張曉龍 艾學(xué)崇 李海南 董雷 張錦楓 宮正軍
(一汽模具制造有限公司,長(zhǎng)春130013)
伺服滑臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱滑臺(tái))是白車身焊裝行業(yè)重要的夾具切換設(shè)備,其上的夾具通過(guò)水平移動(dòng)實(shí)現(xiàn)位置的切換。相較于轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)轂等回轉(zhuǎn)類夾具切換形式,夾具水平移動(dòng)在工藝工位形成的干涉區(qū)更小,更有利于工藝機(jī)械手接近,因此滑臺(tái)的工藝接近性更好,布局也相對(duì)靈活。又由于其采用齒輪齒條傳動(dòng),可靠性優(yōu)良,因此應(yīng)用較為普遍。但同時(shí),伺服滑臺(tái)也有占地面積較大、多工位切換效率不高的問題,這也是限制其使用的重要原因。
滑臺(tái)(圖1)一般由基架、滑車、滾珠導(dǎo)軌副、齒輪齒條副、伺服減速電機(jī)及控制系統(tǒng)構(gòu)成,其中滾珠導(dǎo)軌副、齒輪齒條副和伺服減速電機(jī)構(gòu)成了伺服滑臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?;苁腔_(tái)的基礎(chǔ),固定在地面上?;苌线€配備有輔助定位機(jī)構(gòu),用于滑車到位后機(jī)械精定位?;嚳稍隍?qū)動(dòng)系統(tǒng)的帶動(dòng)下沿導(dǎo)軌水平移動(dòng),用于承載夾具等設(shè)備。伺服減速電機(jī)安裝在滑車上,其輸出端裝有齒輪。齒輪與固定在基架上的齒條相嚙合,當(dāng)齒輪在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過(guò)齒輪齒條的嚙合傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)滑車移動(dòng)。滾珠導(dǎo)軌副用于支撐滑車以及給滑車導(dǎo)向,依靠其自身高精度確保滑車沿直線運(yùn)動(dòng)。
圖1 伺服滑臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成
由滑臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成可以看出,滑車到位后的位置精度由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中滾珠導(dǎo)軌副的尺寸精度和動(dòng)力裝置的停止精度共同決定。同時(shí),為實(shí)現(xiàn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的夾具切換,滑臺(tái)需要能夠達(dá)到一定的滑移速度,而這同樣主要取決于其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。因此,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)功能和滿足工藝要求具有至關(guān)重要的作用。焊裝行業(yè)常用的滑臺(tái)由伺服減速電機(jī)驅(qū)動(dòng),經(jīng)過(guò)齒輪齒條嚙合傳動(dòng),實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)部件的水平移動(dòng)。按照使用需要,其水平運(yùn)動(dòng)速度一般在0.50~3.00 m/s,定位精度可達(dá)±0.02 mm或者更高。
滑臺(tái)的功能性和可靠性很大程度上取決于其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能,因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是滑臺(tái)設(shè)計(jì)的核心,其設(shè)計(jì)流程如圖2所示。
圖2 設(shè)計(jì)流程
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前,首先需要根據(jù)使用要求,擬定滑臺(tái)的速度曲線,即確定滑臺(tái)最大速度和加速度等參數(shù)。通常,滑臺(tái)最大速度為0.5~3 m/s,加速度一般為1~4 m/s2,具體視使用要求而定。典型的滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程是勻加速、勻速、勻減速,其速度曲線如圖3所示。
圖3 滑臺(tái)速度曲線
根據(jù)加速度等參數(shù)可推導(dǎo)出滑臺(tái)的驅(qū)動(dòng)力,滑臺(tái)的移動(dòng)速度即是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)速度,如此可得到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的2項(xiàng)主要?jiǎng)恿?shù),驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)速度。
滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算如公式(1)。
式中,F(xiàn)為滑臺(tái)水平驅(qū)動(dòng)力;μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù),一般取0.05;m為滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)部件的總質(zhì)量;g為重力加速度常數(shù);a為滑臺(tái)設(shè)計(jì)加速度。
確定動(dòng)力參數(shù)后即可開始驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的零部件設(shè)計(jì),步驟如下:
a.根據(jù)滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)力初選齒輪齒條參數(shù),包括材料、模數(shù)、齒輪齒數(shù);
b.跟據(jù)齒輪齒條參數(shù)初選伺服減速電機(jī)參數(shù),如輸出扭矩、減速比、輸出軸徑向負(fù)荷;
c.根據(jù)電機(jī)參數(shù)校核齒輪齒條副的強(qiáng)度,若強(qiáng)度足夠則可確定電機(jī)及齒輪齒條的基本參數(shù),進(jìn)而確定電機(jī)相關(guān)輔件的型號(hào),若強(qiáng)度不足,則需要調(diào)整齒輪齒條參數(shù),重新進(jìn)行電機(jī)選型和校核,直至滿足要求;
d.齒輪齒條副、伺服減速電機(jī)確定之后,進(jìn)行滾珠導(dǎo)軌副的選型以及其它機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
在焊裝行業(yè),滑臺(tái)上常用的齒輪齒條精度等級(jí)一般為國(guó)標(biāo)8級(jí)[1],通常為正齒或斜齒圓柱齒輪齒條。以正齒圓柱齒輪齒條為例,介紹齒輪齒條副的設(shè)計(jì)方法。
滑臺(tái)齒輪齒條常用材料有45鋼、42CrMo等,經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理或齒面高頻淬火后使用。45鋼為優(yōu)質(zhì)碳素鋼,成本低廉,用作齒輪材料時(shí),一般用于負(fù)載不大、速度不高的場(chǎng)合。42CrMo為超高強(qiáng)度鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有較高的疲勞強(qiáng)度,低溫沖擊韌性良好,成本相對(duì)較高,用作齒輪材料時(shí),一般用在負(fù)載較大或有一定沖擊的場(chǎng)合。表1所列為2種材料在不同熱處理方式下的彎曲和接觸疲勞極限。
表1 常用齒輪材料的性能
當(dāng)選擇齒輪齒條材料時(shí)應(yīng)當(dāng)注意,齒輪齒面硬度一般要比齒條高10%~20%,這樣有助于降低傳動(dòng)副的磨損,提高使用壽命。表2所列為推薦的齒輪齒條齒面強(qiáng)度組合。
表2 推薦齒輪齒條齒面強(qiáng)度組合 10 N/mm2
齒輪齒條設(shè)計(jì)中,強(qiáng)度方面主要考慮齒根彎曲強(qiáng)度和齒面接觸強(qiáng)度,在齒輪材料及熱處理方式已確定的條件下,這2項(xiàng)參數(shù)與齒輪的模數(shù)和直徑等有關(guān)。
初選齒輪齒條參數(shù)時(shí),首先確定齒輪齒數(shù),滑臺(tái)用的齒輪齒數(shù)一般在20~30之間,齒數(shù)過(guò)少會(huì)出現(xiàn)根切及傳動(dòng)不穩(wěn)定,齒數(shù)過(guò)多則會(huì)造成減速器負(fù)載增加以及負(fù)載慣量增大。齒數(shù)選定后,可按照齒根彎曲強(qiáng)度或者齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算齒輪模數(shù),表3為公式中的參數(shù)列表。
按照齒根彎曲強(qiáng)度,齒輪模數(shù)計(jì)算如公式(2)。按照齒面接觸強(qiáng)度,齒輪模數(shù)計(jì)算如公式(3)。
機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[2]等相關(guān)資料中對(duì)表3中參數(shù)的選擇范圍及方法有詳細(xì)描述,限于文章篇幅,這里不做詳細(xì)介紹。
表3 公式參數(shù)表
對(duì)于硬齒面齒輪(經(jīng)過(guò)齒面硬化處理的齒輪)來(lái)說(shuō),其齒根彎曲強(qiáng)度相對(duì)較弱,而軟齒面齒輪(未經(jīng)齒面硬化處理的齒輪)的齒面接觸強(qiáng)度較弱。因此,當(dāng)選用硬齒面齒輪時(shí),根據(jù)公式(2)初選齒輪模數(shù),而當(dāng)選用軟齒面齒輪時(shí),需根據(jù)公式(3)初選齒輪模數(shù)。
