張 曙 衛(wèi)漢華 張炳生

張曙 同濟(jì)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，上海市科技功臣、全國(guó)優(yōu)秀科技工作者、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)榮譽(yù)理事。

1 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)是機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是機(jī)床實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的關(guān)鍵，通過(guò)直線和回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的串聯(lián)或疊加，刀具和工件之間方可形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加工復(fù)雜的形狀表面。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的配置形態(tài)、速度和精度在很大程度上體現(xiàn)了機(jī)床總體性能。例如，一臺(tái)復(fù)合加工機(jī)床往往需要多個(gè)直線和回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。

圖1 復(fù)合加工機(jī)床的進(jìn)給配置

高端數(shù)控機(jī)床的終極愿景是要實(shí)現(xiàn)高的生產(chǎn)效率和大的工藝范圍，體現(xiàn)在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)上的目標(biāo)是：（1）提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，（2）拓寬速度頻帶的控制范圍，（3）提高所形成的空間軌跡精度，（4）高的可靠性和合理的成本。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對(duì)生態(tài)保護(hù)的重視，機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)除了要滿足既有的設(shè)計(jì)目標(biāo)外，還需要致力于降低能源消耗，發(fā)展模擬仿真軟件工具，提高機(jī)床的可重構(gòu)性等新目標(biāo)。

本文闡述機(jī)電直線進(jìn)給驅(qū)動(dòng)及其技術(shù)熱點(diǎn)。機(jī)床上普遍應(yīng)用的直線進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有：①絲杠螺母副，②齒輪齒條副，③蝸桿齒條副，④直線電機(jī)。其中絲杠螺母、齒輪齒條、蝸桿齒條都是間接驅(qū)動(dòng)模式，借助機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，只有直線電動(dòng)機(jī)屬于“零”機(jī)械傳動(dòng)的直接驅(qū)動(dòng)模式。

2 間接進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇

間接進(jìn)給驅(qū)動(dòng)由電伺服驅(qū)動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)和位置反饋3部分組成，如圖2所示。

圖2 間接進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的組成

從圖中可見(jiàn)，待加工的零件通過(guò)數(shù)控編程后生成刀具軌跡并分解到X軸的位移指令Xs，經(jīng)位置控制、速度控制、電流控制和功率放大后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行構(gòu)件實(shí)現(xiàn)所要求的位移。由測(cè)量裝置檢測(cè)實(shí)際的位移，并將誤差反饋給位置控制，此外還有速度反饋和電流反饋回路，以保證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

間接進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有：絲杠螺母副、齒輪齒條副和蝸桿齒條副3種，各自的特點(diǎn)如圖3所示。從圖中可見(jiàn)，不同的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在移動(dòng)距離、驅(qū)動(dòng)力、傳動(dòng)效率等方面皆有所不同，適合不同的工況和不同的機(jī)床類(lèi)型。

圖3 間接進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

進(jìn)給驅(qū)動(dòng)要完成切削過(guò)程的進(jìn)給和機(jī)床部件定位或換刀時(shí)的快速移動(dòng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)床加工過(guò)程中，用于切削的時(shí)間約占35%，換刀和X/Y/Z軸定位等輔助運(yùn)動(dòng)時(shí)間占60%以上。切削時(shí)的進(jìn)給速度受工藝限制，一般遠(yuǎn)低于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的性能極限；反之，快速移動(dòng)的距離、速度、加速度和加加速度卻是體現(xiàn)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要素。

因此，在快速行程＜50 mm的情況，為了縮短機(jī)床部件移動(dòng)的輔助時(shí)間，進(jìn)給系統(tǒng)的加速度和控制器的比例增益Kv最為重要。在機(jī)床部件移動(dòng)＞200 mm行程的場(chǎng)合，需要移動(dòng)速度快以縮短移動(dòng)時(shí)間，此時(shí)加速度＞10 m/s2時(shí)所節(jié)省的輔助時(shí)間對(duì)整個(gè)移動(dòng)過(guò)程的時(shí)間來(lái)說(shuō)就沒(méi)有太大意義，即高于10 m/s2的加速度對(duì)總體效果影響不大，Kv值也屬次要。

