《機械制造裝備設(shè)計》講義(四)要點

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1、四．電氣伺服進給傳動系統(tǒng)設(shè)計 有控制系統(tǒng)，檢測 +反饋 1 ．分類： 按 控制方式 分類 （ 1 ） 開環(huán)系統(tǒng) ：不帶反饋。只管發(fā)脈沖。 脈沖當(dāng)量 ：對應(yīng)一個脈沖，工作臺移動的距離。 精度 ： 開環(huán)系統(tǒng)精度取決于步進電機的 步距角精度 及步進電機至執(zhí)行部件間傳 動系統(tǒng)的 傳動精度 。 （ 0.01~ 0.02） 。 特點：結(jié)構(gòu)簡單，適用于精度要求不高的 NC機床。 應(yīng)用 ：簡易數(shù)控。 （ 2 ） 閉環(huán)系統(tǒng) ： 帶有檢測（反饋）裝置， 檢測裝置安裝在末端執(zhí)行件 上，檢測執(zhí)行件的位置和速度。 反饋裝置：①旋轉(zhuǎn)變壓器（位置反饋）； ②測速發(fā)電機（速度反饋）； ③脈沖編碼器

2、（位置和速度反饋）。 特點： 可以消除整個系統(tǒng)誤差；其定位精度取決于檢測裝置的精度；系統(tǒng)復(fù)雜、成本 高，主要用于精密 NC機床。 注意： 系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，伺服系統(tǒng)的增益值 <<系統(tǒng)的共振頻率，增益值愈高，伺服 機構(gòu)響應(yīng)愈快，動態(tài)精度愈高。 一般要求傳動系統(tǒng)的剛性好。通過改善導(dǎo)軌面的滑動狀態(tài)，減少爬行。 （ 3 ） 半閉環(huán)系統(tǒng)： 檢測裝置安裝在進給系統(tǒng)的中間旋轉(zhuǎn)部件上。 特點： 環(huán)外誤差不能補償，精度界于開環(huán)和閉環(huán)之間；由于慣性較大的工作臺在環(huán)以 外，則系統(tǒng)穩(wěn)定性好；結(jié)構(gòu)簡單，價格低，調(diào)整方便，應(yīng)用廣泛。 可以看出 ：半閉環(huán)控制精度取決于絲杠的精度，如果絲杠系統(tǒng)的精度高，即

3、通過 NC 系統(tǒng)進行螺距誤差補償和采用反向間隙補償裝置，可以大大提高傳動精度，因此在許多加 工中心中廣泛應(yīng)用。 2 ．驅(qū)動部件 （ 1 ） 步進電機 ：脈沖電機 將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移（或線位移）的一種機電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器。步距角（ 0.5 ~3 ） ，步進電機的 轉(zhuǎn)速 與 脈沖頻率 成正比。 特點 ：調(diào)速范圍寬，無累積誤差，成本低； 效率低，發(fā)熱大，有時會“失步”；適用于中小型機床和速度精度要求不高的地方。 （ 2 ） 交流伺服電機： 采用磁場矢量技術(shù)進行控制，無電刷，可靠性好，成本低， 重量輕 ，響應(yīng)頻率高，輸 出功率高。目前應(yīng)用廣泛。 （ 3 ） 直流伺服電機： 小慣量

4、直流伺服電機 ：轉(zhuǎn)動慣量小，響應(yīng)快；額定轉(zhuǎn)矩小，一般與齒輪降速裝置相 匹配，適用于高速輕載的小型數(shù)控機床中。 大慣量直流伺服電機 （寬調(diào)速直流伺 服電機） ： 類型：有電勵磁和永磁兩種。 ①電勵磁：成本低。 ②永磁型：可以在較大過載下長期工作，低速下運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，輸出轉(zhuǎn)矩大。 特點：具有良好的低速剛度和動態(tài)性能，定位精度好；轉(zhuǎn)動慣量大，響應(yīng)慢。 （4）直線電機：直線驅(qū)動 圖示為直線電機的演變過程，定子一一初級，轉(zhuǎn)子一一次級（移動） ，旋轉(zhuǎn)磁場直線 運動，帶動次級移動。 同 1 3-45靛轉(zhuǎn)電動機變?yōu)橹庇J電動機過程 門，林電動機宜城電驗機 E 1一定于2—林子$一次堪4 一

