中走絲線切割機床工作臺進給系統設計方案的研究

高榮，羅剛，胥宏，陳勇，楊章，楊海

(成都工業學院機械工程學院，四川成都 611730)

進給運動和主運動共同構成表面形成運動，進給運動承擔了沿坐標軸的定位和切削進給，直接影響整機的運行狀態和精度指標，因此進給系統的性能相當重要［1－2］。一般來說，進給系統應滿足3個方面的要求［3］:(1)穩定性方面，包括絕對穩定和相對穩定，即整個系統在啟動狀態或外界干擾作用下，經過幾次衰減振蕩后，能迅速地穩定在新的或原有的平衡狀態下。(2)精度要求方面，包括動態誤差、靜態誤差和穩態誤差，也就是系統的輸入量與最終運動部件的相關量的吻合程度。(3)快速響應特性方面，即系統的響應時間以及傳動裝置的加速能力。除合理地控制系統外，進給系統要求合理選擇驅動元件的參數，且對機械傳動裝置的參數和結構進行合理選擇和設計，目的是使整個進給系統的動態特性相匹配。

1 進給系統方案選擇

根據進給系統中普遍存在的兩種驅動方式，存在兩種進給系統，一種為液壓伺服進給系統，一種為電氣伺服進給系統［3］。對中走絲線切割機床來講，要求的工作特性與響應的速度都比一般機床要快和準確。系統的響應時間以及傳動裝置的加速能力是決定其性能的關鍵因素。根據某機床在速度、精度上的較高要求，選擇電氣伺服機械傳動是合適的［4］。在電氣伺服進給系統中，一種為電機直接驅動滾珠絲杠實現進給，即“直驅”;另一種為電機通過多級減速機構由滾珠絲杠 (或齒輪齒條傳動)實現進給，即“傳統結構”。根據設計和計算，此機床K7732采用第一種方案，同樣達到最終精度要求，用聯軸器直接聯結是一種最簡單的聯接方式，此結構通常是電動機軸與絲杠之間采用高精度十字聯軸器聯接，此種結構形式的優點是具有最大的扭轉剛度，傳動機構本身無間隙，傳動精度高，結構簡單，安裝調整方便。

2 進給系統驅動扭矩、慣量匹配的計算及相關驗算

對于進給速度高、要求響應時間快的機床，當負載慣量達到甚至超過電機慣量的3倍時，會使電機的靈敏度和響應時間受到很大的影響，從而影響機床的加速能力、精度與穩定性［5］。在快速移動速度比較高的情況下，絕不能忽略慣量匹配性的計算 (即要求JL/JM＜3)［6－7］。這里以負荷比 (承受工件及上層工作臺重力)較大的X方向 (下層)工作臺進給電機的選擇為例進行計算。圖1所示為DK7732中走絲線切割機床工作臺，下層為X方向 (320 mm)，上層為Y方向 (400 mm)。上、下層工作臺均為直線導軌導向承載，伺服電機驅動，滾珠絲杠傳動。

圖1 DK7732中走絲線切機床工作臺

2.1 基本參數

直線運動體質量:m=1 000 kg(工件+工作臺);滾珠絲杠直徑、導程、長度:

D=32 mm、Pb=5 mm、L=831 mm;

聯軸器直徑、長度:DL=55 mm、LL=78 mm;

滾動直線導軌摩擦系數:μ=0.05(該摩擦因數為導向件的綜合摩擦因數);

驅動系統 (包括滾珠絲杠)的機械效率:η=0.9［8］;

(工作臺)最大進給速度:v=6 m/min。

2.2 電機最高速度的確定

線切割機床快速進給要求的電機速度為:

采用直聯結構，降速比1∶1，故電機速度為:Nm=N=1 200×1/1=1 200 r/min。

2.3 負載轉矩

(1)外部負荷使絲杠產生的摩擦轉矩Tp

根據線切割機床的具體加工情況，即無切削力時計算軸向載荷Fa:

式中:μ為滾動摩擦因數0.05(導向件綜合摩擦因數);W為工件和工作臺的總重力 (mg);PH為直線滾動導軌預加載荷，此機為0.05C，C為動載荷(26.48 kN);n為直線滾動導軌滑塊個數。則摩擦轉矩為:

式中:Fa為軸向載荷 (N);Pb為滾珠絲杠的導程(mm);η為滾珠絲杠的效率系數 (0.9)。

(2)滾珠絲杠副預緊產生的摩擦轉矩Td

選用上銀滾珠絲杠副 (φ32×5，6%預緊)［9］:

(3)支承軸承預緊產生的摩擦轉矩Tb

選用SKF絲杠軸承7005C［10］，兩盤軸承為一組，產生的摩擦轉矩為0.176 N·m，則:

