伺服滑臺驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

張曉龍 艾學崇 李海南 董雷 張錦楓 宮正軍

（一汽模具制造有限公司，長春130013）

1 前言

伺服滑臺（以下簡稱滑臺）是白車身焊裝行業(yè)重要的夾具切換設(shè)備，其上的夾具通過水平移動實現(xiàn)位置的切換。相較于轉(zhuǎn)臺、轉(zhuǎn)轂等回轉(zhuǎn)類夾具切換形式，夾具水平移動在工藝工位形成的干涉區(qū)更小，更有利于工藝機械手接近，因此滑臺的工藝接近性更好，布局也相對靈活。又由于其采用齒輪齒條傳動，可靠性優(yōu)良，因此應(yīng)用較為普遍。但同時，伺服滑臺也有占地面積較大、多工位切換效率不高的問題，這也是限制其使用的重要原因。

2 伺服滑臺結(jié)構(gòu)原理

滑臺（圖1）一般由基架、滑車、滾珠導(dǎo)軌副、齒輪齒條副、伺服減速電機及控制系統(tǒng)構(gòu)成，其中滾珠導(dǎo)軌副、齒輪齒條副和伺服減速電機構(gòu)成了伺服滑臺的驅(qū)動系統(tǒng)?；苁腔_的基礎(chǔ)，固定在地面上?；苌线€配備有輔助定位機構(gòu)，用于滑車到位后機械精定位?；嚳稍隍?qū)動系統(tǒng)的帶動下沿導(dǎo)軌水平移動，用于承載夾具等設(shè)備。伺服減速電機安裝在滑車上，其輸出端裝有齒輪。齒輪與固定在基架上的齒條相嚙合，當齒輪在電機驅(qū)動下轉(zhuǎn)動時，通過齒輪齒條的嚙合傳動驅(qū)動滑車移動。滾珠導(dǎo)軌副用于支撐滑車以及給滑車導(dǎo)向，依靠其自身高精度確?；囇刂本€運動。

圖1 伺服滑臺的結(jié)構(gòu)組成

由滑臺的結(jié)構(gòu)組成可以看出，滑車到位后的位置精度由驅(qū)動系統(tǒng)中滾珠導(dǎo)軌副的尺寸精度和動力裝置的停止精度共同決定。同時，為實現(xiàn)在規(guī)定時間內(nèi)的夾具切換，滑臺需要能夠達到一定的滑移速度，而這同樣主要取決于其驅(qū)動系統(tǒng)。因此，驅(qū)動系統(tǒng)對于滑臺實現(xiàn)滑動功能和滿足工藝要求具有至關(guān)重要的作用。焊裝行業(yè)常用的滑臺由伺服減速電機驅(qū)動，經(jīng)過齒輪齒條嚙合傳動，實現(xiàn)滑動部件的水平移動。按照使用需要，其水平運動速度一般在0.50～3.00 m/s，定位精度可達±0.02 mm或者更高。

3 滑臺驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的一般流程

滑臺的功能性和可靠性很大程度上取決于其驅(qū)動系統(tǒng)的性能，因此驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計是滑臺設(shè)計的核心，其設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 設(shè)計流程

驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計之前，首先需要根據(jù)使用要求，擬定滑臺的速度曲線，即確定滑臺最大速度和加速度等參數(shù)。通常，滑臺最大速度為0.5～3 m/s，加速度一般為1～4 m/s2，具體視使用要求而定。典型的滑臺運動過程是勻加速、勻速、勻減速，其速度曲線如圖3所示。

圖3 滑臺速度曲線

根據(jù)加速度等參數(shù)可推導(dǎo)出滑臺的驅(qū)動力，滑臺的移動速度即是驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動速度，如此可得到驅(qū)動系統(tǒng)的2項主要動力參數(shù)，驅(qū)動力和驅(qū)動速度。

滑臺驅(qū)動力的計算如公式（1）。

式中，F(xiàn)為滑臺水平驅(qū)動力；μ為滑動摩擦系數(shù)，一般取0.05；m為滑臺運動部件的總質(zhì)量；g為重力加速度常數(shù)；a為滑臺設(shè)計加速度。

