重型數(shù)控立式銑車床的橫梁升降裝置

李立強(qiáng) 姜 輝

（齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161005）

目前，最大加工直徑在12．5 m以上的重型數(shù)控立式銑車床，橫梁升降一般為移置運(yùn)動(dòng)，橫梁和左右垂直刀架的總重量在140 t以上，龍門架跨距在13 m以上，橫梁行程在4 500 mm以上，橫梁的升降速度一般為300 mm/min。橫梁升降裝置一般采用異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，經(jīng)過雙軸伸的大降速比減速器降速后，通過左右兩根動(dòng)力杠將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力分別傳至左右立柱頂部的兩套減速箱，經(jīng)減速箱再一次降速后，通過左右梯形絲杠、螺母驅(qū)動(dòng)橫梁沿立柱導(dǎo)軌作垂向移置運(yùn)動(dòng)，橫梁升降結(jié)構(gòu)中無光柵尺反饋橫梁兩端的實(shí)際位置。由于傳動(dòng)鏈的誤差大，橫梁升降時(shí)，橫梁兩端不能保持同步，造成橫梁傾斜，使垂直刀架水平移動(dòng)對(duì)工作臺(tái)面的平行度經(jīng)常超差，嚴(yán)重影響加工零件的精度。傳統(tǒng)重型數(shù)控立式銑車床的橫梁升降運(yùn)動(dòng)不參與數(shù)控進(jìn)給，不能與機(jī)床其他數(shù)控進(jìn)給軸聯(lián)動(dòng)，因此無法實(shí)現(xiàn)滑枕定懸伸等剛度切削，在機(jī)床銑削工件側(cè)端面和加工圓柱孔時(shí)，只能使用滑枕Z軸垂向移動(dòng)進(jìn)行切削加工，由于在滑枕不斷伸出時(shí)，滑枕的撓曲變形不斷增大，造成加工工件的平面度、孔的圓柱度不高。另一方面，傳統(tǒng)的橫梁升降裝置使用梯形絲杠、螺母?jìng)鲃?dòng)，梯形絲杠傳動(dòng)效率低，梯形絲杠上的銅螺母承載比壓小、噪聲大，銅螺母磨損快、壽命短，橫梁升降梯形絲杠上的銅螺母是機(jī)床的主要易損零件，更換銅螺母費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。使用梯形絲杠、螺母結(jié)構(gòu)的橫梁升降裝置所能輸出的提升力小，不能滿足機(jī)床橫梁升降總提升力的要求，因此，橫梁升降結(jié)構(gòu)中必需帶有機(jī)械重錘平衡裝置，重錘平衡橫梁和刀架等40%以上的總重量，最大加工直徑在12.5 m以上的重型數(shù)控立式銑車床，其機(jī)械重錘的重量一般在60 t以上，機(jī)械配重使得龍門架的總重量大大增加，并迫使立柱下面的地基承載能力必需相應(yīng)提高，機(jī)械配重造成機(jī)床整機(jī)重量和成本大大提高。采用鋼絲繩提升機(jī)械重錘和梯形絲杠、銅螺母?jìng)鲃?dòng)的傳統(tǒng)橫梁升降結(jié)構(gòu)是重型數(shù)控立式銑車床的主要安全隱患之一。由于橫梁升降速度低、精度低、噪聲大、重量大、成本高，傳統(tǒng)的橫梁升降裝置已不能適應(yīng)重型數(shù)控立式銑車床向高速度、高精度、高復(fù)合性、低噪聲方向發(fā)展的需要，不能滿足重型電動(dòng)機(jī)、船舶、重型機(jī)床和其他重型機(jī)器制造業(yè)大型零件的加工需要。

