数控伺服尾台新型传动系统结构探析

吕心如 孙文超

沈阳机床股份有限公司 辽宁 沈阳 110000

前言

近年来，我国数控机床发展迅猛，整体设计水平不断提高，数控车床的尾台传动结构却甚少改进。尾台传动系统影响着尾台顶紧力的大小、稳定性。现阶段国产中低端数控车床的尾台传动结构一般分为液压缸驱动和伺服电机丝杠驱动，液压缸驱动结构成本较低，精度较差；伺服电机驱动的传动结构可以通过系统灵活调整顶紧力，使其随切削力的变化而变化，定位精度较高。液压驱动结构也可实现顶紧力稳定锁死、伺服控制顶紧力等功能，但其无论是复杂程度还是成本都将远超伺服电机结构，性价比较低。

1 我国中低端数控机床尾台传动结构缺陷

为了追求相对高的加工精度，我国中端数控车床使用伺服电机驱动的尾台结构成为主流，但该驱动结构也有着一定的缺陷和弊端。

在顶紧工件加工时，伺服电机处于使能状态，控制丝杠停止旋转从而保证尾台顶紧。实验表明，工作状态的电机电流存在波动，会对尾台顶紧力造成一定影响。目前国内已有补偿电流导致的振颤相关研究，但在机械方面补偿电流波动，国内研究有所空缺。

对于长轴加工来说，尾台的行程较长，传动丝杠长度也相应增加。在移动过程中，丝杠和丝母会产生一定振颤，影响正常工作。过长的丝杠会放大振颤，对于这类振颤情况，国内已有在丝母座上对丝杠的振颤进行补偿的研究[1]。

2 尾台的新型传动结构研究

针对以上两个问题，现对尾台传动结构分别从减弱电机电流波动对丝杠的影响和缩短尾台丝杠两个角度进行改进。

2.1 用碟簧减弱顶紧工件后电机波动对丝杠的影响

在电流波动造成顶紧力变化方面，在电机座内加入碟簧，顶紧工件后电流波动将造成电机轴轻微的转动，加入碟簧的卸荷装置可消除电流波动导致的位移变化，从而保证顶紧力的稳定。

电机座处的结构改进如图：

该结构可以消除在顶紧工件、伺服电机使能状态下，电流波动造成的顶紧力变化。在工件顶紧时，伺服电机保持恒定扭矩，从而保证顶紧力恒定。但在电机工作时，电流存在较大波动，造成扭矩浮动，此时顶紧力的变化将传递给丝杠轴向向右的反作用力，通过压盖、联轴器，作用在锁紧螺母上，又通过垫圈以及推力球轴承，传递给推力块，推力块压缩碟簧，将顶紧力浮动的部分抵消在电机座及床身铸件上。

2.2 缩短丝杠以削弱振颤

加工轴类零件时，尾台丝杠较长，由电机引起的振颤对尾台顶紧稳定性的影响被放大，因此拟定缩短丝杠，用更稳定的套筒来弥补余下行程，减弱振颤。

缩短丝杠后，连接丝母的结构由丝母支架及法兰压盖组成，且在上方保留开口，便于丝母润滑及维护。丝杠悬伸端伸入与法兰压盖相连的套管中，法兰压盖与套管通过螺纹相连后焊接固定，套筒另一端与尾台压盖用螺纹连接，穿过尾台主体，尾部与尾台主体通过螺纹连接。尾台压盖与尾台主体通过螺栓连接。

此机构用刚性更好的套筒来补偿丝杠长度，套筒经尾台两点支撑，刚性远好于长丝杠，同时作为丝杠的另一支撑端，可有效减弱丝杠运动中的振动对尾台造成的影响。电机带动丝杠转动时，丝杠螺母拖动套筒及尾台移动，丝杠尾端在套筒内部滑动[2]。

3 优缺点及可行性分析

在可行性方面，本新型尾台结构有两个难点：

3.1 套管内部的加工

由于套筒内部与丝杠尾端形成活塞结构存在接触，套筒内部有一定的粗糙度要求，内壁加工成为一个难题。在此提出设想，改变套筒中段形状为四折弯板，同时设置丝杠尾端轴承及轴承座支撑，可大大降低加工难度，同时提升结构刚性。

3.2 碟簧的计算

本结构基于直径为32mm丝杠设计选择配套零件，碟簧内径d=61mm，外径D=90mm，厚度t=3mm，自由状态下单片碟簧厚度H=4.5mm。

将碟簧结构尺寸带入计算公式，得出变形量δ=0.5mm，即一对碟簧压缩量共1mm时，弹力为6725N。该型号机床的最大顶紧力为4800N，因此设计的碟簧能够满足需求[3]。

4 结束语

随着高精技术的不断发展，高质量加工已经成为现代加工的追求目标，为追求国产数控车床的更高性能，提升加工效率与精度，本文提出一种新型尾台传动机构，利用碟簧的卸荷作用消除伺服电机的电流波动导致的顶紧力变化；利用套筒来补偿缩短的丝杠行程，从而削弱长干丝杠的振颤。针对不同需求，套筒的形状及丝杠的支撑方式可灵活变通，便于零件的加工，提升传动系统的刚性。