確定動力參數(shù)后即可開始驅(qū)動系統(tǒng)的零部件設(shè)計，步驟如下：

a.根據(jù)滑臺驅(qū)動力初選齒輪齒條參數(shù)，包括材料、模數(shù)、齒輪齒數(shù)；

b.跟據(jù)齒輪齒條參數(shù)初選伺服減速電機參數(shù)，如輸出扭矩、減速比、輸出軸徑向負荷；

c.根據(jù)電機參數(shù)校核齒輪齒條副的強度，若強度足夠則可確定電機及齒輪齒條的基本參數(shù)，進而確定電機相關(guān)輔件的型號，若強度不足，則需要調(diào)整齒輪齒條參數(shù)，重新進行電機選型和校核，直至滿足要求；

d.齒輪齒條副、伺服減速電機確定之后，進行滾珠導(dǎo)軌副的選型以及其它機構(gòu)的設(shè)計。

4 齒輪齒條副的設(shè)計

在焊裝行業(yè)，滑臺上常用的齒輪齒條精度等級一般為國標8級[1]，通常為正齒或斜齒圓柱齒輪齒條。以正齒圓柱齒輪齒條為例，介紹齒輪齒條副的設(shè)計方法。

4.1 材料的選擇

滑臺齒輪齒條常用材料有45鋼、42CrMo等，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理或齒面高頻淬火后使用。45鋼為優(yōu)質(zhì)碳素鋼，成本低廉，用作齒輪材料時，一般用于負載不大、速度不高的場合。42CrMo為超高強度鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有較高的疲勞強度，低溫沖擊韌性良好，成本相對較高，用作齒輪材料時，一般用在負載較大或有一定沖擊的場合。表1所列為2種材料在不同熱處理方式下的彎曲和接觸疲勞極限。

表1 常用齒輪材料的性能

當選擇齒輪齒條材料時應(yīng)當注意，齒輪齒面硬度一般要比齒條高10%～20%，這樣有助于降低傳動副的磨損，提高使用壽命。表2所列為推薦的齒輪齒條齒面強度組合。

表2 推薦齒輪齒條齒面強度組合 10 N/mm2

4.2 初選齒輪齒條參數(shù)

齒輪齒條設(shè)計中，強度方面主要考慮齒根彎曲強度和齒面接觸強度，在齒輪材料及熱處理方式已確定的條件下，這2項參數(shù)與齒輪的模數(shù)和直徑等有關(guān)。

初選齒輪齒條參數(shù)時，首先確定齒輪齒數(shù)，滑臺用的齒輪齒數(shù)一般在20～30之間，齒數(shù)過少會出現(xiàn)根切及傳動不穩(wěn)定，齒數(shù)過多則會造成減速器負載增加以及負載慣量增大。齒數(shù)選定后，可按照齒根彎曲強度或者齒面接觸強度計算齒輪模數(shù)，表3為公式中的參數(shù)列表。

按照齒根彎曲強度，齒輪模數(shù)計算如公式（2）。按照齒面接觸強度，齒輪模數(shù)計算如公式（3）。

機械設(shè)計手冊[2]等相關(guān)資料中對表3中參數(shù)的選擇范圍及方法有詳細描述，限于文章篇幅，這里不做詳細介紹。

表3 公式參數(shù)表

對于硬齒面齒輪（經(jīng)過齒面硬化處理的齒輪）來說，其齒根彎曲強度相對較弱，而軟齒面齒輪（未經(jīng)齒面硬化處理的齒輪）的齒面接觸強度較弱。因此，當選用硬齒面齒輪時，根據(jù)公式（2）初選齒輪模數(shù)，而當選用軟齒面齒輪時，需根據(jù)公式（3）初選齒輪模數(shù)。

根據(jù)公式（2）、公式（3）計算齒輪模數(shù)時，不等式右側(cè)的計算結(jié)果通常為小數(shù)，齒輪模數(shù)可選擇較之大一級或二級的優(yōu)選模數(shù)，優(yōu)選模數(shù)包括3、4、5、6、8等。例如，計算結(jié)果為4.78，齒輪模數(shù)優(yōu)先選擇5或6。

一些專業(yè)的齒輪齒條銷售廠家有自己較為完善的齒輪齒條選型樣本或選型軟件。借助這些樣本或軟件，能夠快速選擇齒輪齒條參數(shù)同時降低計算工作量。圖4所示為某品牌齒條樣本示例。