為了解決上述難題，筆者公司研制了參與數(shù)控進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的橫梁升降裝置（圖1）。實(shí)現(xiàn)了滑枕定懸伸等剛度切削。該裝置的橫梁升降雙邊同步驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使用左右各雙伺服電動(dòng)機(jī)共4臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)，通過左右雙減速箱降速后驅(qū)動(dòng)雙滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，滿足了重型數(shù)控立式銑車床橫梁升降W軸重載荷、高剛度、高速度、高精度的要求。該裝置使用橫梁升降雙邊同步檢測(cè)結(jié)構(gòu)，通過位于左右立柱上的雙光柵尺閉環(huán)反饋橫梁兩端的實(shí)際位置，在橫梁升降時(shí)，使左右滾珠絲杠的螺母保持同步旋轉(zhuǎn)，使橫梁兩端始終保持水平。橫梁升降裝置使用雙重制動(dòng)結(jié)構(gòu)，在機(jī)床斷電時(shí)，使用帶制動(dòng)的4臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)和左右各雙失電制動(dòng)器共4個(gè)失電制動(dòng)器同時(shí)制動(dòng)橫梁，橫梁的制動(dòng)安全、可靠。橫梁升降進(jìn)給裝置無需機(jī)械重錘平衡裝置，大大降低了機(jī)床的整機(jī)重量和立柱下面地基的承載量，降低了機(jī)床總成本，也消除了橫梁在升降過程中，擺動(dòng)對(duì)橫梁升降W軸數(shù)控精度的影響。

1 橫梁升降裝置的結(jié)構(gòu)組成和工作過程介紹

新型橫梁升降裝置主要由橫梁升降雙邊同步驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、橫梁升降雙邊同步檢測(cè)機(jī)構(gòu)、橫梁升降雙重制動(dòng)結(jié)構(gòu)組成，其中橫梁升降雙邊同步驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是:橫梁1位于左立柱5和右立柱8的前導(dǎo)軌上，左橫梁進(jìn)給箱2安裝在橫梁1左側(cè)的下端面上，左滾珠絲杠4位于左立柱5導(dǎo)軌的左側(cè)，右橫梁進(jìn)給箱6安在橫梁1右側(cè)的下端面上，右滾珠絲杠9位于右立柱8導(dǎo)軌的右側(cè)。失電制動(dòng)器17安裝在左橫梁進(jìn)給箱2、右橫梁進(jìn)給箱6的下部，伺服電動(dòng)機(jī)25安裝在失電制動(dòng)器17的下部，聯(lián)軸節(jié)18上端花鍵孔與軸齒輪16下部花鍵配合聯(lián)接，聯(lián)軸節(jié)18下部定心孔與伺服電動(dòng)機(jī)25輸出軸過盈配合聯(lián)接，兩個(gè)軸齒輪16同時(shí)與齒輪14嚙合，軸齒輪15與齒輪13嚙合，軸齒輪12與齒輪11嚙合，軸齒輪10與軸齒輪24嚙合，軸齒輪24與齒輪23嚙合，齒輪23的定心內(nèi)孔套在左滾珠絲杠4、右滾珠絲杠9的外圓柱面上，聯(lián)軸節(jié)22的上端面與滾珠絲杠螺母21下端面固定聯(lián)接，聯(lián)軸節(jié)22下端的外齒輪與齒輪23上部的內(nèi)齒部分嚙合，滾珠絲杠螺母21裝在左滾珠絲杠4和右滾珠絲杠9上，承重軸承20裝在滾珠絲杠螺母21的上端面上，承重套19的下端面壓緊承重軸承20的上環(huán)，承重套19的上端面與橫梁1固定聯(lián)接。

左右橫梁升降同步驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作過程是:按下按鈕站橫梁升降起動(dòng)按鈕，左橫梁進(jìn)給箱2的2臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)25和右橫梁進(jìn)給箱6的2臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)25共4臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)同時(shí)旋轉(zhuǎn)，4臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)25輸出軸通過聯(lián)軸節(jié)18帶動(dòng)4個(gè)失電制動(dòng)器17和4個(gè)軸齒輪16旋轉(zhuǎn)，即左橫梁進(jìn)給箱2和右橫梁進(jìn)給箱6中每個(gè)箱的2個(gè)軸齒輪16同時(shí)與齒輪14嚙合，軸齒輪15與齒輪13嚙合，軸齒輪12與齒輪11嚙合，軸齒輪10與軸齒輪24嚙合，軸齒輪24與齒輪23嚙合，通過以上齒輪傳動(dòng)將伺服電動(dòng)機(jī)25的扭矩傳遞給齒輪23，齒輪23通過聯(lián)軸節(jié)22帶動(dòng)滾珠絲杠螺母21和承重軸承20旋轉(zhuǎn)并沿左滾珠絲杠4、右滾珠絲杠9的軸向作升降進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠螺母21通過承重軸承20、承重套19帶動(dòng)橫梁1作升降進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

