數控伺服尾臺新型傳動系統結構探析

呂心如 孫文超

沈陽機床股份有限公司 遼寧 沈陽 110000

前言

近年來，我國數控機床發展迅猛，整體設計水平不斷提高，數控車床的尾臺傳動結構卻甚少改進。尾臺傳動系統影響著尾臺頂緊力的大小、穩定性。現階段國產中低端數控車床的尾臺傳動結構一般分為液壓缸驅動和伺服電機絲杠驅動，液壓缸驅動結構成本較低，精度較差；伺服電機驅動的傳動結構可以通過系統靈活調整頂緊力，使其隨切削力的變化而變化，定位精度較高。液壓驅動結構也可實現頂緊力穩定鎖死、伺服控制頂緊力等功能，但其無論是復雜程度還是成本都將遠超伺服電機結構，性價比較低。

1 我國中低端數控機床尾臺傳動結構缺陷

為了追求相對高的加工精度，我國中端數控車床使用伺服電機驅動的尾臺結構成為主流，但該驅動結構也有著一定的缺陷和弊端。

在頂緊工件加工時，伺服電機處于使能狀態，控制絲杠停止旋轉從而保證尾臺頂緊。實驗表明，工作狀態的電機電流存在波動，會對尾臺頂緊力造成一定影響。目前國內已有補償電流導致的振顫相關研究，但在機械方面補償電流波動，國內研究有所空缺。

對于長軸加工來說，尾臺的行程較長，傳動絲杠長度也相應增加。在移動過程中，絲杠和絲母會產生一定振顫，影響正常工作。過長的絲杠會放大振顫，對于這類振顫情況，國內已有在絲母座上對絲杠的振顫進行補償的研究[1]。

2 尾臺的新型傳動結構研究

針對以上兩個問題，現對尾臺傳動結構分別從減弱電機電流波動對絲杠的影響和縮短尾臺絲杠兩個角度進行改進。

2.1 用碟簧減弱頂緊工件后電機波動對絲杠的影響

在電流波動造成頂緊力變化方面，在電機座內加入碟簧，頂緊工件后電流波動將造成電機軸輕微的轉動，加入碟簧的卸荷裝置可消除電流波動導致的位移變化，從而保證頂緊力的穩定。

電機座處的結構改進如圖：

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

2.2 縮短絲杠以削弱振顫

加工軸類零件時，尾臺絲杠較長，由電機引起的振顫對尾臺頂緊穩定性的影響被放大，因此擬定縮短絲杠，用更穩定的套筒來彌補余下行程，減弱振顫。

縮短絲杠后，連接絲母的結構由絲母支架及法蘭壓蓋組成，且在上方保留開口，便于絲母潤滑及維護。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螺紋相連后焊接固定，套筒另一端與尾臺壓蓋用螺紋連接，穿過尾臺主體，尾部與尾臺主體通過螺紋連接。尾臺壓蓋與尾臺主體通過螺栓連接。

此機構用剛性更好的套筒來補償絲杠長度，套筒經尾臺兩點支撐，剛性遠好于長絲杠，同時作為絲杠的另一支撐端，可有效減弱絲杠運動中的振動對尾臺造成的影響。電機帶動絲杠轉動時，絲杠螺母拖動套筒及尾臺移動，絲杠尾端在套筒內部滑動[2]。

3 優缺點及可行性分析

在可行性方面，本新型尾臺結構有兩個難點：

3.1 套管內部的加工

由于套筒內部與絲杠尾端形成活塞結構存在接觸，套筒內部有一定的粗糙度要求，內壁加工成為一個難題。在此提出設想，改變套筒中段形狀為四折彎板，同時設置絲杠尾端軸承及軸承座支撐，可大大降低加工難度，同時提升結構剛性。

3.2 碟簧的計算

本結構基于直徑為32mm絲杠設計選擇配套零件，碟簧內徑d=61mm，外徑D=90mm，厚度t=3mm，自由狀態下單片碟簧厚度H=4.5mm。

將碟簧結構尺寸帶入計算公式，得出變形量δ=0.5mm，即一對碟簧壓縮量共1mm時，彈力為6725N。該型號機床的最大頂緊力為4800N，因此設計的碟簧能夠滿足需求[3]。

4 結束語

隨著高精技術的不斷發展，高質量加工已經成為現代加工的追求目標，為追求國產數控車床的更高性能，提升加工效率與精度，本文提出一種新型尾臺傳動機構，利用碟簧的卸荷作用消除伺服電機的電流波動導致的頂緊力變化；利用套筒來補償縮短的絲杠行程，從而削弱長干絲杠的振顫。針對不同需求，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，提升傳動系統的剛性。