根據(jù)公式(2)、公式(3)計(jì)算齒輪模數(shù)時(shí),不等式右側(cè)的計(jì)算結(jié)果通常為小數(shù),齒輪模數(shù)可選擇較之大一級(jí)或二級(jí)的優(yōu)選模數(shù),優(yōu)選模數(shù)包括3、4、5、6、8等。例如,計(jì)算結(jié)果為4.78,齒輪模數(shù)優(yōu)先選擇5或6。
一些專業(yè)的齒輪齒條銷售廠家有自己較為完善的齒輪齒條選型樣本或選型軟件。借助這些樣本或軟件,能夠快速選擇齒輪齒條參數(shù)同時(shí)降低計(jì)算工作量。圖4所示為某品牌齒條樣本示例。
圖4 齒條樣本
按照初步選定的齒輪齒條參數(shù)選定伺服減速電機(jī)之后,需要重新校核齒輪齒條的齒根彎曲強(qiáng)度和齒面接觸強(qiáng)度。齒根彎曲強(qiáng)度校核見公式(4)。
式中,σF為齒根彎曲應(yīng)力;T為減速電機(jī)額定輸出扭矩;b為齒寬。其余參數(shù)見表3。
齒面接觸強(qiáng)度校核見公式(5)。式中,σH為齒面接觸應(yīng)力。其余參數(shù)見表3。
焊裝用滑臺(tái)一般建議選則異步伺服電機(jī)作為動(dòng)力源,主要是因?yàn)槠渚邆漭敵雠ぞ剌^大和自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大這2個(gè)特點(diǎn)。異步伺服電機(jī)需配合減速機(jī)使用,以達(dá)到降低轉(zhuǎn)速同時(shí)增大扭矩的目的,二者的組合稱為伺服減速電機(jī)。伺服電機(jī)、減速器以及齒輪齒條的裝配關(guān)系如圖5所示。
圖5 伺服減速電機(jī)及齒輪齒條
伺服減速電機(jī)的選型過(guò)程一般分為電機(jī)和減速器選型、參數(shù)校核和輔件選擇3個(gè)步驟。
當(dāng)初步選定齒輪齒條參數(shù),通過(guò)依次計(jì)算減速器的減速比、伺服電機(jī)的額定扭矩和減速器的額定扭矩可逐步確定伺服電機(jī)和減速器的基礎(chǔ)型號(hào)。
減速器減速比的計(jì)算如公式(6)。
式中,i為減速器減速比;N0為伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速,通常伺服電機(jī)級(jí)對(duì)數(shù)為2,額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min;s為速度余量系數(shù),通常取0.1;V為滑臺(tái)最大運(yùn)動(dòng)速度。伺服電機(jī)的額定扭矩計(jì)算如公式(7)。
式中,M0為電機(jī)額定扭矩。
減速器的額定扭矩的計(jì)算如公式(8)。式中,Ma為減速器的額定扭矩;Ka為使用系數(shù),與安裝精度、沖擊情況等因素有關(guān),選擇范圍一般為1~3。
圖6所示為某品牌伺服減速電機(jī)的選型樣本示例。
圖6 電機(jī)減速器選型樣本
伺服減速電機(jī)基礎(chǔ)型號(hào)選擇完成后,需要校核負(fù)載慣量比、減速器徑向載荷及電機(jī)熱功率。
5.2.1 校核負(fù)載慣量比
負(fù)載慣量比是伺服電機(jī)的負(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與伺服電機(jī)自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值,要求在1~10之間。負(fù)載慣量比接近1時(shí)動(dòng)力效果和定位精度最好,超過(guò)10以上則可能造成滑臺(tái)停止過(guò)程的振蕩現(xiàn)象,對(duì)滑臺(tái)的定位精度和使用壽命均不利。負(fù)載慣量比的計(jì)算如公式(9)。
式中,I為負(fù)載慣量比;m為運(yùn)動(dòng)部件(滑車、承載的夾具、伺服減速電機(jī))的總質(zhì)量;d為齒輪分度圓直徑;Ja為減速器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,是減速器的固有屬性;i為減速器減速比;J0為伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,是伺服電機(jī)的固有屬性。
5.2.2 校核減速器徑向負(fù)載
校核減速器徑向負(fù)載,首先需要根據(jù)公式(10)計(jì)算齒輪徑向負(fù)載。
式中,F(xiàn)R為齒輪徑向負(fù)載力;T為伺服減速電機(jī)的額定輸出扭矩;d為齒輪分度圓直徑。
減速器徑向許用載荷與力的實(shí)際作用線到減速器輸出軸軸肩的距離成反比,如圖7所示,力的作用線距離軸肩越遠(yuǎn),許用徑向力越小。
圖7 減速器許用徑向力
減速器的許用徑向力根據(jù)式(11)可計(jì)算。
式中,F(xiàn)Rx為力的作用線上的許用徑向力;FRa為減速器的公稱許用徑向力;L為減速器輸出軸端面至軸肩的距離;l為力的作用線至減速器輸出軸軸肩的距離,對(duì)于滑臺(tái)來(lái)說(shuō)l等于齒輪齒部中心線到減速器輸出軸軸肩的距離(圖8)。