2.2 背隙的消除

由于間接傳動(dòng)有中間環(huán)節(jié)，傳動(dòng)元件之間必然存在背隙，因此消除背隙對(duì)軌跡精度的影響是間接進(jìn)給驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

滾珠絲杠螺母副雖然背隙和爬行現(xiàn)象輕微，但在高速和高頻運(yùn)動(dòng)時(shí)，仍然對(duì)精度造成影響，因此在應(yīng)用中一般會(huì)對(duì)滾珠絲杠副進(jìn)行預(yù)緊。如圖4所示，滾珠螺母由兩部分組成，向相反方向擰緊或中間加調(diào)整墊片所產(chǎn)生的預(yù)緊力可使絲杠的軸向間隙達(dá)到負(fù)值，不單可以消除背隙，絲杠傳動(dòng)副的剛性也得到提高，如圖4所示。但預(yù)緊力過(guò)大會(huì)增加摩擦力，導(dǎo)致發(fā)熱和加速磨損。此外，除了恒定的預(yù)緊力外，隨著螺母的轉(zhuǎn)速提高，滾珠還會(huì)對(duì)絲杠產(chǎn)生相應(yīng)的徑向作用力，導(dǎo)致高速運(yùn)動(dòng)時(shí)預(yù)緊力過(guò)大。因此，螺母預(yù)緊力不應(yīng)大于滾珠絲杠最大動(dòng)態(tài)荷載的12%，一般可取6～8%。

圖4 預(yù)緊力對(duì)絲杠滾珠的作用

消除齒輪齒條傳動(dòng)背隙的方法有二。方法一是借助兩齒輪的齒形錯(cuò)位來(lái)消除背隙，如圖5所示。圖中兩個(gè)斜齒輪安裝在同一伺服電動(dòng)機(jī)軸上，一個(gè)齒輪壓配合裝在電動(dòng)機(jī)軸的錐部；另一齒輪安裝在花鍵軸部位，在彈簧的作用下可以軸向移動(dòng)，借助兩個(gè)斜齒輪的齒形錯(cuò)位消除齒輪和齒條傳動(dòng)的背隙。

圖5 消除齒輪齒條傳動(dòng)背隙方法一

第二種方法是采用主、從兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)消除背隙，其原理如圖6所示。

兩個(gè)齒輪用兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，以其旋轉(zhuǎn)力矩差產(chǎn)生預(yù)緊力距，旋轉(zhuǎn)力矩差一般取電動(dòng)機(jī)最高輸出20%～30%。采用兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)雖然增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，但由于總功率較高，在快速進(jìn)給時(shí)可改為同向旋轉(zhuǎn)，提高快進(jìn)速度。

圖6 消除齒輪齒條傳動(dòng)背隙方法二

2.3 絲杠擾動(dòng)的防止

滾珠絲杠為一細(xì)長(zhǎng)圓柱體，在高速旋轉(zhuǎn)或受外力激勵(lì)下會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，絲杠的一階固有頻率與其剛度、直徑、懸空長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)速相關(guān)。其表達(dá)式為：

其中c為絲杠剛度，m為其質(zhì)量，Kv為電機(jī)的速度增益。一般滾珠絲杠的一階固有頻率約在50～70 Hz，因此，滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的理論速度上限為100 mm/s。如何提高絲杠的一階固有頻率，是進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

3 直接進(jìn)給驅(qū)動(dòng)

3.1 直接進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)

直接進(jìn)給驅(qū)動(dòng)是依靠直線電動(dòng)機(jī)初級(jí)和次級(jí)間的磁力移動(dòng)工作臺(tái)，中間沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)元件，導(dǎo)軌一般與滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置一樣。由于沒(méi)有絲杠、螺母、聯(lián)軸節(jié)、電機(jī)軸和軸承的柔度，切削載荷和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量直接作用在直線電動(dòng)機(jī)上。

與滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)相較，直線驅(qū)動(dòng)的加速度較高，移動(dòng)速度快，能快速定位，伺服帶寬大等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于直線電動(dòng)機(jī)無(wú)接觸傳遞力，機(jī)械摩擦損耗和爬行現(xiàn)象幾乎為零，能達(dá)到比滾珠絲杠更高的精度和可靠性。

根據(jù)直線電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn)，其一階固有頻率只由電動(dòng)機(jī)的電氣特性決定，其表達(dá)式為：

式中Kv為電動(dòng)機(jī)的速度增益，而Kp為位置增益。以目前技術(shù)水平推算，直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的一階固有頻率約為165 Hz，遠(yuǎn)比滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)為高。

圖7 直接驅(qū)動(dòng)與間接驅(qū)動(dòng)的加速能力

但是，直線電動(dòng)機(jī)的加速性與運(yùn)動(dòng)的總質(zhì)量成反比，與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力成正比。其加速性并非在所有情況下都優(yōu)于滾珠絲杠螺母系統(tǒng)。例如，兩種導(dǎo)程分別為20 mm和40 mm的滾珠絲杠與驅(qū)動(dòng)力分別為8 kN和2 kN的直線電動(dòng)機(jī)的加速性比較如圖7所示。

從圖中可見(jiàn)，直線電動(dòng)機(jī)只有在承載量較小時(shí)達(dá)到高加速度，而滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)卻在大范圍內(nèi)保持其加速能力，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)慣性經(jīng)過(guò)減速比才反映到回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)上。

3.2 直線電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型

直線電動(dòng)機(jī)分為同步直線電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)直線電動(dòng)機(jī)兩類(lèi)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子由金屬條構(gòu)成，同步電動(dòng)機(jī)的定子由永磁材料構(gòu)成。商品化的同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的最大推力達(dá)15～20 kN，額定推力6～8 kN，遠(yuǎn)比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的最大推力5～10 kN，額定推力0.8～2 kN為高，適用于重切削的機(jī)床。而商品化的感應(yīng)直線電動(dòng)機(jī)由于推重比高（小型感應(yīng)直線電動(dòng)機(jī)重量?jī)H1.5 kg），因此較適合中小型要求高加速度的機(jī)床使用。

3.3 直接驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

直線電動(dòng)機(jī)的加速度高、無(wú)機(jī)械接觸和中間傳遞構(gòu)件的特點(diǎn)，只需考慮系統(tǒng)的剛體動(dòng)力學(xué)和靜態(tài)剛度，但需要考慮以下影響：

（1）直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱較大，甚至高達(dá)100 ℃，通常需要水冷卻，以避免對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。

（2）重型機(jī)床的工作臺(tái)或立柱采用直接驅(qū)動(dòng)在高速、高加速度下運(yùn)動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)的低頻模態(tài)。這種慣性振動(dòng)被安裝在工作臺(tái)上的檢測(cè)系統(tǒng)拾取，就可能造成控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定和加工表面質(zhì)量降低。因此中小型機(jī)床采用直接驅(qū)動(dòng)有較大優(yōu)勢(shì)。

（3）直線電動(dòng)機(jī)沒(méi)有自鎖緊特性，為了保證操作安全，直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軸，尤其是垂直運(yùn)動(dòng)軸，必須要額外配備配重和鎖緊機(jī)構(gòu)。

圖8 直接驅(qū)動(dòng)與間接驅(qū)動(dòng)的成本比較

3.4 直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的成本

盡管直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)性能明顯優(yōu)于滾珠絲杠伺服驅(qū)動(dòng)。但與滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)比較，其成本較高，一臺(tái)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的兩種驅(qū)動(dòng)方案的成本比較如圖8所示。

從圖中可見(jiàn)，直線電動(dòng)機(jī)的價(jià)格大約是伺服電動(dòng)機(jī)的3倍，即使加上滾珠絲杠和鉸鏈等機(jī)械零部件，滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)方案的成本僅為直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的75%。

