中走絲線切割機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的研究

高榮，羅剛，胥宏，陳勇，楊章，楊海

(成都工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 611730)

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和主運(yùn)動(dòng)共同構(gòu)成表面形成運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)承擔(dān)了沿坐標(biāo)軸的定位和切削進(jìn)給，直接影響整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和精度指標(biāo)，因此進(jìn)給系統(tǒng)的性能相當(dāng)重要［1－2］。一般來說，進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)滿足3個(gè)方面的要求［3］:(1)穩(wěn)定性方面，包括絕對(duì)穩(wěn)定和相對(duì)穩(wěn)定，即整個(gè)系統(tǒng)在啟動(dòng)狀態(tài)或外界干擾作用下，經(jīng)過幾次衰減振蕩后，能迅速地穩(wěn)定在新的或原有的平衡狀態(tài)下。(2)精度要求方面，包括動(dòng)態(tài)誤差、靜態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差，也就是系統(tǒng)的輸入量與最終運(yùn)動(dòng)部件的相關(guān)量的吻合程度。(3)快速響應(yīng)特性方面，即系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間以及傳動(dòng)裝置的加速能力。除合理地控制系統(tǒng)外，進(jìn)給系統(tǒng)要求合理選擇驅(qū)動(dòng)元件的參數(shù)，且對(duì)機(jī)械傳動(dòng)裝置的參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理選擇和設(shè)計(jì)，目的是使整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性相匹配。

1 進(jìn)給系統(tǒng)方案選擇

根據(jù)進(jìn)給系統(tǒng)中普遍存在的兩種驅(qū)動(dòng)方式，存在兩種進(jìn)給系統(tǒng)，一種為液壓伺服進(jìn)給系統(tǒng)，一種為電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)［3］。對(duì)中走絲線切割機(jī)床來講，要求的工作特性與響應(yīng)的速度都比一般機(jī)床要快和準(zhǔn)確。系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間以及傳動(dòng)裝置的加速能力是決定其性能的關(guān)鍵因素。根據(jù)某機(jī)床在速度、精度上的較高要求，選擇電氣伺服機(jī)械傳動(dòng)是合適的［4］。在電氣伺服進(jìn)給系統(tǒng)中，一種為電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)進(jìn)給，即“直驅(qū)”;另一種為電機(jī)通過多級(jí)減速機(jī)構(gòu)由滾珠絲杠 (或齒輪齒條傳動(dòng))實(shí)現(xiàn)進(jìn)給，即“傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)”。根據(jù)設(shè)計(jì)和計(jì)算，此機(jī)床K7732采用第一種方案，同樣達(dá)到最終精度要求，用聯(lián)軸器直接聯(lián)結(jié)是一種最簡單的聯(lián)接方式，此結(jié)構(gòu)通常是電動(dòng)機(jī)軸與絲杠之間采用高精度十字聯(lián)軸器聯(lián)接，此種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是具有最大的扭轉(zhuǎn)剛度，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)本身無間隙，傳動(dòng)精度高，結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)整方便。

2 進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)扭矩、慣量匹配的計(jì)算及相關(guān)驗(yàn)算

對(duì)于進(jìn)給速度高、要求響應(yīng)時(shí)間快的機(jī)床，當(dāng)負(fù)載慣量達(dá)到甚至超過電機(jī)慣量的3倍時(shí)，會(huì)使電機(jī)的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間受到很大的影響，從而影響機(jī)床的加速能力、精度與穩(wěn)定性［5］。在快速移動(dòng)速度比較高的情況下，絕不能忽略慣量匹配性的計(jì)算 (即要求JL/JM＜3)［6－7］。這里以負(fù)荷比 (承受工件及上層工作臺(tái)重力)較大的X方向 (下層)工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)的選擇為例進(jìn)行計(jì)算。圖1所示為DK7732中走絲線切割機(jī)床工作臺(tái)，下層為X方向 (320 mm)，上層為Y方向 (400 mm)。上、下層工作臺(tái)均為直線導(dǎo)軌導(dǎo)向承載，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠傳動(dòng)。

圖1 DK7732中走絲線切機(jī)床工作臺(tái)

