机械制造技术装备及设计-3-4 进给传动系统.ppt

机械制造技术装备及设计4-4,机电工程学院 制造工程系,第四章 进给传动系统,第一节 概 述,一、进给运动的作用 二、进给运动的特点 三、传统进给系统和数控伺服进给系统 四、对伺服系统的要求,进给系统的作用,进给运动速度低消耗功率较少，它维持切削工作继续进行下去。以形成整个工件表面。 进给系统是形成工件表面所必需的运动,进给系统的特点,采用大降速机构，获得较大的扭矩，有利于减少传动误差 在进给系统中，受工艺系统刚度的限制，进给系统消耗功率比较小，所以齿轮较单薄 进给系统的速度低，扭矩大功率小，工作在恒扭矩区域。,传统进给系统和数控司服进给系统 传统的进给系统和主运动系统多采用一个电机，执行件之间采用大量的齿轮传动，以实现内(外)传动链的各种传动比要求。所以它们的传动链很长，结构相当复杂。 数控伺服进给传动系统的每一个运动都由单独的伺服电机驱动，传动链大大缩短 执行件之间的传动比关系，由数控系统(计算机)来保证。 数控伺服进给系统的精度要求高，响应要求快，故多采用低摩擦、无间隙传动。,传统进给系统和数控司服进给系统,数控伺服进给传动系统是把彼此相关的（复合）的运动分解为简单（外联系）的运动。再由计算机将各个运动复合起来，形成工件的各种表面，特别是空间曲面。,四、对伺服系统的要求 数控机床的伺服系统由各坐标的驱动电机及其控制单元、机械传动部件、执行件和控制反馈环节组成。伺服系统是数控机床的关键环节，一般都有下列要求。 1高精度 高定位精度：0.01-0.001mm,静态和动态精度要求高，复杂空间轮廓曲面零件的加工精度与速度控制和多轴联动坐标控制的协调性有关。 2.高稳定性 是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能经短暂的调节过程后，迅速达到新的或恢复到原来的平稳状态。进给伺服系统应有较强的抗干扰能力。保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控机床的加工精度和表面粗糙度。,四、对伺服系统的要求,3高速响应 响应是进给伺服系统动态性能的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓加工的形状精度和低的加工表面粗糙度，要求进给伺服系统跟踪指令信号的相应要快。 4调速范围宽 进给速度从0m/min24m/min连续可调。 5低速大扭矩 进给速度较低时，一般是进行重切削。因此，在低速时进给系统要有大的转矩输出,*小资料：什么是伺服？ 伺服是英语“Servo”的汉字读音，意为随动跟踪的意思。 日本工业标准JIS中定义伺服机构为：“以物体的位置、方位、姿势等为控制量组成的能跟踪目标的任意变化的控制系统”,方向盘液压控制系统 1油箱；2吸油过滤器；3液压泵；4安全阀；5液压转向助力器（包括伺服阀和动力缸两部分),驾驶员对方向盘的操作，可通过蜗轮、蜗杆机构转变成摇臂的摆动信号，并用此信号控制转向助力器伺服阀芯的轴向移动。 1)不转动方向盘时，伺服阀芯处于中立位置，液压泵低压卸荷，转向液压缸不动，此时车辆沿直线或一定的转弯半径行驶。 2）右转方向盘时，伺服阀芯左移，转向液压缸有杆腔进油，无杆腔回油。由于液压缸活塞杆固定在车架上，所以转向助力器壳体便跟随阀芯左移，车轮于是向右转 向，同时伺服阀芯与转向助力器壳体位置误差减小，只要不停地转动方向盘，该位置误差就不会消除，转向轮就跟随着方向盘转动。当方向盘停止转动时，由于反馈 作用，伺服阀芯与转向助力器壳体位置误差消除，回到中立位置，液压泵卸荷，转向停止。,第二节 伺服驱动电动机,伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象。,伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代 以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。,20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交 流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流,一、步进电机 一般所讲的步进电机转子上无绕组， 由定子绕组励磁产生反应力矩，称其 为反应式步进电动机。