提高加长型数控机床进给系统传动刚度的措施

通过讨论组成加长型数控机床的关键部件进给系统的结构设计过程，提出了提高传动刚度及定位精度的措施。通过理论分析，指出了实际装配中应注意的问题，机床实际调试结果与理论分析结果相一致。该进给系统被成功应用于CK6163×3000、CK6180×5000数控机床中。1 前言　　数控车床进给系统的机械传动结构是指将电动机的旋转运动转变为工作台或刀架的往复运动的整个机械运动链，包括降速传动副、丝杠螺母副及其支承部件。为了保证数控机床进给系统的定位精度和动态性能，对其机械传动装置提出了高传动刚度、抗振性、低摩擦、低惯量、无间隙等要求。　　近年来，国内一些行业如阀门、军工、航天、潜艇等，均需要大型数控车床进行零件的加工，以保证高的尺寸精度及曲线轮廊的要求，可解决大型回转体零件的加工问题。大型数控车床切削力大且运动行程长，必须在进给系统的设计中引起足够的重视，只有解决了与传动刚度、位置精度有关的问题，才能满足用户的要求。　　对于主轴箱与尾座顶尖之间的距离为2m以上的机床加长型数控车床进给系统的设计主要涉及进给电机的选择、滚珠丝杠的选择与计算、支承形式及轴承的选择、定位精度的计算等问题。在开发的CK6163×3000，CK6180×5000数控车床进给系统的设计中采用了提高传动刚度的结构。在机床调试过程中，由理论指导实践，解决了装配过程中出现的z向进给系统传动刚度不足的问题，提出了提高传动刚度、保证定位精度的措施，改进了结构，成功地开发了CK6163×3000，CK6180×5000数控车床。为加长型数控机床进给系统的结构设计提供了理论依据和成功的实践经验。2 数控机床进给系统的传动刚度　　进给系统的传动刚度由以下两部分组成：滚珠丝杠的轴向刚度及进给系统的扭转刚度，滚珠丝杠的轴向刚度是指滚珠丝杠螺母和支撑丝杠的轴承在内的传动系统的综合拉压刚度，它表示滚珠丝杠及其支承部件抵抗轴向变形的能力。包括滚珠丝杠轴向刚度;螺母组件轴向刚度;支承轴承轴向刚度;螺母支架和轴承支架轴向刚度。其中螺母组件的变形包括螺母的变形、螺母的固定螺栓产生的轴向变形和滚珠与滚道面弹性接触变形引起的轴向变形。对螺母的变形主要考虑滚珠与滚道面的弹性接触变形，即可近似地将滚珠丝杠和滚珠与滚道的接触刚度看作螺母组件轴向刚度。滚珠与滚道间为点接触，变形与载荷之间的关系是非线性的，即刚度与载荷有关，不是一个定值。为了消除间隙和提高刚度，滚珠螺母与丝杠之间应预加载荷，从以上分析可以看出进给系统的结构形式直接影响其传动刚度。3 CK6163×3 000、CK6180×5000机床进给系统结构设计　　3.1 CK6163×3000、CK6180×5000机床进给系统的已知参数　　3.1.1 丝杠的直径及精度　　CK6163X3000机床的工作行程为3m，支承跨距L=4 280mm，CK6180×5000机床的工作行程为5m，支承跨距L=6280mm;机床有效行程定位精度的目标值均为0.03mm，采用P4级导程精度的滚珠丝杠副，选用山东济宁博特精密丝杠制造有限公司的滚珠丝杠;通过对压杆稳定性及临界速度的校核确定CK6163×3000机床的丝杠直径为63mm，型号为GD6310-4。CK6180×5000机床的丝杠直径为80mm，型号为GD8010-4。　　