圖4 齒條樣本

4.3 齒輪齒條的校核

按照初步選定的齒輪齒條參數(shù)選定伺服減速電機之后，需要重新校核齒輪齒條的齒根彎曲強度和齒面接觸強度。齒根彎曲強度校核見公式（4）。

式中，σF為齒根彎曲應(yīng)力；T為減速電機額定輸出扭矩；b為齒寬。其余參數(shù)見表3。

齒面接觸強度校核見公式（5）。式中，σH為齒面接觸應(yīng)力。其余參數(shù)見表3。

5 伺服減速電機的選型

焊裝用滑臺一般建議選則異步伺服電機作為動力源，主要是因為其具備輸出扭矩較大和自身轉(zhuǎn)動慣量較大這2個特點。異步伺服電機需配合減速機使用，以達到降低轉(zhuǎn)速同時增大扭矩的目的，二者的組合稱為伺服減速電機。伺服電機、減速器以及齒輪齒條的裝配關(guān)系如圖5所示。

圖5 伺服減速電機及齒輪齒條

伺服減速電機的選型過程一般分為電機和減速器選型、參數(shù)校核和輔件選擇3個步驟。

5.1 伺服電機、減速器選型

當初步選定齒輪齒條參數(shù)，通過依次計算減速器的減速比、伺服電機的額定扭矩和減速器的額定扭矩可逐步確定伺服電機和減速器的基礎(chǔ)型號。

減速器減速比的計算如公式（6）。

式中，i為減速器減速比；N0為伺服電機的額定轉(zhuǎn)速，通常伺服電機級對數(shù)為2，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min；s為速度余量系數(shù)，通常取0.1；V為滑臺最大運動速度。伺服電機的額定扭矩計算如公式（7）。

式中，M0為電機額定扭矩。

減速器的額定扭矩的計算如公式（8）。式中，Ma為減速器的額定扭矩；Ka為使用系數(shù)，與安裝精度、沖擊情況等因素有關(guān)，選擇范圍一般為1～3。

圖6所示為某品牌伺服減速電機的選型樣本示例。

圖6 電機減速器選型樣本

5.2 參數(shù)校核

伺服減速電機基礎(chǔ)型號選擇完成后，需要校核負載慣量比、減速器徑向載荷及電機熱功率。

5.2.1 校核負載慣量比

負載慣量比是伺服電機的負載折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量與伺服電機自身轉(zhuǎn)動慣量的比值，要求在1～10之間。負載慣量比接近1時動力效果和定位精度最好，超過10以上則可能造成滑臺停止過程的振蕩現(xiàn)象，對滑臺的定位精度和使用壽命均不利。負載慣量比的計算如公式（9）。

式中，I為負載慣量比；m為運動部件（滑車、承載的夾具、伺服減速電機）的總質(zhì)量；d為齒輪分度圓直徑；Ja為減速器轉(zhuǎn)動慣量，是減速器的固有屬性；i為減速器減速比；J0為伺服電機的轉(zhuǎn)動慣量，是伺服電機的固有屬性。

5.2.2 校核減速器徑向負載

校核減速器徑向負載，首先需要根據(jù)公式（10）計算齒輪徑向負載。

式中，F(xiàn)R為齒輪徑向負載力；T為伺服減速電機的額定輸出扭矩；d為齒輪分度圓直徑。

減速器徑向許用載荷與力的實際作用線到減速器輸出軸軸肩的距離成反比，如圖7所示，力的作用線距離軸肩越遠，許用徑向力越小。

圖7 減速器許用徑向力

減速器的許用徑向力根據(jù)式（11）可計算。

式中，F(xiàn)Rx為力的作用線上的許用徑向力；FRa為減速器的公稱許用徑向力；L為減速器輸出軸端面至軸肩的距離；l為力的作用線至減速器輸出軸軸肩的距離，對于滑臺來說l等于齒輪齒部中心線到減速器輸出軸軸肩的距離（圖8）。

齒輪徑向負載力FR須小于齒輪受徑向力作用線上的許用力FRx，否則減速器輸出軸的徑向負載不足。

焊裝車間用的滑臺多為間歇工作，一般只要額定功率足夠電機不會出現(xiàn)過熱，因此電機的熱功率校核可省略。

伺服減速電機的基礎(chǔ)型號及齒輪齒條副完全選定之后，還需要進行輔件的選型，輔件包括制動器、熱敏電阻、編碼器。

6 滾珠導(dǎo)軌副的選型

滾珠導(dǎo)軌副（圖9）由若干個滾珠滑塊和導(dǎo)軌構(gòu)成，導(dǎo)軌固定在滑臺基架上，滾珠滑塊可沿導(dǎo)軌滑動，具有較大的負載能力和導(dǎo)向精度，用來支撐滑車。滾珠導(dǎo)軌副需要在伺服減速電機及齒輪齒條確定之后進行選擇，主要是因為以上零部件的重量及結(jié)構(gòu)參數(shù)等對滾珠導(dǎo)軌副的負載有影響。滾珠導(dǎo)軌副的選型可分為滑塊負載計算、初選型和壽命校核3步。

