浅谈双滚珠丝杠同步驱动的应用

浅谈双滚珠丝杠同步驱动的应用-隆创日盛

前言

工具机的技术水平已经为国家生产力和工业实力的重要指标。在工具机的发展中，为提升加工系统的产能与加工质量，高速与高精度为成为关键，如何提升加工速度与加工精度已成为工具机发展的重要课题。提升工具机加工的生产效率，就必须要在有限的行程内提高速度，但随着速度的提升，驱动工作平台或者主轴的驱动力也必然随着增大，在高速进给时，瞬间的驱动力很容易引起振动现象的产生，一旦加工过程中有振动产生，便会导致加工精度的降低，进而影响到工件的加工质量，因此往往无法同时兼顾高速度与高精度的需求，要求加工精度的同时就无法提升加工速度。

工具机瞬间加减速时的振动现象，起因主要来自于驱动系统的结构刚性及惯性匹配不佳所致，因此只要加强进给系统的结构刚性就可以有效的减少高速进给时所引起的振动。当进给系统的结构刚性增加时，往往会造成载台基座的质量增加，进给系统的质量越大时，所需要的驱动动力就必须相应加大，由于受限于机台的空间设计(如主轴马达的配置空间考虑等)，使载台基座的质量受到限制。

由于上述的各项因素，工具机在驱动轴的设计上逐渐开始采用双螺杆的驱动架构，此方式不但可以增加进给系统的结构刚性，还可以减少因驱动力偏心所引起的力矩影响，双马达的驱动方式，除了可加强系统的驱动力外，也可提升系统的应答速度。

双轴同步驱动的优点:

双轴驱动的应用通常是为了得到较大的负载能力或者针对大跨距的载卸系统所使用，因此在使用上的主要的需求并非着重在高速切削上。但随着相关技术的发展，工具机需求的速度与精度不断提升，双轴驱动的设计也开始应用于高速的加工中心上，用以抑制因高速进给时所产生的振动。总括目前双轴驱动的应用，主要有以下几项优点，以下将针对各项优点做更详细的讨论。

(1) 抑制高速时的振动

(2) 提高系统刚性，延长螺杆使用寿命

(3) 提升系统响应

(1) 抑制高加减速时的振动

如同前述所提的，于高速的应用下若要降低高加减速所引起的振动现象，提升进给系统的结构刚性是最简易的解决方法，但由于往往受限于整体设计的零件与电控配置限制，使得载台基座的结构设计受限。一般常见的工具机进给系统配置如图一所示，X轴的载台设置于Y轴的鞍座上，由X轴与Y轴的连动来带动工件移动。于配置上，Y轴的螺杆会设置于鞍座的中间正下方位置，主要是会了避免驱动力偏离中心所造成的额外力矩影响，如图二所示。这样的配置方式，当X轴上载台的位置位于Y轴上鞍座的中间位置正上方时确实可以有效的降低偏心的影响，但当X轴上的载台移动到两端时，此时整体系统的质量中心位置便随着载台的移动而偏向其移动的方向，此时Y轴的驱动力便无法作用于系统的质量中心上，偏心力所产生的力矩便会影响到进给系统的稳定性。

图一、工具机X、Y定位载台的设计架构[1]

图二、滚珠螺杆驱动系统架构示意图

针对此问题，日本工具机厂森精机率先提出重心驱动(Drive at the center of gravity)的应用概念，透过双滚珠螺杆同步驱动的方式，使驱动力作用于整个进给系统的质量中心部，如图三所示。由于相对于载台的重量来说，工件本身的重量要小的许多，且于垂直轴上因高度差所产生的力矩并不大，因此只要尽可能的使滚珠螺杆的驱动力与重心位于同一水平面上便可以有效的抑制其振动现象。

图三、NV4000 DCG双轴驱动配制示意图[2]

根据森精机所提出的测试结果，如图四所示，令X、Y载台运行一矩形的行进轨迹，当载台只有于X轴上移动时(矩形的长边)，单轴驱动与双轴驱动结果的比较并无明显的差异，但当Y轴开始驱动时(矩形的短边)，相较于传统的单轴驱动方式，双轴驱动的振动现象有明显的改善。

图四、双轴驱动与单轴驱动的实验结果比较[1]

(2) 提高系统刚性，延长螺杆使用寿命

加工中心在模具加工的应用上，在曲面加工时，加工的轨迹是由无数的小线段所构成，如图五所示，加工的过程中，刀具必须不断的转换方向，在这些转弯的过程中，驱动系统需要提供较大的加速度来改变刀具的行进方向。随着加速度的提升，驱动系统所需的驱动力也相对提升，此时若进给系统的刚性不足时，就容易于转折点发生过冲的问题。

图五、曲线加工轨迹示意图

驱动系统在轴向上的刚性主要来自于传动动力用的滚珠螺杆，而滚珠螺杆的外径随着螺杆的外径加大而提升，可以想象的，希望驱动系统的刚性越大，就应选用外径越大的滚珠螺杆，但在机台设计的空间限制下，螺杆可选用的外径大小受到了限制。采用双轴驱动的设计，即使选用外径规格较小的螺杆也可以得到较大的刚性，在有限的空间下仍旧可以满足高刚性的需求。如图六所示，采用两支外径40mm的滚珠螺杆，于轴向上的刚性较单支外径50mm

时的刚性提升了45%。

图六、单支螺杆与双轴螺杆的刚性比较

双轴驱动的应用中，由于轴方向上的负载是由两支滚珠螺杆平均分担，因此施加于每支螺杆上的负载约为单轴驱动时的一半，可以大幅的提升滚珠螺杆的使用寿命，如图七所示，采用

两支外径40mm的滚珠螺杆，其使用寿命是单支外径50mm时的3.7倍。为了达到更大的出力与更高的使用寿命，这样的设计被应用于全电式射出成型机的射出轴上，图八所示为JSW 的大型全电式射出成型机的应用。

图七、单轴驱动与双轴驱动的使用寿命比较

图八、JSW双轴伺服驱动系统[3]

(3) 提升系统响应

采用双轴驱动的架构设计，由于负载平均由两支螺杆来分担，因此既使选用螺杆外径小一号的规格也可以得到优于单轴驱动时的使用寿命，由于螺杆的外径缩小，且具备两颗马达来同时驱动，因此实际上单颗马达所需要的出力会低于单马达驱动的设计，故马达的惯性矩也会随着大幅降低，表一为双轴驱动的应用例与单轴驱动的应用例比较，当载重为500kgf、螺杆最大行程为1200mm时，驱动系统的惯性矩下降52%。由于负载惯性矩降低了，在同样的驱动力之下，马达可以达到更高的加速度，整体驱动系统的响应也随着提升。

表一、单轴驱动与双轴驱动的惯性矩比较