左右橫梁升降制動(dòng)結(jié)構(gòu)的制動(dòng)過程是:按下按鈕站橫梁升降停止按鈕，左橫梁進(jìn)給箱2的2臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)25和右橫梁進(jìn)給箱6的2臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)25共4臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)25和4個(gè)失電制動(dòng)器17同時(shí)制動(dòng)，已經(jīng)制動(dòng)的4臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)25輸出軸通過聯(lián)軸節(jié)18制動(dòng)4個(gè)軸齒輪16，同時(shí)4個(gè)失電制動(dòng)器17直接制動(dòng)4個(gè)軸齒輪16，即左橫梁進(jìn)給箱2和右橫梁進(jìn)給箱6中每個(gè)箱的2個(gè)軸齒輪16同時(shí)制動(dòng)齒輪14，通過軸齒輪15與齒輪13嚙合，軸齒輪12與齒輪11嚙合，軸齒輪10與軸齒輪24嚙合，軸齒輪24與齒輪23嚙合，通過以上齒輪傳動(dòng)將伺服電動(dòng)機(jī)25的制動(dòng)扭矩傳遞給齒輪23，齒輪23通過聯(lián)軸節(jié)22制動(dòng)滾珠絲杠螺母21、橫梁1。在機(jī)床斷電情況下，在4臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)25出現(xiàn)制動(dòng)故障時(shí)，4個(gè)失電制動(dòng)器17通過以上制動(dòng)過程可以獨(dú)立制動(dòng)橫梁1，起到雙重制動(dòng)保護(hù)橫梁的作用，有效地防止橫梁1滑落事故的發(fā)生。

左右橫梁升降雙邊同步檢測(cè)機(jī)構(gòu)的工作過程是:橫梁1在左立柱5導(dǎo)軌上進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位置信號(hào)通過左光柵尺3反饋給數(shù)控系統(tǒng)，橫梁1在右立柱8導(dǎo)軌上的實(shí)際位置信號(hào)通過右光柵尺7反饋給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)左光柵尺3和右光柵尺7反饋的信號(hào)相應(yīng)控制左橫梁進(jìn)給箱2和右橫梁進(jìn)給箱6上的伺服電動(dòng)機(jī)25旋轉(zhuǎn)，使左、右滾珠絲杠上的滾珠絲杠螺母21同步旋轉(zhuǎn)，使橫梁1在左立柱5和右立柱8導(dǎo)軌上全行程上移動(dòng)時(shí)傾斜小于0.03 mm。

2 橫梁升降裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹

（1）承受載荷大、速度高。在橫梁升降進(jìn)給裝置滿負(fù)載工作時(shí)，該裝置可以驅(qū)動(dòng)總重量在140 t以上的橫梁作垂向升降數(shù)控進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，橫梁的進(jìn)給速度范圍可達(dá)0～1 000 mm/min，可以滿足重載荷切削時(shí)，雙刀架總切削力160 kN的要求。通過大量的伺服進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算后，對(duì)重型數(shù)控立式銑車床的橫梁進(jìn)給裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，該橫梁升降進(jìn)給裝置使用左右進(jìn)給箱同時(shí)驅(qū)動(dòng)橫梁，左右進(jìn)給箱上的每個(gè)進(jìn)給箱均使用雙伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，降低了電動(dòng)機(jī)軸齒輪的模數(shù)和進(jìn)給箱的外形尺寸，提高了進(jìn)給箱的傳動(dòng)效率和輸出扭矩。滾珠絲杠螺母使用八圈的高精度重載荷螺母，重載荷螺母與橫梁之間使用了重載荷軸承來承受橫梁重量。通過上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證新型橫梁升降裝置的精度、精度保持性和使用壽命。

