數(shù)控機(jī)床典型進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析

李運(yùn)生

（安陽鑫盛機(jī)床股份有限公司，河南安陽 455000）

機(jī)床的性能在很大程度上取決于進(jìn)給傳動(dòng)方式的定性和定量特征。機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中位置控制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對進(jìn)給系統(tǒng)精度有直接的影響。目前，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)、齒輪齒條驅(qū)動(dòng)和直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)幾種型式。滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以分為：絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和絲母轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)兩種形式。齒輪齒條驅(qū)動(dòng)可分為單齒輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及雙齒輪消隙驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。機(jī)床的使用范圍及精度要求不同，所采用的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)也會(huì)有很大差異。此外，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)還有并聯(lián)虛擬軸等結(jié)構(gòu)，但其應(yīng)用還不具普遍性，在此不做具體介紹。

1 滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

滾珠絲杠具有高效率、高精度、高剛度及無間隙等優(yōu)點(diǎn)，目前，“旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠”的進(jìn)給方式在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。滾珠絲杠作為機(jī)床傳送動(dòng)力及定位的關(guān)鍵部件，是機(jī)床性能的重要保證。

滾珠絲杠自身的精度對機(jī)床加工精度有很大的影響，特別是在半閉環(huán)加工系統(tǒng)中，定位精度在很大程度上受到滾珠絲杠精度的影響［1］。滾珠絲杠本身螺距累積誤差是造成機(jī)床目標(biāo)值偏差的主要因素。螺距誤差fp可按下式計(jì)算：

式中：Δp為滾珠絲杠相鄰兩螺牙的螺距誤差；fp為滾珠絲杠螺紋旋合長度內(nèi)的螺距累積誤差，即任意兩牙之間的實(shí)際軸向螺距與公稱螺距之差。

1.1 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)

絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，即絲杠隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，刀架托板跟隨絲母移動(dòng)，從而將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。其設(shè)計(jì)制造相對簡單，可以減小啟動(dòng)力矩、顫動(dòng)及滯后時(shí)間。常見的有采用伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠直聯(lián)和伺服電動(dòng)機(jī)通過齒輪減速機(jī)構(gòu)與絲杠相連。

1.1.1 伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠直聯(lián)結(jié)構(gòu)

直聯(lián)結(jié)構(gòu)（圖1）的應(yīng)用主要是基于以下幾個(gè)方面的考慮：傳動(dòng)環(huán)節(jié)少，對精度影響?。徊竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)與步距角的匹配，齒輪傳動(dòng)布置困難等。在直聯(lián)結(jié)構(gòu)中，由于撓性聯(lián)軸器能承受頻繁的瞬間沖擊，可補(bǔ)償因同軸度及垂直度誤差引起的干涉現(xiàn)象［2］，因此大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)都采用撓性聯(lián)軸器。但撓性聯(lián)軸器的彈性變形和微小振動(dòng)等因素會(huì)影響滾珠絲杠的傳動(dòng)特性，限制工作臺(tái)定位精度的提高［3］。下面將進(jìn)一步分析彈性變形對定位精度的影響。

以采用德國KTR的含尼龍彈性體的聯(lián)軸器為例，工作過程中，尼龍彈性體的彈性變形將復(fù)映到滾珠絲杠上，并對進(jìn)給系統(tǒng)精度產(chǎn)生一定的影響。其彈性變形反映到進(jìn)給執(zhí)行部件上的誤差為：

式中：!θ為撓性聯(lián)軸器尼龍彈性體的扭轉(zhuǎn)角度變形量；t為滾珠絲杠的螺距；σ為聯(lián)軸器彈性變形引起的進(jìn)給誤差。

聯(lián)軸器尼龍彈性體的變形量!s非常小，由式（2）可知，其復(fù)映誤差和單一的滾珠絲杠螺距誤差相比，不在一個(gè)數(shù)量級。因此這種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，對傳動(dòng)精度的影響通常可以忽略不計(jì)。

1.1.2 伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪傳動(dòng)與滾珠絲杠間接連接

在數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中采用齒輪傳動(dòng)裝置（圖2）的目的有兩個(gè)：一是將高轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)矩的伺服電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩執(zhí)行件的輸入；二是使?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在系統(tǒng)中占有較小的比重。以前，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用的很多，為和步距角匹配，對減速比有一定的要求，現(xiàn)在伺服進(jìn)給電動(dòng)機(jī)基本上占據(jù)了大部分市場，這一局限就沒有了，因此，這一傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也十分普遍。

