□ 楊錦斌

西藏玉龍銅業(yè)股份有限公司 西藏昌都 854000

1 設(shè)計(jì)背景

目前,高速精密加工中心在國內(nèi)外具有很大的市場潛力。隨著高速切削技術(shù)在進(jìn)給系統(tǒng)中的普及應(yīng)用,進(jìn)給系統(tǒng)接觸區(qū)域在工作中會(huì)產(chǎn)生大量熱,使?jié)L珠絲杠副產(chǎn)生熱變形誤差,從而影響機(jī)床的加工精度,導(dǎo)致進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度降低[1]。滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)作為目前使用廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式,具有同步性能好、傳動(dòng)精度高、效率高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),與直線電機(jī)相比,成本低,結(jié)構(gòu)簡單[2]。加工中心進(jìn)給系統(tǒng)在進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),滾珠絲杠副極易因發(fā)熱而產(chǎn)生熱變形,嚴(yán)重影響機(jī)床的加工精度和進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度。為了改善進(jìn)給系統(tǒng)的加速度特性,提高滾珠絲杠軸系的系統(tǒng)剛度和滾珠絲杠副的軸向剛度,減小啟動(dòng)、停止瞬間的彈性變形,需要解決發(fā)熱問題。解決發(fā)熱問題的有效方法是將冷卻介質(zhì)通入發(fā)熱部位,進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)冷卻。對(duì)此,筆者設(shè)計(jì)了高速精密加工中心進(jìn)給系統(tǒng)并聯(lián)恒溫控制裝置,為高速精密加工中心實(shí)現(xiàn)較高定位精度和穩(wěn)定性提供技術(shù)支撐。

2 滾珠絲杠副進(jìn)給系統(tǒng)特性分析

2.1 機(jī)械特性

隨著機(jī)床進(jìn)給速度和加速度的不斷提高,人們對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要求越來越高。在高速加工時(shí),可能激發(fā)滾珠絲桿的低頻振動(dòng)[3],這將導(dǎo)致進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度和安全性降低。直接影響進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的主要因素有滾珠絲杠副接觸剛度、阻尼非線性因素等,分析絲杠轉(zhuǎn)速、接觸角、螺旋升角等特性參數(shù)對(duì)滾珠絲杠副接觸剛度的影響,具有重要意義[4]。

對(duì)于單螺母滾珠絲杠副而言,將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng),絲杠螺母中滾子的運(yùn)動(dòng)軌跡是螺旋線。當(dāng)螺母所承受的工作載荷為F時(shí),單螺母滾珠絲杠副的軸向變形量δa為[5]:

δa=KF2/3

(1)

式中:K為變形系數(shù)。

當(dāng)接觸角一定時(shí),變形系數(shù)為一定值。

單螺母滾珠絲杠副的軸向接觸剛度Ka為:

Ka=dF/dδa

(2)

聯(lián)立式(1)、式(2),可得:

Ka=F1/3/K

(3)

綜上所述,可以確認(rèn)軸向接觸剛度隨軸向載荷的增大而增大。

在滾珠絲杠副工作時(shí),絲杠的轉(zhuǎn)速是不斷變化的,導(dǎo)致滾珠絲杠副的接觸角不斷發(fā)生變化,從而影響軸向接觸剛度[6]。當(dāng)滾珠高速運(yùn)動(dòng)時(shí),滾珠與內(nèi)、外滾道的接觸力Qij、Qoj滿足:

Qijsinαij-Qojsinαoj-Mgj(λijcosαoj

-λojcosαij)/D=0

(4)

Qijcosαij-Qojcosαoj-Mgj(λijsinαoj

-λojsinFcj)/D+Fcj=0

(5)

式中:Fcj為滾珠受到的離心力;Mgj為陀螺力矩;D為絲杠公稱直徑;αij為內(nèi)滾道接觸角;αoj為外滾道接觸角;λij為內(nèi)滾道導(dǎo)熱因子;λoj為外滾道導(dǎo)熱因子[5]。

在已知各接觸角及接觸力的情況下,利用赫茲接觸理論,即可計(jì)算得到接觸變形值,從而求解單螺母滾珠絲杠的剛度[8]。

2.2 熱特性

對(duì)于一個(gè)無質(zhì)量流出或流入的封閉系統(tǒng)而言,熱分析遵循熱力學(xué)第一定律及能量守恒定律,有:

