李立強 姜 輝

（齊重數(shù)控裝備股份有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161005）

目前，最大加工直徑在12．5 m以上的重型數(shù)控立式銑車床，橫梁升降一般為移置運動，橫梁和左右垂直刀架的總重量在140 t以上，龍門架跨距在13 m以上，橫梁行程在4 500 mm以上，橫梁的升降速度一般為300 mm/min。橫梁升降裝置一般采用異步電動機作為動力源，經(jīng)過雙軸伸的大降速比減速器降速后，通過左右兩根動力杠將電動機的動力分別傳至左右立柱頂部的兩套減速箱，經(jīng)減速箱再一次降速后，通過左右梯形絲杠、螺母驅動橫梁沿立柱導軌作垂向移置運動，橫梁升降結構中無光柵尺反饋橫梁兩端的實際位置。由于傳動鏈的誤差大，橫梁升降時，橫梁兩端不能保持同步，造成橫梁傾斜，使垂直刀架水平移動對工作臺面的平行度經(jīng)常超差，嚴重影響加工零件的精度。傳統(tǒng)重型數(shù)控立式銑車床的橫梁升降運動不參與數(shù)控進給，不能與機床其他數(shù)控進給軸聯(lián)動，因此無法實現(xiàn)滑枕定懸伸等剛度切削，在機床銑削工件側端面和加工圓柱孔時，只能使用滑枕Z軸垂向移動進行切削加工，由于在滑枕不斷伸出時，滑枕的撓曲變形不斷增大，造成加工工件的平面度、孔的圓柱度不高。另一方面，傳統(tǒng)的橫梁升降裝置使用梯形絲杠、螺母傳動，梯形絲杠傳動效率低，梯形絲杠上的銅螺母承載比壓小、噪聲大，銅螺母磨損快、壽命短，橫梁升降梯形絲杠上的銅螺母是機床的主要易損零件，更換銅螺母費時、費力。使用梯形絲杠、螺母結構的橫梁升降裝置所能輸出的提升力小，不能滿足機床橫梁升降總提升力的要求，因此，橫梁升降結構中必需帶有機械重錘平衡裝置，重錘平衡橫梁和刀架等40%以上的總重量，最大加工直徑在12.5 m以上的重型數(shù)控立式銑車床，其機械重錘的重量一般在60 t以上，機械配重使得龍門架的總重量大大增加，并迫使立柱下面的地基承載能力必需相應提高，機械配重造成機床整機重量和成本大大提高。采用鋼絲繩提升機械重錘和梯形絲杠、銅螺母傳動的傳統(tǒng)橫梁升降結構是重型數(shù)控立式銑車床的主要安全隱患之一。由于橫梁升降速度低、精度低、噪聲大、重量大、成本高，傳統(tǒng)的橫梁升降裝置已不能適應重型數(shù)控立式銑車床向高速度、高精度、高復合性、低噪聲方向發(fā)展的需要，不能滿足重型電動機、船舶、重型機床和其他重型機器制造業(yè)大型零件的加工需要。

為了解決上述難題，筆者公司研制了參與數(shù)控進給運動的橫梁升降裝置（圖1）。實現(xiàn)了滑枕定懸伸等剛度切削。該裝置的橫梁升降雙邊同步驅動機構，使用左右各雙伺服電動機共4臺伺服電動機，通過左右雙減速箱降速后驅動雙滾珠絲杠螺母傳動，滿足了重型數(shù)控立式銑車床橫梁升降W軸重載荷、高剛度、高速度、高精度的要求。該裝置使用橫梁升降雙邊同步檢測結構，通過位于左右立柱上的雙光柵尺閉環(huán)反饋橫梁兩端的實際位置，在橫梁升降時，使左右滾珠絲杠的螺母保持同步旋轉，使橫梁兩端始終保持水平。橫梁升降裝置使用雙重制動結構，在機床斷電時，使用帶制動的4臺伺服電動機和左右各雙失電制動器共4個失電制動器同時制動橫梁，橫梁的制動安全、可靠。橫梁升降進給裝置無需機械重錘平衡裝置，大大降低了機床的整機重量和立柱下面地基的承載量，降低了機床總成本，也消除了橫梁在升降過程中，擺動對橫梁升降W軸數(shù)控精度的影響。