圖9 滾珠導(dǎo)軌副

6.1 滑塊負載計算

滾珠導(dǎo)軌副的壽命通常由承受最大負載滑塊的使用情況決定。滑塊的負載有靜載荷和動載荷之分，靜載荷是指滑臺靜止時滑塊的負載，動載荷則是滑臺滑動過程中滑塊的負載。通常，同一滑臺不同滑塊承受的載荷不同，因此滑塊選型時須選取受力最大的滑塊進行載荷計算。

滑塊靜載荷的計算如公式（12）。

式中，F(xiàn)0為滑塊靜載荷；G0為滑車及其上負載的總重；n為滑塊個數(shù)；F1為其它負載，例如電機質(zhì)量造成的滑塊負載，由于電機的質(zhì)量不是均勻分配到各個滑塊而是主要由部分滑塊承擔，因此計算這些滑塊的負載力時需要加上電機的質(zhì)量因素。

滑塊動載荷的計算如公式（13）。

式中，F(xiàn)為滑塊動載荷；F0為滑塊靜載荷；T為伺服減速電機的額定輸出扭矩；d為齒輪分度圓直徑。

6.2 滾珠導(dǎo)軌副的選型

計算出滑塊最大動、靜載荷之后，對照滾珠滑塊的樣本進行選型。如圖10所示，圖中C代表滑塊的額定動載荷，C0代表滑塊靜載荷。選型時，要求滑塊的額定動載荷C是其最大動載荷的5倍以上，要求滑塊靜載荷C0是其最大靜載荷的3倍以上。

圖10 滾珠滑塊選型樣本示例

除此之外，滾珠滑塊的精度等級選擇普通精度等級即可。滾珠滑塊的型號確定之后，導(dǎo)軌型號也隨之確定，導(dǎo)軌長度由滑車的長度及行程決定，一般要求前后0.2 m左右的行程余量。

6.3 滾珠導(dǎo)軌副的壽命核算

滾珠導(dǎo)軌副的壽命核算用于預(yù)估導(dǎo)軌的使用壽命，便于設(shè)備的預(yù)防性維護，其計算方法如公式（14）。：

式中，Lna為滾珠導(dǎo)軌副的預(yù)期壽命（m）；a1為壽命修正系數(shù)，根據(jù)表4選擇；C為滾珠滑塊的額定動載荷；F為滾珠滑塊的最大動載荷。

表4 壽命修正系數(shù)列表

7 驅(qū)動系統(tǒng)的潤滑

滑臺的驅(qū)動系統(tǒng)多采用集中潤滑，需要潤滑部件主要是滾珠導(dǎo)軌副和齒輪齒條副。滾珠導(dǎo)軌副的潤滑可采用給滑塊直接注油的方式。齒輪齒條副的潤滑則首先需要將潤滑油注入氈齒輪，再通過滑臺滑動過程中氈齒輪與齒條的嚙合接觸使得齒條表面形成潤滑油膜，具體結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 氈齒輪潤滑

潤滑油泵建議每天啟動2次，每次油泵工作2 min，由于環(huán)境和使用頻率的不同，實際使用中的判斷標準應(yīng)當是軌道及齒條上始終附著油膜。

8 結(jié)束語

隨著汽車市場定制化趨勢的逐漸顯現(xiàn)，各汽車生產(chǎn)廠商對焊裝生產(chǎn)柔性化的需求日益提高。伺服滑臺作為1種重要的夾具切換工具，應(yīng)用越來越多，對其定位精度的要求越來越高，各種新技術(shù)也不斷被引入，例如近年來逐漸引起關(guān)注的直線電機驅(qū)動滑臺，其通過直線電機直接驅(qū)動滑臺移動，不需要機械傳動機構(gòu)而且無摩擦阻力，定位精度、響應(yīng)速度和傳輸速率都明顯提升。