數(shù)控伺服尾臺(tái)新型傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)探析

呂心如 孫文超

沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司 遼寧 沈陽(yáng) 110000

前言

近年來(lái)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展迅猛，整體設(shè)計(jì)水平不斷提高，數(shù)控車床的尾臺(tái)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)卻甚少改進(jìn)。尾臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)影響著尾臺(tái)頂緊力的大小、穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)中低端數(shù)控車床的尾臺(tái)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)一般分為液壓缸驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)絲杠驅(qū)動(dòng)，液壓缸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)成本較低，精度較差；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)可以通過(guò)系統(tǒng)靈活調(diào)整頂緊力，使其隨切削力的變化而變化，定位精度較高。液壓驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)也可實(shí)現(xiàn)頂緊力穩(wěn)定鎖死、伺服控制頂緊力等功能，但其無(wú)論是復(fù)雜程度還是成本都將遠(yuǎn)超伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)，性價(jià)比較低。

1 我國(guó)中低端數(shù)控機(jī)床尾臺(tái)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)缺陷

為了追求相對(duì)高的加工精度，我國(guó)中端數(shù)控車床使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的尾臺(tái)結(jié)構(gòu)成為主流，但該驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)也有著一定的缺陷和弊端。

在頂緊工件加工時(shí)，伺服電機(jī)處于使能狀態(tài)，控制絲杠停止旋轉(zhuǎn)從而保證尾臺(tái)頂緊。實(shí)驗(yàn)表明，工作狀態(tài)的電機(jī)電流存在波動(dòng)，會(huì)對(duì)尾臺(tái)頂緊力造成一定影響。目前國(guó)內(nèi)已有補(bǔ)償電流導(dǎo)致的振顫相關(guān)研究，但在機(jī)械方面補(bǔ)償電流波動(dòng)，國(guó)內(nèi)研究有所空缺。

對(duì)于長(zhǎng)軸加工來(lái)說(shuō)，尾臺(tái)的行程較長(zhǎng)，傳動(dòng)絲杠長(zhǎng)度也相應(yīng)增加。在移動(dòng)過(guò)程中，絲杠和絲母會(huì)產(chǎn)生一定振顫，影響正常工作。過(guò)長(zhǎng)的絲杠會(huì)放大振顫，對(duì)于這類振顫情況，國(guó)內(nèi)已有在絲母座上對(duì)絲杠的振顫進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难芯縖1]。

2 尾臺(tái)的新型傳動(dòng)結(jié)構(gòu)研究

針對(duì)以上兩個(gè)問題，現(xiàn)對(duì)尾臺(tái)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分別從減弱電機(jī)電流波動(dòng)對(duì)絲杠的影響和縮短尾臺(tái)絲杠兩個(gè)角度進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 用碟簧減弱頂緊工件后電機(jī)波動(dòng)對(duì)絲杠的影響

在電流波動(dòng)造成頂緊力變化方面，在電機(jī)座內(nèi)加入碟簧，頂緊工件后電流波動(dòng)將造成電機(jī)軸輕微的轉(zhuǎn)動(dòng)，加入碟簧的卸荷裝置可消除電流波動(dòng)導(dǎo)致的位移變化，從而保證頂緊力的穩(wěn)定。

電機(jī)座處的結(jié)構(gòu)改進(jìn)如圖：

該結(jié)構(gòu)可以消除在頂緊工件、伺服電機(jī)使能狀態(tài)下，電流波動(dòng)造成的頂緊力變化。在工件頂緊時(shí)，伺服電機(jī)保持恒定扭矩，從而保證頂緊力恒定。但在電機(jī)工作時(shí)，電流存在較大波動(dòng)，造成扭矩浮動(dòng)，此時(shí)頂緊力的變化將傳遞給絲杠軸向向右的反作用力，通過(guò)壓蓋、聯(lián)軸器，作用在鎖緊螺母上，又通過(guò)墊圈以及推力球軸承，傳遞給推力塊，推力塊壓縮碟簧，將頂緊力浮動(dòng)的部分抵消在電機(jī)座及床身鑄件上。

2.2 縮短絲杠以削弱振顫

加工軸類零件時(shí)，尾臺(tái)絲杠較長(zhǎng)，由電機(jī)引起的振顫對(duì)尾臺(tái)頂緊穩(wěn)定性的影響被放大，因此擬定縮短絲杠，用更穩(wěn)定的套筒來(lái)彌補(bǔ)余下行程，減弱振顫。

縮短絲杠后，連接絲母的結(jié)構(gòu)由絲母支架及法蘭壓蓋組成，且在上方保留開口，便于絲母潤(rùn)滑及維護(hù)。絲杠懸伸端伸入與法蘭壓蓋相連的套管中，法蘭壓蓋與套管通過(guò)螺紋相連后焊接固定，套筒另一端與尾臺(tái)壓蓋用螺紋連接，穿過(guò)尾臺(tái)主體，尾部與尾臺(tái)主體通過(guò)螺紋連接。尾臺(tái)壓蓋與尾臺(tái)主體通過(guò)螺栓連接。

此機(jī)構(gòu)用剛性更好的套筒來(lái)補(bǔ)償絲杠長(zhǎng)度，套筒經(jīng)尾臺(tái)兩點(diǎn)支撐，剛性遠(yuǎn)好于長(zhǎng)絲杠，同時(shí)作為絲杠的另一支撐端，可有效減弱絲杠運(yùn)動(dòng)中的振動(dòng)對(duì)尾臺(tái)造成的影響。電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絲杠螺母拖動(dòng)套筒及尾臺(tái)移動(dòng)，絲杠尾端在套筒內(nèi)部滑動(dòng)[2]。

3 優(yōu)缺點(diǎn)及可行性分析

在可行性方面，本新型尾臺(tái)結(jié)構(gòu)有兩個(gè)難點(diǎn)：

3.1 套管內(nèi)部的加工

由于套筒內(nèi)部與絲杠尾端形成活塞結(jié)構(gòu)存在接觸，套筒內(nèi)部有一定的粗糙度要求，內(nèi)壁加工成為一個(gè)難題。在此提出設(shè)想，改變套筒中段形狀為四折彎板，同時(shí)設(shè)置絲杠尾端軸承及軸承座支撐，可大大降低加工難度，同時(shí)提升結(jié)構(gòu)剛性。

3.2 碟簧的計(jì)算

本結(jié)構(gòu)基于直徑為32mm絲杠設(shè)計(jì)選擇配套零件，碟簧內(nèi)徑d=61mm，外徑D=90mm，厚度t=3mm，自由狀態(tài)下單片碟簧厚度H=4.5mm。

將碟簧結(jié)構(gòu)尺寸帶入計(jì)算公式，得出變形量δ=0.5mm，即一對(duì)碟簧壓縮量共1mm時(shí)，彈力為6725N。該型號(hào)機(jī)床的最大頂緊力為4800N，因此設(shè)計(jì)的碟簧能夠滿足需求[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著高精技術(shù)的不斷發(fā)展，高質(zhì)量加工已經(jīng)成為現(xiàn)代加工的追求目標(biāo)，為追求國(guó)產(chǎn)數(shù)控車床的更高性能，提升加工效率與精度，本文提出一種新型尾臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用碟簧的卸荷作用消除伺服電機(jī)的電流波動(dòng)導(dǎo)致的頂緊力變化；利用套筒來(lái)補(bǔ)償縮短的絲杠行程，從而削弱長(zhǎng)干絲杠的振顫。針對(duì)不同需求，套筒的形狀及絲杠的支撐方式可靈活變通，便于零件的加工，提升傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性。