当步进电机的 输出力矩达10Nm以上时便称它为功 率步进电机。,图4.4-1 步进电机启动频率与负载转矩的关系曲线,图4.4-2 步进电机的矩频特性曲线,二、直流伺服电动机 小惯量直流电动机 永磁式直流电动机 无刷直流电动机,有刷直流电机结构,图4.4-3 永磁直流伺服电动机工作(转矩速度特性)曲线,伺服电动机的工作区域被温度极限线、转速极限线、换向极限线、转矩极限线及瞬时换向极限线划分为3个区域： I 区 为连续工作区，在该区域内可对转矩和转速作任意组合，都可长期工作。 II 区 为断续工作区，此时电动机只能根据负载一工作曲线所决定的允许工作时间和断电时间作间歇工作。 III 区 为加速和减速区域，即电动机加、减速时，电动机的电枢电流受转矩极限和瞬时换向极限的限制，只能工作一段较短的时间。,图4.4-4 永磁直流伺服电机的负载特性曲线,选用伺服电动机考虑的三个要求: 最大切削负载转矩，不得超过电动机的额定转矩折算到电动机轴上的最大切削负载转矩T。 式中 Fmax丝杠上的最大轴向载荷，等于最大轴向进给 力加导轨摩擦力(N)； Ph丝杠导程(m)； 滚珠丝杠的机械效率； TP0因滚珠丝杠螺母预加载荷引起的附加摩擦力矩 (Nm)； Tf0滚珠丝杠轴承的摩擦力矩(Nm)； u伺服电动机至丝杠的传动比。, 电机的转子惯量JM应与负载惯量JL相匹配 1 JM/ JL 4 负载惯量JL可按下式计算： 式中 Jk各旋动件的转动惯量(kgm2)； k各旋动件的角速度(rad/s)； mi各直线运动件的质量(kg)； vi各直线运动件的速度(m/s)； 伺服电动机的角速度(rad/s)。 快速移动时，转矩不得超过伺服电动机的最大转矩 转矩: 式中 nmax 电动机在执行部件快移时的转速(r/min)； tac 加速时间(s),三、交流伺服电动机 异步电动机和永磁同步电动机,广州数控设备厂DA98A系列全数字式交流伺服驱动装置 及 SJT系列交流伺服电动机,永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有： 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 定子绕组散热比较方便。 惯量小，易于提高系统的快速性。 适应于高速大力矩工作状态。 同功率下有较小的体积和重量。 到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本安川、三洋及松下等公司。,四、直线电动机 将旋转电动机沿径向剖开后，拉直展开就形成了直线电动机。它省去了联轴器、滚珠丝杠螺母副等传动环节，直接驱动工作台移动。,图4.4-6 直线电动机工作原理 1直线滚动导轨；2床身；3工作台；4直线电机动件(绕组)；5直线电机定件(永久磁钢),目前应用较多的是交流直线电动机(永磁、同步和感应异步式两种)，原来的定子称为“初级”，原采的转于称为“次级”。将“初级”和“次级”分别安鞋装机床的运动部件和固定部件上，初级的三相绕组通电时即可实现部件间的相对运动,直线电机的优点： 进给速度要与高速主轴相匹配，达到60m/min或更髙 加速度要大，瞬间达到高速度，至少12g 动态性能要好，具有较高的精度和刚度 直线电机的缺点： 存在严重的端部效应 推力波动大 控制难度大 安装困难，需要隔磁 成本髙,第三节 伺服进给传动系统设计,一、基本概念 数控机床与普通机床不同，在加工直线和曲 线时，前者将把他们分成许多小段，一段一段地加工，每一小段移量的大小，除取决于曲线的形状和进给速度外，还取决于插补时间。在插补的时间内，计算机完成一次运算，给出各种坐标运动的数字量。插补时间应略小于完成一小段加工所用的时间。，计算机的时钟频率越高，则运算速度越快，插补时间也就越短。在2-20ms范围内。曲线被分割越短，加工精度也就越高。,在数控机床加工程序中，一般都给出运动终点坐标值和进给速度，这个速度是合成速度，数控计算机系统必须按照曲线在空间的位置计算出各坐标方向得分速度，最后将各坐标方向的终点坐标值和分速度输入到各坐标轴的伺服驱动机构。伺服电动机经过传动机构传动滚珠丝杆螺母副，带动工作台或拖板在滚动导轨上移动，实现刀具和工件之间的相对运动，以形成加工零件表面。按照需要达到加工精度要求，选择是否需要反馈。