2.1 基本參數(shù)

直線運(yùn)動(dòng)體質(zhì)量:m=1 000 kg(工件+工作臺(tái));滾珠絲杠直徑、導(dǎo)程、長度:

D=32 mm、Pb=5 mm、L=831 mm;

聯(lián)軸器直徑、長度:DL=55 mm、LL=78 mm;

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌摩擦系數(shù):μ=0.05(該摩擦因數(shù)為導(dǎo)向件的綜合摩擦因數(shù));

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (包括滾珠絲杠)的機(jī)械效率:η=0.9［8］;

(工作臺(tái))最大進(jìn)給速度:v=6 m/min。

2.2 電機(jī)最高速度的確定

線切割機(jī)床快速進(jìn)給要求的電機(jī)速度為:

采用直聯(lián)結(jié)構(gòu)，降速比1∶1，故電機(jī)速度為:Nm=N=1 200×1/1=1 200 r/min。

2.3 負(fù)載轉(zhuǎn)矩

(1)外部負(fù)荷使絲杠產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩Tp

根據(jù)線切割機(jī)床的具體加工情況，即無切削力時(shí)計(jì)算軸向載荷Fa:

式中:μ為滾動(dòng)摩擦因數(shù)0.05(導(dǎo)向件綜合摩擦因數(shù));W為工件和工作臺(tái)的總重力 (mg);PH為直線滾動(dòng)導(dǎo)軌預(yù)加載荷，此機(jī)為0.05C，C為動(dòng)載荷(26.48 kN);n為直線滾動(dòng)導(dǎo)軌滑塊個(gè)數(shù)。則摩擦轉(zhuǎn)矩為:

式中:Fa為軸向載荷 (N);Pb為滾珠絲杠的導(dǎo)程(mm);η為滾珠絲杠的效率系數(shù) (0.9)。

(2)滾珠絲杠副預(yù)緊產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩Td

選用上銀滾珠絲杠副 (φ32×5，6%預(yù)緊)［9］:

(3)支承軸承預(yù)緊產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩Tb

選用SKF絲杠軸承7005C［10］，兩盤軸承為一組，產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩為0.176 N·m，則:

(4)加在伺服電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

2.4 換算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量JL

式中:Jl1為直線運(yùn)動(dòng)體折算慣量 (軸向移動(dòng)時(shí);工件及工作臺(tái)折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量);Jl2為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Jl3為聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。其中:

滾珠絲杠等柱體 (包括齒輪、聯(lián)軸器、軸)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:

聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:

式中:γ為材料的密度 (kg/m2)，對(duì)于鋼鐵:γ=7.8×103(kg/m3);D為滾珠絲杠直徑 (mm);L為滾珠絲杠長度 (mm);DL為聯(lián)軸器直徑 (mm);LL為聯(lián)軸器長度 (mm)。則電機(jī)軸上的負(fù)載慣量為:

根據(jù)以上計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)初選電機(jī)型號(hào)為西門子1FK7060-2，其輸出功率為1.1 kW，額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，輸出額定轉(zhuǎn)矩5.3 N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量7.7×10－4kg·m2［11］。當(dāng)負(fù)載慣量為JL=18.43 ×10－4kg·m2時(shí)，負(fù)載慣量與電機(jī)慣量的比值為JL/JM=18.43×10－4/7.7×10－4=2.4＜3

負(fù)載慣量與電機(jī)慣量比值小于3，負(fù)載慣量與電機(jī)慣量匹配，初選該電機(jī)。經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算，與其匹配的絲杠直徑、導(dǎo)程和安裝、預(yù)緊方式等均滿足要求，且價(jià)格合理，故最終選擇該電機(jī)。

2.5 加速時(shí)需要的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Ts(即瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩)

式中:JM為電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量 (kg·m2);JL為負(fù)載慣量 (kg·m2);N為電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)速 (r/min);ta為電機(jī)加減速時(shí)間 (s)。

(1)加速時(shí)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ta

一般伺服電機(jī)的加減速時(shí)間為0.1～0.3 s ，在中走絲機(jī)床中，一般取ta=0.1 s，則

(2)加速時(shí)需要的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，即瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩

