鑲鋼導(dǎo)軌定位精度的研究

代春香，李三雁，田亞峰

（1.四川大學(xué)錦城學(xué)院，四川成都 611731；2.寧波海天精工有限公司，浙江寧波 315800）

0 引言

隨著市場(chǎng)的多樣化進(jìn)程，對(duì)生產(chǎn)零部件的裝備機(jī)械的要求亦有所提高，例如，對(duì)加工幾何尺寸大、質(zhì)量重、表面復(fù)雜零件的機(jī)械裝置的要求，即要大型化，又有重型化的趨勢(shì)要求，對(duì)數(shù)控機(jī)床的要求表現(xiàn)為往復(fù)行程較長(zhǎng)、扭矩相應(yīng)的增大、可加工零件種類(lèi)及工藝增多等特點(diǎn)。即要保證市場(chǎng)需求，又要保證機(jī)床的精度就使得先進(jìn)的技術(shù)手段與創(chuàng)新的工藝尤為的重要[1-2]，目前有機(jī)械降隙和雙電機(jī)電氣降隙2 種方式來(lái)消除機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的背隙。雙電機(jī)降隙通過(guò)2 臺(tái)電機(jī)連接同一減速機(jī)構(gòu)并同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制主軸的齒輪，而此齒輪同時(shí)與2 個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合，在換向過(guò)程中始終受到某一驅(qū)動(dòng)齒輪的偏置力矩作用，使傳動(dòng)系統(tǒng)剛性連接、傳動(dòng)無(wú)間隙[3-4]。

雙電機(jī)降隙在性能上有三大優(yōu)勢(shì)：機(jī)械控制相對(duì)靈活，當(dāng)其機(jī)械負(fù)重較大時(shí)，2 臺(tái)電機(jī)將同時(shí)啟動(dòng)工作，可以提高其整體的驅(qū)動(dòng)力，運(yùn)動(dòng)將要停止時(shí)，2 臺(tái)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)反方向驅(qū)動(dòng)，可以起到消除背隙的作用，因此定位準(zhǔn)確，其重復(fù)定位精度可達(dá)到0.01 mm；機(jī)械控制成本相對(duì)較低，由2 臺(tái)伺服電機(jī)的同時(shí)作用，去代替功率特別大的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)器[5-7]。

近年來(lái)，隨著數(shù)控機(jī)床組成的各單元如數(shù)控系統(tǒng)、總線裝置、機(jī)床本體、PLC、其他部件的快速發(fā)展，采用雙電機(jī)降隙來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)成為部分機(jī)床制造廠家的優(yōu)先選擇方案。在雙電機(jī)降隙的工作過(guò)程中，電氣部分的調(diào)試過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，而且效果也不是特別的理想，調(diào)試的結(jié)果要使電氣控制實(shí)現(xiàn)降隙以提高精度、同步以達(dá)到實(shí)時(shí)性、快速穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)等各項(xiàng)功能[8-9]。機(jī)床導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)有線性滾動(dòng)導(dǎo)軌、滑動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌等多種形式[10]，不同導(dǎo)軌類(lèi)型的數(shù)控機(jī)床對(duì)其電機(jī)的機(jī)械特性匹配有差異，并會(huì)影響到電氣控制特性的相關(guān)參數(shù)，而且很有可能會(huì)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度造成嚴(yán)重的影響[11]。

目前在制的設(shè)備中，有多種數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)方式用到雙電機(jī)降隙驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)[12]，某動(dòng)柱定梁系列龍門(mén)五面加工中心，其Y 軸驅(qū)動(dòng)選用雙電機(jī)降隙結(jié)構(gòu)，是較早的將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于滑動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)備。因滑動(dòng)導(dǎo)軌的滑動(dòng)摩擦力比較大，滑動(dòng)部件在運(yùn)行的過(guò)程中易出現(xiàn)低速爬行現(xiàn)象，使得調(diào)試也達(dá)不到理想的降隙效果。通過(guò)對(duì)機(jī)床運(yùn)行精度的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在其工作行程的范圍內(nèi)，會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)一系列的位置不連慣的點(diǎn)。為了解決上述存在的問(wèn)題，做出以下的修正分析。

