立式加工中心進給系統摩擦參數的測定

楊紅軍

（寶雞機床集團有限公司，陜西寶雞 721013）

立式加工中心廣泛用于各種機械加工行業，是應用很廣泛的基礎制造裝備。寶雞機床集團有限公司針對市場需要，研發了VMC850B滑動導軌立式加工中心新產品。產品在樣機試制檢測過程中，發現在空載狀態下機床XYZ軸伺服驅動電動機扭矩負載個別達到80%，普遍達到40%，通過查閱數控系統資料［1］和檢查其他廠家同規格機床，存在電動機負載偏大的問題。對機床用戶而言，過大的電動機負載會減小切削力，降低機床的加工效率。對主機廠家而言，不正常的電動機扭矩可能反映了產品在設計、裝配和配套件質量、選型方面存在的問題。因此，這一問題必須得到分析與解決。

1 思路與方法

1．1 伺服進給驅動的結構

一般立式加工中心的進給系統包括被驅動的工作臺及其導軌副系統，絲杠及其支撐系統，聯軸器或齒帶組成的傳動系統，伺服電動機驅動系統。以VMC850B的X軸為例:被驅動的導軌副系統包括工作臺物理重量、工作臺滑動導軌副和工作臺壓板鑲條和導軌側鑲條;絲杠及其支撐系統包括絲杠螺紋副，絲杠專用軸承和軸承的密封件等;傳動系統采用聯軸器直聯結構;伺服驅動系統采用FANUC的伺服驅動系統及驅動電動機。具體結構如圖1所示。

1．2 思路與方法

因X軸在水平面內運行，所以空載扭矩都是摩擦產生的，包括各種直線運動的摩擦力和回轉運動摩擦扭矩。顯然測定各種摩擦的大小，判斷其是否在正常范圍是解決問題的關鍵，所以可采用逐層累加測量扭矩的辦法，每次只增加一個摩擦環節，逐個測定各種摩擦的實際大小。由各種摩擦因素實際扭矩的大小，根據設計條件和相關配套件技術資料就可判斷產生扭矩過大的原因。

2 逐層測定

在絲杠電動機端施加可測定的扭矩來驅動絲杠轉動，記錄驅動不同層次的扭矩，每次增加的摩擦環節產生增加的扭矩。扭矩的簡單經濟測量方法是測定力臂和力的大小，本測定采用了彈簧拉力計來測量力的大小，用機床裝配中使用的絲杠搖把作為驅動搖臂。測量中分別抽取了3個樣本機床，以消除裝配、測量等造成的隨機誤差，也能了解機床裝配一致性問題。表1為測量后去掉個別明顯偏離數據后的平均測量結果。

表1 VMC850B X向摩擦扭矩測量結果記錄

3 數據分析與問題解決

表2是根據表1測量結果計算的各相關零部件摩擦參數及其所占比率。

表2 零部件摩擦參數及其所占比率

由表2結果來看，鑲條和絲杠螺母產生的摩擦所占比重最大，應重點分析是否存在問題。

首先，測量的單端軸承扭矩0.295 N·m，因軸承采用脂潤滑，沒有經過跑合，脂沒有形成潤滑薄膜，脂的粘性阻力較大，機床經跑合運轉，實際軸承運轉扭矩應小于上述測量值0.295 N·m，該規格軸承樣本參數的啟動扭矩0.2 N·m［2］，與軸承實際運轉扭矩比較接近，而軸承扭矩在整個摩擦扭矩中相對較小，如對進給系統進行理論計算，完全可采用軸承的啟動扭矩來代替運轉扭矩。據此，軸承的摩擦扭矩應該是在正常范圍內。

對于絲杠密封結構，橡膠密封圈的摩擦扭矩沒有現成的理論和實測數據，無法準確判斷該值大小是否在正常范圍。對機床整機而言，通過本次實測結果，橡膠密封圈的摩擦扭矩對機床電動機負載具有不可忽略的作用，是以后改進設計的方向。但整體而言，密封圈摩擦阻力影響有限，并且其設計、裝配合理，在本公司其他產品上應用也比較廣泛，不應該是問題的關鍵所在。密封結構能否改進，減小或去除密封摩擦是本機床進給系統改進設計的方面之一。

