《機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)》講義(四)要點(diǎn)

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1、四．電氣伺服進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 有控制系統(tǒng)，檢測(cè) +反饋 1 ．分類(lèi)： 按 控制方式 分類(lèi) （ 1 ） 開(kāi)環(huán)系統(tǒng) ：不帶反饋。只管發(fā)脈沖。 脈沖當(dāng)量 ：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖，工作臺(tái)移動(dòng)的距離。 精度 ： 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)精度取決于步進(jìn)電機(jī)的 步距角精度 及步進(jìn)電機(jī)至執(zhí)行部件間傳 動(dòng)系統(tǒng)的 傳動(dòng)精度 。 （ 0.01~ 0.02） 。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于精度要求不高的 NC機(jī)床。 應(yīng)用 ：簡(jiǎn)易數(shù)控。 （ 2 ） 閉環(huán)系統(tǒng) ： 帶有檢測(cè)（反饋）裝置， 檢測(cè)裝置安裝在末端執(zhí)行件 上，檢測(cè)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(cè)速發(fā)電機(jī)（速度反饋）； ③脈沖編碼器

2、（位置和速度反饋）。 特點(diǎn)： 可以消除整個(gè)系統(tǒng)誤差；其定位精度取決于檢測(cè)裝置的精度；系統(tǒng)復(fù)雜、成本 高，主要用于精密 NC機(jī)床。 注意： 系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)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(jī)構(gòu)響應(yīng)愈快，動(dòng)態(tài)精度愈高。 一般要求傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性好。通過(guò)改善導(dǎo)軌面的滑動(dòng)狀態(tài)，減少爬行。 （ 3 ） 半閉環(huán)系統(tǒng)： 檢測(cè)裝置安裝在進(jìn)給系統(tǒng)的中間旋轉(zhuǎn)部件上。 特點(diǎn)： 環(huán)外誤差不能補(bǔ)償，精度界于開(kāi)環(huán)和閉環(huán)之間；由于慣性較大的工作臺(tái)在環(huán)以 外，則系統(tǒng)穩(wěn)定性好；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)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(guò) NC 系統(tǒng)進(jìn)行螺距誤差補(bǔ)償和采用反向間隙補(bǔ)償裝置，可以大大提高傳動(dòng)精度，因此在許多加 工中心中廣泛應(yīng)用。 2 ．驅(qū)動(dòng)部件 （ 1 ） 步進(jìn)電機(jī) ：脈沖電機(jī) 將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移（或線位移）的一種機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器。步距角（ 0.5 ~3 ） ，步進(jìn)電機(jī)的 轉(zhuǎn)速 與 脈沖頻率 成正比。 特點(diǎn) ：調(diào)速范圍寬，無(wú)累積誤差，成本低； 效率低，發(fā)熱大，有時(shí)會(huì)“失步”；適用于中小型機(jī)床和速度精度要求不高的地方。 （ 2 ） 交流伺服電機(jī)： 采用磁場(chǎng)矢量技術(shù)進(jìn)行控制，無(wú)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(jī)： 小慣量

4、直流伺服電機(jī) ：轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)床中。 大慣量直流伺服電機(jī) （寬調(diào)速直流伺 服電機(jī)） ： 類(lèi)型：有電勵(lì)磁和永磁兩種。 ①電勵(lì)磁：成本低。 ②永磁型：可以在較大過(guò)載下長(zhǎng)期工作，低速下運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，輸出轉(zhuǎn)矩大。 特點(diǎn)：具有良好的低速剛度和動(dòng)態(tài)性能，定位精度好；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，響應(yīng)慢。 （4）直線電機(jī)：直線驅(qū)動(dòng) 圖示為直線電機(jī)的演變過(guò)程，定子一一初級(jí)，轉(zhuǎn)子一一次級(jí)（移動(dòng)） ，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)直線 運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)次級(jí)移動(dòng)。 同 1 3-45靛轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)變?yōu)橹庇J電動(dòng)機(jī)過(guò)程 門(mén)，林電動(dòng)機(jī)宜城電驗(yàn)機(jī) 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(lèi)：同步式和感應(yīng)式兩類(lèi)。 同步式直線電機(jī)： 在定件（床身）上鋪設(shè)永久磁 鐵（次級(jí)），永磁鐵一塊接一塊； 在動(dòng)件（工作臺(tái)）下部安裝含鐵芯 的通電繞組（初級(jí)），且一塊接一 塊。 感應(yīng)式直線電機(jī)與同步式直 線電機(jī)的區(qū)別在于： 3-46直城伺服電動(dòng)機(jī)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(jí)） ，每個(gè)繞組中每一匝均短路。 直線電機(jī)的出現(xiàn)打破了 “旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠” 一統(tǒng)天下的局面。1993年德國(guó)Excello 公司在漢諾威國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上展出了世界上第一臺(tái)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的 H

