通過討論組成加長型數控機床的關鍵部件進給系統的結構設計過程，提出了提高傳動剛度及定位精度的措施。通過理論分析，指出了實際裝配中應注意的問題，機床實際調試結果與理論分析結果相一致。該進給系統被成功應用于CK6163×3000、CK6180×5000數控機床中。 1 前言 　　數控車床進給系統的機械傳動結構是指將電動機的旋轉運動轉變為工作臺或刀架的往復運動的整個機械運動鏈，包括降速傳動副、絲杠螺母副及其支承部件。為了保證數控機床進給系統的定位精度和動態性能，對其機械傳動裝置提出了高傳動剛度、抗振性、低摩擦、低慣量、無間隙等要求。 　　近年來，國內一些行業如閥門、軍工、航天、潛艇等，均需要大型數控車床進行零件的加工，以保證高的尺寸精度及曲線輪廊的要求，可解決大型回轉體零件的加工問題。大型數控車床切削力大且運動行程長，必須在進給系統的設計中引起足夠的重視，只有解決了與傳動剛度、位置精度有關的問題，才能滿足用戶的要求。 　　對于主軸箱與尾座頂尖之間的距離為2m以上的機床加長型數控車床進給系統的設計主要涉及進給電機的選擇、滾珠絲杠的選擇與計算、支承形式及軸承的選擇、定位精度的計算等問題。在開發的CK6163×3000，CK6180×5000數控車床進給系統的設計中采用了提高傳動剛度的結構。在機床調試過程中，由理論指導實踐，解決了裝配過程中出現的z向進給系統傳動剛度不足的問題，提出了提高傳動剛度、保證定位精度的措施，改進了結構，成功地開發了CK6163×3000，CK6180×5000數控車床。為加長型數控機床進給系統的結構設計提供了理論依據和成功的實踐經驗。 2 數控機床進給系統的傳動剛度 　　進給系統的傳動剛度由以下兩部分組成：滾珠絲杠的軸向剛度及進給系統的扭轉剛度，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的傳動系統的綜合拉壓剛度，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。滾珠與滾道間為點接觸，變形與載荷之間的關系是非線性的，即剛度與載荷有關，不是一個定值。為了消除間隙和提高剛度，滾珠螺母與絲杠之間應預加載荷，從以上分析可以看出進給系統的結構形式直接影響其傳動剛度。 3 CK6163×3 000、CK6180×5000機床進給系統結構設計 　　3.1 CK6163×3000、CK6180×5000機床進給系統的已知參數 　　3.1.1 絲杠的直徑及精度 　　CK6163X3000機床的工作行程為3m，支承跨距L=4 280mm，CK6180×5000機床的工作行程為5m，支承跨距L=6280mm;機床有效行程定位精度的目標值均為0.03mm，采用P4級導程精度的滾珠絲杠副，選用山東濟寧博特精密絲杠制造有限公司的滾珠絲杠;通過對壓桿穩定性及臨界速度的校核確定CK6163×3000機床的絲杠直徑為63mm，型號為GD6310-4。CK6180×5000機床的絲杠直徑為80mm，型號為GD8010-4。 　　3.1.2 絲杠的螺距 　　雖然電機與滾珠絲杠采用聯軸器直接聯系，可簡化結構，減少噪聲，消除配合間隙提高傳動剛度，但CK6163×3000、CK6180×5000機床由于受Z向最高移動速度限制，電機與絲杠不能采用直連的形式，而通過降速比為2的一對齒形帶輪傳動，絲杠螺距為10mm。 　　3.1.3 伺服電機的型號 　　加長型數控機床的進給系統主要根據電動機轉子慣量與負載慣量相匹配的原則確定，CK6163×3000、CK6180×5000機床的Z向電機選用型號均為SIEMENS802D1FK6103，最大輸出扭矩36N·m，最大功率11.3kW，轉動慣量Jm=121.5×10-4kg·m2。 　　3.2 CK6163×3000、CK6180×5000機床進給系統的結構特點 　　為提高軸向剛度，新設計的CK6163×3000、CK6180×5000機床采用了如圖1所示的結構。 [align=center] 圖1 機床CK6163×3000、CK6180×5000進給系統的結構 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）采用柔性聯軸器 由于所選用SIEMENS系統的電機為中慣量電機，而負載慣量大，所以采用了齒形帶輪降速，降速比為1/2，提高了電機的特性，放大了電機的輸出扭矩，并采用柔性聯軸器將電機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間隙而造成的半閉環伺服進給系統的死區誤差，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，并且在整個工作行程范圍內剛度變化較小，有利于減小由于傳動剛度變化而引起的定位誤差;采用軸向預拉伸設計結構，滾珠絲杠的預拉伸可以補償絲杠的熱變形，提高絲杠的拉壓剛度。 　　（3）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緊拉力。這種結構方式可使絲杠的熱變形轉化為止推軸承的預緊力，但設計時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筋以增大支承座本身的剛度。 　　