絲杠輔助支撐在GDC1640A產品中的應用

（沈陽機床股份有限公司，沈陽 110142）

1 存在的問題

GDC1640A是一款工作臺移動式龍門加工中心，該機床的X軸驅動方式是伺服電機通過齒形帶、齒形帶輪降速后與滾珠絲杠聯接，帶動工作臺在床身上前后移動，實現X軸進給運動。

如圖1所示X軸傳動方式為兩端固定的支撐方式，該產品工作臺行程4m，其安裝距離達到4850mm，X軸絲杠選用80直徑12導程。因安裝間距較長，絲杠的長徑比超過60，長徑比太大會使絲杠產生彎曲和撓度的變化（如圖1所示）。導致滾珠絲杠旋轉時產生抖動，增大運動噪聲、縮短支撐軸承和滾珠絲杠本身的使用壽命、降低機床運動精度以及機床的加工精度。

圖1 X軸絲杠安裝方式

除此之外，絲杠安裝距離過長，也會影響絲杠的許用轉速。以GDC1640A為例：

絲杠的許用轉速公式如下，N1，N2中取其小者：

其中：

λ：與安裝方法相關的系數，此處為兩端固定的安裝方式，λ=21.9。

d1：絲杠軸螺紋小徑，預選絲杠為THK BNFN8012 d1取74.1。

lb：安裝間距4850。

算出極限轉速N為689轉，計算出快移速度為8.3m/min，設計參數該軸快移速度為10m/min因速度太慢，不滿足設計要求。

從以上描述可以看出，絲杠跨距過長，將主要引發以下兩個問題：

1）絲杠自身產生的撓度會影響自身壽命以及機床加工精度；

2）絲杠安裝距離過長，會影響絲杠的容許轉速，進而影響進給軸的快移速度。

對絲杠進行預拉伸，可以略微緩解絲杠彎曲變行，然而卻不能對問題2進行有效解決。因此，為了有效解決以上兩個問題，該產品選擇在絲杠的中間增加輔助支撐的方式，不但可以縮短絲杠的安裝距離lb，還可以減少絲杠的彎曲變形。

2 輔助支撐的結構及工作原理

該輔助支撐裝置主要由支撐輪、側導輪、壓板、套筒、組合彈簧等組成。整個裝置放置于絲杠的中間位置下面，絲母座兩端安裝兩個楔形壓板，絲杠的運動過程中，該輔助支撐有以下兩種運動狀態：

1）絲母在絲杠上運行，未運動到輔助支撐處時，支撐輪處在圖示的位置1處，此時輔助支撐的支撐輪隨絲杠轉動未絲杠提供向上的支撐力，使絲杠處在平衡狀態。

2）絲母在絲杠上運行，當絲母座移動到輔助支撐裝置附近時，壓板的斜面會提前壓在輔助支撐兩側的側導輪上，使輔助支撐壓縮組合彈簧向下運動，當到達位置2時，絲母座可完全躲過支撐輪順利通過輔助支撐。當絲母座完全通過后，被組合彈簧推動支撐輪上升到位置1，重復第一步的工作狀態。

圖2 輔助支撐結構圖

圖3 運動狀態

圖4 輔助支撐安裝方式

圖5 輔助支撐三維圖

3 設計計算

1）安裝輔助支撐后的容許轉速計算

如圖4所示安裝輔助支撐后，絲杠的支撐方式由兩端固定更改為一端固定一端支撐的支撐方式。此處，λ=15.1，安裝間距lb變成了原來的一半，此處lb=2425，代入上述公式：

容許轉速取944，快移速度可達到11.3m/min，可以滿足該機床設計要求。

2）絲杠撓度計算

（1）不安裝輔助支撐時絲杠最大撓度：

q為均布線載荷標準值q=345.45N/mm；

l為絲杠安裝距離 l=4745mm；

E為鋼的彈性模量，此處取E=2.1×105mpa；

I為鋼的截面慣矩：

由此計算出Y1=0.19mm。

（2）輔助支撐裝置裝配好后提供的支撐力：

K為彈力系數（kgf/mm）；

L為彈簧總長；H為壓縮到高度；

彈簧型號分別為：

G為材料的剛性模數(kg/mm2)；G=8000。

d為彈簧的線徑；d1=10；d2=5。

Dm為彈簧的中徑；

Do為彈簧的外徑；Do1=85；Do2=55；Dm1=Do1-d1=75；Dm2=Do2-d2=55。

N為彈簧的有效圈數，N1=12.5；N2=12.5。

計算得出K1=1.9，K2=0.3。

（3）由支撐力產生的向上的撓度：

（4）安裝輔助支撐后，絲杠中心撓度：

4 安裝調試

安裝時在絲杠兩端支撐處分別打表調平，再在中點撓度最大處打表。此時，調整調整墊，調整到當絲杠下沉撓度大于0.02時，本支承才起作用。整機安裝完成進行精度檢測，各方面精精度滿足要求。

經生產實踐證明該裝置具有以下特點：

1）結構簡單，調試方便，通過調節調整墊，可以靈活調整彈簧的壓縮力。

2）該裝置無電氣、液壓和氣動控制，價格較低，可有效降低產品成本。

5 結束語

在機床的工作過程中，絲杠產生的撓度變形帶來的危害很大，除了會影響絲杠的壽命和傳動效率，還會影響機床的加工精度。本文以GDC1640A X軸絲杠拖動為例給出了一種長滾珠絲杠輔助支撐的裝置的設計計算過程。應用時可根據實際使用條件進行合理設計。不僅提高了機床的精度，并且大大降低了機床的成本，取得很好的效果。