（2）升降進(jìn)給精度高。本機(jī)床橫梁升降行程在4 500 mm以上，絲杠總長(zhǎng)度約為7 000 mm，單根滾珠絲杠承重在70 t以上，橫梁的行程長(zhǎng)，滾珠絲杠、螺母的承載要求高，橫梁升降進(jìn)給箱、滾珠絲杠、螺母?jìng)鲃?dòng)結(jié)構(gòu)是重型數(shù)控立式銑車床的核心技術(shù)難點(diǎn)，為了解決這個(gè)技術(shù)難題，筆者公司研制了滾珠絲杠固定、螺母旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠下部軸肩承重的結(jié)構(gòu)，即橫梁、刀架的總重量直接作用在滾珠絲杠下部的軸肩上，再通過主承重法蘭盤作用在立柱前部的支承體上，再通過立柱地腳墊鐵直接作用在地基上，滾珠絲杠的受力狀態(tài)最佳、精度和精度保持性最好。橫梁在左右立柱導(dǎo)軌上作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位置信號(hào)通過左右光柵尺反饋給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)左右光柵尺反饋的信號(hào)相應(yīng)控制左右進(jìn)給箱上的伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)左右滾珠絲杠螺母旋轉(zhuǎn)，使橫梁兩端始終保持同步和水平，在橫梁的全行程上，保證橫梁的傾斜始終滿足機(jī)床精度要求。

（3）橫梁升降裝置重量輕、成本低。由于取消了機(jī)械重錘，使重型機(jī)床整機(jī)的重量降低了60 t以上，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)橫梁升降裝置的結(jié)構(gòu)，徹底解決了鋼絲繩提升機(jī)械重錘和梯形絲杠、銅螺母?jìng)鲃?dòng)結(jié)構(gòu)引起的機(jī)床主要安全隱患問題，降低了機(jī)床的成本，減少了用戶維護(hù)橫梁升降裝置的成本，提高了機(jī)床的性價(jià)比。并使橫梁升降由移置運(yùn)動(dòng)改進(jìn)為W軸數(shù)控進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并同垂直刀架水平進(jìn)給運(yùn)動(dòng)X軸、工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)C軸進(jìn)行數(shù)控三軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了滑枕定懸伸等剛度切削。

（4）橫梁升降裝置的制動(dòng)安全可靠。新型橫梁升降裝置使用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，由于滾珠絲杠不自鎖，使得橫梁的制動(dòng)安全顯得尤其重要。新型橫梁升降裝置選用帶抱間的伺服電動(dòng)機(jī)制動(dòng)橫梁，同時(shí)，還使用了失電制動(dòng)器制動(dòng)橫梁，失電制動(dòng)器位于伺服電動(dòng)機(jī)輸出端和減速箱輸入端之間的位置，伺服電動(dòng)機(jī)、失電制動(dòng)器的制動(dòng)扭矩經(jīng)減速箱傳動(dòng)后制動(dòng)扭矩放大，制動(dòng)扭矩放大倍數(shù)與減速箱的降速比相同，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使伺服電動(dòng)機(jī)、失電制動(dòng)器額定制動(dòng)扭矩的規(guī)格參數(shù)降至最低。在機(jī)床斷電時(shí)，4臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)和4個(gè)失電制動(dòng)器經(jīng)減速箱將制動(dòng)扭矩放大后同時(shí)制動(dòng)橫梁。在橫梁升降伺服電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，4個(gè)失電制動(dòng)器經(jīng)減速箱將制動(dòng)扭矩放大后可以獨(dú)立制動(dòng)橫梁，新型橫梁升降裝置由于使用了失電制動(dòng)器，達(dá)到了雙重制動(dòng)、雙重保護(hù)橫梁的目的，有效地防止了在伺服電動(dòng)機(jī)制動(dòng)失效時(shí)，造成橫梁滑落事故的發(fā)生。

3 結(jié)語

筆者公司生產(chǎn)最大加工直徑12．5 m的重型數(shù)控立式銑車床，橫梁升降行程為5 m，經(jīng)過在該機(jī)床上使用后驗(yàn)證，橫梁的快速移動(dòng)速度達(dá)到了1 000 mm/min，橫梁升降W軸的定位精度小于0.034 mm，橫梁在全行程上移動(dòng)時(shí)的傾斜小于0.03 mm，重復(fù)定位精度小于0.012 mm，反向偏差小于0.006 mm。該橫梁升降裝置已被筆者公司正式申請(qǐng)了國家發(fā)明專利，專利申請(qǐng)?zhí)枮?01110402122.X。