淺談數控絲杠車床開發

030013 大秦鐵路股份有限公司太原北車輛段 山西 太原｜冀青海

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淺談數控絲杠車床開發

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介紹了一種專用絲杠加工車床的結構，對母絲杠及液壓升降托架結構進行了分析。關鍵詞：絲杠車床；主軸箱；升降托架；消隙機構

數控機床在我單位輪對加工、車輛檢修中有廣泛應用，維修中滾珠絲杠損壞、更換、維修較多，滾珠絲杠的質量高低直接影響到機床加工精度，為此組織研制了專用絲杠的加工車床，本機床有別于傳統數控臥式車床，高精度數控絲杠車床設計需要考慮更多因素，因精密加工過程對熱，振動所造成的影響反應敏感，為了實現高精度，必須根據工件特點對機床的結構進行針對性設計。本文通過對一種絲杠車床關鍵部件的結構分析計算，體現絲杠車床的設計思路。

主軸箱部分

設計床頭箱要考慮的問題很多，主要考慮由于熱，震動等原因對精度的影響，所以設計高精密機床需要考慮的問題多于通用機床的設計，其結構需要特殊設計。

本機床在工作時轉速為16～20轉/分鐘，定位為絲杠精加工設備，切削力很小。區別于傳統主軸箱的齒輪傳動，本主軸箱傳遞動力的方法是由電動機通過皮帶傳遞給蝸桿，由蝸桿傳遞給蝸輪，再由蝸輪與主軸直聯，將動力傳遞給主軸，主軸將動力傳遞給工件使工件旋轉。主電機采用落地式結構，通過皮帶將動力傳遞到主軸箱，避免電機工作過程中產生的針對對主軸運轉產生影響。

a帶輪的卸荷

在帶輪將動力傳遞給蝸桿時，由于皮帶的張緊，會將皮帶的拉力傳遞給蝸桿，使蝸桿受壓，蝸桿在這樣一個力的作用下會產生彎曲或影響其運動精度。為了消除該作用力，本機床采用帶輪卸荷結構。該結構將皮帶的拉力通過軸承傳遞給軸承座，而將我們所需要的旋轉力通過軸承蓋傳遞給蝸桿（見圖1右側）。

b床頭蝸輪蝸桿消除間隙

為了保證絲杠螺距的精確，主軸傳動必須準確，因此必須消除蝸輪蝸桿傳動間隙，根據本機床的實際情況，自己設計專用傳動消隙結構。采用可消除間隙的蝸輪蝸桿傳動機構：選用雙導程蝸桿，將蝸桿左側加工有螺紋，在裝配及調整時，松開右端的螺母，調整左端的螺母，蝸桿在螺紋的作用下向另一端移動，通過蝸桿的軸向移動消除蝸桿與蝸輪之間的間隙（見圖1左側），調整到位后將松開的螺母緊固即可。根據我們的經驗，輕載精加工工況，這種結構可以實現長期的穩定運行，不需要經常調整。

在床頭的后端，在主軸上安裝有海德漢的角度編碼器，該角度編碼器在工作中測量主軸的轉動，精確定位，通過系統的計算與進給軸配合，完成加工。

床身部分的設計

床身采用雙山導軌，這種床身定位結構屬于過定位，但通過加工及裝配控制，這種結構可以實現較單山定位結構更穩定的運行，消除單山窄定位出現的床鞍擺動問題。實現更高的精度及運行穩定性。圖2中所示外側兩個山型為床鞍用，內側兩個山型為尾座用。

圖2　

母絲杠的設計

母絲杠選擇高精度滾珠絲杠，長規格的絲杠安裝一般采用兩種形式，一種是一端與伺服電機連接，通過伺服電機帶動絲杠運動；一種是采用絲杠動，絲杠螺母旋轉方式。比較兩種方式，前者為傳統方式，如果絲杠長度自身慣量較大，則帶動絲杠旋轉的電機功率必須更大；后者電機一般安裝在床鞍上，僅用于驅動絲母旋轉，因此電機功率較小，但電機的振動會傳遞給床鞍，影響加工精度。綜合考慮該機床為精密加工設備，因此采用前者傳動方式。

絲杠采用一端定位（圖3），一端（圖4）預拉伸但不完全定位的方法，這樣做的原因：由于滾珠絲杠在工作時會產生熱量，絲杠會由于熱變形的原因伸長，如果兩端都定位，則絲杠變彎影響加工精度，且易產生振動。絲杠受熱伸長超過預拉伸量后，向不完全定位的方向微量伸長，不影響絲杠運轉性能。

圖 3

圖 4

由于高精度滾珠絲杠對熱，振動所造成的影響反應敏感，因此在設計時必須考慮，盡可能讓其安裝在遠離熱源、振源。電機工作時會產生一定量的熱和震動。

絲杠托架結構的設計

高精度數控絲杠車床母絲杠由于絲杠長，臥式安裝時不可避免會產生一定的彎曲撓度，因此必須考慮采用一定數量的支撐托架。托架數量的確定根據絲杠撓度的大小，機床的精度要求等有關。

絲杠的撓度計算遵循下述公式：

I 絲杠最小斷面慣性矩（mm4）

通過計算，可以算出絲杠整體撓度，絲杠懸長6868mm撓度為3.65mm，作為高精度絲杠車床，這是絕對不行的。根據撓度公式及機床的情況，進行分析，確定支撐的數量，支撐的選擇應該根據機床的具體情況，根據所設計機床的精度要求，合理的選擇支撐個數，同時要考慮到機床的運動對支撐的影響，床鞍運動的速度，支撐升降速度等等。由于床鞍運動時，支撐必須讓開與床鞍相連接的螺母，因此必須考慮由此帶來的母絲杠的撓度變化。理論上支撐越多越好，因為在滾珠絲杠螺母通過時，會有一個支撐躲開螺母，這樣滾珠絲杠在不考慮床鞍通過螺母對絲杠作用的情況下，絲杠懸長加大，撓度增加，根據撓度的變化來最終確定支撐的數量。根據機床設計的要求，滿足精度，本機床最終確定11個支撐。在這種情況下，各支撐點間絲杠撓度為0.00017mm，個別支撐的脫離對整體撓度影響不大。

具體到絲杠托架的結構設計，綜合考慮，我們采用了圖5所示的液壓升降式的托架設計方式，該結構的特點是：

a托輥滾輪采用齒盤鎖緊定位，確保支撐過程中滾輪不偏擺，保持穩定托持，托輥采用滾動式結構，摩擦系數小；

b托架升降采用液壓控制，反應迅速可靠，在齒盤上升后壓力不變，保證托架穩定，升降速度迅捷，減少增加撓度的風險；

c采用無觸點開關，出現意外自動報警。

圖5　

綜上，通過該數控絲杠車床成功研制并在各類絲杠加工過程中的應用，機床性能穩定，精度高。解決了批量長規格絲杠的加工產能不足的問題，同時該機床的試制成功也為后期同類產品的開發起到良好的借鑒意義。

參考：

［1］ 陳心昭等.現代實用機床設計手冊.機械工業出版社，2006.6.