1 電機(jī)選型核算

某企業(yè)在設(shè)備調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)軌靜摩擦力較大，因此在設(shè)置的電機(jī)初始降隙扭矩時(shí)選用較大值設(shè)置對(duì)電機(jī)的機(jī)械特性產(chǎn)生一定的影響，所表現(xiàn)的形式為：移動(dòng)部件在工作過(guò)程中的移動(dòng)加速度不夠大，可能對(duì)最大切削扭矩產(chǎn)生影響。因此，對(duì)機(jī)床電機(jī)及其機(jī)械的匹配性進(jìn)行研究分析，嚙合傳動(dòng)部件為：M6斜齒MC338034 和齒條ZST-M6-59×49×1017-G-I-6-D；其可傳遞的額定力及額定扭矩分別為FN=52 880 N 和TN=3173 N·m。機(jī)床Y 軸電機(jī)的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)床的Y 軸電機(jī)核算參數(shù)

由于該機(jī)械結(jié)構(gòu)的減速比為1∶91，可以起到非常大的加減速作用，當(dāng)考慮減速箱的慣量時(shí)，其在圖表中的值遠(yuǎn)小于電機(jī)慣量，因此，可忽略減速箱在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的慣量值。下面從推力、加速度和加速最大切削力來(lái)核驗(yàn)。

1.1 推力核算

重力加速度g 取值9.8，則：

摩擦力為：F=mg×u=10 000×9.8×0.1=9800 N

克服F 所需扭矩為：T1=F×r=882 N·m

克服切削力所需扭矩為：T2=Fk×r=2700 N·m

電機(jī)額定扭矩為：T＝（T1+T2）/n/2=19.68 N·m

齒條所受力矩為：T3=（T1+T2）/2=1791 N·m

因T3＜TN，可知齒條安全。

1.2 加速度核算

加速度核算：

故單個(gè)電機(jī)需要的最大扭矩為：

1.3 以最大切削力核算

以最大切削力核算切削力矩為：

故單個(gè)電機(jī)需要最大扭矩為：Tm2=53.1/2=26.55 N·m

綜合上述計(jì)算可知，以加速最大切削力核算時(shí)Y 軸具有最大受力工況，所有理論算法以摩擦因數(shù)為0.1 計(jì)算，實(shí)際工作中滑鞍上有部分滾動(dòng)卸荷結(jié)構(gòu)，故有部分滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換為滾動(dòng)摩擦，實(shí)際上的滑動(dòng)摩擦力會(huì)更小。根據(jù)導(dǎo)軌靜摩擦力的相關(guān)特點(diǎn)，選用較大功率的伺服電機(jī)會(huì)更適合現(xiàn)有的工作環(huán)境及相關(guān)的工部要求，故選擇西門(mén)子1FK7105 作為雙電機(jī)降隙的工作電機(jī)，其額定功率為7.75 kW，額定扭矩為37/48 N·m，轉(zhuǎn)速為2000 r/min。

2 影響機(jī)床精度的因素及其解決方法

2.1 油路潤(rùn)滑過(guò)程檢查及其分析

機(jī)床在理想狀態(tài)下工作時(shí)，其導(dǎo)軌的潤(rùn)滑是充分的，這樣機(jī)床的運(yùn)行才可能連續(xù)而且平穩(wěn)，而在實(shí)際的工作過(guò)程中當(dāng)滑動(dòng)導(dǎo)軌潤(rùn)滑不良時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)床滑鞍移動(dòng)時(shí)的摩擦阻力增大，并且加劇低速爬行現(xiàn)象，嚴(yán)重影響機(jī)床的運(yùn)行精度，將會(huì)對(duì)機(jī)床的切削、定位等一系列工作產(chǎn)生不利影響。根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)的觀察，發(fā)現(xiàn)應(yīng)該充滿(mǎn)潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑管路中有局部位置存在氣泡，部分潤(rùn)滑點(diǎn)的計(jì)量件也沒(méi)有出油，尤其是隨著行程的增長(zhǎng)，其出油的可能性降低；調(diào)試過(guò)程中再進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，外潤(rùn)滑泵的打油持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，開(kāi)啟打油后，在管路還沒(méi)有完全建立壓力之前，就已經(jīng)使油泵停止打油，從而管路的壓力無(wú)法打開(kāi)潤(rùn)滑管路末端的定量式計(jì)量件，使得部分潤(rùn)滑點(diǎn)位不出油，導(dǎo)致導(dǎo)軌潤(rùn)滑不充分。

