高速横梁的动态特性提升分析

0 引言

随着数控激光切割机的快速发展，笔者公司开发的数控激光切割机的空运行速度达到了100 m/min以上。当机床高速切割时，横梁的质量相对较重，为了达到较好的轨迹精度，要求横梁的传动刚性要好，其对机床高速加工的精度将产生直接影响。为此对横梁传动刚性的提升，进行了分析探讨。

2 横梁的传动结构

图1 横梁3D图

图2 传动示意图

如图1所示，横梁在激光切割机上，通过两端的直线导轨支撑及导向，双伺服电机分别带动减速箱，通过齿轮齿条，沿X轴方向运动。由图2传动示意图可知，伺服电机轴安装于减速箱的空心轴内，外面安装了锁紧套。开口的锁紧套通过螺钉胀紧电机轴，达到传递扭矩的目的。减速箱的输出轴通过胀紧套与齿轮内孔胀紧，实现横梁的传动功能。

3 存在的问题及解决方法

3.1 存在的问题

该横梁的传动方式在二氧化碳激光切割机上的应用较成熟。在开发光纤激光切割机时，沿用了该结构。在机床可靠性试验时，进行如图3所示的检验样件切割，目测发现拐角后有短距离振荡小波纹，不符合机床验收标准。

3.2 问题分析

造成振荡小波纹的可能原因较多，逐项排查时间长，也较费力。参考试验设计中介绍的B vs.C方法（C表示当前产品，B表示更好的产品），该横梁传动结构在二氧化碳激光切割机上应用较好，而应用到光纤激光切割机上却发现异常。对比分析，由于二氧化碳激光器本身的特性，切割1 mm不锈钢时，速度最大可达到20～24 m/min。而光纤激光器由于波长更短，焦斑更细，切割1 mm不锈钢时，速度更快，已经达到60 m/min。切割不锈钢时，提升切割速度有利于提高用户加工效率及降低切割断面的粗糙度。根据运动学公式：V2=2aS中的速度、加速度和位移的关系，为了在较短的距离内达到较高的速度，试验时提升了加速度，以便提升动态性能。初步分析比较，振荡波纹与加速度的提升有关联。

图3 样件示意图

图4 传动示意图

借鉴强化应力试验方法，逐级提升加速度进行试验，可以快速发现失效原因。加速度分别以4～9 m/s2的整数值递增，发现设定加速度大于6 m/s2后，波纹明显恶化，机床其它部分未有异常现象。说明伺服电机的扭矩大小足够；振荡波纹应该与X轴的传动刚性有关,并且振荡波纹呈现逐渐衰减现象，未出现其它非预期滑移位移，说明问题出现在减速箱的传动刚性上。

3.3 解决方法

图2所示为轴输出形式的减速箱结构，查阅资料，其扭转刚度为：53Nm/（′）。对比法兰输出形式的减速箱，其扭转刚度为：145Nm/（′），产品价格略有增加。改进设计的采用法兰输出的减速箱如图4所示。

将法兰减速箱装到机床上验证，同样按照图3所示检测样件，同理进行加速度强化试验，加速度提升至12 m/s2时，检测样件振荡波纹不明显。经可靠性试验验证效果良好，符合机床检验要求。

4 结语

该传动结构的改进，提升了机床的动态性能，满足了机床新的切割工艺需求。成本增加不多，性价比高。保证了新产品的正常试制，产品已通过省级新产品鉴定，现已批量生产，给公司带来了一定的经济效益。