5、朝堪 日日日甲 ? - ju h b an 分類：同步式和感應(yīng)式兩類。 同步式直線電機： 在定件（床身）上鋪設(shè)永久磁 鐵（次級），永磁鐵一塊接一塊； 在動件（工作臺）下部安裝含鐵芯 的通電繞組（初級），且一塊接一 塊。 感應(yīng)式直線電機與同步式直 線電機的區(qū)別在于： 3-46直城伺服電動機的型式 *）版次嵯b＞海制蛭 1 —制理 E一次蚯 在定件（床身）上鋪設(shè)不通電的繞組（次級） ，每個繞組中每一匝均短路。 直線電機的出現(xiàn)打破了 “旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠” 一統(tǒng)天下的局面。1993年德國Excello 公司在漢諾威國際機床博覽會上展出了世界上第一臺直線電機驅(qū)動工作臺的 H

6、SO 240型 超高速加工中心，采用了德國 Indramat公司開發(fā)成功的感應(yīng)式直線電機。此后世界各國 爭先研究直線電機及其在加工中心上的應(yīng)用。 直線電機是“零傳動”，它具有以下優(yōu)點： （1）速度高：直接驅(qū)動，沒有任何旋轉(zhuǎn)元件，因而不受離心力的作用，最大進給速 度則達80?120 m/min,甚至更高；目前一般滾珠絲杠能實現(xiàn)的最大直線運動速度約為 20~30 m/min。 （2）加速度大：直線電機啟動推力大，結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕，可實現(xiàn)極靈敏的加減速， 最大加速度可高達 2 g?10 g;滾珠絲杠一般為 0.1~0.3g。 （3）定位精度高：這種進給系統(tǒng)一般以光柵尺為位置檢測元

7、件，采用閉環(huán)反饋控制 系統(tǒng)，工作臺定位精度高達 0.1~0.01 m. （4）行程不受限制：直線電機的次極是一段一段連續(xù)鋪在機床床身上的，次級鋪到哪 里，初級（工作臺）就可運動到哪里.不管有多遠，對整個進給系統(tǒng)的剛度沒有任何影響， 這點是滾珠絲杠所望塵莫及的。 例：最近美國 Cincinnati機床公司為航天工業(yè)開發(fā)成功 SuperMach大型高速加工中心。其 X軸行程長達46 m,采用了直線電機。工作臺最大進 給速度60 m/min,快速行程 100 m/min,加速度 2g。主軸最高轉(zhuǎn)速 60000 r/min,主 電機功率80 kw,生產(chǎn)效率極高。 可以看出：直線電機是適應(yīng)目前超高

8、速加工技術(shù)發(fā)展的新型電機。 目前直線電機主要存在以下問題 ： ①隔磁防磁（磁泄露）：開放式磁場。 ②發(fā)熱（散熱不好）、效率低； 功率損耗往往超過輸出功率的 50%,直線電機的一定速度（1?2m/s）僅是旋轉(zhuǎn)電機 轉(zhuǎn)子切線速度（10?20m/s）的1/10,在低速大電流條件下，必然導(dǎo)致發(fā)熱和效率低。 感應(yīng)式直線電機嚴(yán)重，永磁式直線電機具有廣闊應(yīng)用前景。一般需要采用強制循環(huán)水 冷卻系統(tǒng)、散熱和隔熱措施。 ③成本高。 3 .進給系統(tǒng)的機械傳動部件的設(shè)計要求 主要指齒輪、同步齒形帶、滾珠絲杠螺母。 （1）低摩擦傳動（減少爬行）； （2）伺服系統(tǒng)與機械系統(tǒng)匹配合適； （3）能夠通過

9、預(yù)緊提高系統(tǒng)剛度； （4）消隙處理，減少傳動誤差，尤其是反向誤差。 4、滾珠絲杠部件的設(shè)計與選用 （1）工作原理與結(jié)構(gòu)組成 螺母和絲杠之間為滾動體（滾珠） （圖示）， （2）特點：為滾動摩擦，基本無爬行，傳動效率達到 85~98%,是普通絲杠副的 2~4 倍，由于其摩擦角＜1。，因此不能自鎖，當(dāng)用作升降臺傳動時要考慮制動裝置。目前有專業(yè)化廠家生產(chǎn)，直接定貨。 (3)分類：滾珠進行滾動形成一個循環(huán)，按回珠方式分為兩類： 圖示 a.內(nèi)循環(huán)：回珠器在螺母之內(nèi)。一圈一個循環(huán)。 b. 外循環(huán)(插管式)：通過插管回珠。幾圈一個循環(huán)。 注息： (1)兩者的區(qū)別在于螺母，絲杠是相同的。