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

7、件，采用閉環(huán)反饋控制 系統(tǒng)，工作臺(tái)定位精度高達(dá) 0.1~0.01 m. （4）行程不受限制：直線電機(jī)的次極是一段一段連續(xù)鋪在機(jī)床床身上的，次級(jí)鋪到哪 里，初級(jí)（工作臺(tái)）就可運(yùn)動(dòng)到哪里.不管有多遠(yuǎn)，對(duì)整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的剛度沒(méi)有任何影響， 這點(diǎn)是滾珠絲杠所望塵莫及的。 例：最近美國(guó) Cincinnati機(jī)床公司為航天工業(yè)開(kāi)發(fā)成功 SuperMach大型高速加工中心。其 X軸行程長(zhǎng)達(dá)46 m,采用了直線電機(jī)。工作臺(tái)最大進(jìn) 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(jī)功率80 kw,生產(chǎn)效率極高。 可以看出：直線電機(jī)是適應(yīng)目前超高

8、速加工技術(shù)發(fā)展的新型電機(jī)。 目前直線電機(jī)主要存在以下問(wèn)題 ： ①隔磁防磁（磁泄露）：開(kāi)放式磁場(chǎng)。 ②發(fā)熱（散熱不好）、效率低； 功率損耗往往超過(guò)輸出功率的 50%,直線電機(jī)的一定速度（1?2m/s）僅是旋轉(zhuǎn)電機(jī) 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(jī)嚴(yán)重，永磁式直線電機(jī)具有廣闊應(yīng)用前景。一般需要采用強(qiáng)制循環(huán)水 冷卻系統(tǒng)、散熱和隔熱措施。 ③成本高。 3 .進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)要求 主要指齒輪、同步齒形帶、滾珠絲杠螺母。 （1）低摩擦傳動(dòng)（減少爬行）； （2）伺服系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)匹配合適； （3）能夠通過(guò)

9、預(yù)緊提高系統(tǒng)剛度； （4）消隙處理，減少傳動(dòng)誤差，尤其是反向誤差。 4、滾珠絲杠部件的設(shè)計(jì)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(dòng)體（滾珠） （圖示）， （2）特點(diǎn)：為滾動(dòng)摩擦，基本無(wú)爬行，傳動(dòng)效率達(dá)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(tái)傳動(dòng)時(shí)要考慮制動(dòng)裝置。目前有專業(yè)化廠家生產(chǎn)，直接定貨。 (3)分類(lèi)：滾珠進(jìn)行滾動(dòng)形成一個(gè)循環(huán)，按回珠方式分為兩類(lèi)： 圖示 a.內(nèi)循環(huán)：回珠器在螺母之內(nèi)。一圈一個(gè)循環(huán)。 b. 外循環(huán)(插管式)：通過(guò)插管回珠。幾圈一個(gè)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(gè)循環(huán)為一列，每列內(nèi)每個(gè)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(jí) 精度 等級(jí)為 1、2、3、4、5、 7、10七個(gè)等級(jí)，1級(jí)最 高。 滾珠絲杠按用途分 為： 國(guó)9T漆珠理杠原理 a. 定位滾珠絲 杠副(P類(lèi))； b. 傳動(dòng)滾珠絲 杠副(T類(lèi))； 一般的NC機(jī)床多用 P類(lèi)，精度等級(jí)為1、2 級(jí)，即 P1、P2。(5)滾 珠絲杠副的消隙和預(yù) 緊: 通過(guò)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(dòng)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(jiǎn)支：較長(zhǎng)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(jī)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(shí)現(xiàn)預(yù)拉伸(預(yù)緊)，當(dāng)絲杠較長(zhǎng)時(shí)，為了調(diào)心，多采用面對(duì)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(bǔ)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(zhǎng)度保持不變。 注息： a. 由于預(yù)拉伸影響螺距，因此加工時(shí)螺距要小一些，以保證預(yù)緊時(shí)得到正確的螺 距，即裝配后達(dá)到設(shè)計(jì)精度。 b. 預(yù)拉伸計(jì)算：參見(jiàn)課本 p119~120. ② 形式：實(shí)現(xiàn)預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)（ 圖示） （8） .絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算： ①機(jī)床定位精度要求與絲杠精度； ②絲杠的剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（最佳直徑的計(jì)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(jì)算； ⑤ 壽命計(jì)算（額定疲勞壽命計(jì)算）。 （9） .電動(dòng)滾珠絲杠（圖） 5.伺服電機(jī)的計(jì)算和選擇 所選伺服電動(dòng)機(jī)，應(yīng)滿足下列條件： ①在所有進(jìn)給速度范圍內(nèi)（包括快速移動(dòng)） ，空載進(jìn)給力矩應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩; ②最大切削力矩小于電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。 ③加、減速時(shí)間應(yīng)符合所希望的時(shí)間常數(shù)。 ④快速進(jìn)給頻繁度在希望值以內(nèi)。 選取滿足上述條件的電動(dòng)機(jī)，需要進(jìn)行 負(fù)載扭矩計(jì)算 計(jì)算。 Ti yKF^k+F 2n 2 / \ 等速運(yùn) \ 動(dòng)時(shí)驅(qū) 預(yù)緊力 軍 動(dòng)力矩 率 叫 T T / 溪珠世虹 *榻紫雙螺母 iiL. （i）負(fù)載扭矩計(jì)算：主要由摩擦力和切削

14、反力引起。 ，慣量匹配計(jì)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