通過(guò)討論組成加長(zhǎng)型數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，提出了提高傳動(dòng)剛度及定位精度的措施。通過(guò)理論分析，指出了實(shí)際裝配中應(yīng)注意的問(wèn)題，機(jī)床實(shí)際調(diào)試結(jié)果與理論分析結(jié)果相一致。該進(jìn)給系統(tǒng)被成功應(yīng)用于CK6163×3000、CK6180×5000數(shù)控機(jī)床中。 1 前言 　　數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是指將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)或刀架的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的整個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)鏈，包括降速傳動(dòng)副、絲杠螺母副及其支承部件。為了保證數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度和動(dòng)態(tài)性能，對(duì)其機(jī)械傳動(dòng)裝置提出了高傳動(dòng)剛度、抗振性、低摩擦、低慣量、無(wú)間隙等要求。 　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些行業(yè)如閥門、軍工、航天、潛艇等，均需要大型數(shù)控車床進(jìn)行零件的加工，以保證高的尺寸精度及曲線輪廊的要求，可解決大型回轉(zhuǎn)體零件的加工問(wèn)題。大型數(shù)控車床切削力大且運(yùn)動(dòng)行程長(zhǎng)，必須在進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中引起足夠的重視，只有解決了與傳動(dòng)剛度、位置精度有關(guān)的問(wèn)題，才能滿足用戶的要求。 　　對(duì)于主軸箱與尾座頂尖之間的距離為2m以上的機(jī)床加長(zhǎng)型數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要涉及進(jìn)給電機(jī)的選擇、滾珠絲杠的選擇與計(jì)算、支承形式及軸承的選擇、定位精度的計(jì)算等問(wèn)題。在開發(fā)的CK6163×3000，CK6180×5000數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了提高傳動(dòng)剛度的結(jié)構(gòu)。在機(jī)床調(diào)試過(guò)程中，由理論指導(dǎo)實(shí)踐，解決了裝配過(guò)程中出現(xiàn)的z向進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)剛度不足的問(wèn)題，提出了提高傳動(dòng)剛度、保證定位精度的措施，改進(jìn)了結(jié)構(gòu)，成功地開發(fā)了CK6163×3000，CK6180×5000數(shù)控車床。為加長(zhǎng)型數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 2 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度 　　進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度由以下兩部分組成：滾珠絲杠的軸向剛度及進(jìn)給系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度，滾珠絲杠的軸向剛度是指滾珠絲杠螺母和支撐絲杠的軸承在內(nèi)的傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度，它表示滾珠絲杠及其支承部件抵抗軸向變形的能力。包括滾珠絲杠軸向剛度;螺母組件軸向剛度;支承軸承軸向剛度;螺母支架和軸承支架軸向剛度。其中螺母組件的變形包括螺母的變形、螺母的固定螺栓產(chǎn)生的軸向變形和滾珠與滾道面彈性接觸變形引起的軸向變形。對(duì)螺母的變形主要考慮滾珠與滾道面的彈性接觸變形，即可近似地將滾珠絲杠和滾珠與滾道的接觸剛度看作螺母組件軸向剛度。滾珠與滾道間為點(diǎn)接觸，變形與載荷之間的關(guān)系是非線性的，即剛度與載荷有關(guān)，不是一個(gè)定值。為了消除間隙和提高剛度，滾珠螺母與絲杠之間應(yīng)預(yù)加載荷，從以上分析可以看出進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式直接影響其傳動(dòng)剛度。 3 CK6163×3 000、CK6180×5000機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 　　3.1 CK6163×3000、CK6180×5000機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的已知參數(shù) 　　3.1.1 絲杠的直徑及精度 　　CK6163X3000機(jī)床的工作行程為3m，支承跨距L=4 280mm，CK6180×5000機(jī)床的工作行程為5m，支承跨距L=6280mm;機(jī)床有效行程定位精度的目標(biāo)值均為0.03mm，采用P4級(jí)導(dǎo)程精度的滾珠絲杠副，選用山東濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司的滾珠絲杠;通過(guò)對(duì)壓桿穩(wěn)定性及臨界速度的校核確定CK6163×3000機(jī)床的絲杠直徑為63mm，型號(hào)為GD6310-4。