Q-W=ΔU+ΔEk+ΔEp

(6)

式中:Q為熱量;W為所做的功;ΔU為系統(tǒng)內(nèi)能;ΔEk為系統(tǒng)動(dòng)能;ΔEp為系統(tǒng)勢能。

通?？紤]沒有做功,即W為零,則Q與ΔU相等。而對(duì)于滾珠絲杠副進(jìn)給系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)熱分析,則有Q與ΔU均為零,即滾珠絲杠副進(jìn)給系統(tǒng)流入的熱量等于流出的熱量。

3 并聯(lián)恒溫控制裝置設(shè)計(jì)方案

針對(duì)現(xiàn)有滾珠絲杠副產(chǎn)生熱變形誤差,影響機(jī)床加工精度及進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)剛度的問題,筆者設(shè)計(jì)了高速精密加工中心進(jìn)給系統(tǒng)并聯(lián)恒溫控制裝置。這一裝置由伺服電機(jī)、電機(jī)座組件、滾珠絲杠副、絲母座及軸承座組件等組成,如圖1所示,由控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。高速精密加工中心進(jìn)給系統(tǒng)并聯(lián)恒溫控制裝置的特點(diǎn)在于軸承座組件和電機(jī)座組件固定于機(jī)床底座上,絲母座固定于移動(dòng)部件上。滾珠絲杠副兩端支撐于軸承座組件和電機(jī)座組件,滾珠絲杠副絲母與絲母座接合,并用螺栓緊固。軸承座、絲母座、電機(jī)座均設(shè)置有螺旋循環(huán)冷卻槽。依據(jù)進(jìn)、出口溫度傳感器的信息,控制系統(tǒng)發(fā)出指令,由伺服電機(jī)變頻調(diào)整油泵輸出冷卻介質(zhì)的流量、流速,并根據(jù)軸承座、絲母座、電機(jī)座及電機(jī)接合端面具體進(jìn)、出口溫度需求,調(diào)整定量適配器,控制冷卻介質(zhì)流量,進(jìn)一步優(yōu)化恒溫控制,實(shí)現(xiàn)差異降溫、恒溫控制的目的[9-10]。

▲圖1 高速精密加工中心進(jìn)給系統(tǒng)并聯(lián)恒溫控制裝置結(jié)構(gòu)

軸承座組件由軸承座和軸承A組成,固定于機(jī)床底座上,軸承座上設(shè)置螺旋循環(huán)冷卻槽A。電機(jī)座組件由電機(jī)座、伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、止推墊、鎖緊螺母、隔套和軸承組B組成,固定于機(jī)床底座上,電機(jī)座上設(shè)置螺旋循環(huán)冷卻槽C和螺旋循環(huán)冷卻槽D。絲母座固定于移動(dòng)部件之上,絲母座上設(shè)置螺旋循環(huán)冷卻槽B。

并聯(lián)恒溫控制的原理為:伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠副高速旋轉(zhuǎn),通過絲母座拖動(dòng)移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng),進(jìn)給系統(tǒng)接觸區(qū)域產(chǎn)生大量熱量;軸承座、絲母座、電機(jī)座上的螺旋循環(huán)冷卻槽通過冷卻介質(zhì)進(jìn)口以并聯(lián)方式提供冷卻介質(zhì),通過熱交換方式將滾珠絲杠副絲母、軸承座軸承外圈、電機(jī)座軸承組外圈、電機(jī)座端面的熱量帶走,冷卻介質(zhì)溫度隨之升高;冷卻介質(zhì)通過出口由制冷設(shè)備降溫后,回到冷卻箱,循環(huán)使用。

