重型数控立式车床垂直刀架设计

李立强 姜 辉

（齐重数控装备股份有限公司，黑龙江齐齐哈尔161005）

目前，加工直径在10 m以上的重型数控立式车床垂直刀架滑重量一般在6 t以上，滑枕Z轴垂向进给机构一般为一套伺服电动机通过减速箱降速后驱动滚珠丝杠传动，垂直刀架配置有一套液压油缸平衡装置，液压油缸平衡滑枕70%以上的重量。由于受到液压系统回流能力不高的制约，滑枕的快速移动速度一般不超过4 m/min。原因是在滑枕快速移动速度增加时，平衡油缸的回油阻力增速极快，极速增加的平衡油缸回油阻力远远大于伺服电动机的额定输出扭矩，在滑枕的快速移动速度达到4 m/min时，平衡油缸的回油速度已接近极限状态，经常出现伺服电动机报警、液压管路系统崩溃现象。为了避免这种情况的发生，一般采取降低垂直刀架快速移动速度的办法。由于滑枕的快速移动速度慢，使得机床的工作效率低。传统的重型数控立式车床垂直刀架整体布局不合理，在传统的重型数控立式车床垂直刀架结构中，滚珠丝杠和平衡油缸分别位于滑枕的两侧，在滑枕车削工件外圆柱面时，位于滑枕一侧的滚珠丝杠进给力向下，位于滑枕另一侧的平衡油缸支承力向上，即分别位于滑枕两侧的滚珠丝杠和平衡油缸作用力方向相反，虽然滑枕垂向所受作用力相互平衡，但由于滚珠丝杠、平衡油缸中心与滑枕中心存在有一定的距离，滑枕承受的翻转力矩不平衡，由于滑枕承受非常大的翻转力矩，造成滑枕、滚珠丝杠和平衡油缸弯曲变形，滑枕平面度大幅度降低，使滑枕静压导轨油膜间隙难以建立，造成垂直刀架滑枕静压导轨不能正常工作，滑枕正常工作的无摩擦静压运动变成了滑动摩擦运动，造成垂直刀架滑枕的摩擦力大大增加，传统垂直刀架静压导轨经常出现研伤的现象，使得机床不能正常工作。另一方面，在垂直刀架滑枕加工工件时，由于油枕进给运动的速度是在动态变化的，在滑枕进给速度变化时，平衡油缸的回油阻力呈现无规律的变化状态，无规律的平衡油缸回油阻力严重干扰了滑枕垂向Z轴的数控定位精度，使滑枕Z轴的数控定位精度经常超差，造成加工工件精度不合格。平衡油缸回油阻力还使得平衡油缸密封圈磨损加剧，使平衡油缸的使用寿命显著降低，并导致液压管路系统漏油、液压控制阀损坏而不能正常使用。如果采取加大回油管路直径，提高液压阀、液压泵组规格的方法，虽然能部分解决平衡油缸回油速度慢的问题，但由于液压系统的成本大幅度增加，降低了机床的性价比，而使该方法一般不被采用。

为了解决上述难题，笔者公司研制了新型重型数控立式车床垂直刀架装置，如图1所示。该装置使用双伺服电动机通过双减速器降速后直驱双滚珠丝杠传动结构，双滚珠丝杠分别位于滑枕的左右两侧，在滑枕进给传动时，滑枕承受左右滚珠丝杠的进给力方向相同，滚珠丝杠的进给力相互平衡，左右滚珠丝杠进给力引起的翻转扭矩为零，在加工工件时，滑枕处于最佳受力状态。双滚珠丝杠传动结构使垂直刀架整体形成热对称结构，因此，大大了提高了垂直刀架滑枕垂向Z轴的热稳态精度。由于双滚珠丝杠传动的垂直刀架装置取消了液压平衡油缸和相应液压控制系统，因而消除了平衡油缸回油速度慢对滑枕Z轴快速移动速度的制约，大大提高了垂直刀架的快速移动速度，使用双滚珠丝杠传动的垂直刀架结构，滑枕的快速移动速度可达到了10 m/min以上。双滚珠丝杠传动的垂直刀架结构，解决了传统垂直刀架滚珠丝杠、平衡油缸结构，滑枕承受非常大的翻转力矩的问题，避免了滑枕、滚珠丝杠、油缸活塞杆的弯曲变形，保证了滑枕静压导轨油膜间隙的建立，使垂直刀架滑枕静压导轨可以正常工作。双滚珠丝杠传动的垂直刀架结构，解决了由于平衡油缸的密封圈承受活塞杆的偏心力，使平衡油缸的密封圈磨损老化快、使用寿命显著降低的问题，彻底解决了液压油缸无规律变化的回油阻尼力影响滑枕Z轴垂向进给运动数控定位精度的问题，大大提高了滑枕Z轴垂向进给运动的数控定位精度和和伺服进给系统动态响应特性。

