ветви. В исполнении по варианту, изображенному на рис. 5, дополнительный противовес 1 приводом 2 перемещается по основному противовесу 3 параллельно горизонтальному смещению ползуна 4 на санях 5. В результате натяжение тросов регулируется в соответствии с распределением натяжений тросов. Связь между величинами перемещений обеспечивается посредством согласования приводов подачи ползуна и дополнительного противовеса в соответствии соотношением:
Lmax/lmax = Gдоп/Gполз
где Lmax и lmax - соответственно ход ползуна и дополнительного противовеса; Gдоп и Gполз - соответственно вес ползуна и дополнительного противовеса.
Рис. 5. Система уравновешивания с составным противовесом
При исполнении по варианту, приведенному на рис. 6, подвеска саней 1 осуществляется через ролик 2 и горизонтальную балку 3 с помощью двух тросов, соединенных с противовесом (на рисунке не показан). Передачей винт-гайка 4 точка подвеса может смещаться, вызывая перераспределение суммарного веса вертикально - подвижного узла при горизонтальных перемещениях ползуна: при движении ползуна ролик также смещается вправо, при возврате - влево. Таким образом, обеспечивается оптимальное натяжение ветвей тросов. Вращение винта производится или через кинематическую передачу от привода ползуна, или от отдельного привода управлением от системы ЧПУ станка.
Рис. 6. Система уравновешивания с подвеской через подвижный ролик
В комбинированных системах уравновешивания, как правило, тросовая подвеска имеет две ветви, закрепленные в передней и задней частях уравновешиваемого узла и связанные с одним или двумя противовесами. При горизонтальном перемещении центра масс узла деформация и, следовательно, длина одной из ветвей увеличивается, а другой уменьшается из-за перераспределения нагрузки, вследствие чего может происходить нежелательная переориентация узла. Для устранения этого явления используют различные компенсирующие гидравлические устройства, одно из которых изображено на рис. 1, б. Показанная здесь система уравновешивания содержит два противовеса, расположенные один над другим. По линии центров масс противовесов между ними установлен гидроцилиндр, гильза которого закреплена на противовесе, а плунжер - на другом.
Давление в гидроцилиндре изменяется дистанционно в функции горизонтального смещения центра масс по сигналу датчика координаты горизонтального перемещения узла. Благодаря этому обеспечивается компенсация изменения длин обеих ветвей за счет дополнительного вертикального смещения противовесов при измененном положении точек подвеса уравновешиваемого узла.
Несмотря на относительную простоту и экономичность, применение механических и комбинированных систем уравновешивания в станках сокращается в связи с их существенными недостатками. Прежде всего, эти системы имеют наибольшие габариты и массу, определяемую массой уравновешиваемого узла, блоков, подвески, ловителей и направляющих противовеса. Далее, сокращение времени установочных перемещений в станках с ЧПУ потребовало увеличения скорости и быстродействия приводов подач. Наличие противовеса накладывает ограничение на реализацию этого требования, так как инерционная нагрузка привода вертикальной подачи в этом случае весьма неблагоприятна и представляет две соединенные упругой связью массы, каждая из которых соответствует массе узла.
Наконец, в механических системах отсутствует или осложнена регулировка усилия уравновешивания, что снижает точность системы из-за естественного разброса значений масс уравновешиваемых узлов и противовесов. Аналогичное происходит и в случае применения навесных шпиндельных головок, которые устанавливают на многооперационные станки.
