數(shù)控滑塊滾道成型磨床工作臺運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及速度提升

■南京工藝裝備制造有限公司 （江蘇南京 210000） 朱慶榮

數(shù)控滑塊滾道成型磨床是用于磨削直線導(dǎo)軌副中滑塊內(nèi)兩側(cè)的成型滾道面的專用機(jī)床。公司有幾臺早期的數(shù)控滑塊滾道成型磨床，采用單立柱結(jié)構(gòu)形式，為立軸矩臺，床身及工作臺均采用整體鑄件制造，磨頭垂直進(jìn)給和前后進(jìn)給，工作臺左右移動(dòng)，采用液壓驅(qū)動(dòng)，滑動(dòng)導(dǎo)軌模式，其他兩軸采用伺服電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠和滑動(dòng)導(dǎo)軌進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。工作臺液壓系統(tǒng)屬于內(nèi)置操縱箱結(jié)構(gòu)，繁瑣復(fù)雜，備件已經(jīng)無法購買，漏油嚴(yán)重，且運(yùn)行速度最快只能達(dá)到11m/min，且不穩(wěn)定，換向沖擊厲害，修整時(shí)低速爬行，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的工藝需要。

1. 主要改造

將原有內(nèi)置操縱箱結(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)改為伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)精密滾珠絲杠傳動(dòng)模式。滾珠絲杠是工具機(jī)械和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑥D(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。由于滾珠絲杠具有很小的摩擦阻力，故被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。滾珠絲杠由螺桿、螺母、鋼球、預(yù)壓片、反向器和防塵器組成，其功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)。本次改造利用原有液壓缸安裝面作為絲杠的軸承座安裝基準(zhǔn)，兩安裝面的等高和平面度均進(jìn)行人工刮研，保證和機(jī)床導(dǎo)軌的平行。改造后絲杠導(dǎo)程為16mm，選用的伺服電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，直聯(lián)驅(qū)動(dòng)，工作臺理論速度為32m/min，全長定位精度和重復(fù)定位精度分別為0.01m m、0.005m m，定位準(zhǔn)確，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，能和其他數(shù)控軸進(jìn)行準(zhǔn)確聯(lián)動(dòng)控制，滾珠絲杠的支撐采用兩端固定的方式。

2.原有工作臺移動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式

圖1 機(jī)床工作臺液壓傳動(dòng)系統(tǒng)

內(nèi)置式操縱箱結(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示，液壓系統(tǒng)配置一臺YB1-40葉片泵，泵的流量為40mL/r，按照電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為2 800r/min，所以泵每分鐘輸出油量Q為112L/min，液壓缸行程L為1 500mm，液壓缸里面有效面積S為74.6cm2，根據(jù)V＝Q/S，可以計(jì)算出理論的工作臺移動(dòng)速度為15m/min，加之液壓缸的泄漏等液壓系統(tǒng)的損失，實(shí)際工作速度很低。

3. 改造絲杠的選擇

鑒于目前主流的導(dǎo)軌、滑塊成型磨床的工作臺運(yùn)動(dòng)速度都較過去有很大提高，一般現(xiàn)代機(jī)的工作臺移動(dòng)速度都在25m/min之上，故改造方案按照32m/min進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）導(dǎo)程確定Ph＝Vmax/inmax＝1 6 m m，故選擇導(dǎo)程為16mm的DKFZD型高速精密滾珠絲杠副。

4. 改造伺服電動(dòng)機(jī)的選配

（1）伺服電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的計(jì)算（直聯(lián)驅(qū)動(dòng)，見圖3） 具體計(jì)算如下所述。

圖3 伺服電動(dòng)機(jī)直聯(lián)驅(qū)動(dòng)

負(fù)載到電動(dòng)機(jī)軸上的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩

（2）絲杠的額定動(dòng)載荷 具體參數(shù)如下所示。

式中，fe為預(yù)加負(fù)荷系數(shù)（fe輕預(yù)載下取6.7，中預(yù)載下取4.5，重預(yù)載下取3.4）；Fmax為軸向最大載荷（Fmax＝磨削力＋工作臺移動(dòng)摩擦力）。

式中，Uc為比磨削能，取40；ae為磨削深度，最大0.05mm；Vw為進(jìn)給速度，取400mm/s；b為砂輪寬度，取50mm；Vs為磨削線速度，取33m/s。計(jì)算得磨削力為1 200N。工作臺移動(dòng)摩擦力＝1 579.5N。所以Fmax＝2 779.5N。額定動(dòng)載荷＝4.5×2 779.5N＝12 507.75N。