1 新型垂直刀架结构特点介绍

（1）滑枕Z轴垂向进给结构的承载能力大、速度高。双伺服电动机传动结构伺服电动机的总输出扭矩要比单伺服电动机传动结构的输出扭矩大1.8倍以上。双滚珠丝杠传动结构的滚珠丝杠直径比单滚珠丝杠传动结构的小一个规格，使滚珠丝杠折算到伺服电动机轴上的转动惯量被最大限度地减小，使伺服电动机的负载总惯量降至最小。双伺服电动机、双滚珠丝杠传动结构可为滑枕提供更大的平衡力和进给力。双伺服电动机、双滚珠丝杠传动结构，由于滚珠丝杠的进给力滚动摩擦系数小、滚动摩擦力小，因而传动效率非常高，双滚珠丝杠传动结构完全突破了传统液压油缸平衡装置回油速度慢对滑枕进给速度的制约，大大提高了滑枕Z轴垂向进给速度。

（2）双滚珠丝杠驱动、无液压油缸的滑枕Z轴进给运动精度高，滑枕受力状态好、无变形。双滚珠丝杠对称布置在滑枕的左右两侧，滑枕承受左右滚珠丝杠的进给力相互平衡，无附加的翻转力矩，保证了滑枕和刀架体之间静压导轨油膜间隙的正常建立。使滑枕在纯液体摩擦状态下作进给运动，静压导轨摩擦系数小于0.005，滑枕精度高、精度保持性好，滑枕Z轴垂向进给结构的传动效率非常高。由于滚珠丝杠受力状态好，滑枕Z轴传动系统刚度高，双滚珠丝杠传动的丝杠直径可以比单滚珠丝杠传动的降低一个规格，使滚珠丝杠折算到伺服电动机轴上的转动惯量相应减小，在相同滑枕重力和切削力的条件下，伺服电动机承受的总负载最小，使伺服电动机的输出扭矩在伺服进给系统中的损耗降至最小，伺服电动机的输出扭矩更多地用于承受切削力和滑枕重力，因此，使伺服电动机的性能得到充分的发挥。另一方面，通过取消了传统的液压油缸平衡装置，彻底消除了液压油缸阻尼力对滑枕Z轴垂向进给运动精度和伺服进给系统动态响应特性的影响。

（3）滑枕的制动快速、安全、可靠。由于取消了液压平衡油缸装置，并且滚珠丝杠不自锁，因此，在双滚珠丝杠传动结构的垂直刀架装置中，垂直安装使用的滑枕的制动安全显得非常重要。为了确保滑枕的制动安全可靠，笔者公司研制了双伺服电动机和双失电制动器双重制动滑枕的结构，滑枕Z轴双伺服电动机均选用断电制动型，并且，在滑枕Z轴进给结构中增加了两套失电制动器，失电制动器布置在减速器的输入端，失电制动器的制动扭矩放大倍数与减速器的降速比相等，使失电制动器的制动能力大大提高。在机床断电时，两套伺服电动机和两套失电制动器同时制动滑枕。在伺服电动机发生故障的情况时，两套失电制动器能够独立制动滑枕，有效地防止了滑枕滑落事故的发生。充分保证了机床的安全使用，该结构完全符合数控机床国家安全标准的规定。

2 新型垂直刀架的结构组成和工作过程介绍

2.1 新型垂直刀架的结构

两个减速器座10对称布置在刀架体11的两侧，滑枕9位于刀架体11中间位置，两个螺母座8的侧端面对称固定在滑枕9的两侧。丝杠螺母7的外圆柱面安装在螺母座8的定心孔中，丝杠螺母7的端面压紧在螺母座8的上端面上。两根滚珠丝杠6对称装在滑枕9的两侧，滚珠丝杠6的上端由丝杠支承座轴承5径向、轴向定位，丝杠支承座轴承5安装在减速器座10的上部定心孔中，滚珠丝杠6上端通过联轴节4与减速器3的输出轴相联。在减速器3上部装有失电制动器2，伺服电动机1座落在失电制动器2的上端面上，伺服电动机1的输出轴与失电制动器2上部的配合孔相联。光栅尺12安装在滑枕9的前部。

2.2 新型垂直刀架的工作过程

滑枕左右两侧伺服电动机1的输出轴旋转分别驱动左右两套减速器3输出轴旋转，左右两套减速器3输出轴分别通过联轴节4带动左右两套滚珠丝杠6旋转，左右两侧的丝杠螺母副7、螺母座8和滑枕9沿滚珠丝杠6轴向作进给运动，滑枕9的移动位置由光栅尺12反馈给数控系统，由数控系统进行闭环控制。

2.3新型垂直刀架的制动过程

在机床断电时，滑枕左右两侧伺服电动机1和失电制动器2同时分别制动减速器3，滑枕左右两侧的减速器3通过联轴节4分别制动滑枕左右两侧的滚珠丝杠6、丝杠螺母副7和滑枕9。在滑枕左右两侧的伺服电动机1发生故障的情况下，滑枕左右两侧的失电制动保护器2分别能够独立制动滑枕9，有效地防止了滑枕9滑落事故的发生。

3 结语

笔者公司生产最大加工直径12.5 m的重型数控立式车床，滑枕截面为460mm×460mm，滑枕行程3 500 mm，垂直刀架滑枕的重量在10 t左右，垂直刀架滑枕快速移动速度达到了10 m/min。经过在该机床上使用新型双滚珠丝杠垂直刀架结构后检测，滑枕Z轴的定位精度小于0.026 mm，重复定位精度小于0.012 mm，反向偏差小于0.006 mm。该垂直刀架装置已被笔者公司正式申请了国家实用新型专利。