（4）選用接觸剛度大的雙螺母絲杠預緊結構，提高螺母組件的軸向剛度，當軸向載荷超過預緊力的3倍時，不受力側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緊力的數值應大于最大軸向力的1/3。絲杠在出廠時即按用戶提出的要求數值已預施載荷，不需自行調整。 4 裝配過程中提高傳動剛度、保證定位精度的措施 　　4.1 滾珠絲杠兩端支承的調整 　　CK6163×3000、CK6180×5000機床Z向進給絲杠采用了預拉伸結構。兩端支承的調整過程是：支架6和13用螺釘分別固定在車床床身的左右兩端，軸承座用螺釘與進給箱體6相固聯。首先擰動防松螺母2，向心球軸承和止推軸承向右移動，同時止推軸承9向左移動，繼續轉動螺母2，直至止推軸承8和9的間隙完全消除，這時滾珠絲杠1不能作軸向竄動，稱為軸向定位。當左端支承的間隙調整好以后，再調整右端，右端支承具有軸承間隙自動補償和能對滾珠絲杠預拉伸2個特點。擰動螺母19、碟簧14軸向壓縮，當預緊力小于彈簧的張力時，滾珠絲杠就向右拉伸。預拉伸的目的在于提高滾珠絲杠的軸向剛度，從而使機床的加工精度得到保障。滾珠絲杠在運轉中因熱膨脹而伸長或止推軸承因磨損而導致間隙增大時，彈簧能自動進行補償，使軸承的預緊力保持不變。 　　4.2 裝配過程中保證定位精度的方法 　　滾珠絲杠的導程精度是位于滾珠絲杠軸心的定位精度，直接影響進給系統的定位精度。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“走行中的姿勢變化”會影響定位精度。在“走行中的姿勢變化”中，對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象和在寬度方向上相異的偏搖現象。 　　A=lsinθ 　　式中：A且為因俯仰、偏搖而產生的定位精度;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。 　　故在實際裝配過程中必須保證絲杠對機床導軌的平行度，即在水平平面內和垂直平面內分別保證絲杠對機床導軌的平行度。在機床驗收項目中，國家標淮未對此項進行規定，但我們在裝配工藝中為避免俯仰、偏搖而產生的定位誤差，對絲杠的3點，其中2點為絲杠的兩端支承，即進給箱體端和掛角端，另一點為拖板開至絲杠中心處的位置（即絲杠在這一點上通過絲母、溜板箱與床身導軌平行）列為精度檢驗項目，以保證精度。實際裝配過程如下： 　　（1）將進給箱體部件固定在床身上，對其裝配基準的上母線、側母線進行搞表。 　　（2）將絲杠通過螺母，繼而通過溜板箱體固定在拖板上。同樣對絲杠上母線、側目線進行粗搞表。通過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。 　　（3）將拖板移動到床頭箱處，將絲杠固定在進給箱體上，以溜板箱體的上母線為基準，對進給箱體右側絲杠的上母線搞表。 　　（4）以進給箱體側絲杠的側母線為基準，同時將拖板移動至床身導軌的中間位置，調整溜板箱體對拖板的位置，保證絲杠在進給箱體處和溜板箱體處的側母線一致，在轉動絲杠保證絲杠的跳動后，將進給箱體與床身的聯接處打上定位銷，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、側母線和絲杠的跳動，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長、裝配不易的問題，實際裝配中根據進給箱體定位孔及絲母座孔的大小制作高精度的標桿代替絲杠進行裝配。 　　4.3 裝配過程中提高傳動剛度的措施 　　在實際裝配調試過程中，對各項精度如Z向定位精度、重復定位精度、反向偏差等項進行檢驗時，發現精度超差，而且絲杠在快速進給時發生振動，把千分表打在絲杠前后支承裝配基準處，發現進給箱體處有0.005mm的跳動，這些都說明Z向進給系統的剛性不足。裝配過程中支承剛度也是一個不容忽視的一個環節，為此采取了以下措施： 　　（1）減少了空刀厚度，避免了采用窄而薄的襯墊。 　　（2）固定支承座的4個固定螺栓M12的直徑不變，而將普通螺栓換成高強度的螺栓;將定位圓錐銷由2個直徑為10mm改為2個直徑為12mm圓錐銷;同時螺母座與拖板的固定螺栓由4個M10改為4個M12的。 　　（3）進給箱體和掛角與床身、絲杠螺母座與拖板結合面重新刮研，以達到一定的刮研點數，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 結論 　　對于加長型數控車床的、z向進給系統，通過實際裝配及機床調試可看出，通過改進結構及提高裝配質量的措施，大大提高了Z向進給系統的傳動剛度，達到了要求的定位精度，但是無論怎樣拉伸仍不能避免絲杠的下垂，這就造成快速移動時，由于絲杠的下垂造成振動而達不到規定的快移速度。CK6163×3000機床快移速度為8m/min，CK6180×5000機床快移速度為5m/min。如果要提高快移速度，必須配置絲杠托架裝置，對于Z向行程超過5m的機床尤其如此。