钱忠杰，陈再良，钱文海

(苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215000)

0 引言

作为机床整个系统中比较重要的组成部分，进给系统的静态特性对机床加工工件的质量和精度影响很大，不少学者对此展开了相关的研究。ZAEH M F等[1]利用有限元法建立滚珠丝杠副的有限元模型，并讨论了滚动结合面的建模方法；张陈灵等[2]针对进给系统中滚珠丝杠副的载荷分布情况进行了分析；宣贺等[3]从丝杠振动对机床精度的影响方面，对进给系统中滚珠丝杠副的动态特性进行了相关研究。目前，国内外对于水平方向进给系统的研究不少，但对于竖直方向进给系统的研究相对比较缺乏。

苏州某公司生产的FMXT-2000落地镗铣床的y轴采用的是双丝杠驱动结构，其受力状况与水平方向的进给系统完全不同。理论上，以驱动工作台作水平方向运动的进给系统为例，工作台以及工件的重力完全施加在导轨上，滚珠丝杠副几乎不承受径向载荷。而对于FMXT-2000落地镗铣床的y向双驱进给系统而言，主轴箱和滑枕系统的重力几乎完全施加在滚珠丝杠副上，导轨与滑块之间摩擦力极小，所以计算中不予考虑。本文以FMXT-2000落地镗铣床的y向进给系统为研究对象，用ANSYS Workbench对其进行有限元分析。根据分析结果拟合补偿曲线，并对y向双驱进给系统提出了几种优化方案。

1 y向双驱进给系统结构

FMXT-2000落地镗铣床y向双驱进给系统主要包括电机、滚珠丝杠副、支承轴承、主轴箱、导轨滑块及立柱，如图1所示。2台电机驱动2根丝杠转动，使得主轴箱沿导轨方向完成y向的直线运动。FMXT-2000落地镗铣床y向行程3500mm，丝杠直径80mm，跨距800mm，导轨跨距1410mm。与单驱进给系统相比，双驱进给系统的轴向静态刚度有很大的提升[4]，在竖直方向采用双丝杠驱动可以使主轴箱的运动更加平稳可靠。

图1 y向双驱进给系统结构图

2 静力分析

静力分析主要是研究结构在给定载荷作用下的变形。y向进给系统除了受自身和主轴箱及滑枕的重力作用外，还受切削力的影响。主轴箱重约35000N，滑枕重约26000N。关于切削力的计算，以直径为125mm，齿数为6的YG8硬质合金端面铣刀为例，计算得出主切削力为5190.27N，进给抗力为1816.59N，吃刀抗力为4671.24N。

2.1 不同工况下静力分析

以x方向铣削为例，顺铣和逆铣时，切削力的方向会发生改变，对进给系统的整体变形也会产生影响。在用ANSYS Workbench进行静力分析之前，为提高运算效率及仿真结果的准确性，需要先对y向双驱进给系统的模型进行简化，图2为简化后的结果。

图2 y向双驱进给系统简化模型

定义完材料以及接触类型后，需要进行模型网格的划分。为了在节省计算时间的同时使分析结果更加准确，规定主轴箱网格单元大小为100mm，其他组件为80mm。最后添加载荷和约束条件。本节对空载、顺铣和逆铣3种情况进行分析，分析结果如图3和表1所示。

图3 y向双驱进给系统整体变形图

表1 静力变形结果 单位：mm

由分析结果可见，3种不同工况下的整体变形较为相近，说明切削力对其的影响相对较小，后续的分析中则可主要考虑空载情况。

2.2 误差分析

FMXT-2000落地镗铣床y向定位误差主要来源有y轴双驱进给系统的变形和z轴滑枕系统的挠曲变形。陆历历[5]已针对该公司生产的同类型滑枕挠曲变形的耦合补偿进行了研究，优化之后滑枕的最大变形量不超过7μm，所以可忽略z轴滑枕系统的挠曲变形。本节对主轴箱处于不同位置时y向双驱进给系统的整体变形进行分析，取主轴箱位置间隔为200mm，分析y向双驱进给系统如图4所示位置的y向最大变形量。将所得到的数据绘制成如图5所示的曲线，并在y轴进给系统装配完成之后根据数据进行补偿。

图4 双驱进给系统y向变形图

图5 双驱进给系统y向静力变形曲线

2.3 定位精度测量

在定位精度测量试验中，选用的仪器是RENISHAW XL-80轻型激光干涉仪，其性能指标如表2所示。

表2 RENISHAW XL-80测量系统性能指标

实验准备工作完成后，控制机床进行y轴往返运动共5次，每运动300mm停1次，进行计数。将所测得的数据按照德国标准VDI 3441绘制成图6所示曲线。从图6的曲线可看出，经过补偿之后的机床y向定位精度为0.008mm，满足国家标准要求的0.02mm/1000mm及全长不超过0.028mm。

图6 FMXT-2000落地镗铣床y轴精度曲线

3 优化方案

根据本文静力分析结果，双驱进给系统的变形主要发生在滚珠丝杠副和主轴箱的y向，可知主轴箱及滑枕质量和滚珠丝杠副刚度对进给系统静态特性有着很大的影响。从主轴箱方面考虑，可以进行轻量化设计，或者添加平衡装置平衡部分重力，本文对此不作深入研究。而从滚珠丝杠副轴向刚度方面考虑，丝杠直径大小对丝杠轴向的刚度有着很大的影响[6]。

在相同约束和载荷条件下，本节通过改变丝杠直径的大小，以80mm、85mm、90mm、95mm和100mm的丝杠直径分别建立不同的模型，并用Workbench软件进行相应的分析，将分析所得的变形量数据绘制成如图7所示曲线。

图7 系统整体变形与丝杠直径关系曲线

从分析结果可以看出，y向双驱进给系统的整体变形随着滚珠丝杠直径的增大而逐渐减小，并且减小的趋势和幅度也逐渐下降。与此同时，滚珠丝杠直径的增大，除了对安装尺寸及要求的影响，在工作过程中，转动惯量的增大也会引起更大的振动。因此在丝杠选型的过程中，不可为了减小双驱进给系统的整体变形而盲目使用直径过大的丝杠，而应考虑多种因素，确定最合适的直径大小[7]。

4 结语

本文以FMXT-2000落地镗铣床y向双丝杠驱动进给系统为例，对竖直方向的双驱进给系统进行静态特性分析。利用ANSYS Workbench对其进行有限元分析，并根据主轴箱在y轴不同位置时进给系统的y向变形量进行补偿，使其定位精度符合国家标准要求。同时，分析结果发现，切削力对y向进给系统变形影响很小，而主轴箱及滑枕质量和滚珠丝杠副刚度对进给系统静态特性的影响相对较大，从而影响y向双驱进给系统的定位精度。针对这两点提出了不同的优化方案，并对滚珠丝杠直径对进给系统整体变形的影响进行了分析，为同类机床竖直方向进给系统的设计和改进提供了参考。