陳宏星，李 強(qiáng)

（江蘇金方圓數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇揚(yáng)州 225127）

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床是一種高效、自動(dòng)化的鈑金加工設(shè)備。X、Y軸送料系統(tǒng)作為數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的關(guān)鍵部件，很大程度上決定了機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能和參數(shù)指標(biāo)。目前，該系統(tǒng)主要采用單電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)單絲杠帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的特性分析和改善措施，筆者已經(jīng)在相關(guān)雜志上發(fā)表了文章加以闡述。

隨著鈑金加工企業(yè)加工要求的提高以及購(gòu)買能力的提升，迫切需要使用高檔鈑金加工設(shè)備。傳統(tǒng)的單電機(jī)單絲杠直驅(qū)的結(jié)構(gòu)形式，已經(jīng)不能滿足高檔機(jī)床高速、高動(dòng)態(tài)的指標(biāo)要求。筆者結(jié)合我公司的新型送料結(jié)構(gòu)形式，分析其對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能提高所起的重要作用。

橫梁送料系統(tǒng)的主要功能是把待加工件準(zhǔn)確地送到加工位置，前后（Y軸）方向是通過(guò)橫梁的運(yùn)動(dòng)來(lái)送料，左右（X軸）方向是通過(guò)拖板的運(yùn)動(dòng)來(lái)送料。下面對(duì)兩個(gè)方向分別加以介紹。

1 X軸采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)提高動(dòng)態(tài)性能

典型的X軸送料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)絲杠螺母帶動(dòng)拖板運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)板料的移動(dòng)。其特點(diǎn)是負(fù)載小、運(yùn)動(dòng)行程長(zhǎng)。

目前，X軸存在的主要問(wèn)題是高速運(yùn)行條件下受絲杠臨界轉(zhuǎn)速限制導(dǎo)致送料速度上不去。以X軸2 500 mm行程為例，最大送料系統(tǒng)僅僅為2 000（絲杠臨界轉(zhuǎn)速）X32（絲杠導(dǎo)程）=64 m/min，達(dá)不到更高的高速送料要求。如果強(qiáng)行提速，絲杠則會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，嚴(yán)重影響機(jī)床加工精度。為克服絲杠臨界轉(zhuǎn)速的問(wèn)題，目前，主要有下面兩種解決方案。

（1）采用大直徑大導(dǎo)程絲杠

采用大直徑大導(dǎo)程絲杠，可以提高絲杠的臨界轉(zhuǎn)速，達(dá)到高速送料的要求。

圖1 X軸送料進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

但是采用該方案后，絲杠本身的采購(gòu)成本大大增加，同時(shí)需要大規(guī)格的電機(jī)配合一級(jí)減速裝置（同步帶傳動(dòng)或者大小齒輪傳動(dòng)），來(lái)適應(yīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加和減速的要求，最終導(dǎo)致成本大幅增加。

（2）采用絲杠抑振裝置

在絲杠運(yùn)行過(guò)程中，增加輔助支撐裝置，對(duì)絲杠形成一種約束作用，減小絲杠振動(dòng)程度。圖2所示為我公司獲得國(guó)家專利的抑振裝置結(jié)構(gòu)圖。該方案雖然能一定程度的解決絲杠的抖動(dòng)問(wèn)題，但其缺點(diǎn)是安裝調(diào)整比較麻煩，需要增加一套直線導(dǎo)軌裝置，成本也相應(yīng)增加。

圖2 絲杠抑振裝置

通過(guò)以上兩種方法可以一定程度上解決絲杠臨界轉(zhuǎn)速的問(wèn)題，但是都存在各自的缺點(diǎn)。在機(jī)床有更高速要求時(shí)，采用了齒輪齒條的結(jié)構(gòu)方案。圖3為傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖。采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)后，X軸最大進(jìn)給速度可以達(dá)到120 m/min。目前，該齒輪齒條驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)已獲得國(guó)家專利。

與滾珠絲杠傳動(dòng)相比，齒輪齒條傳動(dòng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）進(jìn)給精度和定位精度等同于滾珠絲杠的精度；

（2）無(wú)嚙合噪音、無(wú)明顯的運(yùn)行噪音，幾乎無(wú)振動(dòng)；

（3）具有滾珠絲杠無(wú)法完成的長(zhǎng)距離進(jìn)給，高速運(yùn)行超過(guò)250 m/min;

