車(chē)床橫向滾珠絲杠裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

徐 燕

(天水星火機(jī)床有限責(zé)任公司，甘肅天水741024)

1 橫向滾珠絲杠裝置介紹

橫向滾珠絲杠裝置即刀架的橫向移動(dòng)是由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副來(lái)實(shí)現(xiàn)的。滾珠絲杠裝置采用“固定-固定”安裝方式，絲杠分度圓直徑40 mm，螺距5 mm，精度等級(jí)為5級(jí)。絲杠左、右兩端各有一套滾珠絲杠專用的60°角接觸球軸承背對(duì)背組配來(lái)支承。圖1為橫向滾珠絲杠裝置示意圖，經(jīng)過(guò)調(diào)整與預(yù)緊及預(yù)緊拉伸使?jié)L珠絲杠具有很高的精度和軸向剛度。圖2為本裝置的三維展示。

2 滾珠絲杠的調(diào)整與預(yù)緊拉伸[1]

2.1 安裝與調(diào)整

在滾珠絲杠的安裝過(guò)程中，為了保證橫向進(jìn)給的精度要求，必須對(duì)絲杠進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，通常要檢查床鞍上滑板用導(dǎo)軌基面，用油石將床鞍與滑板導(dǎo)軌結(jié)合面打磨平整、光滑，不允許有高點(diǎn)，因?yàn)榘惭b面精度直接影響安裝后的整體精度。

檢查導(dǎo)軌，將帶有標(biāo)記的基準(zhǔn)導(dǎo)軌塊安裝在床鞍導(dǎo)軌基準(zhǔn)面一側(cè)，即靠近主軸的一側(cè)，為保證基準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝直線度，采用平尺和千分尺，將基準(zhǔn)導(dǎo)軌靠緊基面并將兩端頭用螺釘輕微固定，平尺與導(dǎo)軌平行放置，用量塊或精密量具進(jìn)行測(cè)量，保證平尺兩端頭到導(dǎo)軌兩端距離相等，沿平尺移動(dòng)千分表，讀出每個(gè)安裝孔的讀數(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)磨滑板與絲母座間的調(diào)整墊來(lái)保證直線度在0.01 mm內(nèi)，然后從遠(yuǎn)端到近端依次擰緊螺釘，再用千分表檢查移動(dòng)直線度。

2.2 預(yù)緊拉伸檢測(cè)及方法

滾珠絲杠的精度直接影響數(shù)控機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，其導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度影響最明顯，所以除了導(dǎo)程精度還要考慮消除絲杠的軸向間隙；其次，滾珠絲杠屬細(xì)長(zhǎng)類零件，刀架的縱、橫向移動(dòng)靠它來(lái)完成，絲杠撓度也是影響精度的一個(gè)重要因素。對(duì)于絲杠裝置而言，減小摩擦，消除間隙比較容易實(shí)現(xiàn)，但要提高傳動(dòng)剛度卻有兩個(gè)困難。一是增大傳動(dòng)零件的幾何尺寸雖能提高剛度，然而也加大了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這對(duì)諧振不利。再一點(diǎn)，一般傳動(dòng)件負(fù)載不同時(shí)，系統(tǒng)諧振頻率不為常數(shù)，這給閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試工作帶來(lái)極大的困難。因此，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床廣泛采用施加預(yù)緊拉伸來(lái)提高傳動(dòng)剛度。

