直線進(jìn)給驅(qū)動及其技術(shù)熱點

張 曙 衛(wèi)漢華 張炳生

張曙 同濟(jì)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，上海市科技功臣、全國優(yōu)秀科技工作者、中國機(jī)械工程學(xué)會榮譽(yù)理事。

1 進(jìn)給驅(qū)動是機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)

進(jìn)給運動是機(jī)床實現(xiàn)加工過程的關(guān)鍵，通過直線和回轉(zhuǎn)進(jìn)給運動的串聯(lián)或疊加，刀具和工件之間方可形成相對運動，加工復(fù)雜的形狀表面。進(jìn)給運動的配置形態(tài)、速度和精度在很大程度上體現(xiàn)了機(jī)床總體性能。例如，一臺復(fù)合加工機(jī)床往往需要多個直線和回轉(zhuǎn)進(jìn)給運動，如圖1所示。

圖1 復(fù)合加工機(jī)床的進(jìn)給配置

高端數(shù)控機(jī)床的終極愿景是要實現(xiàn)高的生產(chǎn)效率和大的工藝范圍，體現(xiàn)在進(jìn)給驅(qū)動設(shè)計上的目標(biāo)是：（1）提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，（2）拓寬速度頻帶的控制范圍，（3）提高所形成的空間軌跡精度，（4）高的可靠性和合理的成本。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對生態(tài)保護(hù)的重視，機(jī)床驅(qū)動系統(tǒng)除了要滿足既有的設(shè)計目標(biāo)外，還需要致力于降低能源消耗，發(fā)展模擬仿真軟件工具，提高機(jī)床的可重構(gòu)性等新目標(biāo)。

本文闡述機(jī)電直線進(jìn)給驅(qū)動及其技術(shù)熱點。機(jī)床上普遍應(yīng)用的直線進(jìn)給驅(qū)動機(jī)構(gòu)有：①絲杠螺母副，②齒輪齒條副，③蝸桿齒條副，④直線電機(jī)。其中絲杠螺母、齒輪齒條、蝸桿齒條都是間接驅(qū)動模式，借助機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，只有直線電動機(jī)屬于“零”機(jī)械傳動的直接驅(qū)動模式。

2 間接進(jìn)給驅(qū)動的設(shè)計

2.1 傳動機(jī)構(gòu)的選擇

間接進(jìn)給驅(qū)動由電伺服驅(qū)動、機(jī)械傳動和位置反饋3部分組成，如圖2所示。

圖2 間接進(jìn)給驅(qū)動的組成

從圖中可見，待加工的零件通過數(shù)控編程后生成刀具軌跡并分解到X軸的位移指令Xs，經(jīng)位置控制、速度控制、電流控制和功率放大后驅(qū)動伺服電動機(jī)，伺服電動機(jī)的回轉(zhuǎn)運動通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成直線運動驅(qū)動執(zhí)行構(gòu)件實現(xiàn)所要求的位移。由測量裝置檢測實際的位移，并將誤差反饋給位置控制，此外還有速度反饋和電流反饋回路，以保證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

間接進(jìn)給驅(qū)動的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)主要有：絲杠螺母副、齒輪齒條副和蝸桿齒條副3種，各自的特點如圖3所示。從圖中可見，不同的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)在移動距離、驅(qū)動力、傳動效率等方面皆有所不同，適合不同的工況和不同的機(jī)床類型。

圖3 間接進(jìn)給驅(qū)動的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)

進(jìn)給驅(qū)動要完成切削過程的進(jìn)給和機(jī)床部件定位或換刀時的快速移動。據(jù)統(tǒng)計，在機(jī)床加工過程中，用于切削的時間約占35%，換刀和X/Y/Z軸定位等輔助運動時間占60%以上。切削時的進(jìn)給速度受工藝限制，一般遠(yuǎn)低于進(jìn)給驅(qū)動的性能極限；反之，快速移動的距離、速度、加速度和加加速度卻是體現(xiàn)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)性能的要素。