CK6180×5000機(jī)床的絲杠直徑為80mm，型號(hào)為GD8010-4。 　　3.1.2 絲杠的螺距 　　雖然電機(jī)與滾珠絲杠采用聯(lián)軸器直接聯(lián)系，可簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少噪聲，消除配合間隙提高傳動(dòng)剛度，但CK6163×3000、CK6180×5000機(jī)床由于受Z向最高移動(dòng)速度限制，電機(jī)與絲杠不能采用直連的形式，而通過(guò)降速比為2的一對(duì)齒形帶輪傳動(dòng)，絲杠螺距為10mm。 　　3.1.3 伺服電機(jī)的型號(hào) 　　加長(zhǎng)型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)主要根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量與負(fù)載慣量相匹配的原則確定，CK6163×3000、CK6180×5000機(jī)床的Z向電機(jī)選用型號(hào)均為SIEMENS802D1FK6103，最大輸出扭矩36N·m，最大功率11.3kW，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=121.5×10-4kg·m2。 　　3.2 CK6163×3000、CK6180×5000機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 　　為提高軸向剛度，新設(shè)計(jì)的CK6163×3000、CK6180×5000機(jī)床采用了如圖1所示的結(jié)構(gòu)。 [align=center] 圖1 機(jī)床CK6163×3000、CK6180×5000進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 1-滾珠絲杠 2-防松螺母 3、7、10、15-隔套 4、16-向心球軸承 5-軸承座 6-進(jìn)給箱體 8、9、18-止推軸承 11、12-密封圈 13-掛角 14-碟簧 17-軸承墊 19-螺母[/align] 　　（1）采用柔性聯(lián)軸器 由于所選用SIEMENS系統(tǒng)的電機(jī)為中慣量電機(jī)，而負(fù)載慣量大，所以采用了齒形帶輪降速，降速比為1/2，提高了電機(jī)的特性，放大了電機(jī)的輸出扭矩，并采用柔性聯(lián)軸器將電機(jī)軸與齒形帶輪軸連接，采用齒形帶降速，避免了采用齒輪降速由于齒側(cè)間隙而造成的半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的死區(qū)誤差，降低了噪聲。 　　（2）選用雙端固定的軸向支承方式，與一端固定、一端自由的支承方式相比，該方式可提高軸向剛度1倍以上，并且在整個(gè)工作行程范圍內(nèi)剛度變化較小，有利于減小由于傳動(dòng)剛度變化而引起的定位誤差;采用軸向預(yù)拉伸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，滾珠絲杠的預(yù)拉伸可以補(bǔ)償絲杠的熱變形，提高絲杠的拉壓剛度。 　?。?）兩端采用雙重支承，即止推軸承加向心球軸承提高軸承的軸向剛度，使絲杠具有最大的剛度并施加預(yù)緊拉力。這種結(jié)構(gòu)方式可使絲杠的熱變形轉(zhuǎn)化為止推軸承的預(yù)緊力，但設(shè)計(jì)時(shí)要求提高止推軸承的承載能力和支架剛度，前后支承在受力方向上布置加強(qiáng)筋以增大支承座本身的剛度。 　?。?）選用接觸剛度大的雙螺母絲杠預(yù)緊結(jié)構(gòu)，提高螺母組件的軸向剛度，當(dāng)軸向載荷超過(guò)預(yù)緊力的3倍時(shí)，不受力側(cè)螺母滾道一滾珠一絲杠滾道將脫離接觸。滾珠絲杠螺母副要求預(yù)緊力的數(shù)值應(yīng)大于最大軸向力的1/3。絲杠在出廠時(shí)即按用戶提出的要求數(shù)值已預(yù)施載荷，不需自行調(diào)整。 4 裝配過(guò)程中提高傳動(dòng)剛度、保證定位精度的措施 　　4.1 滾珠絲杠兩端支承的調(diào)整 　　CK6163×3000、CK6180×5000機(jī)床Z向進(jìn)給絲杠采用了預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)。兩端支承的調(diào)整過(guò)程是：支架6和13用螺釘分別固定在車床床身的左右兩端，軸承座用螺釘與進(jìn)給箱體6相固聯(lián)。首先擰動(dòng)防松螺母2，向心球軸承和止推軸承向右移動(dòng)，同時(shí)止推軸承9向左移動(dòng)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)螺母2，直至止推軸承8和9的間隙完全消除，這時(shí)滾珠絲杠1不能作軸向竄動(dòng)，稱為軸向定位。當(dāng)左端支承的間隙調(diào)整好以后，再調(diào)整右端，右端支承具有軸承間隙自動(dòng)補(bǔ)償和能對(duì)滾珠絲杠預(yù)拉伸2個(gè)特點(diǎn)。擰動(dòng)螺母19、碟簧14軸向壓縮，當(dāng)預(yù)緊力小于彈簧的張力時(shí)，滾珠絲杠就向右拉伸。預(yù)拉伸的目的在于提高滾珠絲杠的軸向剛度，從而使機(jī)床的加工精度得到保障。滾珠絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)中因熱膨脹而伸長(zhǎng)或止推軸承因磨損而導(dǎo)致間隙增大時(shí)，彈簧能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，使軸承的預(yù)緊力保持不變。 　　