2.6 驗(yàn)算結(jié)果

快速行程的電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴(yán)格控制在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)［5］;當(dāng)機(jī)床最大運(yùn)載、等速加工工件時(shí)，在整個(gè)速度范圍內(nèi)加在伺服電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)［6］;當(dāng)機(jī)床最大運(yùn)載加速運(yùn)行時(shí)，加在伺服電機(jī)軸上的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩即瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)在間斷工作區(qū)之內(nèi)，也就是說不超過電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩［7］;要保證機(jī)床的加速能力、精度與穩(wěn)定性，負(fù)載慣量與電機(jī)慣量的比不能超過3［6－7］。驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。

表1 電機(jī)選擇驗(yàn)算結(jié)果

通過以上計(jì)算可知，所選擇的西門子1FK7060-2電機(jī)符合要求。

3 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

被加工工件的形狀精度和位置精度都與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度、定位精度和穩(wěn)定性有關(guān)，因此，在設(shè)計(jì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、選用傳動(dòng)零件時(shí)應(yīng)充分注意減小摩擦阻力，提高傳動(dòng)精度和剛度，消除傳動(dòng)間隙和減小運(yùn)動(dòng)慣量［3］。進(jìn)給傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的合理性是實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)三目標(biāo)的有力保證，其中進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度尤為重要。

3.1 工作臺(tái)的傳動(dòng)形式

圖1中的中走絲線切割機(jī)床DK7732型X/Y工作臺(tái)，上下層均為由伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，由螺母通過裝在工作臺(tái)上的螺母座帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，均選用上銀直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠螺母傳動(dòng)。上層工作臺(tái)導(dǎo)軌 型 號(hào) 為 HGH25CAZAP， 配 套 滑 塊 為HGR25R1000P，配合φ25 mm絲杠使用;下層工作臺(tái)由于載荷較大，導(dǎo)軌選用為HGH30CAZAP，配套滑塊為HGR30R1000P，配合φ32 mm絲杠使用。

3.2 支承絲杠的軸承組配形式

整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的剛度除了取決于最后傳動(dòng)件(這里為絲杠螺母副)的傳動(dòng)剛度外，還取決于其傳動(dòng)件支承的剛度，剛度不足與摩擦阻力一起會(huì)導(dǎo)致工作臺(tái)產(chǎn)生爬行以及造成反向死區(qū)，影響傳動(dòng)準(zhǔn)確性［4］。

加工過程中，絲杠主要承受軸向載荷，除絲杠本身的自重以外，一般不承受徑向載荷，因而進(jìn)給系統(tǒng)的軸向剛度就可視為與滾珠絲杠相關(guān)聯(lián)的零部件剛度的總和，通常絲杠受軸向載荷作用而產(chǎn)生的軸向拉壓變形約占整個(gè)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)誤差的30%～50%，因而設(shè)計(jì)時(shí)特別重視了提高絲杠的軸向拉壓剛度［12］。圖2所示為下層工作臺(tái)絲杠的軸承組配及支承結(jié)構(gòu)形式示意圖 (為清楚表達(dá)前后支承處結(jié)構(gòu)，控制螺母行程的前后死擋鐵圖中未畫)。

圖2 中走絲線切割機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)給絲杠支承形式及結(jié)構(gòu)

為提高絲杠1的軸向剛度和徑向剛度，絲杠的兩端均采用雙聯(lián)組配，即前后支承均采用兩盤角接觸球軸承，角接觸球軸承均為7205B。之所以沒有選擇A型和AC型，而選擇B型，就是為增加角接觸球軸承的接觸角，提高軸向承載力，從而提高軸向剛度。前后支承處的兩盤角接觸球軸承采用“背靠背”并聯(lián)安裝方式 (即角接觸球軸承大端相對(duì))，和“面對(duì)面”安裝方式相比，支反力臂長且受發(fā)熱影響小。隔套15、9用于前后軸承的間隙調(diào)整。