4 幾項(xiàng)技術(shù)熱點(diǎn)

4.1 低預(yù)緊力螺母結(jié)構(gòu)

利用預(yù)緊來(lái)減少背隙的方法，會(huì)造成滾珠絲杠精度、最大荷載和壽命三者的矛盾，為了延長(zhǎng)高預(yù)緊力絲杠的壽命，不得不使絲杠在低于滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行。解決這一矛盾的專(zhuān)利技術(shù)，是在一對(duì)滾珠螺母和中間墊片之間，加入兩枚彈性墊圈，如圖9所示。

圖9 彈性中間墊圈的預(yù)緊力傳遞效果

采用該技術(shù)后，即使在較低的預(yù)緊力下，滾珠仍然維持與螺桿和螺母的接觸。測(cè)試結(jié)果顯示，3 kN的預(yù)緊力即可與既有設(shè)計(jì)的5.5 kN等效，滾珠絲杠的壽命可由0.4×109轉(zhuǎn)提升至1.8×109轉(zhuǎn)。

4.2 導(dǎo)軌阻尼裝置

滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)的一階固有頻率限制了進(jìn)給裝置的最高速度。在剛度、阻尼、重量3項(xiàng)決定固有頻率的參數(shù)中，阻尼最容易通過(guò)機(jī)電裝置調(diào)整。最近一項(xiàng)主動(dòng)阻尼裝置的創(chuàng)新，可在第一固有頻率處大幅降低振幅。如圖10 中綠色曲線所示。

該系統(tǒng)的原理是，在工作臺(tái)上增加類(lèi)似線性導(dǎo)軌滑塊的制動(dòng)裝置，通過(guò)控制系統(tǒng)指令，利用壓電陶瓷壓向?qū)к壴黾幽Σ?，改變進(jìn)給系統(tǒng)的阻尼特性。研究結(jié)果顯示，由于大大降低一階固有頻率段的振幅，令進(jìn)給系統(tǒng)的最高變向頻率由8 Hz增加至16 Hz。

4.3 軸向柔性滾珠絲杠軸承

圖10 導(dǎo)軌阻尼裝置

提高滾珠絲杠系統(tǒng)變向頻率的另一方向，是通過(guò)改良絲杠軸承來(lái)改善滾珠絲杠系統(tǒng)的動(dòng)力特性。目前提出的改良方案有被動(dòng)和主動(dòng)模式兩種。被動(dòng)模式如圖11所示，是將固定軸承由剛性材料改為由只有絲杠剛性1%的柔性材料制造，令絲杠可軸向伸縮，改變系統(tǒng)的阻尼。

圖11 軸向柔性滾珠絲杠副的原理

主動(dòng)模式的工作原理是在絲杠軸承殼內(nèi)裝置壓電陶瓷，通過(guò)控制系統(tǒng)指令，令壓電陶瓷向支承絲杠的滾珠軸承外圈施加軸向壓力，改變進(jìn)給系統(tǒng)的阻尼特性。

5 結(jié)語(yǔ)和展望

本文提出了設(shè)計(jì)直線進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的若干原則和影響其動(dòng)態(tài)性能的要素以及當(dāng)前國(guó)外的研究熱點(diǎn)，供機(jī)床設(shè)計(jì)人員和國(guó)內(nèi)功能部件制造廠商參考。

滾珠絲杠是直線進(jìn)給驅(qū)動(dòng)應(yīng)用最廣泛的形式。目前正在向高速、降低噪音，縮減空間、輕量化，提高DmN值和加速度能力方面發(fā)展。直線電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景廣闊，但需要進(jìn)一步降低成本和解決發(fā)熱問(wèn)題。

雖然直線電機(jī)在速度和加速度方面有著很大的優(yōu)勢(shì)，但也有其局限性，目前滾珠絲杠還享有巨大的價(jià)格和技術(shù)成熟度優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的技術(shù)創(chuàng)新活動(dòng)仍然非?；钴S。