3.1.2 丝杠的螺距　　虽然电机与滚珠丝杠采用联轴器直接联系，可简化结构，减少噪声，消除配合间隙提高传动刚度，但CK6163×3000、CK6180×5000机床由于受Z向最高移动速度限制，电机与丝杠不能采用直连的形式，而通过降速比为2的一对齿形带轮传动，丝杠螺距为10mm。　　3.1.3 伺服电机的型号　　加长型数控机床的进给系统主要根据电动机转子惯量与负载惯量相匹配的原则确定，CK6163×3000、CK6180×5000机床的Z向电机选用型号均为SIEMENS802D1FK6103，最大输出扭矩36N·m，最大功率11.3kW，转动惯量Jm=121.5×10-4kg·m2。　　3.2 CK6163×3000、CK6180×5000机床进给系统的结构特点　　为提高轴向刚度，新设计的CK6163×3000、CK6180×5000机床采用了如图1所示的结构。[align=center]图1 机床CK6163×3000、CK6180×5000进给系统的结构1-滚珠丝杠 2-防松螺母 3、7、10、15-隔套 4、16-向心球轴承 5-轴承座 6-进给箱体 8、9、18-止推轴承 11、12-密封圈 13-挂角 14-碟簧 17-轴承垫 19-螺母[/align]　　（1）采用柔性联轴器 由于所选用SIEMENS系统的电机为中惯量电机，而负载惯量大，所以采用了齿形带轮降速，降速比为1/2，提高了电机的特性，放大了电机的输出扭矩，并采用柔性联轴器将电机轴与齿形带轮轴连接，采用齿形带降速，避免了采用齿轮降速由于齿侧间隙而造成的半闭环伺服进给系统的死区误差，降低了噪声。　　（2）选用双端固定的轴向支承方式，与一端固定、一端自由的支承方式相比，该方式可提高轴向刚度1倍以上，并且在整个工作行程范围内刚度变化较小，有利于减小由于传动刚度变化而引起的定位误差;采用轴向预拉伸设计结构，滚珠丝杠的预拉伸可以补偿丝杠的热变形，提高丝杠的拉压刚度。　　（3）两端采用双重支承，即止推轴承加向心球轴承提高轴承的轴向刚度，使丝杠具有最大的刚度并施加预紧拉力。这种结构方式可使丝杠的热变形转化为止推轴承的预紧力，但设计时要求提高止推轴承的承载能力和支架刚度，前后支承在受力方向上布置加强筋以增大支承座本身的刚度。　　（4）选用接触刚度大的双螺母丝杠预紧结构，提高螺母组件的轴向刚度，当轴向载荷超过预紧力的3倍时，不受力侧螺母滚道一滚珠一丝杠滚道将脱离接触。滚珠丝杠螺母副要求预紧力的数值应大于最大轴向力的1/3。丝杠在出厂时即按用户提出的要求数值已预施载荷，不需自行调整。4 装配过程中提高传动刚度、保证定位精度的措施　　4.1 滚珠丝杠两端支承的调整　　CK6163×3000、CK6180×5000机床Z向进给丝杠采用了预拉伸结构。两端支承的调整过程是：支架6和13用螺钉分别固定在车床床身的左右两端，轴承座用螺钉与进给箱体6相固联。首先拧动防松螺母2，向心球轴承和止推轴承向右移动，同时止推轴承9向左移动，继续转动螺母2，直至止推轴承8和9的间隙完全消除，这时滚珠丝杠1不能作轴向窜动，称为轴向定位。当左端支承的间隙调整好以后，再调整右端，右端支承具有轴承间隙自动补偿和能对滚珠丝杠预拉伸2个特点。拧动螺母19、碟簧14轴向压缩，当预紧力小于弹簧的张力时，滚珠丝杠就向右拉伸。预拉伸的目的在于提高滚珠丝杠的轴向刚度，从而使机床的加工精度得到保障。滚珠丝杠在运转中因热膨胀而伸长或止推轴承因磨损而导致间隙增大时，弹簧能自动进行补偿，使轴承的预紧力保持不变。　　