(4)加在伺服電機軸上的負載轉矩TL

2.4 換算到電機軸上的負載慣量JL

式中:Jl1為直線運動體折算慣量 (軸向移動時;工件及工作臺折算到絲杠上的轉動慣量);Jl2為滾珠絲杠的轉動慣量;Jl3為聯軸器的轉動慣量。其中:

滾珠絲杠等柱體 (包括齒輪、聯軸器、軸)的轉動慣量為:

聯軸器的轉動慣量為:

式中:γ為材料的密度 (kg/m2)，對于鋼鐵:γ=7.8×103(kg/m3);D為滾珠絲杠直徑 (mm);L為滾珠絲杠長度 (mm);DL為聯軸器直徑 (mm);LL為聯軸器長度 (mm)。則電機軸上的負載慣量為:

根據以上計算，設計時初選電機型號為西門子1FK7060-2，其輸出功率為1.1 kW，額定轉速2 000 r/min，輸出額定轉矩5.3 N·m，轉動慣量7.7×10－4kg·m2［11］。當負載慣量為JL=18.43 ×10－4kg·m2時，負載慣量與電機慣量的比值為JL/JM=18.43×10－4/7.7×10－4=2.4＜3

負載慣量與電機慣量比值小于3，負載慣量與電機慣量匹配，初選該電機。經過設計計算，與其匹配的絲杠直徑、導程和安裝、預緊方式等均滿足要求，且價格合理，故最終選擇該電機。

2.5 加速時需要的回轉轉矩Ts(即瞬時最大轉矩)

式中:JM為電機轉子慣量 (kg·m2);JL為負載慣量 (kg·m2);N為電機每分鐘轉速 (r/min);ta為電機加減速時間 (s)。

(1)加速時的驅動轉矩Ta

一般伺服電機的加減速時間為0.1～0.3 s ，在中走絲機床中，一般取ta=0.1 s，則

(2)加速時需要的回轉轉矩，即瞬時最大轉矩

2.6 驗算結果

快速行程的電機轉速應嚴格控制在電機的額定轉速之內［5］;當機床最大運載、等速加工工件時，在整個速度范圍內加在伺服電機軸上的負載轉矩應在電機連續額定轉矩范圍內［6］;當機床最大運載加速運行時，加在伺服電機軸上的最大負載轉矩即瞬時最大轉矩應在間斷工作區之內，也就是說不超過電機最大轉矩［7］;要保證機床的加速能力、精度與穩定性，負載慣量與電機慣量的比不能超過3［6－7］。驗算結果如表1所示。

表1 電機選擇驗算結果

通過以上計算可知，所選擇的西門子1FK7060-2電機符合要求。

3 進給系統傳動結構

被加工工件的形狀精度和位置精度都與進給運動的傳動精度、定位精度和穩定性有關，因此，在設計傳動結構、選用傳動零件時應充分注意減小摩擦阻力，提高傳動精度和剛度，消除傳動間隙和減小運動慣量［3］。進給傳動裝置結構的合理性是實現進給系統三目標的有力保證，其中進給傳動系統的傳動剛度尤為重要。

3.1 工作臺的傳動形式

圖1中的中走絲線切割機床DK7732型X/Y工作臺，上下層均為由伺服電機帶動滾珠絲杠旋轉，由螺母通過裝在工作臺上的螺母座帶動工作臺移動，均選用上銀直線導軌和滾珠絲杠螺母傳動。上層工作臺導軌 型 號 為 HGH25CAZAP， 配 套 滑 塊 為HGR25R1000P，配合φ25 mm絲杠使用;下層工作臺由于載荷較大，導軌選用為HGH30CAZAP，配套滑塊為HGR30R1000P，配合φ32 mm絲杠使用。

3.2 支承絲杠的軸承組配形式

整個進給系統的剛度除了取決于最后傳動件(這里為絲杠螺母副)的傳動剛度外，還取決于其傳動件支承的剛度，剛度不足與摩擦阻力一起會導致工作臺產生爬行以及造成反向死區，影響傳動準確性［4］。

加工過程中，絲杠主要承受軸向載荷，除絲杠本身的自重以外，一般不承受徑向載荷，因而進給系統的軸向剛度就可視為與滾珠絲杠相關聯的零部件剛度的總和，通常絲杠受軸向載荷作用而產生的軸向拉壓變形約占整個進給傳動系統誤差的30%～50%，因而設計時特別重視了提高絲杠的軸向拉壓剛度［12］。圖2所示為下層工作臺絲杠的軸承組配及支承結構形式示意圖 (為清楚表達前后支承處結構，控制螺母行程的前后死擋鐵圖中未畫)。

圖2 中走絲線切割機床工作臺進給絲杠支承形式及結構

為提高絲杠1的軸向剛度和徑向剛度，絲杠的兩端均采用雙聯組配，即前后支承均采用兩盤角接觸球軸承，角接觸球軸承均為7205B。之所以沒有選擇A型和AC型，而選擇B型，就是為增加角接觸球軸承的接觸角，提高軸向承載力，從而提高軸向剛度。前后支承處的兩盤角接觸球軸承采用“背靠背”并聯安裝方式 (即角接觸球軸承大端相對)，和“面對面”安裝方式相比，支反力臂長且受發熱影響小。隔套15、9用于前后軸承的間隙調整。

