新型送料系統在數控轉塔沖床上的應用

陳宏星，李 強

（江蘇金方圓數控機床有限公司，江蘇揚州 225127）

數控轉塔沖床是一種高效、自動化的鈑金加工設備。X、Y軸送料系統作為數控轉塔沖床的關鍵部件，很大程度上決定了機床的動態性能和參數指標。目前，該系統主要采用單電機直接驅動單絲杠帶動負載運動的結構形式，對于這種結構的特性分析和改善措施，筆者已經在相關雜志上發表了文章加以闡述。

隨著鈑金加工企業加工要求的提高以及購買能力的提升，迫切需要使用高檔鈑金加工設備。傳統的單電機單絲杠直驅的結構形式，已經不能滿足高檔機床高速、高動態的指標要求。筆者結合我公司的新型送料結構形式，分析其對機床動態性能提高所起的重要作用。

橫梁送料系統的主要功能是把待加工件準確地送到加工位置，前后（Y軸）方向是通過橫梁的運動來送料，左右（X軸）方向是通過拖板的運動來送料。下面對兩個方向分別加以介紹。

1 X軸采用齒輪齒條驅動提高動態性能

典型的X軸送料系統的結構形式如圖1所示。伺服電動機通過聯軸器帶動滾珠絲杠轉動，再通過絲杠螺母帶動拖板運動，實現板料的移動。其特點是負載小、運動行程長。

目前，X軸存在的主要問題是高速運行條件下受絲杠臨界轉速限制導致送料速度上不去。以X軸2 500 mm行程為例，最大送料系統僅僅為2 000（絲杠臨界轉速）X32（絲杠導程）=64 m/min，達不到更高的高速送料要求。如果強行提速，絲杠則會出現共振現象，嚴重影響機床加工精度。為克服絲杠臨界轉速的問題，目前，主要有下面兩種解決方案。

（1）采用大直徑大導程絲杠

采用大直徑大導程絲杠，可以提高絲杠的臨界轉速，達到高速送料的要求。

圖1 X軸送料進給系統結構圖

但是采用該方案后，絲杠本身的采購成本大大增加，同時需要大規格的電機配合一級減速裝置（同步帶傳動或者大小齒輪傳動），來適應系統轉動慣量增加和減速的要求，最終導致成本大幅增加。

（2）采用絲杠抑振裝置

在絲杠運行過程中，增加輔助支撐裝置，對絲杠形成一種約束作用，減小絲杠振動程度。圖2所示為我公司獲得國家專利的抑振裝置結構圖。該方案雖然能一定程度的解決絲杠的抖動問題，但其缺點是安裝調整比較麻煩，需要增加一套直線導軌裝置，成本也相應增加。

圖2 絲杠抑振裝置

通過以上兩種方法可以一定程度上解決絲杠臨界轉速的問題，但是都存在各自的缺點。在機床有更高速要求時，采用了齒輪齒條的結構方案。圖3為傳動結構圖。采用齒輪齒條驅動結構后，X軸最大進給速度可以達到120 m/min。目前，該齒輪齒條驅動結構已獲得國家專利。

與滾珠絲杠傳動相比，齒輪齒條傳動具有如下優點：

（1）進給精度和定位精度等同于滾珠絲杠的精度；

（2）無嚙合噪音、無明顯的運行噪音，幾乎無振動；

（3）具有滾珠絲杠無法完成的長距離進給，高速運行超過250 m/min;

（4）使用壽命是普通齒條及滾珠絲杠的2.5倍。

2 Y軸采用雙驅動同步絲杠的動態性能分析

典型的Y軸送料系統的結構形式如圖4所示。進給伺服電動機通過聯軸器帶動滾珠絲杠轉動，再通過絲杠螺母帶動橫梁系統實現直線進給。為了消除滾珠絲杠的反向間隙，對螺母施加預緊力。考慮到加工精度的高要求，滾珠絲杠兩端用固定-固定方式安裝。整個結構的特點是：工作臺行程較長導致絲杠長度較長，只有兩端軸承支承，支撐跨度較大，由于絲杠自重的作用，必然有一定的撓度，剛性差。另外橫梁重量相對絲杠也比較大，加減速過程中慣性較大，導致進給系統剛性和抗振性能下降。

根據文獻[1]的分析結果，需要做的工作是在保持現有橫梁剛度和結構允許的情況下，盡量減輕其重量，降低負載，同時提高絲杠和導軌系統在高速條件下的動態剛度[1]。

圖3 齒輪齒條傳動結構圖

圖4 Y軸送料進給系統結構圖

根據這一原則，設計了輕量化橫梁，減小工作負載。同時采用雙驅同步絲杠取代單絲杠的結構形式，大幅提高絲杠系統的剛度。另外，由于Y軸行程相對X軸行程而言要小很多，不存在受絲杠臨界轉速影響的問題。雙驅同步絲杠驅動結構如圖5所示。

圖5 雙驅同步絲杠驅動結構圖

隨著數控轉塔沖床的不斷發展，為提升機床的產能與加工質量，高速與高精度成為關鍵，如何提升加工速度與加工精度已成為鈑金加工設備發展的重要課題。提升機床的生產效率，就必須要在有限的行程內提高速度，但隨著速度的提升，驅動工作平臺或者主軸的驅動力也必然隨著增大，在高速進給時，瞬間的驅動力很容易引起振動現象的產生，一旦加工過程中有振動產生，便會導致加工精度的降低，進而影響到工件的加工質量，因此往往無法同時兼顧高速度與高精度的需求，要求加工精度的同時就無法提升加工速度[2]。

機床瞬間加減速時的振動現象，起因主要來自于驅動系統的結構剛性及慣性匹配不佳所致，因此只要加強進給系統的結構剛性就可以有效的減少高速進給時所引起的振動。當進給系統的結構剛性增加時，往往會造成載臺基座的質量增加，進給系統的質量越大時，所需要的驅動動力就必須相應加大，由于受限于機臺的空間設計(如主軸馬達的配置空間考慮等)，使載臺基座的質量受到限制[2]。

由于上述的各項因素，我公司采用雙絲杠雙電機的驅動結構，此方式不但可以增加進給系統的結構剛性，還可以減少因驅動力偏心所引起的力矩影響，雙馬達的驅動方式除了可加強系統的驅動力外，也可提升系統的應答速度。

3 結束語

分析了X軸采用齒輪齒條傳動結構和Y軸采用雙驅同步絲杠結構，對于機床動態特性提高所起的重要作用。

［1］陳宏星，徐長奎，徐成.數控轉塔沖床送料系統特性分析及改善［J］.今日機床，2012（1-2）：69-72.

［2］隆創日盛.淺談雙滾珠絲杠同步驅動的應用［EB/OL］.http://www.newmaker.com/art_39733.html.