重型數(shù)控立式車床垂直刀架設(shè)計(jì)

李立強(qiáng) 姜 輝

（齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江齊齊哈爾161005）

目前，加工直徑在10 m以上的重型數(shù)控立式車床垂直刀架滑重量一般在6 t以上，滑枕Z軸垂向進(jìn)給機(jī)構(gòu)一般為一套伺服電動(dòng)機(jī)通過減速箱降速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)，垂直刀架配置有一套液壓油缸平衡裝置，液壓油缸平衡滑枕70%以上的重量。由于受到液壓系統(tǒng)回流能力不高的制約，滑枕的快速移動(dòng)速度一般不超過4 m/min。原因是在滑枕快速移動(dòng)速度增加時(shí)，平衡油缸的回油阻力增速極快，極速增加的平衡油缸回油阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于伺服電動(dòng)機(jī)的額定輸出扭矩，在滑枕的快速移動(dòng)速度達(dá)到4 m/min時(shí)，平衡油缸的回油速度已接近極限狀態(tài)，經(jīng)常出現(xiàn)伺服電動(dòng)機(jī)報(bào)警、液壓管路系統(tǒng)崩潰現(xiàn)象。為了避免這種情況的發(fā)生，一般采取降低垂直刀架快速移動(dòng)速度的辦法。由于滑枕的快速移動(dòng)速度慢，使得機(jī)床的工作效率低。傳統(tǒng)的重型數(shù)控立式車床垂直刀架整體布局不合理，在傳統(tǒng)的重型數(shù)控立式車床垂直刀架結(jié)構(gòu)中，滾珠絲杠和平衡油缸分別位于滑枕的兩側(cè)，在滑枕車削工件外圓柱面時(shí)，位于滑枕一側(cè)的滾珠絲杠進(jìn)給力向下，位于滑枕另一側(cè)的平衡油缸支承力向上，即分別位于滑枕兩側(cè)的滾珠絲杠和平衡油缸作用力方向相反，雖然滑枕垂向所受作用力相互平衡，但由于滾珠絲杠、平衡油缸中心與滑枕中心存在有一定的距離，滑枕承受的翻轉(zhuǎn)力矩不平衡，由于滑枕承受非常大的翻轉(zhuǎn)力矩，造成滑枕、滾珠絲杠和平衡油缸彎曲變形，滑枕平面度大幅度降低，使滑枕靜壓導(dǎo)軌油膜間隙難以建立，造成垂直刀架滑枕靜壓導(dǎo)軌不能正常工作，滑枕正常工作的無摩擦靜壓運(yùn)動(dòng)變成了滑動(dòng)摩擦運(yùn)動(dòng)，造成垂直刀架滑枕的摩擦力大大增加，傳統(tǒng)垂直刀架靜壓導(dǎo)軌經(jīng)常出現(xiàn)研傷的現(xiàn)象，使得機(jī)床不能正常工作。另一方面，在垂直刀架滑枕加工工件時(shí)，由于油枕進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度是在動(dòng)態(tài)變化的，在滑枕進(jìn)給速度變化時(shí)，平衡油缸的回油阻力呈現(xiàn)無規(guī)律的變化狀態(tài)，無規(guī)律的平衡油缸回油阻力嚴(yán)重干擾了滑枕垂向Z軸的數(shù)控定位精度，使滑枕Z軸的數(shù)控定位精度經(jīng)常超差，造成加工工件精度不合格。平衡油缸回油阻力還使得平衡油缸密封圈磨損加劇，使平衡油缸的使用壽命顯著降低，并導(dǎo)致液壓管路系統(tǒng)漏油、液壓控制閥損壞而不能正常使用。如果采取加大回油管路直徑，提高液壓閥、液壓泵組規(guī)格的方法，雖然能部分解決平衡油缸回油速度慢的問題，但由于液壓系統(tǒng)的成本大幅度增加，降低了機(jī)床的性價(jià)比，而使該方法一般不被采用。