因此，在快速行程＜50 mm的情況，為了縮短機(jī)床部件移動的輔助時間，進(jìn)給系統(tǒng)的加速度和控制器的比例增益Kv最為重要。在機(jī)床部件移動＞200 mm行程的場合，需要移動速度快以縮短移動時間，此時加速度＞10 m/s2時所節(jié)省的輔助時間對整個移動過程的時間來說就沒有太大意義，即高于10 m/s2的加速度對總體效果影響不大，Kv值也屬次要。

2.2 背隙的消除

由于間接傳動有中間環(huán)節(jié)，傳動元件之間必然存在背隙，因此消除背隙對軌跡精度的影響是間接進(jìn)給驅(qū)動設(shè)計的關(guān)鍵。

滾珠絲杠螺母副雖然背隙和爬行現(xiàn)象輕微，但在高速和高頻運動時，仍然對精度造成影響，因此在應(yīng)用中一般會對滾珠絲杠副進(jìn)行預(yù)緊。如圖4所示，滾珠螺母由兩部分組成，向相反方向擰緊或中間加調(diào)整墊片所產(chǎn)生的預(yù)緊力可使絲杠的軸向間隙達(dá)到負(fù)值，不單可以消除背隙，絲杠傳動副的剛性也得到提高，如圖4所示。但預(yù)緊力過大會增加摩擦力，導(dǎo)致發(fā)熱和加速磨損。此外，除了恒定的預(yù)緊力外，隨著螺母的轉(zhuǎn)速提高，滾珠還會對絲杠產(chǎn)生相應(yīng)的徑向作用力，導(dǎo)致高速運動時預(yù)緊力過大。因此，螺母預(yù)緊力不應(yīng)大于滾珠絲杠最大動態(tài)荷載的12%，一般可取6～8%。

圖4 預(yù)緊力對絲杠滾珠的作用

消除齒輪齒條傳動背隙的方法有二。方法一是借助兩齒輪的齒形錯位來消除背隙，如圖5所示。圖中兩個斜齒輪安裝在同一伺服電動機(jī)軸上，一個齒輪壓配合裝在電動機(jī)軸的錐部；另一齒輪安裝在花鍵軸部位，在彈簧的作用下可以軸向移動，借助兩個斜齒輪的齒形錯位消除齒輪和齒條傳動的背隙。

圖5 消除齒輪齒條傳動背隙方法一

第二種方法是采用主、從兩臺伺服電動機(jī)來消除背隙，其原理如圖6所示。

兩個齒輪用兩臺電動機(jī)分別驅(qū)動，以其旋轉(zhuǎn)力矩差產(chǎn)生預(yù)緊力距，旋轉(zhuǎn)力矩差一般取電動機(jī)最高輸出20%～30%。采用兩臺伺服電動機(jī)雖然增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，但由于總功率較高，在快速進(jìn)給時可改為同向旋轉(zhuǎn)，提高快進(jìn)速度。

圖6 消除齒輪齒條傳動背隙方法二

2.3 絲杠擾動的防止

滾珠絲杠為一細(xì)長圓柱體，在高速旋轉(zhuǎn)或受外力激勵下會產(chǎn)生擾動，絲杠的一階固有頻率與其剛度、直徑、懸空長度、轉(zhuǎn)速相關(guān)。其表達(dá)式為：

其中c為絲杠剛度，m為其質(zhì)量，Kv為電機(jī)的速度增益。一般滾珠絲杠的一階固有頻率約在50～70 Hz，因此，滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的理論速度上限為100 mm/s。如何提高絲杠的一階固有頻率，是進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵點之一。

3 直接進(jìn)給驅(qū)動

3.1 直接進(jìn)給驅(qū)動的特點

直接進(jìn)給驅(qū)動是依靠直線電動機(jī)初級和次級間的磁力移動工作臺，中間沒有機(jī)械傳動元件，導(dǎo)軌一般與滾珠絲杠驅(qū)動裝置一樣。由于沒有絲杠、螺母、聯(lián)軸節(jié)、電機(jī)軸和軸承的柔度，切削載荷和運動質(zhì)量直接作用在直線電動機(jī)上。