3.3 絲杠的支承形式

工作過程中為承受雙向軸向載荷和徑向載荷，前后支承兩端均軸向固定，以提高拉壓剛度，使其在整個工作行程范圍內剛度的變化較小，提高工作臺工作精度。絲杠前端支承處，由螺母18、12及套筒16、15、13對前軸承內圈實現雙向軸向定位，外圈由軸承座及軸承端蓋實現雙向軸向定位。絲杠后端由螺母2、套筒7、套筒10和螺母11對軸承內圈實現雙向軸向定位，通過法蘭3、工藝套6和軸承座實現支承外圈雙向軸向定位。絲杠前端支承安裝好后，由工藝套6來調整絲杠支承在水平面內對下層工作臺導軌的平行度。

下層工作臺絲杠選擇上銀FDI325T3，為提高滾珠絲杠的軸向剛度及傳動精度，要對螺母進行預緊(螺母為訂購絲杠時配套訂購，由廠家先完成預緊，圖2中未畫螺母及其支承結構)，消除滾珠絲杠副的軸向間隙。

除滾珠絲杠螺母本身的剛度外，其支承形式和支承結構對傳動精度和剛度也至關重要。如圖3所示為絲杠螺母副的絲杠軸承座及螺母座。絲杠前后支承座安裝在床身底座上面，螺母座安裝在上層工作臺下面。絲杠軸承座及螺母座都是通過螺釘和床身底座及上層工作臺聯結，銷釘定位。除前支承座外，為保證絲杠及螺母與下層工作臺導軌在垂直平面內的平行度，在后支承座與床身底座之間、螺母座與上層工作臺下面之間均裝有調整墊片。為保證螺母與絲杠的正常工作，即為保證螺母座孔與絲杠前后支承孔的同軸度，需要保證安裝螺母的螺母座端面與前后支承座孔軸線的較高的垂直度，可以通過刮研與螺母法蘭相配合的螺母座端面來獲得所要求的垂直度。支承座孔及絲杠上與軸承的配合面均采用磨削工藝。絲杠螺母為雙螺母墊片調整方式，消除反向間隙，以提高工作臺定位和重復定位精度。絲杠安裝時采取了預拉伸以吸收絲杠發熱伸長的措施［8］，以期提高和長期保持絲杠精度。

圖3 驅動下層工作臺 (X向)的絲杠螺母支承座

4 結束語

在進給系統方案的設計中，不僅要零部件結構設計合理、便于裝配，外購零部件選用恰當，同時在保證質量的基礎上還要核算成本。在機床實際工作中，伺服電機所受的負載主要包括連續恒定的負載轉矩(包括摩擦轉矩)及加減速轉矩。在選擇伺服電機時，要充分考慮電機這方面的要求，才能最大限度地發揮伺服電機的性能。文中主要針對伺服電機的快速移動速度、負載轉矩、負載慣量比等因素進行綜合考慮，做出經濟合理的選擇，并且對工作臺進給絲杠支承形式及結構進行了重新設計，之前中走絲線切割機床選用的是步進電機，現在升級為伺服電機，所以該設計基本上是對DK7732機床工作臺進給系統的傳動方式、結構及支承形式的設計都做了新的設計，以解決機床產品升級換代、加工產品的加工精度和質量更高的情況下，對機床工作臺系統使用性能要求提高的問題。

［1］隋秀凜，高安邦.實用機床設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［2］關慧貞，馮辛安.機械制造裝備設計［M］.北京:機械工業出版社，2009.

［3］何偉.數控機床原理及應用［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［4］畢承恩，丁乃建.現代數控機床［M］.北京:機械工業出版社，1991.

［5］肖劍，馬自勤.機床伺服電機的選型方法分析［J］.機械研究與應用，2011(4):48－52.

［6］王玉琪.進給伺服電機的選擇［OL］.2012.http://www.docin.com/p －423237380.html.

［7］王軍鋒，唐宏.伺服電機選型的原則和注意事項［J］.裝備制造技術，2009(11):129－133.

［8］程光仁，施祖康，張超鵬.滾珠螺旋傳動設計基礎［M］.北京:機械工業出版社，1987.

［9］上銀科技股份有限公司.滾珠絲杠技術手冊［OL］.2010. http://www.shhiwin.com/download/Ballscrew.pdf.

［10］聞邦椿.機械設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［11］西門子股份公司.標準西門子選型手冊［OL］.2011.http://www.siemens.com/motioncontrol.

［12］許向榮，宋現春，姜洪奎.提高數控機床滾珠絲杠進給系統機械剛度的措施［J］.組合機床與自動化加工技術，2008(8):1－4.