齒輪徑向負(fù)載力FR須小于齒輪受徑向力作用線上的許用力FRx,否則減速器輸出軸的徑向負(fù)載不足。
焊裝車間用的滑臺(tái)多為間歇工作,一般只要額定功率足夠電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱,因此電機(jī)的熱功率校核可省略。
伺服減速電機(jī)的基礎(chǔ)型號(hào)及齒輪齒條副完全選定之后,還需要進(jìn)行輔件的選型,輔件包括制動(dòng)器、熱敏電阻、編碼器。
滾珠導(dǎo)軌副(圖9)由若干個(gè)滾珠滑塊和導(dǎo)軌構(gòu)成,導(dǎo)軌固定在滑臺(tái)基架上,滾珠滑塊可沿導(dǎo)軌滑動(dòng),具有較大的負(fù)載能力和導(dǎo)向精度,用來(lái)支撐滑車。滾珠導(dǎo)軌副需要在伺服減速電機(jī)及齒輪齒條確定之后進(jìn)行選擇,主要是因?yàn)橐陨狭悴考闹亓考敖Y(jié)構(gòu)參數(shù)等對(duì)滾珠導(dǎo)軌副的負(fù)載有影響。滾珠導(dǎo)軌副的選型可分為滑塊負(fù)載計(jì)算、初選型和壽命校核3步。
圖9 滾珠導(dǎo)軌副
滾珠導(dǎo)軌副的壽命通常由承受最大負(fù)載滑塊的使用情況決定?;瑝K的負(fù)載有靜載荷和動(dòng)載荷之分,靜載荷是指滑臺(tái)靜止時(shí)滑塊的負(fù)載,動(dòng)載荷則是滑臺(tái)滑動(dòng)過(guò)程中滑塊的負(fù)載。通常,同一滑臺(tái)不同滑塊承受的載荷不同,因此滑塊選型時(shí)須選取受力最大的滑塊進(jìn)行載荷計(jì)算。
滑塊靜載荷的計(jì)算如公式(12)。
式中,F(xiàn)0為滑塊靜載荷;G0為滑車及其上負(fù)載的總重;n為滑塊個(gè)數(shù);F1為其它負(fù)載,例如電機(jī)質(zhì)量造成的滑塊負(fù)載,由于電機(jī)的質(zhì)量不是均勻分配到各個(gè)滑塊而是主要由部分滑塊承擔(dān),因此計(jì)算這些滑塊的負(fù)載力時(shí)需要加上電機(jī)的質(zhì)量因素。
滑塊動(dòng)載荷的計(jì)算如公式(13)。
式中,F(xiàn)為滑塊動(dòng)載荷;F0為滑塊靜載荷;T為伺服減速電機(jī)的額定輸出扭矩;d為齒輪分度圓直徑。
計(jì)算出滑塊最大動(dòng)、靜載荷之后,對(duì)照滾珠滑塊的樣本進(jìn)行選型。如圖10所示,圖中C代表滑塊的額定動(dòng)載荷,C0代表滑塊靜載荷。選型時(shí),要求滑塊的額定動(dòng)載荷C是其最大動(dòng)載荷的5倍以上,要求滑塊靜載荷C0是其最大靜載荷的3倍以上。
圖10 滾珠滑塊選型樣本示例
除此之外,滾珠滑塊的精度等級(jí)選擇普通精度等級(jí)即可。滾珠滑塊的型號(hào)確定之后,導(dǎo)軌型號(hào)也隨之確定,導(dǎo)軌長(zhǎng)度由滑車的長(zhǎng)度及行程決定,一般要求前后0.2 m左右的行程余量。
滾珠導(dǎo)軌副的壽命核算用于預(yù)估導(dǎo)軌的使用壽命,便于設(shè)備的預(yù)防性維護(hù),其計(jì)算方法如公式(14)。:
式中,Lna為滾珠導(dǎo)軌副的預(yù)期壽命(m);a1為壽命修正系數(shù),根據(jù)表4選擇;C為滾珠滑塊的額定動(dòng)載荷;F為滾珠滑塊的最大動(dòng)載荷。
表4 壽命修正系數(shù)列表
滑臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多采用集中潤(rùn)滑,需要潤(rùn)滑部件主要是滾珠導(dǎo)軌副和齒輪齒條副。滾珠導(dǎo)軌副的潤(rùn)滑可采用給滑塊直接注油的方式。齒輪齒條副的潤(rùn)滑則首先需要將潤(rùn)滑油注入氈齒輪,再通過(guò)滑臺(tái)滑動(dòng)過(guò)程中氈齒輪與齒條的嚙合接觸使得齒條表面形成潤(rùn)滑油膜,具體結(jié)構(gòu)如圖11所示。
圖11 氈齒輪潤(rùn)滑
潤(rùn)滑油泵建議每天啟動(dòng)2次,每次油泵工作2 min,由于環(huán)境和使用頻率的不同,實(shí)際使用中的判斷標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)是軌道及齒條上始終附著油膜。
隨著汽車市場(chǎng)定制化趨勢(shì)的逐漸顯現(xiàn),各汽車生產(chǎn)廠商對(duì)焊裝生產(chǎn)柔性化的需求日益提高。伺服滑臺(tái)作為1種重要的夾具切換工具,應(yīng)用越來(lái)越多,對(duì)其定位精度的要求越來(lái)越高,各種新技術(shù)也不斷被引入,例如近年來(lái)逐漸引起關(guān)注的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái),其通過(guò)直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)移動(dòng),不需要機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)而且無(wú)摩擦阻力,定位精度、響應(yīng)速度和傳輸速率都明顯提升。