與滾珠絲杠驅(qū)動相較，直線驅(qū)動的加速度較高，移動速度快，能快速定位，伺服帶寬大等優(yōu)點。此外，由于直線電動機(jī)無接觸傳遞力，機(jī)械摩擦損耗和爬行現(xiàn)象幾乎為零，能達(dá)到比滾珠絲杠更高的精度和可靠性。

根據(jù)直線電動機(jī)的構(gòu)造特點，其一階固有頻率只由電動機(jī)的電氣特性決定，其表達(dá)式為：

式中Kv為電動機(jī)的速度增益，而Kp為位置增益。以目前技術(shù)水平推算，直線電動機(jī)驅(qū)動的一階固有頻率約為165 Hz，遠(yuǎn)比滾珠絲杠驅(qū)動為高。

圖7 直接驅(qū)動與間接驅(qū)動的加速能力

但是，直線電動機(jī)的加速性與運動的總質(zhì)量成反比，與電動機(jī)驅(qū)動力成正比。其加速性并非在所有情況下都優(yōu)于滾珠絲杠螺母系統(tǒng)。例如，兩種導(dǎo)程分別為20 mm和40 mm的滾珠絲杠與驅(qū)動力分別為8 kN和2 kN的直線電動機(jī)的加速性比較如圖7所示。

從圖中可見，直線電動機(jī)只有在承載量較小時達(dá)到高加速度，而滾珠絲杠驅(qū)動卻在大范圍內(nèi)保持其加速能力，因為運動慣性經(jīng)過減速比才反映到回轉(zhuǎn)電動機(jī)上。

3.2 直線電動機(jī)的類型

直線電動機(jī)分為同步直線電動機(jī)和感應(yīng)直線電動機(jī)兩類，感應(yīng)電動機(jī)的定子由金屬條構(gòu)成，同步電動機(jī)的定子由永磁材料構(gòu)成。商品化的同步電動機(jī)產(chǎn)生的最大推力達(dá)15～20 kN，額定推力6～8 kN，遠(yuǎn)比感應(yīng)電動機(jī)的最大推力5～10 kN，額定推力0.8～2 kN為高，適用于重切削的機(jī)床。而商品化的感應(yīng)直線電動機(jī)由于推重比高（小型感應(yīng)直線電動機(jī)重量僅1.5 kg），因此較適合中小型要求高加速度的機(jī)床使用。

3.3 直接驅(qū)動的設(shè)計要點

直線電動機(jī)的加速度高、無機(jī)械接觸和中間傳遞構(gòu)件的特點，只需考慮系統(tǒng)的剛體動力學(xué)和靜態(tài)剛度，但需要考慮以下影響：

（1）直線電動機(jī)的發(fā)熱較大，甚至高達(dá)100 ℃，通常需要水冷卻，以避免對機(jī)床結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。

（2）重型機(jī)床的工作臺或立柱采用直接驅(qū)動在高速、高加速度下運動時可能出現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)的低頻模態(tài)。這種慣性振動被安裝在工作臺上的檢測系統(tǒng)拾取，就可能造成控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定和加工表面質(zhì)量降低。因此中小型機(jī)床采用直接驅(qū)動有較大優(yōu)勢。

（3）直線電動機(jī)沒有自鎖緊特性，為了保證操作安全，直線電動機(jī)驅(qū)動的運動軸，尤其是垂直運動軸，必須要額外配備配重和鎖緊機(jī)構(gòu)。

圖8 直接驅(qū)動與間接驅(qū)動的成本比較

3.4 直線電動機(jī)驅(qū)動的成本

盡管直線電動機(jī)直接驅(qū)動的動態(tài)性能明顯優(yōu)于滾珠絲杠伺服驅(qū)動。但與滾珠絲杠驅(qū)動比較，其成本較高，一臺并聯(lián)運動機(jī)床的兩種驅(qū)動方案的成本比較如圖8所示。

