高速橫梁的動態特性提升分析

何承義

（江蘇金方圓數控機床有限公司,江蘇 揚州225009）

0 引言

隨著數控激光切割機的快速發展，筆者公司開發的數控激光切割機的空運行速度達到了100 m/min以上。當機床高速切割時，橫梁的質量相對較重，為了達到較好的軌跡精度，要求橫梁的傳動剛性要好，其對機床高速加工的精度將產生直接影響。為此對橫梁傳動剛性的提升，進行了分析探討。

2 橫梁的傳動結構

圖1 橫梁3D圖

圖2 傳動示意圖

如圖1所示，橫梁在激光切割機上，通過兩端的直線導軌支撐及導向，雙伺服電機分別帶動減速箱，通過齒輪齒條，沿X軸方向運動。由圖2傳動示意圖可知，伺服電機軸安裝于減速箱的空心軸內，外面安裝了鎖緊套。開口的鎖緊套通過螺釘脹緊電機軸，達到傳遞扭矩的目的。減速箱的輸出軸通過脹緊套與齒輪內孔脹緊，實現橫梁的傳動功能。

3 存在的問題及解決方法

3.1 存在的問題

該橫梁的傳動方式在二氧化碳激光切割機上的應用較成熟。在開發光纖激光切割機時，沿用了該結構。在機床可靠性試驗時，進行如圖3所示的檢驗樣件切割，目測發現拐角后有短距離振蕩小波紋，不符合機床驗收標準。

3.2 問題分析

造成振蕩小波紋的可能原因較多，逐項排查時間長，也較費力。參考試驗設計中介紹的B vs.C方法（C表示當前產品，B表示更好的產品），該橫梁傳動結構在二氧化碳激光切割機上應用較好，而應用到光纖激光切割機上卻發現異常。對比分析，由于二氧化碳激光器本身的特性，切割1 mm不銹鋼時，速度最大可達到20～24 m/min。而光纖激光器由于波長更短，焦斑更細，切割1 mm不銹鋼時，速度更快，已經達到60 m/min。切割不銹鋼時，提升切割速度有利于提高用戶加工效率及降低切割斷面的粗糙度。根據運動學公式：V2=2aS中的速度、加速度和位移的關系，為了在較短的距離內達到較高的速度，試驗時提升了加速度，以便提升動態性能。初步分析比較，振蕩波紋與加速度的提升有關聯。

圖3 樣件示意圖

圖4 傳動示意圖

借鑒強化應力試驗方法，逐級提升加速度進行試驗，可以快速發現失效原因。加速度分別以4～9 m/s2的整數值遞增，發現設定加速度大于6 m/s2后，波紋明顯惡化，機床其它部分未有異?，F象。說明伺服電機的扭矩大小足夠；振蕩波紋應該與X軸的傳動剛性有關,并且振蕩波紋呈現逐漸衰減現象，未出現其它非預期滑移位移，說明問題出現在減速箱的傳動剛性上。

3.3 解決方法

圖2所示為軸輸出形式的減速箱結構，查閱資料，其扭轉剛度為：53Nm/（′）。對比法蘭輸出形式的減速箱，其扭轉剛度為：145Nm/（′），產品價格略有增加。改進設計的采用法蘭輸出的減速箱如圖4所示。

將法蘭減速箱裝到機床上驗證，同樣按照圖3所示檢測樣件，同理進行加速度強化試驗，加速度提升至12 m/s2時，檢測樣件振蕩波紋不明顯。經可靠性試驗驗證效果良好，符合機床檢驗要求。

4 結語

該傳動結構的改進，提升了機床的動態性能，滿足了機床新的切割工藝需求。成本增加不多，性價比高。保證了新產品的正常試制，產品已通過省級新產品鑒定，現已批量生產，給公司帶來了一定的經濟效益。

工程技術人員在新產品開發中，可以在已有工程知識的基礎上利用試驗設計（DOE）介紹的多種方法，綜合運用，就能快速找到問題，通過對暴露的問題進行分析，即可快速解決問題。

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