立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)摩擦參數(shù)的測定

楊紅軍

（寶雞機(jī)床集團(tuán)有限公司，陜西寶雞 721013）

立式加工中心廣泛用于各種機(jī)械加工行業(yè)，是應(yīng)用很廣泛的基礎(chǔ)制造裝備。寶雞機(jī)床集團(tuán)有限公司針對市場需要，研發(fā)了VMC850B滑動導(dǎo)軌立式加工中心新產(chǎn)品。產(chǎn)品在樣機(jī)試制檢測過程中，發(fā)現(xiàn)在空載狀態(tài)下機(jī)床XYZ軸伺服驅(qū)動電動機(jī)扭矩負(fù)載個別達(dá)到80%，普遍達(dá)到40%，通過查閱數(shù)控系統(tǒng)資料［1］和檢查其他廠家同規(guī)格機(jī)床，存在電動機(jī)負(fù)載偏大的問題。對機(jī)床用戶而言，過大的電動機(jī)負(fù)載會減小切削力，降低機(jī)床的加工效率。對主機(jī)廠家而言，不正常的電動機(jī)扭矩可能反映了產(chǎn)品在設(shè)計、裝配和配套件質(zhì)量、選型方面存在的問題。因此，這一問題必須得到分析與解決。

1 思路與方法

1．1 伺服進(jìn)給驅(qū)動的結(jié)構(gòu)

一般立式加工中心的進(jìn)給系統(tǒng)包括被驅(qū)動的工作臺及其導(dǎo)軌副系統(tǒng)，絲杠及其支撐系統(tǒng)，聯(lián)軸器或齒帶組成的傳動系統(tǒng)，伺服電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。以VMC850B的X軸為例:被驅(qū)動的導(dǎo)軌副系統(tǒng)包括工作臺物理重量、工作臺滑動導(dǎo)軌副和工作臺壓板鑲條和導(dǎo)軌側(cè)鑲條;絲杠及其支撐系統(tǒng)包括絲杠螺紋副，絲杠專用軸承和軸承的密封件等;傳動系統(tǒng)采用聯(lián)軸器直聯(lián)結(jié)構(gòu);伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用FANUC的伺服驅(qū)動系統(tǒng)及驅(qū)動電動機(jī)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 思路與方法

因X軸在水平面內(nèi)運行，所以空載扭矩都是摩擦產(chǎn)生的，包括各種直線運動的摩擦力和回轉(zhuǎn)運動摩擦扭矩。顯然測定各種摩擦的大小，判斷其是否在正常范圍是解決問題的關(guān)鍵，所以可采用逐層累加測量扭矩的辦法，每次只增加一個摩擦環(huán)節(jié)，逐個測定各種摩擦的實際大小。由各種摩擦因素實際扭矩的大小，根據(jù)設(shè)計條件和相關(guān)配套件技術(shù)資料就可判斷產(chǎn)生扭矩過大的原因。

2 逐層測定

在絲杠電動機(jī)端施加可測定的扭矩來驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，記錄驅(qū)動不同層次的扭矩，每次增加的摩擦環(huán)節(jié)產(chǎn)生增加的扭矩。扭矩的簡單經(jīng)濟(jì)測量方法是測定力臂和力的大小，本測定采用了彈簧拉力計來測量力的大小，用機(jī)床裝配中使用的絲杠搖把作為驅(qū)動搖臂。測量中分別抽取了3個樣本機(jī)床，以消除裝配、測量等造成的隨機(jī)誤差，也能了解機(jī)床裝配一致性問題。表1為測量后去掉個別明顯偏離數(shù)據(jù)后的平均測量結(jié)果。

表1 VMC850B X向摩擦扭矩測量結(jié)果記錄

3 數(shù)據(jù)分析與問題解決

表2是根據(jù)表1測量結(jié)果計算的各相關(guān)零部件摩擦參數(shù)及其所占比率。

表2 零部件摩擦參數(shù)及其所占比率

由表2結(jié)果來看，鑲條和絲杠螺母產(chǎn)生的摩擦所占比重最大，應(yīng)重點分析是否存在問題。

首先，測量的單端軸承扭矩0.295 N·m，因軸承采用脂潤滑，沒有經(jīng)過跑合，脂沒有形成潤滑薄膜，脂的粘性阻力較大，機(jī)床經(jīng)跑合運轉(zhuǎn)，實際軸承運轉(zhuǎn)扭矩應(yīng)小于上述測量值0.295 N·m，該規(guī)格軸承樣本參數(shù)的啟動扭矩0.2 N·m［2］，與軸承實際運轉(zhuǎn)扭矩比較接近，而軸承扭矩在整個摩擦扭矩中相對較小，如對進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行理論計算，完全可采用軸承的啟動扭矩來代替運轉(zhuǎn)扭矩。據(jù)此，軸承的摩擦扭矩應(yīng)該是在正常范圍內(nèi)。

對于絲杠密封結(jié)構(gòu)，橡膠密封圈的摩擦扭矩沒有現(xiàn)成的理論和實測數(shù)據(jù)，無法準(zhǔn)確判斷該值大小是否在正常范圍。對機(jī)床整機(jī)而言，通過本次實測結(jié)果，橡膠密封圈的摩擦扭矩對機(jī)床電動機(jī)負(fù)載具有不可忽略的作用，是以后改進(jìn)設(shè)計的方向。但整體而言，密封圈摩擦阻力影響有限，并且其設(shè)計、裝配合理，在本公司其他產(chǎn)品上應(yīng)用也比較廣泛，不應(yīng)該是問題的關(guān)鍵所在。密封結(jié)構(gòu)能否改進(jìn)，減小或去除密封摩擦是本機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計的方面之一。

