嚴(yán)江云 字立敏 余光懷

（沈機集團昆明機床股份有限公司，云南昆明 650203）

隨著機床行業(yè)的快速發(fā)展，高速、高精度、高穩(wěn)定性成為現(xiàn)代機床發(fā)展的趨勢，這幾項指標(biāo)在加工中心上體現(xiàn)得更為明顯。（1）高速:機床采用電主軸，主軸最高轉(zhuǎn)速達到15 000 r/min以上，最大進給快速達到80 m/min以上。（2）高精度:對設(shè)備熱變形誤差和空間誤差進行綜合補償，定位精度達到納米級;（3）高穩(wěn)定性:結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受力后保持原有穩(wěn)定平衡狀態(tài)的能力。機床穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在定位精度及重復(fù)定位精度的保持性，機床連續(xù)工作時間以及使用壽命上。

上述指標(biāo)必須建立在機床自身剛性指標(biāo)的基礎(chǔ)上。其中剛性指標(biāo)又包括兩個方面:（1）結(jié)構(gòu)剛性，是指零件自身的抗變形能力以及無相對運動的兩個或者多個零件之間的連接抗變形能力。現(xiàn)有的技術(shù)條件完全可以滿足高速高精度機床對結(jié)構(gòu)剛性的需求。筆者公司生產(chǎn)的臥式加工中心采用整體式床身設(shè)計，減少連接環(huán)節(jié)，通過實際工況下的邊界條件對其進行有限元分析驗證，結(jié)構(gòu)剛性得以大大提升，足以滿足機床剛性要求。（2）傳動剛性，是指傳動系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)之間的連接剛性以及在傳動過程中整個系統(tǒng)的抗振性，主要體現(xiàn)在機床的定位精度和重復(fù)定位精度的要求上。機床的傳動剛性是一個比較復(fù)雜，影響因素多，難以控制的指標(biāo)。國內(nèi)外機械行業(yè)對機床剛性指標(biāo)的研究已經(jīng)形成一股熱潮，尤其是對傳動剛性的設(shè)計研究，是一項非常熱門的研究課題。機床傳動剛性的提升，將為機床的其他各項性能指標(biāo)的提升開拓出更為廣闊的發(fā)展空間。本文以絲杠傳動為例，通過研究傳統(tǒng)的進給驅(qū)動方式與雙絲杠驅(qū)動方式的剛性指標(biāo)和壽命指標(biāo)，進行對比驗證，設(shè)計出一種剛性更好，壽命更長的傳動方式，不僅滿足了高速高精度機床的各項指標(biāo)，還為機床的各項性能的提升奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1 典型絲杠進給驅(qū)動

數(shù)控機床典型的絲杠驅(qū)動形式如圖1所示。圖1a中伺服電動機1驅(qū)動小帶輪2，通過同步齒形帶帶動大帶輪3驅(qū)動滾珠絲杠5，從而實現(xiàn)工作臺滑座6的進給，大帶輪3通常采用強度較好的Z2型脹緊套與滾珠絲杠5相連接。此結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用于低速重載、需較大的進給力且加工精度要求不高的情況。

圖1b中伺服電動機1通過高剛性的彈性聯(lián)軸器7直接驅(qū)動滾珠絲杠5，從而實現(xiàn)工作臺滑座6的進給。此結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用于中、低速，精加工機床。

進給驅(qū)動系統(tǒng)軸向上的剛性主要取決于傳遞動力的滾珠絲杠，驅(qū)動系統(tǒng)的剛性越高，則選用的滾珠絲杠外徑越大，而這與機床的高速進給是相矛盾的。要高速，則滾珠絲杠外徑盡量小，從而減小絲杠的發(fā)熱量和增加絲杠的使用壽命。因此典型的單滾珠絲杠進給驅(qū)動已不能滿足現(xiàn)代機床的要求。

2 雙滾珠絲杠進給驅(qū)動

雙滾珠絲杠進給驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖2所示，雙滾珠絲杠對稱布置在工作臺滑座5重心的兩邊，使驅(qū)動進給時驅(qū)動中心與工作臺重心相重合，有效抑制機床旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的振動和加減速時產(chǎn)生的振動，從而明顯地提高機床的加工精度。日本森精機通過長期的研發(fā)與工程實際驗證，提出機床進給系統(tǒng)的重心驅(qū)動理論，雙絲杠驅(qū)動為重心驅(qū)動的可行性奠定了基礎(chǔ)。這項技術(shù)在國內(nèi)外機床制造行業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。下面重點介紹雙絲杠重心驅(qū)動對機床各項性能的影響。

