王建紅

(天水星火機(jī)床有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741024)

隨著祖國(guó)的繁榮昌盛和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，實(shí)體經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要保障，其中數(shù)控機(jī)床的發(fā)展無(wú)疑在實(shí)體經(jīng)濟(jì)中有著舉足輕重的地位，它對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全和國(guó)防建設(shè)都具有重要影響。隨之而來(lái)的是對(duì)數(shù)控機(jī)床要求越來(lái)越高的自動(dòng)化程度，但是目前國(guó)內(nèi)數(shù)控精密車床中尾座縱向移動(dòng)裝置普遍采用手動(dòng)操作[1]，效率低下，工作強(qiáng)度高，自動(dòng)化控制簡(jiǎn)陋。隨著科學(xué)技術(shù)新發(fā)展，新理念、新方法的快速應(yīng)用，“中國(guó)制造2025”的逐步推進(jìn)，柔性制造單元的普遍使用，對(duì)數(shù)控機(jī)床在新時(shí)代下提出了新要求。鑒于以上情況，筆者公司在數(shù)控機(jī)床尾座部分設(shè)計(jì)了可編程尾座裝置，實(shí)現(xiàn)了尾座的自動(dòng)化控制?？删幊涛沧b置及控制系統(tǒng)的作用是為使機(jī)床自動(dòng)化程度更高，縮短操作者的裝夾時(shí)間，降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短加工時(shí)的輔助時(shí)間，提高設(shè)備的自動(dòng)化程度。該裝置在筆者公司研發(fā)的數(shù)控精密車床中使用，得到了用戶的一致好評(píng)，特別是在軸類零件加工的生產(chǎn)線上有著極其優(yōu)良的表現(xiàn)。

1 可編程尾座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可編程尾座裝置分兩部分[2]：

第一部分為尾座縱向移動(dòng)裝置，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)形式為后軸承座2和前軸承座5分別安裝與床身上，滾珠絲杠副3安裝于后軸承座2和前軸承座5中間，通過(guò)鎖緊螺母1鎖緊，滾珠絲杠副通過(guò)連接板4和尾座體通過(guò)螺釘相連，伺服電機(jī)7與滾珠絲杠副3通過(guò)聯(lián)軸器6相連，伺服電機(jī)7通過(guò)螺釘與前軸承座5固定安裝，通過(guò)伺服電機(jī)傳動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)尾座縱向移動(dòng)。由于整個(gè)尾座的運(yùn)動(dòng)都是通過(guò)伺服電機(jī)傳動(dòng)滾珠絲杠來(lái)進(jìn)行的，因此滾珠絲杠的設(shè)計(jì)和伺服電機(jī)的選型都至關(guān)重要。

第二部分為尾座夾緊裝置，如圖2所示，其結(jié)構(gòu)形式為碟簧油缸9置于尾座體8中，壓板11通過(guò)連接螺釘10將尾座體8與床身導(dǎo)軌下滑面接觸，尾座夾緊裝置的動(dòng)作過(guò)程按液壓系統(tǒng)設(shè)置好壓力值，通過(guò)手動(dòng)松開按鈕或M代碼使電液換向電磁閥通電，油壓推動(dòng)碟簧油缸9使其松開壓板11，使尾座處于松開狀態(tài)；通過(guò)手動(dòng)鎖緊按鈕或M代碼使電液換向電磁閥斷電，切換油路，使碟簧油缸9復(fù)位，將壓板11鎖緊在床身導(dǎo)軌下滑面上，使尾座處于鎖緊狀態(tài)。通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)控制尾座的鎖緊與松開，并在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了尾座松開、鎖緊與尾座縱向移動(dòng)裝置的互鎖，尾座在鎖緊狀態(tài)下，尾座縱向移動(dòng)裝置無(wú)效。通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)控制，使其不僅可以實(shí)現(xiàn)尾座的可編程控制，也可以在手動(dòng)方式下實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)。

2 可編程尾座工作原理

尾座縱向移動(dòng)裝置主要是完成尾座的自動(dòng)定位，以工件的端面設(shè)置為零點(diǎn)，其功能是通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)尾座的可編程控制。尾座的鎖緊裝置主要是完成尾座定位之后保持尾座位置不變，尾座的鎖緊裝置由碟簧油缸、壓板和連接螺栓組成，其功能是將碟簧油缸置于尾座體中，讓壓板和床身導(dǎo)軌下滑面接觸，當(dāng)完成尾座的定位之后實(shí)現(xiàn)鎖緊。尾座需要縱向移動(dòng)時(shí)，通過(guò)M代碼或手動(dòng)方式控制電磁閥通電，通過(guò)液壓系統(tǒng)控制放松壓板，解除電氣互鎖，并設(shè)置了互鎖指示燈，可以在系統(tǒng)上手動(dòng)調(diào)整尾座縱向移動(dòng)或通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)操作的自動(dòng)化控制。

