《機械制造裝備設計》講義(四)要點

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1、四．電氣伺服進給傳動系統(tǒng)設計 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。 脈沖當量 ：對應一個脈沖，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：結構簡單，適用于精度要求不高的 NC機床。 應用 ：簡易數控。 （ 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 機構響應愈快，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；結構簡單，價格低，調整方便，應用廣泛。 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 工中心中廣泛應用。 2 ．驅動部件 （ 1 ） 步進電機 ：脈沖電機 將電脈沖信號轉換為角位移（或線位移）的一種機電式數模轉換器。步距角（ 0.5 ~3 ） ，步進電機的 轉速 與 脈沖頻率 成正比。 特點 ：調速范圍寬，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： 采用磁場矢量技術進行控制，無電刷，可靠性好，成本低， 重量輕 ，響應頻率高，輸 出功率高。目前應用廣泛。 （ 3 ） 直流伺服電機： 小慣量

4、直流伺服電機 ：轉動慣量小，響應快；額定轉矩小，一般與齒輪降速裝置相 匹配，適用于高速輕載的小型數控機床中。 大慣量直流伺服電機 （寬調速直流伺 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，低速下運轉平穩(wěn)，輸出轉矩大。 特點：具有良好的低速剛度和動態(tài)性能，定位精度好；轉動慣量大，響應慢。 （4）直線電機：直線驅動 圖示為直線電機的演變過程，定子一一初級，轉子一一次級（移動） ，旋轉磁場直線 運動，帶動次級移動。 同 1 3-45靛轉電動機變?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：同步式和感應式兩類。 同步式直線電機： 在定件（床身）上鋪設永久磁 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。 直線電機的出現打破了 “旋轉電機+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用。 直線電機是“零傳動”，它具有以下優(yōu)點： （1）速度高：直接驅動，沒有任何旋轉元件，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，結構簡單、質量輕，可實現極靈敏的加減速， 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。主軸最高轉速 60000 r/min,主 電機功率80 kw,生產效率極高。 可以看出：直線電機是適應目前超高

8、速加工技術發(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）僅是旋轉電機 轉子切線速度（10?20m/s）的1/10,在低速大電流條件下，必然導致發(fā)熱和效率低。 感應式直線電機嚴重，永磁式直線電機具有廣闊應用前景。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、滾珠絲杠部件的設計與選用 （1）工作原理與結構組成 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，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.內循環(huán)：回珠器在螺母之內。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，每列內每個導程為一圈: 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 緊: 通過預加載荷 的方式消除螺母和絲杠之間的間隙。

11、稍有預變形，以 消除反向間隙，提 高傳動精度。 通常有四種預緊方式： 圖示a.增大鋼球方式；b.單螺母變導程方式；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。；實現預拉伸(預緊)，當絲杠較長時，為了調心，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：絲杠的預拉伸 > 熱變形，熱膨脹抵消部分預拉伸量，使絲杠內的拉 應力減少，但絲杠長度保持不變。 注息： a. 由于預拉伸影響螺距，因此加工時螺距要小一些，以保證預緊時得到正確的螺 距，即裝配后達到設計精度。 b. 預拉伸計算：參見課本 p119~120. ② 形式：實現預拉伸的結構（ 圖示） （8） .絲杠的設計計算： ①機床定位精度要求與絲杠精度； ②絲杠的剛度和轉動慣量（最佳直徑的計算） ； ③ 絲杠副的臨界轉速（共振頻率和鋼球的允許轉速） ； 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，應滿足下列條件： ①在所有進給速度范圍內（包括快速移動） ，空載進給力矩應小于電動機的額定轉矩; ②最大切削力矩小于電動機額定轉矩。 ③加、減速時間應符合所希望的時間常數。 ④快速進給頻繁度在希望值以內。 選取滿足上述條件的電動機，需要進行 負載扭矩計算 計算。 Ti yKF^k+F 2n 2 / \ 等速運 \ 動時驅 預緊力 軍 動力矩 率 叫 T T / 溪珠世虹 *榻紫雙螺母 iiL. （i）負載扭矩計算：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、配關系： 4 < JL <1 0.5