2.1 對比計算

（1）壽命計算

由以下疲勞壽命Lt計算公式:可知，當(dāng)額定動載荷Ca、絲杠轉(zhuǎn)速n一定時，雙絲杠驅(qū)動的軸向負(fù)載由兩根絲杠平均分擔(dān)，軸向負(fù)載Fw減小為原來的1/2，則絲杠的疲勞壽命Lt是原來的8倍，大幅度提升了滾珠絲杠傳動的使用壽命。同時由于單個絲杠的負(fù)載及慣量相應(yīng)降低為原來的一半，與之相匹配的電動機各項要求也得到相應(yīng)的降低。實現(xiàn)低功耗、小扭矩的經(jīng)濟性。

（2）滾珠絲杠傳動的d×n值及剛度計算［1］

根據(jù)滾珠絲杠安裝條件為兩端固定式，其剛度值Ks用以下公式計算:

式中:dr為滾珠絲杠底徑;E為縱向彈性系數(shù)（E=2.06×105MPa）;i為絲杠數(shù)量。從式（2）和式（3）可以看出絲杠的d×n值、自身剛性與絲杠的直徑d和數(shù)量i有關(guān)，單絲杠傳動時d×n值大于100 000，需與滾珠絲杠廠家聯(lián)系，特殊定制，價格成本往往較高。若要降低成本，則只能通過減小滾珠絲杠的直徑d來實現(xiàn)，這樣一來，絲杠的傳動剛性又被削弱。對機床使用性能將造成極大的負(fù)面影響。然而，采用雙絲杠驅(qū)動方式則可以適當(dāng)減小絲杠的直徑來減小d×n值，從而降低單根絲杠的成本，提高使用壽命，減小絲杠發(fā)熱量。由于絲杠數(shù)量增加一倍，傳動剛性也不會由于絲杠直徑的減小而被降低。不僅如此，絲杠直徑減小，還能適當(dāng)提高驅(qū)動轉(zhuǎn)速，對機床高速性能的提升有很大的幫助。

小結(jié):從上述設(shè)計計算和理論分析可以看出，采用雙絲杠傳動不僅能大大提升傳動系統(tǒng)的使用壽命，還能適當(dāng)提升傳動系統(tǒng)的高速性和高剛性，降低匹配電機的各項要求，實現(xiàn)設(shè)計要求的經(jīng)濟性，使得機床各項性能均有明顯提高。

2.2 重心驅(qū)動（DCG）

重心驅(qū)動（Driven at the Center of Gravity）指驅(qū)動的等效作用點沿作用力方向必須經(jīng)過機床被驅(qū)動部件的等效重心。重心驅(qū)動是一項可以縮短加工時間、改善輪廓加工精度、提高加工表面質(zhì)量的技術(shù)。眾所周知，如果推動一個物體時，作用點在沿作用力的方向上沒有穿過作用物體的重心，那么推動物體時就會使物體產(chǎn)生不穩(wěn)定或者轉(zhuǎn)動［3］。

非重心驅(qū)動結(jié)構(gòu)之所以發(fā)生轉(zhuǎn)動或者運動不平穩(wěn)，主要是因為，驅(qū)動力與被驅(qū)動對象的重心不在一條直線上，這樣便使得驅(qū)動力與重心之間產(chǎn)生一個驅(qū)動附加轉(zhuǎn)矩M，特別是在機床啟動和換向時，這個轉(zhuǎn)矩M對機床的影響特別大（圖3）。

式中:J為滑座相對于絲杠的慣性矩;α為機床啟動時滑座重心相對于絲杠的角加速度。

式中:a為啟動加速度。則有

從式（6）可以看出，附加轉(zhuǎn)矩M與滑座質(zhì)量m1、絲杠偏心距L、以及啟動加速度a成正比關(guān)系。從而可知，這樣的布置形式對于高速機床來說是想當(dāng)不利的。不僅如此，這個附加轉(zhuǎn)矩在機床快速啟動和換向時，要求進給系統(tǒng)的動力源大功率輸出，使得加速度急劇增大，附加扭矩隨之增大，使滑座產(chǎn)生急劇的振動，甚至損壞傳動系統(tǒng)。

那么如何消除附加轉(zhuǎn)矩帶來的危害，從設(shè)計角度來看，滑座的質(zhì)量是初始條件，不宜更改，高加速度a是高速高精度機床所必須的參數(shù)，所以只能將L消除，式中的M便為0。