（4）使用壽命是普通齒條及滾珠絲杠的2.5倍。

2 Y軸采用雙驅(qū)動(dòng)同步絲杠的動(dòng)態(tài)性能分析

典型的Y軸送料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)絲杠螺母帶動(dòng)橫梁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直線進(jìn)給。為了消除滾珠絲杠的反向間隙，對(duì)螺母施加預(yù)緊力?？紤]到加工精度的高要求，滾珠絲杠兩端用固定-固定方式安裝。整個(gè)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：工作臺(tái)行程較長(zhǎng)導(dǎo)致絲杠長(zhǎng)度較長(zhǎng)，只有兩端軸承支承，支撐跨度較大，由于絲杠自重的作用，必然有一定的撓度，剛性差。另外橫梁重量相對(duì)絲杠也比較大，加減速過(guò)程中慣性較大，導(dǎo)致進(jìn)給系統(tǒng)剛性和抗振性能下降。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的分析結(jié)果，需要做的工作是在保持現(xiàn)有橫梁剛度和結(jié)構(gòu)允許的情況下，盡量減輕其重量，降低負(fù)載，同時(shí)提高絲杠和導(dǎo)軌系統(tǒng)在高速條件下的動(dòng)態(tài)剛度[1]。

圖3 齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 Y軸送料進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)這一原則，設(shè)計(jì)了輕量化橫梁，減小工作負(fù)載。同時(shí)采用雙驅(qū)同步絲杠取代單絲杠的結(jié)構(gòu)形式，大幅提高絲杠系統(tǒng)的剛度。另外，由于Y軸行程相對(duì)X軸行程而言要小很多，不存在受絲杠臨界轉(zhuǎn)速影響的問(wèn)題。雙驅(qū)同步絲杠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙驅(qū)同步絲杠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

隨著數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的不斷發(fā)展，為提升機(jī)床的產(chǎn)能與加工質(zhì)量，高速與高精度成為關(guān)鍵，如何提升加工速度與加工精度已成為鈑金加工設(shè)備發(fā)展的重要課題。提升機(jī)床的生產(chǎn)效率，就必須要在有限的行程內(nèi)提高速度，但隨著速度的提升，驅(qū)動(dòng)工作平臺(tái)或者主軸的驅(qū)動(dòng)力也必然隨著增大，在高速進(jìn)給時(shí)，瞬間的驅(qū)動(dòng)力很容易引起振動(dòng)現(xiàn)象的產(chǎn)生，一旦加工過(guò)程中有振動(dòng)產(chǎn)生，便會(huì)導(dǎo)致加工精度的降低，進(jìn)而影響到工件的加工質(zhì)量，因此往往無(wú)法同時(shí)兼顧高速度與高精度的需求，要求加工精度的同時(shí)就無(wú)法提升加工速度[2]。

機(jī)床瞬間加減速時(shí)的振動(dòng)現(xiàn)象，起因主要來(lái)自于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛性及慣性匹配不佳所致，因此只要加強(qiáng)進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛性就可以有效的減少高速進(jìn)給時(shí)所引起的振動(dòng)。當(dāng)進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛性增加時(shí)，往往會(huì)造成載臺(tái)基座的質(zhì)量增加，進(jìn)給系統(tǒng)的質(zhì)量越大時(shí)，所需要的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力就必須相應(yīng)加大，由于受限于機(jī)臺(tái)的空間設(shè)計(jì)(如主軸馬達(dá)的配置空間考慮等)，使載臺(tái)基座的質(zhì)量受到限制[2]。

由于上述的各項(xiàng)因素，我公司采用雙絲杠雙電機(jī)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，此方式不但可以增加進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛性，還可以減少因驅(qū)動(dòng)力偏心所引起的力矩影響，雙馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)方式除了可加強(qiáng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力外，也可提升系統(tǒng)的應(yīng)答速度。

3 結(jié)束語(yǔ)

分析了X軸采用齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和Y軸采用雙驅(qū)同步絲杠結(jié)構(gòu)，對(duì)于機(jī)床動(dòng)態(tài)特性提高所起的重要作用。

［1］陳宏星，徐長(zhǎng)奎，徐成.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床送料系統(tǒng)特性分析及改善［J］.今日機(jī)床，2012（1-2）：69-72.

［2］隆創(chuàng)日盛.淺談雙滾珠絲杠同步驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用［EB/OL］.http://www.newmaker.com/art_39733.html.