為了解決上述難題，筆者公司研制了新型重型數(shù)控立式車床垂直刀架裝置，如圖1所示。該裝置使用雙伺服電動(dòng)機(jī)通過雙減速器降速后直驅(qū)雙滾珠絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，雙滾珠絲杠分別位于滑枕的左右兩側(cè)，在滑枕進(jìn)給傳動(dòng)時(shí)，滑枕承受左右滾珠絲杠的進(jìn)給力方向相同，滾珠絲杠的進(jìn)給力相互平衡，左右滾珠絲杠進(jìn)給力引起的翻轉(zhuǎn)扭矩為零，在加工工件時(shí)，滑枕處于最佳受力狀態(tài)。雙滾珠絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)使垂直刀架整體形成熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此，大大了提高了垂直刀架滑枕垂向Z軸的熱穩(wěn)態(tài)精度。由于雙滾珠絲杠傳動(dòng)的垂直刀架裝置取消了液壓平衡油缸和相應(yīng)液壓控制系統(tǒng)，因而消除了平衡油缸回油速度慢對(duì)滑枕Z軸快速移動(dòng)速度的制約，大大提高了垂直刀架的快速移動(dòng)速度，使用雙滾珠絲杠傳動(dòng)的垂直刀架結(jié)構(gòu)，滑枕的快速移動(dòng)速度可達(dá)到了10 m/min以上。雙滾珠絲杠傳動(dòng)的垂直刀架結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)垂直刀架滾珠絲杠、平衡油缸結(jié)構(gòu)，滑枕承受非常大的翻轉(zhuǎn)力矩的問題，避免了滑枕、滾珠絲杠、油缸活塞桿的彎曲變形，保證了滑枕靜壓導(dǎo)軌油膜間隙的建立，使垂直刀架滑枕靜壓導(dǎo)軌可以正常工作。雙滾珠絲杠傳動(dòng)的垂直刀架結(jié)構(gòu)，解決了由于平衡油缸的密封圈承受活塞桿的偏心力，使平衡油缸的密封圈磨損老化快、使用壽命顯著降低的問題，徹底解決了液壓油缸無規(guī)律變化的回油阻尼力影響滑枕Z軸垂向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)數(shù)控定位精度的問題，大大提高了滑枕Z軸垂向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的數(shù)控定位精度和和伺服進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

1 新型垂直刀架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹

（1）滑枕Z軸垂向進(jìn)給結(jié)構(gòu)的承載能力大、速度高。雙伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)伺服電動(dòng)機(jī)的總輸出扭矩要比單伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的輸出扭矩大1.8倍以上。雙滾珠絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的滾珠絲杠直徑比單滾珠絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的小一個(gè)規(guī)格，使?jié)L珠絲杠折算到伺服電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量被最大限度地減小，使伺服電動(dòng)機(jī)的負(fù)載總慣量降至最小。雙伺服電動(dòng)機(jī)、雙滾珠絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)可為滑枕提供更大的平衡力和進(jìn)給力。雙伺服電動(dòng)機(jī)、雙滾珠絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，由于滾珠絲杠的進(jìn)給力滾動(dòng)摩擦系數(shù)小、滾動(dòng)摩擦力小，因而傳動(dòng)效率非常高，雙滾珠絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)完全突破了傳統(tǒng)液壓油缸平衡裝置回油速度慢對(duì)滑枕進(jìn)給速度的制約，大大提高了滑枕Z軸垂向進(jìn)給速度。

（2）雙滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)、無液壓油缸的滑枕Z軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)精度高，滑枕受力狀態(tài)好、無變形。雙滾珠絲杠對(duì)稱布置在滑枕的左右兩側(cè)，滑枕承受左右滾珠絲杠的進(jìn)給力相互平衡，無附加的翻轉(zhuǎn)力矩，保證了滑枕和刀架體之間靜壓導(dǎo)軌油膜間隙的正常建立。使滑枕在純液體摩擦狀態(tài)下作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，靜壓導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小于0.005，滑枕精度高、精度保持性好，滑枕Z軸垂向進(jìn)給結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)效率非常高。由于滾珠絲杠受力狀態(tài)好，滑枕Z軸傳動(dòng)系統(tǒng)剛度高，雙滾珠絲杠傳動(dòng)的絲杠直徑可以比單滾珠絲杠傳動(dòng)的降低一個(gè)規(guī)格，使?jié)L珠絲杠折算到伺服電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相應(yīng)減小，在相同滑枕重力和切削力的條件下，伺服電動(dòng)機(jī)承受的總負(fù)載最小，使伺服電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩在伺服進(jìn)給系統(tǒng)中的損耗降至最小，伺服電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩更多地用于承受切削力和滑枕重力，因此，使伺服電動(dòng)機(jī)的性能得到充分的發(fā)揮。另一方面，通過取消了傳統(tǒng)的液壓油缸平衡裝置，徹底消除了液壓油缸阻尼力對(duì)滑枕Z軸垂向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)精度和伺服進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響。