理論上講，單絲杠傳動也可以實現(xiàn)重心驅(qū)動，但是從實際工況來看，采用單絲杠傳動的重心驅(qū)動方式，絲杠必須穿過被驅(qū)動部件的重心（一般是幾何中心），往往由于被驅(qū)動部件的幾何中心還有更加重要的部件需要安裝，比如工作臺的回轉(zhuǎn)心軸，高精度的軸承等，都需要安裝在工作臺的幾何中心位置，因此，單絲杠傳動想要穿過被驅(qū)動部件的重心位置幾乎不可能。

然而，采用雙絲杠傳動的驅(qū)動方式就可以很好地解決這一系列問題。雙絲杠重心驅(qū)動方式并非要求絲杠穿過被驅(qū)動部件的幾何中心，而是采用絲杠相對于被驅(qū)動部件的重心位置對稱布置，使得在傳動時，兩個絲杠相對于被驅(qū)動部件產(chǎn)生一對大小相等、方向相反的附加轉(zhuǎn)矩，這對轉(zhuǎn)矩可以互相抵消，便消除了附加轉(zhuǎn)矩，等效于重心驅(qū)動。其結(jié)構(gòu)如圖4，計算如下:

從式（7）可以看出，只要L1和L2長度相等，即兩根絲杠相對于驅(qū)動部件的重心對稱，那么，驅(qū)動系統(tǒng)的附加扭矩便為零，即使在啟動時，加速度a有多大，也不會產(chǎn)生附加扭矩帶來的機床振動。

非重心驅(qū)動由于會產(chǎn)生很大的偏振，而且振動與驅(qū)動加速度a成正比，所以這類布置形式快速移動時需要逐級加速，使得機床的高速性能具有很大的局限性。重心驅(qū)動的部件在加速的起點位置不發(fā)生偏振，開始即可以最大驅(qū)動力加速，打破了限制機床高速性能的局限。試驗表明，非重心驅(qū)動的設(shè)備不僅自身產(chǎn)生振動，而且振動持續(xù)時間較長;而重心驅(qū)動的機床能在極短時間內(nèi)消除振動，使得機床加工的工件具有很高的精度和表面粗糙度，大大提升了機床的加工性能［4］。

小結(jié):雙絲杠驅(qū)動形式為機床的高速性能開拓了很大的發(fā)展空間。同時機床噪聲低，振動小，使用壽命長，機床的加工精度也得到了相應(yīng)提升，較傳統(tǒng)驅(qū)動方式有明顯的先進性。雙絲杠驅(qū)動結(jié)構(gòu)已在筆者公司承擔(dān)的2010年度國家重大科技專項“TGK46100高精度數(shù)控臥式坐標(biāo)鏜床”（編號2010ZX04001－021）項目機床上應(yīng)用，直線坐標(biāo)定位精度達到0.003 mm，重復(fù)定位精度達到0.001 5 mm，取得了非常理想的效果。

3 結(jié)語

通過上述分析可以得出以下結(jié)論:

（1）通過比較，雙滾珠絲杠驅(qū)動方式較傳統(tǒng)的單絲杠傳動方式而言，具有驅(qū)動力要求低，使用壽命大幅度提高等優(yōu)點。

（2）雙滾珠絲杠驅(qū)動從結(jié)構(gòu)原理上大大減小了機床的振動，同時還具有較高的抗振性能，有效保證了機床的加工精度，為機床朝著高精度方向發(fā)展奠定了扎實的基礎(chǔ)。

（3）采用雙絲杠重心驅(qū)動布置形式，打破了約束機床快速啟動的結(jié)構(gòu)限制，為機床的高速性能開拓了廣闊的發(fā)展空間。

總之，雙絲杠進給驅(qū)動方式較傳統(tǒng)的單絲杠驅(qū)動方式具有明顯的科學(xué)性和先進性。它不僅大大提升了機床整體的傳動剛性，還為機床各項性能指標(biāo)（高速、高精度、高穩(wěn)定性）的提升奠定了扎實的基礎(chǔ)，同時為機床開拓了廣闊的發(fā)展空間。隨著高檔數(shù)控機床的發(fā)展，雙絲杠重心驅(qū)動將會得到廣泛的應(yīng)用。

［1］《機床設(shè)計手冊》編寫組.機床設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1987.

［2］哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［3］森精機制作所.采用重心驅(qū)動（DCG）的機床［J］.王琦，譯.制造技術(shù)與機床 ，2005（2）:21－22.

［4］王立平，吳軍.數(shù)控機床發(fā)展趨勢及新技術(shù)芻議［J］.航空制造技術(shù)，2008（17）.