,1开环系统,2闭环系统,3半闭环系统,二、传动系统设计 (一)消除齿侧间隙机构和挠性联轴节,(二) 滚珠丝杠螺母副的选用与计算 1滚珠丝杠螺母副的特点 滚珠丝杠螺母副是一种低摩擦、高精度、高效率的机构。它的机械效率(=0.920.96)比滑动丝杠(=0.200.40)高34倍; 滚珠丝杠螺母副的动(静)摩擦系数基本相等，配以滚动导轨，启动力矩很小，运动极灵敏，低速时不会出现爬行; 滚珠丝杠螺母副可以完全消除间隙并可预紧，故有较高的轴向刚度; 无自锁，能实现可逆传动; 高速进给可能。滚珠丝杠副由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。,滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式一般分外循环和内循环两种,图4.4-13 滚珠丝杠螺母的循环方式 a) 外循环；b) 内循环 1外滚道；2内滚道；3一反向器；4一反向器,外循环方式: 滚珠与丝杠脱离接触,工艺性好，结构简单，但滚道管子突出于螺母外面，所以外循环丝杠螺母径向尺寸较大。,内循环方式：滚珠丝杠螺母副在循环过程中滚珠始终保持与丝杠接触 ，在左、右螺母上各装2个回珠反向器，它迫使滚珠越过丝杠的螺母外径，进入相邻的螺纹滚道，滚珠经过不到一圈即返回。内循环滚珠丝杠螺母副工作滚珠数目少，流畅性好，摩擦损失小，传动效率高，径向尺寸紧凑，轴向刚度好，但回珠器槽形复杂，需三坐标数控机床才能加工。,滚珠丝杠螺母副可以通过左右螺母的相互离开和相互靠近达到消除间隙的目的；当有过盈时，即为预紧。常用的消除间隙或预加载的办法如下。,螺纹式调隙结构 垫片式调隙结构 齿差式调隙结构,图4.4-14 滚珠丝杠螺母的调隙机构 a) 双螺母式；b) 垫片式；c) 齿差式 1圆螺母；2锁紧螺母；3螺钉；4垫片；5圆柱齿轮；6内齿轮,汉江丝杠HJG-S 结构分类,,2滚珠丝杠的主要技术参数 1) 名义直径D0,滚珠丝杠的名义直径D0是指滚珠中心圆的直径。D0值的选择与滚珠丝杠的承载能力有关。 D0值越大，丝杠的承载能力和刚度越大。用于数控机床进给驱动中的滚珠丝杠，取D0 = 20mm100mm。选择D0值应大于丝杠长度L0的1/351/30。,2) 基本导程Ph,导程Ph应根据机床的脉冲指令要求和负载情况来选择。Ph值大时，允许使用的滚珠直径也大，因而承载能力较强。同时，当名义直径D0确定后，Ph值大，可使螺纹的升角变大。一般2，通常取3.5，这样才能保证高的传动效率。因为2，传动效率会明显下降(图4.4-17)。,3) 滚珠直径d0 滚珠直径d0值是根据制造厂的产品规格查得的。在丝杠导程几一定后，d0过大，会降低丝杠螺纹的抗剪切和抗弯曲能力。一般取d0=0.6Ph(参见图4.4-16)。 另外对同根滚珠丝杠螺母副上的滚珠直径应有公差要求。如： D0 = 20mm50mm时，公差 = 0.001mm；D0 = 60mm100mm时，公差 = 0.002mm。 4) 滚珠的工作圈数 j 和工作滚珠总数N 各圈滚珠所承受的载荷是不均匀的。第1圈滚珠承受总载荷3045；而第5圈至第10圈总共才承受载荷的10。工作圈数过多引起滚珠流动不畅工作圈数j一般取2.53.5圈，而工作滚珠总数N以不大于150个为宜。 5) 列数K 选择滚珠循环方式时必须保证滚珠流动的畅通。为此工作圈数 j 不应过多。但是在要求工作圈数较多的场合，可采用双列或多列式螺母的结构形式。,3滚珠丝杠副的标注和精度选择 滚珠丝杠副的型号中包含有它的结构、规格、精度、螺纹旋向等特征。如： - - ,螺纹旋向 精度等级 负荷滚珠总圈数 基本导程 公称直径 预紧方式 循环方式,表4.4-1 滚珠丝杠酮的型号含义,注：济宁丝杠厂型号的含义与北京机床研究所的相同,4滚珠丝杠螺母副的设计计算 1) 额定动载荷和额定静载荷 滚珠丝杠螺母副的承载能力是以额定动载荷和额定静载荷来表示的。它是设计选用滚珠丝杠螺母剧的主要依据。 额定动载荷是指一批相同参数的滚珠丝杠螺母副，在转速n10r/min的相同工作条件下，运转106转后，90的螺旋副(指螺纹滚道和滚动体)不发生疲劳点蚀损伤所能承受的最大轴向载荷，定义为额定动载荷Ca。 额定静载荷是指把滚珠丝杠副在静态或低转速(n10r/min)条件下，受接触应力最大的滚珠和滚道接触面间产生的塑性变形量之和达到滚珠直径0.0001倍时的最大轴向载荷，定义为额定静载荷Ca0。