在這種結(jié)構(gòu)中，傳動(dòng)鏈主要存在角度轉(zhuǎn)動(dòng)誤差和線性傳動(dòng)誤差，這兩種傳動(dòng)誤差均與齒輪自身精度及齒輪副側(cè)隙有關(guān)。為了減小或消除齒輪副的空程誤差，常采用雙片齒輪錯(cuò)齒法（圖3）或軸向墊片調(diào)整法消除齒輪側(cè)隙［4］，提高伺服系統(tǒng)精度，以減小側(cè)隙對數(shù)控機(jī)床加工精度的影響。

若僅從齒輪副單方面考慮，側(cè)隙是產(chǎn)生齒輪副誤差的主要根源，采用合適的方法對輪齒側(cè)隙加以調(diào)整，空程誤差將得到有效控制。而若考慮到齒輪副和滾珠絲杠組成的系統(tǒng)，側(cè)隙反映到進(jìn)給執(zhí)行部件上的誤差為：

式中：j為齒輪副側(cè)隙；d為齒輪節(jié)圓直徑；t為滾珠絲杠的螺距。

和齒輪節(jié)圓周長相比，齒輪副側(cè)隙微乎其微。從式（3）可以看出，在采用伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪傳動(dòng)與滾珠絲杠間接聯(lián)接的結(jié)構(gòu)中，齒輪副側(cè)隙復(fù)映到絲杠上的誤差和滾珠絲杠螺距誤差相比，不是一個(gè)數(shù)量級。因此對于一般精度需求的機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，齒輪消隙結(jié)構(gòu)的實(shí)際意義不是很大。

1.2 絲母轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)

絲母轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，絲杠固定不動(dòng)，拖板與絲母相連并隨絲母轉(zhuǎn)動(dòng)而做直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

與絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)給結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)由于絲杠不會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，機(jī)床運(yùn)行更加平穩(wěn)。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，而且由于受溜板部件空間的限制，裝配維修比較麻煩。

另外，絲母轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)通常也有齒輪消隙機(jī)構(gòu)。對于聯(lián)軸器彈性變形和齒輪副側(cè)隙復(fù)映到絲杠上的誤差，可用下式表示：

式中：σ為聯(lián)軸器彈性變形與齒輪副側(cè)隙引起的進(jìn)給誤差；i為齒輪副傳動(dòng)比。

其余符號(hào)代表的含義可參考式（2）與式（3）。

經(jīng)過分析可知，在此結(jié)構(gòu)中，雖然存在兩種誤差的疊加，但其綜合誤差還是有大幅衰減，和滾珠絲杠螺距誤差相比，不是一個(gè)數(shù)量級。

2 齒輪齒條驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)上，由于滾珠絲杠的加工工藝、彎曲變形、熱伸長、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及高速旋轉(zhuǎn)抖動(dòng)等多方面的因素制約，其行程一般控制在6 m以內(nèi)，行程不大于4 m時(shí)，采用滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，4 m到6 m行程常采用滾珠絲杠不轉(zhuǎn)而絲母旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)；行程大于6 m時(shí)則通常采用齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)除了不受上述因素限制外，其齒條的支撐剛度大，還可隨意分段拼接。當(dāng)然，目前滾珠絲杠大行程的加工與應(yīng)用已經(jīng)突破了上述長度限制，但彎曲變形、熱伸長、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及高速旋轉(zhuǎn)抖動(dòng)等問題還是不可避免，需做繁復(fù)計(jì)算及綜合考量。鑒于上述原因，大行程情況下齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用非常普遍。

2.1 單齒輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

采用單個(gè)棒齒輪驅(qū)動(dòng)，如圖5所示。由于齒輪、齒條自身的制造誤差，以及為避免干涉，安裝時(shí)還需保留一定的齒側(cè)間隙，所以這種結(jié)構(gòu)傳動(dòng)精度低，無法滿足精密機(jī)床高定位精度及高重復(fù)定位精度的要求，因此只能在精度要求較低的場合下采用。

2.2 雙齒輪消隙結(jié)構(gòu)

齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中，齒側(cè)間隙引起的非線性誤差，會(huì)使伺服進(jìn)給系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩過沖現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備結(jié)構(gòu)，還將直接影響其定位精度與重復(fù)定位精度［5］。對于高精度、高速度的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)而言，這種現(xiàn)象是不容忽視的。因此在實(shí)際應(yīng)用中必須考慮消除傳動(dòng)間隙的方法，目前常采用雙齒輪消隙結(jié)構(gòu)。

圖6所示是一臺(tái)減速機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)齒輪以消除側(cè)隙。其中一個(gè)齒輪作為驅(qū)動(dòng)用，另外一個(gè)齒輪作用一個(gè)反向的力。減速機(jī)通過兩輸出齒輪間的相對轉(zhuǎn)角，使兩齒輪齒面分別與齒條齒槽的相反兩側(cè)面嚙合，換向傳動(dòng)時(shí)無間隙，且減速機(jī)內(nèi)部可通過齒輪降速，從而達(dá)到傳動(dòng)精度高、輸出扭矩大，脈沖當(dāng)量小。這種結(jié)構(gòu)調(diào)整方法簡單，但傳動(dòng)鏈較為復(fù)雜，且對齒輪的精度等級要求較高。

雙電動(dòng)機(jī)主從驅(qū)動(dòng)消隙機(jī)構(gòu)是兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)彼此通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)行星減速器來實(shí)現(xiàn)消隙的目的，如圖7所示。對于這種結(jié)構(gòu)，兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)之間存在永久固定的主從驅(qū)動(dòng)控制關(guān)系，一個(gè)齒輪驅(qū)動(dòng)（主動(dòng)），另一個(gè)齒輪（從動(dòng)）根據(jù)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)定的速度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。各個(gè)階段的預(yù)載都可以通過電氣設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)減速箱通過機(jī)械連接，之間存在張力，從而使主從齒輪與同一根齒條嚙合，并實(shí)現(xiàn)齒輪齒條零間隙。

在粗加工或快速進(jìn)給時(shí)，主從齒輪朝同一個(gè)方向工作，而在精加工時(shí)，兩齒輪承受的扭矩方向相反，以達(dá)到零間隙的目的。這種結(jié)構(gòu)具有更高的剛性和更好的動(dòng)態(tài)特性，且由于電氣消隙雙驅(qū)動(dòng)均分負(fù)載的特點(diǎn)，可以選擇比機(jī)械消隙更小的減速器和齒條，降低機(jī)械部分成本，但是電動(dòng)機(jī)和控制方面的成本較高，且安裝和調(diào)試相對復(fù)雜。

3 直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)及齒輪齒條驅(qū)動(dòng)均借助機(jī)械變換環(huán)節(jié)而間接地獲得直線運(yùn)動(dòng)，無法滿足超高速、超精密數(shù)控機(jī)床的精度要求，而取消了電動(dòng)機(jī)與工作臺(tái)中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)（圖8），克服了傳統(tǒng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的很多缺點(diǎn)：直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)把進(jìn)給傳動(dòng)鏈縮短為零，具有極高的快速定位精度并可實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)和反向運(yùn)動(dòng)；另外，提高了進(jìn)給系統(tǒng)的剛度，避免了彈性變形，可有效提高進(jìn)給系統(tǒng)性能與精度。鑒于上述優(yōu)點(diǎn)，近些年來直線電動(dòng)機(jī)在數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛應(yīng)用。

目前，直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)對參數(shù)攝動(dòng)、負(fù)載擾動(dòng)、散熱、系統(tǒng)快速吸能制動(dòng)及嚴(yán)格防塵隔磁等問題，還有待于進(jìn)一步研究和完善。

4 結(jié)語

在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮機(jī)床的精度要求、加工范圍、成本等因素。對用于粗加工的機(jī)床，可采用普通的齒輪齒條傳動(dòng)。對于行程短、切削負(fù)載小、精度要求高的機(jī)床，可選用伺服電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠直連；而若切削負(fù)載大，則需采用伺服電動(dòng)機(jī)通過齒輪減速與滾珠絲杠相連，減速以增大轉(zhuǎn)矩。另外，由于滾珠絲杠無法自鎖，因此在垂向進(jìn)給系統(tǒng)中，須考慮安裝剎車裝置。對于大行程、高精度、重載切削的機(jī)床，采用齒輪齒條消隙機(jī)構(gòu)較為合適。而對于超高速、超精密數(shù)控機(jī)床，直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)則是較好的選擇。

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