（3）絲杠直徑的選擇 具體如下所述。

根據(jù)絲杠的安裝方式，絲杠的底徑

式中，L為絲杠兩固定點(diǎn)之間的距離，取1 900mm；σ為絲杠最大允許的變形量，取0.007mm；F0為靜摩擦力，D為絲杠底徑，其值≥42.69mm。

圖2 50規(guī)格（DKFZD5016）絲杠

故選擇50規(guī)格（DKFZD5016）的絲杠（見圖2），底徑44.4mm，該絲杠的額定動(dòng)載荷為52.5kN，完全能夠滿足該設(shè)備的運(yùn)動(dòng)需求；任意一圈行程變動(dòng)量實(shí)測值為0.004mm；任意300mm行程變動(dòng)量實(shí)測值為0.007 5mm。式中，T1為折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；F為軸向移動(dòng)工作臺時(shí)所需要的力（N）；L為電動(dòng)機(jī)軸每轉(zhuǎn)的機(jī)械位移量（m）；T0為滾珠絲杠螺母軸承部分摩擦轉(zhuǎn)矩折算到伺服電動(dòng)機(jī)軸上的值（N·m），F(xiàn)＝切削力＋運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力＝2 779.5N，Tm＝11.8N，負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩

式中，Ma為負(fù)載加速力矩（N·m）；Jt為折合到電動(dòng)機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取值3.2×10-3（kg·m2）；V為運(yùn)行目標(biāo)速度，取值2 000r/m i n；t為加速時(shí)間（s），取值1。代入各數(shù)據(jù)求得Ma值，近似為20N。

（2）負(fù)載慣量的計(jì)算 具體如下所述。絲杠自身慣量

式中，r為物體的比重（kg/cm3）；Db為絲杠的直徑（cm）；Lb為絲杠的長度（cm）。代入數(shù)據(jù)求得J＝9.56×10-3（kg·m2）。工作臺移動(dòng)慣量

式中，W為工作臺及工件整體質(zhì)量（kg）；L為絲杠螺距（cm）。代入數(shù)據(jù)求得J＝6.5×10-3（kg·m2）。負(fù)載總慣量＝16.06×10-3（kg·m2）。選配電動(dòng)機(jī)軸的慣量按照1∶5進(jìn)行選擇。

根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩和慣量，選擇150ST-M23020LFB電動(dòng)機(jī)（華大牌交流伺服電動(dòng)機(jī)，考慮到改造時(shí)數(shù)控系統(tǒng)選用的是華中數(shù)控），額定轉(zhuǎn)速2 000r/min以下都是恒轉(zhuǎn)矩工作機(jī)理（見圖4）。

圖4 華大牌交流伺服電動(dòng)機(jī)工作機(jī)理

5. 滾珠絲杠支撐方式（見圖5）

圖5 滾珠絲杠支撐方式

1）軸承采用N S K 產(chǎn)品，40TAC萬能配對系列，絲杠專用軸承，前四后二組合，前面為主要定位端，四個(gè)軸承背對背安裝，如圖6所示，后面采用拉伸形式，采用磨制隔圈控制拉伸長度，后面兩個(gè)軸承的安裝方式如圖7所示，用于拉伸絲杠。軸承內(nèi)孔與絲杠軸頸的配合采用H7/k6，軸承外圈與支撐座內(nèi)孔的配合采用h6/K7。

圖6 前面四個(gè)軸承的安裝方式

圖7 后面兩個(gè)軸承的安裝方式

2）前支撐座與后支撐座的中心的重合度及自身孔中心與床身導(dǎo)軌的平行度，以床身導(dǎo)軌為基準(zhǔn)，心棒進(jìn)行測量，由人工刮研進(jìn)行調(diào)整（前后支撐座在加工時(shí)，中心高基本一致），保證前后的等高后側(cè)面平行都在0.01mm以內(nèi)。同時(shí)螺母座以前支撐座為基準(zhǔn)，通過調(diào)整墊片方式進(jìn)行校正，改造后的定位與重復(fù)定位精度達(dá)到預(yù)期效果。

3）絲杠潤滑配置自動(dòng)定量潤滑系統(tǒng)。

6. 結(jié)語

改造后工作臺移動(dòng)速度明顯上升，從最初的11m/min到現(xiàn)在的25m/min，加工效率提高了一倍；由于絲杠傳動(dòng)平穩(wěn)可靠，磨削后產(chǎn)品的表面質(zhì)量也有所提升；絲杠傳動(dòng)具備很好的定位效果，在修整時(shí)，工作臺定位準(zhǔn)確，磨出的產(chǎn)品尺寸一致性很穩(wěn)定，多只產(chǎn)品磨削尺寸一致性在0.007mm以內(nèi)；絲杠傳動(dòng)沒有油液，不存在漏油現(xiàn)象，環(huán)保。傳動(dòng)噪聲：在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，通過噪聲測試儀進(jìn)行測量，為68dB，在國標(biāo)范圍之內(nèi)。