4.2 裝配過(guò)程中保證定位精度的方法 　　滾珠絲杠的導(dǎo)程精度是位于滾珠絲杠軸心的定位精度，直接影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度。要求定位精度的地方，由于與滾珠絲杠中心在高度、寬度方向的相異，故“走行中的姿勢(shì)變化”會(huì)影響定位精度。在“走行中的姿勢(shì)變化”中，對(duì)定位精度影響最大的是與滾珠絲杠中心在高度方向上的相異的俯仰現(xiàn)象和在寬度方向上相異的偏搖現(xiàn)象。 　　A=lsinθ 　　式中：A且為因俯仰、偏搖而產(chǎn)生的定位精度;l為距離絲杠中心的高度（寬度）方向上的距離;θ為俯仰（偏搖）角度。 　　故在實(shí)際裝配過(guò)程中必須保證絲杠對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌的平行度，即在水平平面內(nèi)和垂直平面內(nèi)分別保證絲杠對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌的平行度。在機(jī)床驗(yàn)收項(xiàng)目中，國(guó)家標(biāo)淮未對(duì)此項(xiàng)進(jìn)行規(guī)定，但我們?cè)谘b配工藝中為避免俯仰、偏搖而產(chǎn)生的定位誤差，對(duì)絲杠的3點(diǎn)，其中2點(diǎn)為絲杠的兩端支承，即進(jìn)給箱體端和掛角端，另一點(diǎn)為拖板開至絲杠中心處的位置（即絲杠在這一點(diǎn)上通過(guò)絲母、溜板箱與床身導(dǎo)軌平行）列為精度檢驗(yàn)項(xiàng)目，以保證精度。實(shí)際裝配過(guò)程如下： 　?。?）將進(jìn)給箱體部件固定在床身上，對(duì)其裝配基準(zhǔn)的上母線、側(cè)母線進(jìn)行搞表。 　?。?）將絲杠通過(guò)螺母，繼而通過(guò)溜板箱體固定在拖板上。同樣對(duì)絲杠上母線、側(cè)目線進(jìn)行粗搞表。通過(guò)刮研絲母與溜板箱的定位平面，保證絲杠在溜板箱體兩端處的上母線高度差在0.005mm以內(nèi)。 　?。?）將拖板移動(dòng)到床頭箱處，將絲杠固定在進(jìn)給箱體上，以溜板箱體的上母線為基準(zhǔn)，對(duì)進(jìn)給箱體右側(cè)絲杠的上母線搞表。 　?。?）以進(jìn)給箱體側(cè)絲杠的側(cè)母線為基準(zhǔn)，同時(shí)將拖板移動(dòng)至床身導(dǎo)軌的中間位置，調(diào)整溜板箱體對(duì)拖板的位置，保證絲杠在進(jìn)給箱體處和溜板箱體處的側(cè)母線一致，在轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠保證絲杠的跳動(dòng)后，將進(jìn)給箱體與床身的聯(lián)接處打上定位銷，保證裝配精度不變。 　　（5）將絲杠在掛角處固定，保證絲杠的上母線、側(cè)母線和絲杠的跳動(dòng)，在掛角與床身之間打上定位銷，保證裝配精度不變。 　　為提高裝配精度及解決絲杠過(guò)長(zhǎng)、裝配不易的問(wèn)題，實(shí)際裝配中根據(jù)進(jìn)給箱體定位孔及絲母座孔的大小制作高精度的標(biāo)桿代替絲杠進(jìn)行裝配。 　　4.3 裝配過(guò)程中提高傳動(dòng)剛度的措施 　　在實(shí)際裝配調(diào)試過(guò)程中，對(duì)各項(xiàng)精度如Z向定位精度、重復(fù)定位精度、反向偏差等項(xiàng)進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)精度超差，而且絲杠在快速進(jìn)給時(shí)發(fā)生振動(dòng)，把千分表打在絲杠前后支承裝配基準(zhǔn)處，發(fā)現(xiàn)進(jìn)給箱體處有0.005mm的跳動(dòng)，這些都說(shuō)明Z向進(jìn)給系統(tǒng)的剛性不足。裝配過(guò)程中支承剛度也是一個(gè)不容忽視的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此采取了以下措施： 　?。?）減少了空刀厚度，避免了采用窄而薄的襯墊。 　?。?）固定支承座的4個(gè)固定螺栓M12的直徑不變，而將普通螺栓換成高強(qiáng)度的螺栓;將定位圓錐銷由2個(gè)直徑為10mm改為2個(gè)直徑為12mm圓錐銷;同時(shí)螺母座與拖板的固定螺栓由4個(gè)M10改為4個(gè)M12的。 　?。?）進(jìn)給箱體和掛角與床身、絲杠螺母座與拖板結(jié)合面重新刮研，以達(dá)到一定的刮研點(diǎn)數(shù)，增大配合表面的接觸面積，提高了支撐軸承座的接觸剛度。 5 結(jié)論 　　對(duì)于加長(zhǎng)型數(shù)控車床的、z向進(jìn)給系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)際裝配及機(jī)床調(diào)試可看出，通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)及提高裝配質(zhì)量的措施，大大提高了Z向進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，達(dá)到了要求的定位精度，但是無(wú)論怎樣拉伸仍不能避免絲杠的下垂，這就造成快速移動(dòng)時(shí)，由于絲杠的下垂造成振動(dòng)而達(dá)不到規(guī)定的快移速度。CK6163×3000機(jī)床快移速度為8m/min，CK6180×5000機(jī)床快移速度為5m/min。如果要提高快移速度，必須配置絲杠托架裝置，對(duì)于Z向行程超過(guò)5m的機(jī)床尤其如此。