4 控制系統(tǒng)原理

以高速精密加工中心某軸進(jìn)給系統(tǒng)為例,并聯(lián)恒溫控制裝置的控制系統(tǒng)對(duì)高速精密加工中心進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠副軸承座、絲母座、電機(jī)座及電機(jī)接合端面控制點(diǎn)分別進(jìn)行冷卻介質(zhì)進(jìn)出口端的溫度檢測,將四個(gè)溫差信號(hào)中溫差最大的一個(gè)作為溫度控制信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)按溫差大小發(fā)出變頻調(diào)速指令,變頻器變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)定量冷卻泵。冷卻泵向軸承座、絲母座、電機(jī)座及電機(jī)接合端面螺旋循環(huán)冷卻槽供給冷卻介質(zhì),從直通式溫度傳感器進(jìn)口以并聯(lián)方式提供冷卻介質(zhì),通過熱交換方式將軸承座、絲母座、電機(jī)座及電機(jī)接合端面的熱量帶走。冷卻介質(zhì)從直通式溫度傳感器的出口流出,冷卻介質(zhì)出口溫度升高?；亓骼鋮s介質(zhì)通過散熱器、冷凝器及制冷機(jī)降溫后回到冷卻介質(zhì)水箱,循環(huán)使用。若進(jìn)出口冷卻介質(zhì)溫度差增大,則通過控制系統(tǒng)指令使變頻器驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速升高,冷卻泵輸出冷卻介質(zhì)的流量、流速增大,加快冷卻介質(zhì)冷卻循環(huán),快速將熱量帶走?？刂葡到y(tǒng)依據(jù)進(jìn)出口溫度傳感器的信息發(fā)出指令,由伺服電機(jī)變頻調(diào)整油泵輸出冷卻介質(zhì)的流量、流速,根據(jù)軸承座、絲母座、電機(jī)座及電機(jī)接合端面具體進(jìn)出口溫度的控制需求,調(diào)整定量適配器,控制冷卻介質(zhì)的流量,使軸承座、絲母座、電機(jī)座及電機(jī)接合端面溫升得到進(jìn)一步抑制,保證滾珠絲杠不會(huì)受熱膨脹,以及系統(tǒng)剛度和定位精度不發(fā)生改變?？刂葡到y(tǒng)原理如圖2所示。

▲圖2 控制系統(tǒng)原理

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證并聯(lián)恒溫控制裝置對(duì)高速精密加工中心進(jìn)給系統(tǒng)溫度控制和溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?在某型高速精密加工中心進(jìn)給系統(tǒng)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)用某型高速精密加工中心進(jìn)給系統(tǒng)被測滾珠絲杠副主要參數(shù)見表1[11],精度等級(jí)為C3。試驗(yàn)用高速精密加工中心進(jìn)給系統(tǒng)被測滾珠絲杠副主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)見表2,循環(huán)方式為線性。

表1 被測滾珠絲杠副參數(shù)

表2 被測滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)參數(shù)

高速精密加工中心加工精度切削試驗(yàn)按照J(rèn)B/T 8771.7—1998《加工中心檢驗(yàn)條件 第7部分:精加工試件精度檢驗(yàn)》進(jìn)行,對(duì)三個(gè)精加工試件進(jìn)行加工試驗(yàn),并用三坐標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。

在加工試驗(yàn)前,對(duì)試驗(yàn)用高速精密加工中心進(jìn)行精度檢測,包含X軸、Y軸、Z軸,以及工作臺(tái)回轉(zhuǎn)B軸的定位精度和重復(fù)定位精度,具體檢測數(shù)據(jù)見表3。

表3 高速精密加工中心精度檢測數(shù)據(jù)

按照J(rèn)B/T 8771.7—1998對(duì)三個(gè)精加工試件進(jìn)行加工試驗(yàn),具體加工精度數(shù)據(jù)見表4。

表4 試件加工精度數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明,由于1號(hào)試件試驗(yàn)時(shí)加工中心還處于對(duì)溫度補(bǔ)償?shù)钠胶饪刂菩拚^程中,試件加工精度有三項(xiàng)超差。經(jīng)過對(duì)2號(hào)試件和3號(hào)試件試驗(yàn),加工精度完全達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求,并且3號(hào)試件的加工精度有明顯提高。

6 結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)有滾珠絲杠副產(chǎn)生熱變形誤差,從而影響機(jī)床加工精度和進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)剛度的技術(shù)問題,筆者設(shè)計(jì)了高速精密加工中心進(jìn)給系統(tǒng)并聯(lián)恒溫控制裝置及其控制系統(tǒng),保證了高速精密加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度和穩(wěn)定性,為高速精密加工中心實(shí)現(xiàn)較高定位精度和穩(wěn)定性提供了技術(shù)支撐。