3.3 絲杠的支承形式

工作過程中為承受雙向軸向載荷和徑向載荷，前后支承兩端均軸向固定，以提高拉壓剛度，使其在整個(gè)工作行程范圍內(nèi)剛度的變化較小，提高工作臺(tái)工作精度。絲杠前端支承處，由螺母18、12及套筒16、15、13對(duì)前軸承內(nèi)圈實(shí)現(xiàn)雙向軸向定位，外圈由軸承座及軸承端蓋實(shí)現(xiàn)雙向軸向定位。絲杠后端由螺母2、套筒7、套筒10和螺母11對(duì)軸承內(nèi)圈實(shí)現(xiàn)雙向軸向定位，通過法蘭3、工藝套6和軸承座實(shí)現(xiàn)支承外圈雙向軸向定位。絲杠前端支承安裝好后，由工藝套6來調(diào)整絲杠支承在水平面內(nèi)對(duì)下層工作臺(tái)導(dǎo)軌的平行度。

下層工作臺(tái)絲杠選擇上銀FDI325T3，為提高滾珠絲杠的軸向剛度及傳動(dòng)精度，要對(duì)螺母進(jìn)行預(yù)緊(螺母為訂購絲杠時(shí)配套訂購，由廠家先完成預(yù)緊，圖2中未畫螺母及其支承結(jié)構(gòu))，消除滾珠絲杠副的軸向間隙。

除滾珠絲杠螺母本身的剛度外，其支承形式和支承結(jié)構(gòu)對(duì)傳動(dòng)精度和剛度也至關(guān)重要。如圖3所示為絲杠螺母副的絲杠軸承座及螺母座。絲杠前后支承座安裝在床身底座上面，螺母座安裝在上層工作臺(tái)下面。絲杠軸承座及螺母座都是通過螺釘和床身底座及上層工作臺(tái)聯(lián)結(jié)，銷釘定位。除前支承座外，為保證絲杠及螺母與下層工作臺(tái)導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的平行度，在后支承座與床身底座之間、螺母座與上層工作臺(tái)下面之間均裝有調(diào)整墊片。為保證螺母與絲杠的正常工作，即為保證螺母座孔與絲杠前后支承孔的同軸度，需要保證安裝螺母的螺母座端面與前后支承座孔軸線的較高的垂直度，可以通過刮研與螺母法蘭相配合的螺母座端面來獲得所要求的垂直度。支承座孔及絲杠上與軸承的配合面均采用磨削工藝。絲杠螺母為雙螺母墊片調(diào)整方式，消除反向間隙，以提高工作臺(tái)定位和重復(fù)定位精度。絲杠安裝時(shí)采取了預(yù)拉伸以吸收絲杠發(fā)熱伸長的措施［8］，以期提高和長期保持絲杠精度。

圖3 驅(qū)動(dòng)下層工作臺(tái) (X向)的絲杠螺母支承座

4 結(jié)束語

在進(jìn)給系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)中，不僅要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、便于裝配，外購零部件選用恰當(dāng)，同時(shí)在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上還要核算成本。在機(jī)床實(shí)際工作中，伺服電機(jī)所受的負(fù)載主要包括連續(xù)恒定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(包括摩擦轉(zhuǎn)矩)及加減速轉(zhuǎn)矩。在選擇伺服電機(jī)時(shí)，要充分考慮電機(jī)這方面的要求，才能最大限度地發(fā)揮伺服電機(jī)的性能。文中主要針對(duì)伺服電機(jī)的快速移動(dòng)速度、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、負(fù)載慣量比等因素進(jìn)行綜合考慮，做出經(jīng)濟(jì)合理的選擇，并且對(duì)工作臺(tái)進(jìn)給絲杠支承形式及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，之前中走絲線切割機(jī)床選用的是步進(jìn)電機(jī)，現(xiàn)在升級(jí)為伺服電機(jī)，所以該設(shè)計(jì)基本上是對(duì)DK7732機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)方式、結(jié)構(gòu)及支承形式的設(shè)計(jì)都做了新的設(shè)計(jì)，以解決機(jī)床產(chǎn)品升級(jí)換代、加工產(chǎn)品的加工精度和質(zhì)量更高的情況下，對(duì)機(jī)床工作臺(tái)系統(tǒng)使用性能要求提高的問題。

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