(1)滾珠絲杠預(yù)緊拉伸的作用。①補(bǔ)償絲杠熱變形；②提高絲杠的拉壓剛度；③提高軸承的軸向剛度；④提高軸承座的軸向剛度。

(2)預(yù)緊拉伸檢測(cè)及方法:在絲杠裝置的裝配過(guò)程中，需要在絲杠預(yù)拉伸時(shí)隨時(shí)檢測(cè)絲杠相對(duì)導(dǎo)軌的平行度來(lái)完成兩端支撐的固定。圖3為絲杠預(yù)拉伸檢測(cè)示意圖，滑塊在床鞍導(dǎo)軌上移動(dòng)，通過(guò)兩支百分表分別觀察千分表指針在絲杠上母線、側(cè)母線上的跳動(dòng)情況。按照GBT 25659.1-2010-T《簡(jiǎn)式數(shù)控臥式車(chē)床第1部分:精度檢驗(yàn)》[2]，將床鞍導(dǎo)軌基準(zhǔn)側(cè)的兩個(gè)專用滑塊連在一起，將磁性表座吸在兩個(gè)滑塊中間，裝上千分表，移動(dòng)滑塊對(duì)絲杠的上母線、側(cè)母線打表，調(diào)整絲杠。整個(gè)裝置是先將左端固定，然后調(diào)整右端，通過(guò)擰絲杠裝置右端螺母壓碟簧，預(yù)拉緊絲杠(圖1a、c)，使千分表指針隨滑塊在絲杠每300 mm上移動(dòng)的跳動(dòng)值不大于0.015 mm，說(shuō)明預(yù)緊拉伸到位，可固定右端。

3 問(wèn)題分析

(1)滾珠絲杠屬細(xì)長(zhǎng)件，其在橫向裝置中兩端固定，中間受力，故容易產(chǎn)生撓度，在滾珠絲杠的裝配過(guò)程中，要求對(duì)絲杠采取預(yù)緊拉伸來(lái)消除熱伸長(zhǎng)和撓度影響，相對(duì)床鞍導(dǎo)軌的直線度滿足要求后固定好絲杠兩端，使絲杠副具有較高的定位精度和重復(fù)定位精度。

(2)本裝置先左端固定，右端游動(dòng)，右端通過(guò)法蘭盤(pán)先對(duì)軸承進(jìn)行軸向消隙，進(jìn)而對(duì)絲杠進(jìn)行拉伸預(yù)緊后再固定。這是常用的方法，但同規(guī)格絲杠裝置也有差異。多年實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，有時(shí)當(dāng)?shù)杀粔嚎s到極限時(shí)，對(duì)絲杠的拉伸預(yù)緊還不能完全消除撓度，即沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的精度值，就會(huì)影響絲杠的使用精度，這時(shí)預(yù)緊的可靠性就不保證?？梢?jiàn)，上述結(jié)構(gòu)的絲杠裝置的預(yù)緊拉伸存在一定的問(wèn)題。

(3)本結(jié)構(gòu)中滑板與絲母座的安裝是通過(guò)調(diào)整墊來(lái)調(diào)整的，通過(guò)多次磨調(diào)整墊，保證絲杠直線度在0.01 mm內(nèi)，說(shuō)明調(diào)整到位；同時(shí)，絲母座與滑板通過(guò)4個(gè)螺釘聯(lián)結(jié)，兩個(gè)圓錐銷(xiāo)定位。但多年實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，按此結(jié)構(gòu)完成安裝后，經(jīng)過(guò)一兩年的使用后，橫向精度會(huì)降低，有時(shí)工件上會(huì)出現(xiàn)微小振紋，原結(jié)構(gòu)中絲杠精度的保持性不好。分析其原因，橫向裝置是車(chē)削受力的關(guān)鍵部件，且滑板及絲母座與絲杠頻繁動(dòng)作，導(dǎo)致錐銷(xiāo)定位松動(dòng)、不可靠。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.1 絲杠預(yù)緊拉伸的改進(jìn)措施