3 頂尖運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析及尾座驅(qū)動(dòng)部件選型計(jì)算

尾座的主要功能是在加工軸類零件時(shí)，使用其頂尖頂緊工件，保證工件加工時(shí)的穩(wěn)定性[3]，因此尾座頂尖運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力分析至關(guān)重要。本文設(shè)計(jì)的可編程尾座中頂尖安裝在尾座套筒中，套筒內(nèi)置碟簧彈性柔性保護(hù)裝置，起安全保護(hù)作用。同時(shí)，在尾座套筒里安裝了電子壓力傳感器，檢測(cè)頂緊力，根據(jù)工件的重量不同，可以設(shè)置不同的頂緊力。電子壓力傳感器檢測(cè)頂緊力，當(dāng)達(dá)到頂緊力時(shí)，由電子壓力傳感器給控制系統(tǒng)發(fā)出頂緊信號(hào)，停止頂緊動(dòng)作，頂緊指示燈點(diǎn)亮。并且電子壓力傳感器傳輸?shù)男盘?hào)也用于控制自動(dòng)上下料，如果想手動(dòng)控制上下料，可以通過(guò)專門設(shè)計(jì)的手動(dòng)、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，控制程序內(nèi)也設(shè)定了手動(dòng)自動(dòng)互鎖，保證了操作的安全性。內(nèi)置碟簧彈性柔性保護(hù)裝置既保護(hù)滾珠絲杠硬擠壓?jiǎn)栴}，同時(shí)也保證能夠夾緊工件，保證工件的加工質(zhì)量，防止工件擠壓變形。尾座套筒由液壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng)[4]，在液壓缸上設(shè)置了檢測(cè)開關(guān)，調(diào)節(jié)頂尖伸長(zhǎng)行程。

整個(gè)尾座部分都是靠伺服電機(jī)傳動(dòng)滾珠絲杠來(lái)完成定位和移動(dòng)，下面將以筆者公司機(jī)床為例來(lái)選型滾珠絲杠副和伺服電機(jī)。

3.1 滾珠絲杠副的選型

滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)尾座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇合適的支撐方式[5]；根據(jù)快移速度，電機(jī)轉(zhuǎn)速及傳動(dòng)比計(jì)算絲杠的導(dǎo)程；根據(jù)尾座的工況計(jì)算平均轉(zhuǎn)速和平均載荷，并根據(jù)尾座預(yù)期的工作時(shí)間或者工作距離來(lái)估算滾珠絲杠的額定動(dòng)載荷；根據(jù)尾座預(yù)設(shè)的定位精度，結(jié)合絲杠的支撐方式確定絲杠的直徑及精度等級(jí)。下面是具體的選型計(jì)算步驟。

(1)確定尾座工作條件及要求

選用磨制絲杠副(右旋)，采用一端固定、一端支撐的安裝方式；最大行程為1 200 mm，絲杠總長(zhǎng)為1 600 mm；尾座最高移動(dòng)速度Vmax為14 m/min；預(yù)期工作壽命Lh為24 000 h；電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax為1 800 r/min；電機(jī)至絲杠的傳動(dòng)比為i=1；定位精度：最大行程內(nèi)行程誤差為0.035 mm；尾座質(zhì)量W為1 200 kg，重力加速度g為9.8 m/s2，尾座與床身導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)μ為0.1,所以，尾座與床身導(dǎo)軌間的摩擦阻力：FW=μ×W×g=0.1×1 200×9.8≈1 200 N。

(2)計(jì)算滾珠絲杠導(dǎo)程Ph

滾珠絲杠導(dǎo)程Ph根據(jù)預(yù)定尾座的最大移動(dòng)速度Vmax、電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nmax和傳動(dòng)比i由下面的公式計(jì)算。

為了安全性考慮，我們選擇Ph=10 mm。

(3)計(jì)算平均轉(zhuǎn)速nm、平均載荷Fm、額定動(dòng)載荷Cam

平均轉(zhuǎn)速nm：選常用的3種轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，尾座快速移動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速n1為1 000 r/min，尾座正常移動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速n2為200 r/min，尾座慢速接近工件端面時(shí)的轉(zhuǎn)速n3為10 r/min；Q1、Q2和Q3分別為尾座快速移動(dòng)、尾座正常移動(dòng)和尾座慢速接近工件端面的工作時(shí)間占總工作時(shí)間的比例，分別為Q1=10%，Q2=80%，Q3=10%。所以，平均轉(zhuǎn)速為：

nm=n1×Q1+n2×Q2+n3×Q3

平均載荷Fm：由于尾座定位后，處于鎖緊狀態(tài)，切削阻力對(duì)尾座絲杠副受力影響不大，所以絲杠副承受的載荷可只考慮尾座移動(dòng)過(guò)程中所受到的摩擦阻力，因此，平均載荷Fm=FW，即：Fm=1 200 N。