絲杠螺母摩擦扭矩所占比率較大，應重點分析其是否正常。絲杠螺母的摩擦扭矩Tp具有成熟的理論計算方法，其計算公式為［3］

式中:Tp為螺母摩擦扭矩，N·mm;β為絲杠導程角;Fa0為絲杠螺母的預壓負載，N;Ph為絲杠導程，mm。

由絲杠技術圖紙要求，絲杠螺母規格為4008－5，雙螺母預緊，預緊量Fa0=0.07Ca，根據式（1）計算的Tp=0.64 N·m，實測扭矩大大超過標準值。同時在裝配過程中，該品牌絲杠螺母轉動手感偏重，個別出現通長轉動扭矩不一致甚至憋死現象。據此判斷該批絲杠存在一定的質量問題。

單純由被拖動件自重引起的摩擦在3個樣機各進給軸的測定中體現一致，由表2摩擦扭矩0.44 N·m計算的摩擦系數μ=0.15，是簡單的摩擦問題。值得注意的是，單純由系統自重和摩擦系數產生的摩擦扭矩并不大，只占總空載扭矩的9.2%，所以在數控機床進給系統的設計中，只考慮摩擦系數的設計存在很大的誤差［4］，需特別引起注意。

工作臺導軌較長，共設計有6根鑲條。根據實測，因鑲條嵌入而增加的摩擦扭矩占39%，比率偏大。根據實際觀察和詢問裝配技工，鑲條預緊是按以往習慣方式預緊。由此分析，在多鑲條導軌系統中，不能按一種預緊力預緊鑲條，因遵循定力預緊原則，即鑲條愈多，單根鑲條的預緊力就要越小，只要同側鑲條總預緊力達到使用要求即可。同時在多鑲條裝配過程中，要克服多根鑲條彼此松緊不一致現象，防止個別鑲條預緊過大造成負載過大的假象，這種假象對機床精度和切削能力影響很大。

綜合上述絲杠預緊過大和鑲條預緊問題，首先我們要求配套廠家提供符合預緊技術要求的滾珠絲杠產品。新絲杠通過實測螺母摩擦扭矩在0.6 N·m。同時，根據上述方法檢查、調整了所有機床工作臺的鑲條。經裝配，整機軸向伺服電動機空載負載為25% ～30%，比原先降低了15%左右，同時跟蹤檢查整機精度和加工能力，都達到設計要求，至此問題基本得到解決。

4 結語

絕大部分有關滾珠絲杠進給系統的設計資料中并未考慮鑲條對摩擦力的影響因素，只是單純考慮了與拖動重量有關系的摩擦系數。實測數據表明鑲條、壓板對機床負載的影響很大，而且控制鑲條合理的松緊也是裝配很重要的環節。所以在機床的設計、裝配環節要特別注意，鑲條松緊控制的理論和裝配控制方法需要進一步探討。再者，軸承等元件的密封結構也會產生不可忽略的摩擦，影響電動機負載的大小，也是許多設計指導資料中忽略的環節，在數控機床進給系統的設計中同樣要有所考慮。設計改進軸承密封結構，進一步減小或去除密封產生的不必要的摩擦扭矩，對減小機床電動機負載，提高加工能力和節約能源都有一定的益處。最后，在數控機床進給系統中控制關鍵配套件的質量需要必要的措施和有效管理，需足夠重視。

摩擦參數的測定與方法能為機床產品特別是加工中心類產品的設計、裝配提供必要的參考，對產品研發設計的準確性具有實際指導價值。

［1］FANUC a伺服電動機規格說明書［Z］．B－65262EN．

［2］NSK 精機產品．日本精工株式會［Z］．2011:B386．

［3］THK 直線運動系統 A 產品解說［Z］．THK Co．，Ltd．，2011:A15－23．

［4］夏田．數控加工中心設計［M］．北京:化學工業出版社，2007:66．