絲杠輔助支撐在GDC1640A產(chǎn)品中的應(yīng)用

（沈陽機(jī)床股份有限公司，沈陽 110142）

1 存在的問題

GDC1640A是一款工作臺(tái)移動(dòng)式龍門加工中心，該機(jī)床的X軸驅(qū)動(dòng)方式是伺服電機(jī)通過齒形帶、齒形帶輪降速后與滾珠絲杠聯(lián)接，帶動(dòng)工作臺(tái)在床身上前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)X軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

如圖1所示X軸傳動(dòng)方式為兩端固定的支撐方式，該產(chǎn)品工作臺(tái)行程4m，其安裝距離達(dá)到4850mm，X軸絲杠選用80直徑12導(dǎo)程。因安裝間距較長，絲杠的長徑比超過60，長徑比太大會(huì)使絲杠產(chǎn)生彎曲和撓度的變化（如圖1所示）。導(dǎo)致滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)，增大運(yùn)動(dòng)噪聲、縮短支撐軸承和滾珠絲杠本身的使用壽命、降低機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度以及機(jī)床的加工精度。

圖1 X軸絲杠安裝方式

除此之外，絲杠安裝距離過長，也會(huì)影響絲杠的許用轉(zhuǎn)速。以GDC1640A為例：

絲杠的許用轉(zhuǎn)速公式如下，N1，N2中取其小者：

其中：

λ：與安裝方法相關(guān)的系數(shù)，此處為兩端固定的安裝方式，λ=21.9。

d1：絲杠軸螺紋小徑，預(yù)選絲杠為THK BNFN8012 d1取74.1。

lb：安裝間距4850。

算出極限轉(zhuǎn)速N為689轉(zhuǎn)，計(jì)算出快移速度為8.3m/min，設(shè)計(jì)參數(shù)該軸快移速度為10m/min因速度太慢，不滿足設(shè)計(jì)要求。

從以上描述可以看出，絲杠跨距過長，將主要引發(fā)以下兩個(gè)問題：

1）絲杠自身產(chǎn)生的撓度會(huì)影響自身壽命以及機(jī)床加工精度；

2）絲杠安裝距離過長，會(huì)影響絲杠的容許轉(zhuǎn)速，進(jìn)而影響進(jìn)給軸的快移速度。

對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，可以略微緩解絲杠彎曲變行，然而卻不能對問題2進(jìn)行有效解決。因此，為了有效解決以上兩個(gè)問題，該產(chǎn)品選擇在絲杠的中間增加輔助支撐的方式，不但可以縮短絲杠的安裝距離lb，還可以減少絲杠的彎曲變形。

2 輔助支撐的結(jié)構(gòu)及工作原理

該輔助支撐裝置主要由支撐輪、側(cè)導(dǎo)輪、壓板、套筒、組合彈簧等組成。整個(gè)裝置放置于絲杠的中間位置下面，絲母座兩端安裝兩個(gè)楔形壓板，絲杠的運(yùn)動(dòng)過程中，該輔助支撐有以下兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：

1）絲母在絲杠上運(yùn)行，未運(yùn)動(dòng)到輔助支撐處時(shí)，支撐輪處在圖示的位置1處，此時(shí)輔助支撐的支撐輪隨絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)未絲杠提供向上的支撐力，使絲杠處在平衡狀態(tài)。

2）絲母在絲杠上運(yùn)行，當(dāng)絲母座移動(dòng)到輔助支撐裝置附近時(shí)，壓板的斜面會(huì)提前壓在輔助支撐兩側(cè)的側(cè)導(dǎo)輪上，使輔助支撐壓縮組合彈簧向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)位置2時(shí)，絲母座可完全躲過支撐輪順利通過輔助支撐。當(dāng)絲母座完全通過后，被組合彈簧推動(dòng)支撐輪上升到位置1，重復(fù)第一步的工作狀態(tài)。

圖2 輔助支撐結(jié)構(gòu)圖

圖3 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

圖4 輔助支撐安裝方式

圖5 輔助支撐三維圖

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

1）安裝輔助支撐后的容許轉(zhuǎn)速計(jì)算

如圖4所示安裝輔助支撐后，絲杠的支撐方式由兩端固定更改為一端固定一端支撐的支撐方式。此處，λ=15.1，安裝間距l(xiāng)b變成了原來的一半，此處lb=2425，代入上述公式：

容許轉(zhuǎn)速取944，快移速度可達(dá)到11.3m/min，可以滿足該機(jī)床設(shè)計(jì)要求。

2）絲杠撓度計(jì)算

（1）不安裝輔助支撐時(shí)絲杠最大撓度：

q為均布線載荷標(biāo)準(zhǔn)值q=345.45N/mm；

l為絲杠安裝距離 l=4745mm；

E為鋼的彈性模量，此處取E=2.1×105mpa；

I為鋼的截面慣矩：

由此計(jì)算出Y1=0.19mm。

（2）輔助支撐裝置裝配好后提供的支撐力：

K為彈力系數(shù)（kgf/mm）；

L為彈簧總長；H為壓縮到高度；

彈簧型號(hào)分別為：

G為材料的剛性模數(shù)(kg/mm2)；G=8000。

d為彈簧的線徑；d1=10；d2=5。

Dm為彈簧的中徑；

Do為彈簧的外徑；Do1=85；Do2=55；Dm1=Do1-d1=75；Dm2=Do2-d2=55。

N為彈簧的有效圈數(shù)，N1=12.5；N2=12.5。

計(jì)算得出K1=1.9，K2=0.3。

（3）由支撐力產(chǎn)生的向上的撓度：

（4）安裝輔助支撐后，絲杠中心撓度：

4 安裝調(diào)試

安裝時(shí)在絲杠兩端支撐處分別打表調(diào)平，再在中點(diǎn)撓度最大處打表。此時(shí)，調(diào)整調(diào)整墊，調(diào)整到當(dāng)絲杠下沉撓度大于0.02時(shí)，本支承才起作用。整機(jī)安裝完成進(jìn)行精度檢測，各方面精精度滿足要求。

經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明該裝置具有以下特點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，通過調(diào)節(jié)調(diào)整墊，可以靈活調(diào)整彈簧的壓縮力。

2）該裝置無電氣、液壓和氣動(dòng)控制，價(jià)格較低，可有效降低產(chǎn)品成本。

5 結(jié)束語

在機(jī)床的工作過程中，絲杠產(chǎn)生的撓度變形帶來的危害很大，除了會(huì)影響絲杠的壽命和傳動(dòng)效率，還會(huì)影響機(jī)床的加工精度。本文以GDC1640A X軸絲杠拖動(dòng)為例給出了一種長滾珠絲杠輔助支撐的裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算過程。應(yīng)用時(shí)可根據(jù)實(shí)際使用條件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。不僅提高了機(jī)床的精度，并且大大降低了機(jī)床的成本，取得很好的效果。