就我國目前制造業的技術水平及經濟發展狀況而言,采用半閉環控制系統的機床應用廣泛,其加工精度很大程度上受機床精度影響,因而解決好由于機械間隙帶來的加工誤差問題,是保證加工質量的重要環節[1]。對于采用半閉環系統的機床來說,機械的制造誤差以及裝配精度對機床的最終精度起關鍵性的作用,而其中絲杠螺母副的反向間隙又是其中重要的影響因素之一[2]。作者在實踐中改造的一臺采用半閉環系統的鉆攻中心的垂直軸 Z 軸 ( 帶主軸頭) 出現了反向間隙過大、無法使用靜態反向間隙補償從而精度達不到客戶要求的狀況。經分析此反向間隙的形成原因,采用機械建模配合數控系統的電流測量等方法解決了此問題。
1 故障現象
圖1 是此鉆攻中心垂直軸 Z 軸的雷尼紹定位精度檢測曲線 ( 未經過任何補償) 。
如橢圓標記所示,定位精度在 Z 軸運行的起始段急劇下降,像一個山谷,而在反向點時更像一個山峰,而且兩條斜線幾乎平行,值非常接近。由此導致整個反向間隙不斷變化,如圖 1 所示,在兩端反向間隙大,而在行程的中段反向間隙小。機床的反向間隙補償值是一個定值,如果出現如圖 1 所示在整個行程內實際反向間隙變化較大的狀況,則很難補償,因為如果將兩端的反向間隙補到允許值以內,則中段的反向間隙值反而會超差[3]。
文中所講的 “反向間隙” 只是一種傳統的講法, 在經過預緊的滾珠絲杠副傳動中,如果軸向力不大于 預緊力的 3 倍時,并不會有真正的 “間隙” 產生, 應叫 “反向矢動量” 比較恰當[4]。
由圖 1 可見,在起始點時較短的一段距離內銑頭實際走的距離短于理論距離,可能引起這一現象的影響因素有: ( 1) 導軌直線度; ( 2) 皮帶松緊邊的變換造成的反向間隙; ( 3 ) 皮帶初始張緊力的大小; ( 4) 絲桿自身的特性[5]。經作者詳細排查及認真考慮,前 3 個因素都可排除,下面著重對第 4 點作一些分析。
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宇匠數控專業生產:高速精密 雕銑機、精雕機、石墨機、鉆攻中心、加工中心;
結論
經過建模分析和實際采集的電流驗證了鉆攻中心絲桿軸向力與電機電流的關系,并且在文中計算的基礎上為鉆攻中心配備合適的絲杠, 解決了鉆攻中心定位精度的問題。
( 1) 在鉆攻中心的整個行程內反向間隙如果變化比較大,不利于反向間隙的補償;
( 2) 當銑頭從上往下走時,絲杠鋼球間的靜摩擦力大于從下往上走時的靜摩擦力,電機的電流也小于從下往上走時的靜摩擦力;
( 3) 鋼球間靜摩擦力的變化是導致反向間隙變化的最主要因素;
( 4) 鋼球間變化的靜摩擦力 ( 正反向每一點不同) 來源于鋼球從回珠器進入滾道的過渡階段所產生的正壓力;
( 5) 如果要控制反向間隙的變化量,在絲桿導程、預壓量、長度、直徑都不能更改的情況下,優化滾珠絲杠回珠器進入滾道的過渡階段的形狀及尺寸等要素是解決此問題的最有效方法。
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