10、 (2)每個循環(huán)為一列，每列內(nèi)每個導(dǎo)程為一圈: 外循環(huán)每列有1.5圈、2.5 通常一列有2.5圈、 內(nèi)循環(huán)每列只有一圈，通常有 3歹U、4歹U、5列等; 圈、3.5圈等，其中半圈為回珠。 3.5圈，2列有1.5圈、2.5 圈。 (4)精度等級 精度 等級為 1、2、3、4、5、 7、10七個等級，1級最 高。 滾珠絲杠按用途分 為： 國9T漆珠理杠原理 a. 定位滾珠絲 杠副(P類)； b. 傳動滾珠絲 杠副(T類)； 一般的NC機床多用 P類，精度等級為1、2 級，即 P1、P2。(5)滾 珠絲杠副的消隙和預(yù) 緊: 通過預(yù)加載荷 的方式消除螺母和絲杠之間的間隙。

11、稍有預(yù)變形，以 消除反向間隙，提 高傳動精度。 通常有四種預(yù)緊方式： 圖示a.增大鋼球方式；b.單螺母變導(dǎo)程方式；c.雙螺母墊片方 式；d.雙螺母齒差方式；e.雙螺母螺紋方式。 (6)絲杠的支承： ① 三種支承形式： 圖示 a. 固定——自由：短絲杠，垂直絲杠； b. 固定一一簡支：較長臥式絲杠； c. 固定一一固定：拉壓剛度要求高的情況(可以預(yù)緊) ，如NC機床。 ② 軸承：圖示 a.推力角接觸球軸承及其組合： 接觸角為60。；實現(xiàn)預(yù)拉伸(預(yù)緊)，當(dāng)絲杠較長時，為了調(diào)心，多采用面對面組配。 b.滾針-推力圓柱滾子組合： 圖示 低速重載。 (7)絲杠的預(yù)拉伸: ①目的：

12、 a. 提高絲杠的拉壓剛度：在最大軸向載荷作用下仍能保持絲杠受拉狀態(tài)。 b. 5 補償絲杠的熱變形：絲杠的預(yù)拉伸 > 熱變形，熱膨脹抵消部分預(yù)拉伸量，使絲杠內(nèi)的拉 應(yīng)力減少，但絲杠長度保持不變。 注息： a. 由于預(yù)拉伸影響螺距，因此加工時螺距要小一些，以保證預(yù)緊時得到正確的螺 距，即裝配后達到設(shè)計精度。 b. 預(yù)拉伸計算：參見課本 p119~120. ② 形式：實現(xiàn)預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)（ 圖示） （8） .絲杠的設(shè)計計算： ①機床定位精度要求與絲杠精度； ②絲杠的剛度和轉(zhuǎn)動慣量（最佳直徑的計算） ； ③ 絲杠副的臨界轉(zhuǎn)速（共振頻率和鋼球的允許轉(zhuǎn)速） ； ④ 允許軸向載荷

13、計算； ⑤ 壽命計算（額定疲勞壽命計算）。 （9） .電動滾珠絲杠（圖） 5.伺服電機的計算和選擇 所選伺服電動機，應(yīng)滿足下列條件： ①在所有進給速度范圍內(nèi)（包括快速移動） ，空載進給力矩應(yīng)小于電動機的額定轉(zhuǎn)矩; ②最大切削力矩小于電動機額定轉(zhuǎn)矩。 ③加、減速時間應(yīng)符合所希望的時間常數(shù)。 ④快速進給頻繁度在希望值以內(nèi)。 選取滿足上述條件的電動機，需要進行 負(fù)載扭矩計算 計算。 Ti yKF^k+F 2n 2 / \ 等速運 \ 動時驅(qū) 預(yù)緊力 軍 動力矩 率 叫 T T / 溪珠世虹 *榻紫雙螺母 iiL. （i）負(fù)載扭矩計算：主要由摩擦力和切削

14、反力引起。 ，慣量匹配計算 和加、減速扭矩 上+Tb） ■二 匚，：Z2 “\ 軸承的摩 力向外擦力矩 戈荷 工】i勺一肯（ft 色 詞服 J電迪 5 按Ti

15、配關(guān)系： 4 < JL <1 0.5