從圖中可見，直線電動機(jī)的價格大約是伺服電動機(jī)的3倍，即使加上滾珠絲杠和鉸鏈等機(jī)械零部件，滾珠絲杠驅(qū)動方案的成本僅為直線電動機(jī)驅(qū)動的75%。

4 幾項技術(shù)熱點

4.1 低預(yù)緊力螺母結(jié)構(gòu)

利用預(yù)緊來減少背隙的方法，會造成滾珠絲杠精度、最大荷載和壽命三者的矛盾，為了延長高預(yù)緊力絲杠的壽命，不得不使絲杠在低于滿負(fù)荷狀態(tài)下運行。解決這一矛盾的專利技術(shù)，是在一對滾珠螺母和中間墊片之間，加入兩枚彈性墊圈，如圖9所示。

圖9 彈性中間墊圈的預(yù)緊力傳遞效果

采用該技術(shù)后，即使在較低的預(yù)緊力下，滾珠仍然維持與螺桿和螺母的接觸。測試結(jié)果顯示，3 kN的預(yù)緊力即可與既有設(shè)計的5.5 kN等效，滾珠絲杠的壽命可由0.4×109轉(zhuǎn)提升至1.8×109轉(zhuǎn)。

4.2 導(dǎo)軌阻尼裝置

滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)的一階固有頻率限制了進(jìn)給裝置的最高速度。在剛度、阻尼、重量3項決定固有頻率的參數(shù)中，阻尼最容易通過機(jī)電裝置調(diào)整。最近一項主動阻尼裝置的創(chuàng)新，可在第一固有頻率處大幅降低振幅。如圖10 中綠色曲線所示。

該系統(tǒng)的原理是，在工作臺上增加類似線性導(dǎo)軌滑塊的制動裝置，通過控制系統(tǒng)指令，利用壓電陶瓷壓向?qū)к壴黾幽Σ?，改變進(jìn)給系統(tǒng)的阻尼特性。研究結(jié)果顯示，由于大大降低一階固有頻率段的振幅，令進(jìn)給系統(tǒng)的最高變向頻率由8 Hz增加至16 Hz。

4.3 軸向柔性滾珠絲杠軸承

圖10 導(dǎo)軌阻尼裝置

提高滾珠絲杠系統(tǒng)變向頻率的另一方向，是通過改良絲杠軸承來改善滾珠絲杠系統(tǒng)的動力特性。目前提出的改良方案有被動和主動模式兩種。被動模式如圖11所示，是將固定軸承由剛性材料改為由只有絲杠剛性1%的柔性材料制造，令絲杠可軸向伸縮，改變系統(tǒng)的阻尼。

圖11 軸向柔性滾珠絲杠副的原理

主動模式的工作原理是在絲杠軸承殼內(nèi)裝置壓電陶瓷，通過控制系統(tǒng)指令，令壓電陶瓷向支承絲杠的滾珠軸承外圈施加軸向壓力，改變進(jìn)給系統(tǒng)的阻尼特性。

5 結(jié)語和展望

本文提出了設(shè)計直線進(jìn)給驅(qū)動的若干原則和影響其動態(tài)性能的要素以及當(dāng)前國外的研究熱點，供機(jī)床設(shè)計人員和國內(nèi)功能部件制造廠商參考。

滾珠絲杠是直線進(jìn)給驅(qū)動應(yīng)用最廣泛的形式。目前正在向高速、降低噪音，縮減空間、輕量化，提高DmN值和加速度能力方面發(fā)展。直線電動機(jī)的應(yīng)用前景廣闊，但需要進(jìn)一步降低成本和解決發(fā)熱問題。

雖然直線電機(jī)在速度和加速度方面有著很大的優(yōu)勢，但也有其局限性，目前滾珠絲杠還享有巨大的價格和技術(shù)成熟度優(yōu)勢，因此對滾珠絲杠驅(qū)動的技術(shù)創(chuàng)新活動仍然非?；钴S。