為了解決打油時(shí)間不夠長(zhǎng)導(dǎo)致的潤(rùn)滑不充分問(wèn)題，采用以下的解決方案：在機(jī)床的滑鞍移動(dòng)前，用手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)潤(rùn)滑泵進(jìn)行打油，此處需要注意的是潤(rùn)滑泵持續(xù)打油時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，最多不超過(guò)2 min；這樣的操作過(guò)程使得管路里面充滿(mǎn)潤(rùn)滑油，同時(shí)也將管路的空氣排出，保證機(jī)床初始運(yùn)行時(shí)導(dǎo)軌就能上油。由于滑鞍導(dǎo)軌潤(rùn)滑點(diǎn)與潤(rùn)滑泵的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，要使整個(gè)潤(rùn)滑管路可以有效工作，打開(kāi)計(jì)量件所需要的最小壓力為1.2 MP，油泵打油時(shí)間需求也比較長(zhǎng)。要達(dá)到潤(rùn)滑油從計(jì)量件排出的要求，綜合考慮后，潤(rùn)滑泵持續(xù)打油時(shí)間通過(guò)計(jì)算得出機(jī)床管路從潤(rùn)滑泵打油開(kāi)始到建立壓力達(dá)到2.0 MP 所需的時(shí)間。

2.2 滑鞍貼塑面刮研研究與分析

通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑油路系統(tǒng)改進(jìn)后，潤(rùn)滑系統(tǒng)各點(diǎn)出油比較充足，但是滑鞍在導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)的低速爬行現(xiàn)象未能得到完全的改善，依然存在運(yùn)動(dòng)的不連貫。存在問(wèn)題的表現(xiàn)形式為：由于行程的長(zhǎng)短及出油壓力的變化，遠(yuǎn)行程處無(wú)油，且導(dǎo)軌面上起潤(rùn)滑作用的油膜分布不均勻；在近行程的附近，潤(rùn)滑油在立面的導(dǎo)軌上成股流下；當(dāng)用塞尺檢查貼塑面與導(dǎo)軌的間隙時(shí)，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)貼塑面長(zhǎng)度上的點(diǎn)間隙不均，且相差較多。實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)主要可能是因?yàn)榛百N塑面和鑲鋼導(dǎo)軌接觸不均勻所造成，因此決定檢查刮研點(diǎn)，提高重新刮研的研點(diǎn)要求，每25 m2×25 m2平均研點(diǎn)從原來(lái)的8 點(diǎn)提高到細(xì)研要求的12 點(diǎn)。重新刮研后的調(diào)試發(fā)現(xiàn)，由于刮研要求的提高，滑鞍的貼塑面與鑲鋼導(dǎo)軌的接觸點(diǎn)增多，從而使得滑鞍的貼塑面平面度更好，這樣的方法可增加接觸面積、改善潤(rùn)滑狀況和減小摩擦阻力，低速爬行現(xiàn)象得到很好的改善。

3 結(jié)束語(yǔ)

鑲鋼導(dǎo)軌形式相比別的導(dǎo)軌形式，其摩擦力要更大，因此容易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象，從而使得雙電機(jī)降隙方案電氣調(diào)試難度增大，為了解決這樣的問(wèn)題，通過(guò)調(diào)試試驗(yàn)得出以下3 點(diǎn)結(jié)論：

（1）因?qū)к夓o摩擦較大使得伺服電機(jī)實(shí)際設(shè)置的降隙扭矩要求也變大，因此，在伺服電機(jī)選型時(shí)，應(yīng)在計(jì)算結(jié)果的前提下，適當(dāng)增大一檔規(guī)格來(lái)選擇。

（2）機(jī)床通過(guò)加壓式集中潤(rùn)滑系統(tǒng)，不同系列的機(jī)床潤(rùn)滑時(shí)間是不一樣的，機(jī)床運(yùn)行前，通過(guò)計(jì)算調(diào)試測(cè)驗(yàn)等方式確定打油的壓力和打油持續(xù)時(shí)間，先把潤(rùn)滑管路內(nèi)的潤(rùn)滑油充滿(mǎn)。

（3）刮研要求的提高，滑鞍的貼塑面與鑲鋼導(dǎo)軌的接觸點(diǎn)更多，從而使得滑鞍的貼塑面平面度更好，這樣的方法可增加接觸面積、改善潤(rùn)滑狀況和減小摩擦阻力，低速爬行現(xiàn)象得到很好地改善。