額定動(dòng)載荷Cam按下式計(jì)算：

式中:nm為平均轉(zhuǎn)速；Fm為平均載荷；Lh為預(yù)期工作時(shí)間；Fw為負(fù)荷系數(shù)，無(wú)沖擊取1～1.2，輕微沖擊取1.2 ～1.5，有沖擊和振動(dòng)取1.5～2，本裝置取1.2；Fa為精度系數(shù)，1～3級(jí)精度取1.0，4～5級(jí)精度取0.9，5級(jí)以下取0.7～0.8，本裝置取0.9；Fc為可靠性系數(shù)，一般取1。

(4)確定絲杠副規(guī)格型號(hào)

根據(jù)以上計(jì)算的導(dǎo)程和額定動(dòng)載荷，對(duì)比滾珠絲杠副產(chǎn)品樣本，查出適合的規(guī)格型號(hào)為：NFZ4010-3，即選用公稱直徑為40 mm，導(dǎo)程為10 mm,循環(huán)圈數(shù)為3圈的內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副。鑒于篇幅的限制，這里不做校核計(jì)算。

3.2 伺服電機(jī)的選型

伺服電機(jī)的選型主要是通過(guò)負(fù)載的物理特性、負(fù)載的工作特性、系統(tǒng)要求以及工作環(huán)境來(lái)決定的。或者考慮機(jī)械部分的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)與電機(jī)的匹配、電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、機(jī)械運(yùn)動(dòng)的加減速大小、電機(jī)的停止距離等因素來(lái)選擇伺服電機(jī)[6]。

根據(jù)尾座裝置的實(shí)際工作條件，在不考慮角加速度所造成的扭矩的情況下，電機(jī)工作所需的驅(qū)動(dòng)扭矩M1見(jiàn)式(1)。

M1=Ma+Mpmax+Mu

(1)

式中：Ma為軸向負(fù)荷產(chǎn)生的扭矩；Mpmax為絲杠副預(yù)緊力產(chǎn)生的最大扭矩；Mu為絲杠副兩端軸承產(chǎn)生的摩擦力矩。

(1)計(jì)算軸向負(fù)荷產(chǎn)生的扭矩Ma

參照《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》中零件設(shè)計(jì)部分[7]，軸向負(fù)荷產(chǎn)生的扭矩計(jì)算公式見(jiàn)式(2)：

(2)

式中：P為絲杠所受軸向力；Ph為絲杠導(dǎo)程Ph=10 mm；η為絲杠副的效率，取η=0.9。

根據(jù)前面的計(jì)算，P=Pw=1 200 N，按式(2)計(jì)算所得Ma≈2.12 N·m。

式中：Fpr為絲杠副預(yù)緊力，一般取最大軸向載荷的1/3，所以Fpr=1 200/3=400 N；Ph為絲杠的導(dǎo)程；η為絲杠副的效率。

(3)計(jì)算絲杠副兩端軸承產(chǎn)生的摩擦力矩Mu

絲杠前后兩端各安裝了2個(gè)軸承，選用的是德國(guó)舍弗勒集團(tuán)FAG品牌軸承，前軸承型號(hào)為BSB030062，后軸承型號(hào)為BSB035072。查FAG滾動(dòng)軸承樣本[9]得前后軸承的摩擦力矩均為0.1 N·m。

所以：Mu=0.1×2+0.1×2=0.4

(4)計(jì)算電機(jī)工作所需的驅(qū)動(dòng)扭矩M1

M1=Ma+Mpmax+Mu=2.12+0.134+0.4=2.654

(5)確定電機(jī)規(guī)格型號(hào)

雖然電機(jī)的種類不同，但一般以等速時(shí)的驅(qū)動(dòng)扭矩不得超過(guò)電機(jī)額定扭矩的30%情況下使用。根據(jù)上面計(jì)算所得的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩M1，考慮零部件加工過(guò)程和裝配過(guò)程中的不確定因素，以及使用環(huán)境等綜合因素，參照伺服電機(jī)選型樣本，選定伺服電機(jī)型號(hào)為βis12/2000，其額定扭矩10.5 N·m ,額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，滿足使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

從實(shí)際使用情況來(lái)看，該裝置性能可靠、操作靈活方便，在工件基準(zhǔn)不變的情況下，提高了工件精度和工作效率，具有良好的實(shí)用性能。該裝置可用于車床、鏜孔專用機(jī)床等配套尾座的機(jī)床，可提高機(jī)床的加工效率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，為機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化創(chuàng)造了條件。