1 橫梁升降裝置的結構組成和工作過程介紹

新型橫梁升降裝置主要由橫梁升降雙邊同步驅動機構、橫梁升降雙邊同步檢測機構、橫梁升降雙重制動結構組成，其中橫梁升降雙邊同步驅動機構的結構是:橫梁1位于左立柱5和右立柱8的前導軌上，左橫梁進給箱2安裝在橫梁1左側的下端面上，左滾珠絲杠4位于左立柱5導軌的左側，右橫梁進給箱6安在橫梁1右側的下端面上，右滾珠絲杠9位于右立柱8導軌的右側。失電制動器17安裝在左橫梁進給箱2、右橫梁進給箱6的下部，伺服電動機25安裝在失電制動器17的下部，聯(lián)軸節(jié)18上端花鍵孔與軸齒輪16下部花鍵配合聯(lián)接，聯(lián)軸節(jié)18下部定心孔與伺服電動機25輸出軸過盈配合聯(lián)接，兩個軸齒輪16同時與齒輪14嚙合，軸齒輪15與齒輪13嚙合，軸齒輪12與齒輪11嚙合，軸齒輪10與軸齒輪24嚙合，軸齒輪24與齒輪23嚙合，齒輪23的定心內孔套在左滾珠絲杠4、右滾珠絲杠9的外圓柱面上，聯(lián)軸節(jié)22的上端面與滾珠絲杠螺母21下端面固定聯(lián)接，聯(lián)軸節(jié)22下端的外齒輪與齒輪23上部的內齒部分嚙合，滾珠絲杠螺母21裝在左滾珠絲杠4和右滾珠絲杠9上，承重軸承20裝在滾珠絲杠螺母21的上端面上，承重套19的下端面壓緊承重軸承20的上環(huán)，承重套19的上端面與橫梁1固定聯(lián)接。

左右橫梁升降同步驅動機構的工作過程是:按下按鈕站橫梁升降起動按鈕，左橫梁進給箱2的2臺伺服電動機25和右橫梁進給箱6的2臺伺服電動機25共4臺伺服電動機同時旋轉，4臺伺服電動機25輸出軸通過聯(lián)軸節(jié)18帶動4個失電制動器17和4個軸齒輪16旋轉，即左橫梁進給箱2和右橫梁進給箱6中每個箱的2個軸齒輪16同時與齒輪14嚙合，軸齒輪15與齒輪13嚙合，軸齒輪12與齒輪11嚙合，軸齒輪10與軸齒輪24嚙合，軸齒輪24與齒輪23嚙合，通過以上齒輪傳動將伺服電動機25的扭矩傳遞給齒輪23，齒輪23通過聯(lián)軸節(jié)22帶動滾珠絲杠螺母21和承重軸承20旋轉并沿左滾珠絲杠4、右滾珠絲杠9的軸向作升降進給運動，滾珠絲杠螺母21通過承重軸承20、承重套19帶動橫梁1作升降進給運動。

左右橫梁升降制動結構的制動過程是:按下按鈕站橫梁升降停止按鈕，左橫梁進給箱2的2臺伺服電動機25和右橫梁進給箱6的2臺伺服電動機25共4臺伺服電動機25和4個失電制動器17同時制動，已經(jīng)制動的4臺伺服電動機25輸出軸通過聯(lián)軸節(jié)18制動4個軸齒輪16，同時4個失電制動器17直接制動4個軸齒輪16，即左橫梁進給箱2和右橫梁進給箱6中每個箱的2個軸齒輪16同時制動齒輪14，通過軸齒輪15與齒輪13嚙合，軸齒輪12與齒輪11嚙合，軸齒輪10與軸齒輪24嚙合，軸齒輪24與齒輪23嚙合，通過以上齒輪傳動將伺服電動機25的制動扭矩傳遞給齒輪23，齒輪23通過聯(lián)軸節(jié)22制動滾珠絲杠螺母21、橫梁1。在機床斷電情況下，在4臺伺服電動機25出現(xiàn)制動故障時，4個失電制動器17通過以上制動過程可以獨立制動橫梁1，起到雙重制動保護橫梁的作用，有效地防止橫梁1滑落事故的發(fā)生。

左右橫梁升降雙邊同步檢測機構的工作過程是:橫梁1在左立柱5導軌上進給運動的實際位置信號通過左光柵尺3反饋給數(shù)控系統(tǒng)，橫梁1在右立柱8導軌上的實際位置信號通過右光柵尺7反饋給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)左光柵尺3和右光柵尺7反饋的信號相應控制左橫梁進給箱2和右橫梁進給箱6上的伺服電動機25旋轉，使左、右滾珠絲杠上的滾珠絲杠螺母21同步旋轉，使橫梁1在左立柱5和右立柱8導軌上全行程上移動時傾斜小于0.03 mm。