絲杠螺母摩擦扭矩所占比率較大，應(yīng)重點分析其是否正常。絲杠螺母的摩擦扭矩Tp具有成熟的理論計算方法，其計算公式為［3］

式中:Tp為螺母摩擦扭矩，N·mm;β為絲杠導(dǎo)程角;Fa0為絲杠螺母的預(yù)壓負(fù)載，N;Ph為絲杠導(dǎo)程，mm。

由絲杠技術(shù)圖紙要求，絲杠螺母規(guī)格為4008－5，雙螺母預(yù)緊，預(yù)緊量Fa0=0.07Ca，根據(jù)式（1）計算的Tp=0.64 N·m，實測扭矩大大超過標(biāo)準(zhǔn)值。同時在裝配過程中，該品牌絲杠螺母轉(zhuǎn)動手感偏重，個別出現(xiàn)通長轉(zhuǎn)動扭矩不一致甚至憋死現(xiàn)象。據(jù)此判斷該批絲杠存在一定的質(zhì)量問題。

單純由被拖動件自重引起的摩擦在3個樣機(jī)各進(jìn)給軸的測定中體現(xiàn)一致，由表2摩擦扭矩0.44 N·m計算的摩擦系數(shù)μ=0.15，是簡單的摩擦問題。值得注意的是，單純由系統(tǒng)自重和摩擦系數(shù)產(chǎn)生的摩擦扭矩并不大，只占總空載扭矩的9.2%，所以在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計中，只考慮摩擦系數(shù)的設(shè)計存在很大的誤差［4］，需特別引起注意。

工作臺導(dǎo)軌較長，共設(shè)計有6根鑲條。根據(jù)實測，因鑲條嵌入而增加的摩擦扭矩占39%，比率偏大。根據(jù)實際觀察和詢問裝配技工，鑲條預(yù)緊是按以往習(xí)慣方式預(yù)緊。由此分析，在多鑲條導(dǎo)軌系統(tǒng)中，不能按一種預(yù)緊力預(yù)緊鑲條，因遵循定力預(yù)緊原則，即鑲條愈多，單根鑲條的預(yù)緊力就要越小，只要同側(cè)鑲條總預(yù)緊力達(dá)到使用要求即可。同時在多鑲條裝配過程中，要克服多根鑲條彼此松緊不一致現(xiàn)象，防止個別鑲條預(yù)緊過大造成負(fù)載過大的假象，這種假象對機(jī)床精度和切削能力影響很大。

綜合上述絲杠預(yù)緊過大和鑲條預(yù)緊問題，首先我們要求配套廠家提供符合預(yù)緊技術(shù)要求的滾珠絲杠產(chǎn)品。新絲杠通過實測螺母摩擦扭矩在0.6 N·m。同時，根據(jù)上述方法檢查、調(diào)整了所有機(jī)床工作臺的鑲條。經(jīng)裝配，整機(jī)軸向伺服電動機(jī)空載負(fù)載為25% ～30%，比原先降低了15%左右，同時跟蹤檢查整機(jī)精度和加工能力，都達(dá)到設(shè)計要求，至此問題基本得到解決。

4 結(jié)語

絕大部分有關(guān)滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計資料中并未考慮鑲條對摩擦力的影響因素，只是單純考慮了與拖動重量有關(guān)系的摩擦系數(shù)。實測數(shù)據(jù)表明鑲條、壓板對機(jī)床負(fù)載的影響很大，而且控制鑲條合理的松緊也是裝配很重要的環(huán)節(jié)。所以在機(jī)床的設(shè)計、裝配環(huán)節(jié)要特別注意，鑲條松緊控制的理論和裝配控制方法需要進(jìn)一步探討。再者，軸承等元件的密封結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生不可忽略的摩擦，影響電動機(jī)負(fù)載的大小，也是許多設(shè)計指導(dǎo)資料中忽略的環(huán)節(jié)，在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計中同樣要有所考慮。設(shè)計改進(jìn)軸承密封結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減小或去除密封產(chǎn)生的不必要的摩擦扭矩，對減小機(jī)床電動機(jī)負(fù)載，提高加工能力和節(jié)約能源都有一定的益處。最后，在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中控制關(guān)鍵配套件的質(zhì)量需要必要的措施和有效管理，需足夠重視。

摩擦參數(shù)的測定與方法能為機(jī)床產(chǎn)品特別是加工中心類產(chǎn)品的設(shè)計、裝配提供必要的參考，對產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計的準(zhǔn)確性具有實際指導(dǎo)價值。

［1］FANUC a伺服電動機(jī)規(guī)格說明書［Z］．B－65262EN．

［2］NSK 精機(jī)產(chǎn)品．日本精工株式會［Z］．2011:B386．

［3］THK 直線運動系統(tǒng) A 產(chǎn)品解說［Z］．THK Co．，Ltd．，2011:A15－23．

［4］夏田．?dāng)?shù)控加工中心設(shè)計［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007:66．