取消滾珠絲杠裝置右端碟簧，改為軸套，先安裝留有調(diào)整量的法蘭盤(pán)對(duì)軸承進(jìn)行軸向間隙消隙，然后通過(guò)擰螺母至軸套實(shí)現(xiàn)絲杠的軸向間隙消除形成右端剛性硬拉支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠的剛性預(yù)緊拉伸，消除滾珠絲杠的撓度。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。另一方面，將導(dǎo)軌與滑板的滑塊結(jié)合，保證滑板與絲母座，絲母座與絲杠聯(lián)結(jié)完好，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠使滑板移動(dòng)，按照上述預(yù)緊拉伸檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)調(diào)右端的螺母頂緊軸套對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)緊拉伸，邊調(diào)預(yù)緊拉伸邊觀察兩支百分表的跳動(dòng)(上母線和側(cè)母線)，百分表隨滑塊在絲杠每300 mm上移動(dòng)的跳動(dòng)值不大于0.015 mm，必要時(shí)調(diào)整滑板與絲母座間的調(diào)整墊(見(jiàn)圖1b)，當(dāng)百分表跳動(dòng)小于0.015 mm時(shí)，說(shuō)明預(yù)緊拉伸到位，可固定右端。

4.2 絲杠的精度保持性改進(jìn)措施(即改進(jìn)調(diào)整環(huán)節(jié))

保證滑板與絲母座的可靠定位，原調(diào)整形式不變，對(duì)絲母座和滑板做聯(lián)接，增加定位楔塊，滑板與絲母座的安裝定位形式如圖5所示，當(dāng)工作一定時(shí)間發(fā)現(xiàn)橫向精度不穩(wěn)定或下降時(shí)，可通過(guò)擰楔塊上的螺釘來(lái)調(diào)整楔塊，使絲母座與滑板可靠定位。此定位結(jié)構(gòu)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況隨時(shí)調(diào)整楔塊，保證絲杠的精度保持性。

5 用激光干涉儀對(duì)滾珠絲杠裝置改進(jìn)前后進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)

本絲杠裝置改進(jìn)前后可以用激光干涉儀來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)絲杠的定位精度和重復(fù)定位精度。具體的檢測(cè)方法如圖6所示。

激光干涉儀以激光波長(zhǎng)為已知長(zhǎng)度，利用邁克爾遜干涉系統(tǒng)測(cè)量位移的通用長(zhǎng)度測(cè)量。具有強(qiáng)度高、高度方向性、空間同調(diào)性、窄帶寬和高度帶色性等特點(diǎn)。

6 結(jié)果分析

(1)改進(jìn)前后曲線分析

通過(guò)用激光干涉儀對(duì)改進(jìn)前后的橫向絲杠裝置進(jìn)行定位精度和重復(fù)定位檢測(cè)，得到圖7所示曲線圖。

通過(guò)以上分析曲線可以看出，改進(jìn)后的曲線平緩，反向間隙小，系統(tǒng)偏差明顯減小，定位精度和反向差值明顯減小。

(2)改進(jìn)前后滾珠絲杠精度檢測(cè)比較

按照GBT 25659.1-2010-T《簡(jiǎn)式數(shù)控臥式車(chē)床第1部分:精度檢驗(yàn)》規(guī)定，對(duì)絲杠優(yōu)化前和優(yōu)化后進(jìn)行精度檢測(cè)，具體見(jiàn)表1。

表1 X軸位置精度檢驗(yàn)

從精度檢測(cè)的數(shù)值及曲線圖可以看出，改進(jìn)后各項(xiàng)精度有一定程度的提高，說(shuō)明改進(jìn)有效可行。

7 結(jié)語(yǔ)

主要對(duì)橫向滾珠絲杠裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原碟簧結(jié)構(gòu)有的時(shí)候?qū)z杠的拉伸預(yù)緊不能完全消除軸向間隙和撓度，直接影響絲杠的使用精度，故通過(guò)改進(jìn)，取消碟簧，改為軸套，實(shí)現(xiàn)右端預(yù)緊，剛性硬拉方式。與此同時(shí)，原結(jié)構(gòu)中絲杠精度的保持性不好，工作一兩年后發(fā)現(xiàn)橫向滾珠絲杠精度降低，故對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在滑板與絲母座間增加楔塊進(jìn)行可靠定位。經(jīng)過(guò)對(duì)滾珠絲杠裝置的兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)改進(jìn)前后的滾珠絲杠進(jìn)行精度檢測(cè)，改進(jìn)后各項(xiàng)精度優(yōu)于改進(jìn)前，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證改進(jìn)有效可行。