4.2 装配过程中保证定位精度的方法　　滚珠丝杠的导程精度是位于滚珠丝杠轴心的定位精度，直接影响进给系统的定位精度。要求定位精度的地方，由于与滚珠丝杠中心在高度、宽度方向的相异，故“走行中的姿势变化”会影响定位精度。在“走行中的姿势变化”中，对定位精度影响最大的是与滚珠丝杠中心在高度方向上的相异的俯仰现象和在宽度方向上相异的偏摇现象。　　A=lsinθ　　式中：A且为因俯仰、偏摇而产生的定位精度;l为距离丝杠中心的高度（宽度）方向上的距离;θ为俯仰（偏摇）角度。　　故在实际装配过程中必须保证丝杠对机床导轨的平行度，即在水平平面内和垂直平面内分别保证丝杠对机床导轨的平行度。在机床验收项目中，国家标淮未对此项进行规定，但我们在装配工艺中为避免俯仰、偏摇而产生的定位误差，对丝杠的3点，其中2点为丝杠的两端支承，即进给箱体端和挂角端，另一点为拖板开至丝杠中心处的位置（即丝杠在这一点上通过丝母、溜板箱与床身导轨平行）列为精度检验项目，以保证精度。实际装配过程如下：　　（1）将进给箱体部件固定在床身上，对其装配基准的上母线、侧母线进行搞表。　　（2）将丝杠通过螺母，继而通过溜板箱体固定在拖板上。同样对丝杠上母线、侧目线进行粗搞表。通过刮研丝母与溜板箱的定位平面，保证丝杠在溜板箱体两端处的上母线高度差在0.005mm以内。　　（3）将拖板移动到床头箱处，将丝杠固定在进给箱体上，以溜板箱体的上母线为基准，对进给箱体右侧丝杠的上母线搞表。　　（4）以进给箱体侧丝杠的侧母线为基准，同时将拖板移动至床身导轨的中间位置，调整溜板箱体对拖板的位置，保证丝杠在进给箱体处和溜板箱体处的侧母线一致，在转动丝杠保证丝杠的跳动后，将进给箱体与床身的联接处打上定位销，保证装配精度不变。　　（5）将丝杠在挂角处固定，保证丝杠的上母线、侧母线和丝杠的跳动，在挂角与床身之间打上定位销，保证装配精度不变。　　为提高装配精度及解决丝杠过长、装配不易的问题，实际装配中根据进给箱体定位孔及丝母座孔的大小制作高精度的标杆代替丝杠进行装配。　　4.3 装配过程中提高传动刚度的措施　　在实际装配调试过程中，对各项精度如Z向定位精度、重复定位精度、反向偏差等项进行检验时，发现精度超差，而且丝杠在快速进给时发生振动，把千分表打在丝杠前后支承装配基准处，发现进给箱体处有0.005mm的跳动，这些都说明Z向进给系统的刚性不足。装配过程中支承刚度也是一个不容忽视的一个环节，为此采取了以下措施：　　（1）减少了空刀厚度，避免了采用窄而薄的衬垫。　　（2）固定支承座的4个固定螺栓M12的直径不变，而将普通螺栓换成高强度的螺栓;将定位圆锥销由2个直径为10mm改为2个直径为12mm圆锥销;同时螺母座与拖板的固定螺栓由4个M10改为4个M12的。　　（3）进给箱体和挂角与床身、丝杠螺母座与拖板结合面重新刮研，以达到一定的刮研点数，增大配合表面的接触面积，提高了支撑轴承座的接触刚度。5 结论　　对于加长型数控车床的、z向进给系统，通过实际装配及机床调试可看出，通过改进结构及提高装配质量的措施，大大提高了Z向进给系统的传动刚度，达到了要求的定位精度，但是无论怎样拉伸仍不能避免丝杠的下垂，这就造成快速移动时，由于丝杠的下垂造成振动而达不到规定的快移速度。CK6163×3000机床快移速度为8m/min，CK6180×5000机床快移速度为5m/min。如果要提高快移速度，必须配置丝杠托架装置，对于Z向行程超过5m的机床尤其如此。