（3）滑枕的制動(dòng)快速、安全、可靠。由于取消了液壓平衡油缸裝置，并且滾珠絲杠不自鎖，因此，在雙滾珠絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的垂直刀架裝置中，垂直安裝使用的滑枕的制動(dòng)安全顯得非常重要。為了確?；淼闹苿?dòng)安全可靠，筆者公司研制了雙伺服電動(dòng)機(jī)和雙失電制動(dòng)器雙重制動(dòng)滑枕的結(jié)構(gòu)，滑枕Z軸雙伺服電動(dòng)機(jī)均選用斷電制動(dòng)型，并且，在滑枕Z軸進(jìn)給結(jié)構(gòu)中增加了兩套失電制動(dòng)器，失電制動(dòng)器布置在減速器的輸入端，失電制動(dòng)器的制動(dòng)扭矩放大倍數(shù)與減速器的降速比相等，使失電制動(dòng)器的制動(dòng)能力大大提高。在機(jī)床斷電時(shí)，兩套伺服電動(dòng)機(jī)和兩套失電制動(dòng)器同時(shí)制動(dòng)滑枕。在伺服電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的情況時(shí)，兩套失電制動(dòng)器能夠獨(dú)立制動(dòng)滑枕，有效地防止了滑枕滑落事故的發(fā)生。充分保證了機(jī)床的安全使用，該結(jié)構(gòu)完全符合數(shù)控機(jī)床國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2 新型垂直刀架的結(jié)構(gòu)組成和工作過程介紹

2.1 新型垂直刀架的結(jié)構(gòu)

兩個(gè)減速器座10對(duì)稱布置在刀架體11的兩側(cè)，滑枕9位于刀架體11中間位置，兩個(gè)螺母座8的側(cè)端面對(duì)稱固定在滑枕9的兩側(cè)。絲杠螺母7的外圓柱面安裝在螺母座8的定心孔中，絲杠螺母7的端面壓緊在螺母座8的上端面上。兩根滾珠絲杠6對(duì)稱裝在滑枕9的兩側(cè)，滾珠絲杠6的上端由絲杠支承座軸承5徑向、軸向定位，絲杠支承座軸承5安裝在減速器座10的上部定心孔中，滾珠絲杠6上端通過聯(lián)軸節(jié)4與減速器3的輸出軸相聯(lián)。在減速器3上部裝有失電制動(dòng)器2，伺服電動(dòng)機(jī)1座落在失電制動(dòng)器2的上端面上，伺服電動(dòng)機(jī)1的輸出軸與失電制動(dòng)器2上部的配合孔相聯(lián)。光柵尺12安裝在滑枕9的前部。

2.2 新型垂直刀架的工作過程

滑枕左右兩側(cè)伺服電動(dòng)機(jī)1的輸出軸旋轉(zhuǎn)分別驅(qū)動(dòng)左右兩套減速器3輸出軸旋轉(zhuǎn)，左右兩套減速器3輸出軸分別通過聯(lián)軸節(jié)4帶動(dòng)左右兩套滾珠絲杠6旋轉(zhuǎn)，左右兩側(cè)的絲杠螺母副7、螺母座8和滑枕9沿滾珠絲杠6軸向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，滑枕9的移動(dòng)位置由光柵尺12反饋給數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制。

2.3新型垂直刀架的制動(dòng)過程

在機(jī)床斷電時(shí)，滑枕左右兩側(cè)伺服電動(dòng)機(jī)1和失電制動(dòng)器2同時(shí)分別制動(dòng)減速器3，滑枕左右兩側(cè)的減速器3通過聯(lián)軸節(jié)4分別制動(dòng)滑枕左右兩側(cè)的滾珠絲杠6、絲杠螺母副7和滑枕9。在滑枕左右兩側(cè)的伺服電動(dòng)機(jī)1發(fā)生故障的情況下，滑枕左右兩側(cè)的失電制動(dòng)保護(hù)器2分別能夠獨(dú)立制動(dòng)滑枕9，有效地防止了滑枕9滑落事故的發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

筆者公司生產(chǎn)最大加工直徑12.5 m的重型數(shù)控立式車床，滑枕截面為460mm×460mm，滑枕行程3 500 mm，垂直刀架滑枕的重量在10 t左右，垂直刀架滑枕快速移動(dòng)速度達(dá)到了10 m/min。經(jīng)過在該機(jī)床上使用新型雙滾珠絲杠垂直刀架結(jié)構(gòu)后檢測(cè)，滑枕Z軸的定位精度小于0.026 mm，重復(fù)定位精度小于0.012 mm，反向偏差小于0.006 mm。該垂直刀架裝置已被筆者公司正式申請(qǐng)了國(guó)家實(shí)用新型專利。