何承義

（江蘇金方圓數(shù)控機(jī)床有限公司,江蘇 揚(yáng)州225009）

0 引言

隨著數(shù)控激光切割機(jī)的快速發(fā)展，筆者公司開發(fā)的數(shù)控激光切割機(jī)的空運(yùn)行速度達(dá)到了100 m/min以上。當(dāng)機(jī)床高速切割時(shí)，橫梁的質(zhì)量相對較重，為了達(dá)到較好的軌跡精度，要求橫梁的傳動剛性要好，其對機(jī)床高速加工的精度將產(chǎn)生直接影響。為此對橫梁傳動剛性的提升，進(jìn)行了分析探討。

2 橫梁的傳動結(jié)構(gòu)

圖1 橫梁3D圖

圖2 傳動示意圖

如圖1所示，橫梁在激光切割機(jī)上，通過兩端的直線導(dǎo)軌支撐及導(dǎo)向，雙伺服電機(jī)分別帶動減速箱，通過齒輪齒條，沿X軸方向運(yùn)動。由圖2傳動示意圖可知，伺服電機(jī)軸安裝于減速箱的空心軸內(nèi)，外面安裝了鎖緊套。開口的鎖緊套通過螺釘脹緊電機(jī)軸，達(dá)到傳遞扭矩的目的。減速箱的輸出軸通過脹緊套與齒輪內(nèi)孔脹緊，實(shí)現(xiàn)橫梁的傳動功能。

3 存在的問題及解決方法

3.1 存在的問題

該橫梁的傳動方式在二氧化碳激光切割機(jī)上的應(yīng)用較成熟。在開發(fā)光纖激光切割機(jī)時(shí)，沿用了該結(jié)構(gòu)。在機(jī)床可靠性試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行如圖3所示的檢驗(yàn)樣件切割，目測發(fā)現(xiàn)拐角后有短距離振蕩小波紋，不符合機(jī)床驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 問題分析

造成振蕩小波紋的可能原因較多，逐項(xiàng)排查時(shí)間長，也較費(fèi)力。參考試驗(yàn)設(shè)計(jì)中介紹的B vs.C方法（C表示當(dāng)前產(chǎn)品，B表示更好的產(chǎn)品），該橫梁傳動結(jié)構(gòu)在二氧化碳激光切割機(jī)上應(yīng)用較好，而應(yīng)用到光纖激光切割機(jī)上卻發(fā)現(xiàn)異常。對比分析，由于二氧化碳激光器本身的特性，切割1 mm不銹鋼時(shí)，速度最大可達(dá)到20～24 m/min。而光纖激光器由于波長更短，焦斑更細(xì)，切割1 mm不銹鋼時(shí)，速度更快，已經(jīng)達(dá)到60 m/min。切割不銹鋼時(shí)，提升切割速度有利于提高用戶加工效率及降低切割斷面的粗糙度。根據(jù)運(yùn)動學(xué)公式：V2=2aS中的速度、加速度和位移的關(guān)系，為了在較短的距離內(nèi)達(dá)到較高的速度，試驗(yàn)時(shí)提升了加速度，以便提升動態(tài)性能。初步分析比較，振蕩波紋與加速度的提升有關(guān)聯(lián)。

圖3 樣件示意圖

圖4 傳動示意圖

借鑒強(qiáng)化應(yīng)力試驗(yàn)方法，逐級提升加速度進(jìn)行試驗(yàn)，可以快速發(fā)現(xiàn)失效原因。加速度分別以4～9 m/s2的整數(shù)值遞增，發(fā)現(xiàn)設(shè)定加速度大于6 m/s2后，波紋明顯惡化，機(jī)床其它部分未有異常現(xiàn)象。說明伺服電機(jī)的扭矩大小足夠；振蕩波紋應(yīng)該與X軸的傳動剛性有關(guān),并且振蕩波紋呈現(xiàn)逐漸衰減現(xiàn)象，未出現(xiàn)其它非預(yù)期滑移位移，說明問題出現(xiàn)在減速箱的傳動剛性上。

3.3 解決方法

圖2所示為軸輸出形式的減速箱結(jié)構(gòu)，查閱資料，其扭轉(zhuǎn)剛度為：53Nm/（′）。對比法蘭輸出形式的減速箱，其扭轉(zhuǎn)剛度為：145Nm/（′），產(chǎn)品價(jià)格略有增加。改進(jìn)設(shè)計(jì)的采用法蘭輸出的減速箱如圖4所示。

將法蘭減速箱裝到機(jī)床上驗(yàn)證，同樣按照圖3所示檢測樣件，同理進(jìn)行加速度強(qiáng)化試驗(yàn)，加速度提升至12 m/s2時(shí)，檢測樣件振蕩波紋不明顯。經(jīng)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證效果良好，符合機(jī)床檢驗(yàn)要求。

4 結(jié)語

該傳動結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提升了機(jī)床的動態(tài)性能，滿足了機(jī)床新的切割工藝需求。成本增加不多，性價(jià)比高。保證了新產(chǎn)品的正常試制，產(chǎn)品已通過省級新產(chǎn)品鑒定，現(xiàn)已批量生產(chǎn)，給公司帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

工程技術(shù)人員在新產(chǎn)品開發(fā)中，可以在已有工程知識的基礎(chǔ)上利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）介紹的多種方法，綜合運(yùn)用，就能快速找到問題，通過對暴露的問題進(jìn)行分析，即可快速解決問題。

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