2 橫梁升降裝置的結構特點介紹

（1）承受載荷大、速度高。在橫梁升降進給裝置滿負載工作時，該裝置可以驅動總重量在140 t以上的橫梁作垂向升降數(shù)控進給運動，橫梁的進給速度范圍可達0～1 000 mm/min，可以滿足重載荷切削時，雙刀架總切削力160 kN的要求。通過大量的伺服進給系統(tǒng)計算后，對重型數(shù)控立式銑車床的橫梁進給裝置進行優(yōu)化設計，該橫梁升降進給裝置使用左右進給箱同時驅動橫梁，左右進給箱上的每個進給箱均使用雙伺服電動機驅動，降低了電動機軸齒輪的模數(shù)和進給箱的外形尺寸，提高了進給箱的傳動效率和輸出扭矩。滾珠絲杠螺母使用八圈的高精度重載荷螺母，重載荷螺母與橫梁之間使用了重載荷軸承來承受橫梁重量。通過上述結構設計保證新型橫梁升降裝置的精度、精度保持性和使用壽命。

（2）升降進給精度高。本機床橫梁升降行程在4 500 mm以上，絲杠總長度約為7 000 mm，單根滾珠絲杠承重在70 t以上，橫梁的行程長，滾珠絲杠、螺母的承載要求高，橫梁升降進給箱、滾珠絲杠、螺母傳動結構是重型數(shù)控立式銑車床的核心技術難點，為了解決這個技術難題，筆者公司研制了滾珠絲杠固定、螺母旋轉，滾珠絲杠下部軸肩承重的結構，即橫梁、刀架的總重量直接作用在滾珠絲杠下部的軸肩上，再通過主承重法蘭盤作用在立柱前部的支承體上，再通過立柱地腳墊鐵直接作用在地基上，滾珠絲杠的受力狀態(tài)最佳、精度和精度保持性最好。橫梁在左右立柱導軌上作進給運動的實際位置信號通過左右光柵尺反饋給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)左右光柵尺反饋的信號相應控制左右進給箱上的伺服電動機旋轉，驅動左右滾珠絲杠螺母旋轉，使橫梁兩端始終保持同步和水平，在橫梁的全行程上，保證橫梁的傾斜始終滿足機床精度要求。

（3）橫梁升降裝置重量輕、成本低。由于取消了機械重錘，使重型機床整機的重量降低了60 t以上，簡化了傳統(tǒng)橫梁升降裝置的結構，徹底解決了鋼絲繩提升機械重錘和梯形絲杠、銅螺母傳動結構引起的機床主要安全隱患問題，降低了機床的成本，減少了用戶維護橫梁升降裝置的成本，提高了機床的性價比。并使橫梁升降由移置運動改進為W軸數(shù)控進給運動，并同垂直刀架水平進給運動X軸、工作臺轉動C軸進行數(shù)控三軸聯(lián)動，實現(xiàn)了滑枕定懸伸等剛度切削。

（4）橫梁升降裝置的制動安全可靠。新型橫梁升降裝置使用伺服電動機驅動滾珠絲杠傳動結構，由于滾珠絲杠不自鎖，使得橫梁的制動安全顯得尤其重要。新型橫梁升降裝置選用帶抱間的伺服電動機制動橫梁，同時，還使用了失電制動器制動橫梁，失電制動器位于伺服電動機輸出端和減速箱輸入端之間的位置，伺服電動機、失電制動器的制動扭矩經(jīng)減速箱傳動后制動扭矩放大，制動扭矩放大倍數(shù)與減速箱的降速比相同，這樣的結構設計可以使伺服電動機、失電制動器額定制動扭矩的規(guī)格參數(shù)降至最低。在機床斷電時，4臺伺服電動機和4個失電制動器經(jīng)減速箱將制動扭矩放大后同時制動橫梁。在橫梁升降伺服電動機出現(xiàn)故障時，4個失電制動器經(jīng)減速箱將制動扭矩放大后可以獨立制動橫梁，新型橫梁升降裝置由于使用了失電制動器，達到了雙重制動、雙重保護橫梁的目的，有效地防止了在伺服電動機制動失效時，造成橫梁滑落事故的發(fā)生。

3 結語

筆者公司生產(chǎn)最大加工直徑12．5 m的重型數(shù)控立式銑車床，橫梁升降行程為5 m，經(jīng)過在該機床上使用后驗證，橫梁的快速移動速度達到了1 000 mm/min，橫梁升降W軸的定位精度小于0.034 mm，橫梁在全行程上移動時的傾斜小于0.03 mm，重復定位精度小于0.012 mm，反向偏差小于0.006 mm。該橫梁升降裝置已被筆者公司正式申請了國家發(fā)明專利，專利申請?zhí)枮?01110402122.X。