,2) 滚珠丝杠副疲劳强度计算 滚珠丝杠应根据其额定动载荷选用。滚珠丝杠的当量动载荷 式中 Fm轴向工作载荷(N)，当载荷按单调式规律变化，各种转速使用机会相同时， Fm=(2Fmax+Fmin)/3 Fmax、Fmin丝杠最大、最小轴向载荷(N)； L 工作寿命，以106转为1单位，L=60n T/106 n 丝杠转速(r/min)； T使用寿命(h)，对数控机床可取T=15000h。,如果考虑到实际运转过程中载荷的冲击和丝杠精度对寿命的影响，当量动载荷值Cm应为,式中 Kp 载荷性质系数，无冲击取1 1.2，一般情况取 1.21.5，有较大冲击振动时取1.5 2.5； Ka精度影响系数，对1、2、3级精度的滚珠丝杠取Ka =1.0，对4、5级精度丝杠取Ka=0.9。,3) 滚珠丝杠的静载强度计算 低速运转时的滚珠丝杠副，应按最大轴向工作载荷，即按计算静载荷Cj为选择依据。其计算公式为,式中 Fmax 最大轴向工作载荷(N)； KP 载荷性质系数，数值同上； KR硬度影响系数，HRC58取KR =1.0，HRC = 5055取KR =2.01.2。 按上式求出计算静载荷Cj后，查产品目录中与Cj近的额定静载荷Ca0，并使Cj Ca0 ，再由Ca0确定滚珠丝杠的型号和结构参数。,5 滚珠丝杠副的安装方式 安装方式对滚珠丝杠副承载能力，刚性及最高转速有很大影响。常见安装方式有以下四种情况,（1） 固定-自由,通常用于短丝杠和垂直进给丝杠,（2）支承游动,（3）固定游动,常用于较长的卧式安装丝杠,（4）固定固定（图中设b1b2）,常用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠，这种配置方式可对丝杠进行预拉伸,注：（1）b1、b2按经验选取，在满足结构设计需要的情况 下，越短越好。 （2）L5计算式中的b取b1和b2中较大的数。,滚珠丝杠中经常使用的滚动轴承 1) 接触角为60的 角接触球轴承 2) 滚针一推力圆柱 滚子组合轴承,丝杠预拉伸 滚珠丝杠工作时要发热，其温度高于床身。为了补偿因丝杠热膨胀而引起的定位精度误差，可采用丝杠预拉伸结构，使预拉伸量略大于热膨胀量。发热后，热膨胀量将抵消部分预拉伸量，使丝杠内的拉应力下降，但长度却没有变化。,图4.4-20 丝杠预拉伸结构 1、2、3百分表；4前支承座；5丝杠；6后支承座；7调整螺母；8锁紧螺母；9后支承座端盖,6滚珠丝杠螺母副的验算 1) 丝杠拉压刚度验算 a ) 一端固定方式滚珠丝杠的拉压刚度 式中 A丝杠内径处的截面积(m2)； E弹性模量，对于钢，E=2*102(GPa)； l螺母至固定端的距离(m)。 b) 两端固定方式滚珠丝杠(图4.4-18c)的拉压刚度 式中 L两固定端之间的距离(m),2) 接触刚度验算 滚珠与丝杠螺母滚道之间是点接触，因此，载荷与接触变形之间为非线性的关系，即刚度随着载荷的变化而变化。为了提高接触刚度和消除间隙，滚珠丝杠与螺母之间应施加预载荷。 预紧力Fp的大小与额定动载荷Ca有关。例如：有的厂规定，FP = Ca/4；有的厂规定Fp = Ca/10。,3) 丝杠稳定性验算 长丝杠失去稳定时的临界负载,式中 E材料的弹性模量(GPa)； I截面惯性矩(皿4)，对实心圆柱， I=d14/64 ，d1为 丝杠内径； l丝杠工作长度(cm)； 由支承结构形式决定的丝杠轴端系数。 为了保证丝杠在轴向压力作用下不致失稳，丝杠的压杆稳定条件为,式中 nk 稳定性安全系数； nk 许用稳定性安全系数，一般取nk = 2.54， 对水平丝杠可取nk = 4。,7滚珠丝杠螺母副的选择步骤 计算作用在滚珠丝杠上的当量动载荷Cm的数值。 从滚珠丝杠产品样本中找出与当量动载荷Cm相近的额定动载荷值Ca，并使CmCa，初步选取几个丝杠的型号和有关的结构参数。 根据具体工作要求，对于结构尺寸、循环方式、调隙方法及传动效率等方面进行初选，并从初选的几个型号中挑选出比较合适的名义直径D0、螺距Ph、滚珠工作圈数 j、滚珠列数 k等，再确定某一型号。 根据被选出的型号，列出各参数的数值，并验算其刚度及稳定性安全系数是否满足要求。如不满足要求，需另选其它型号，再作上述验算，直至满足要求为止。 当 n 10 r/min低速运转时，滚珠丝杠需进行静强度计算。,三、采用脉冲编码器的半闭环系统的倍率参数匹配,图4.4-21 用脉冲编码器的半团环系统,四、数控回转坐标的消隙原理,图4.4-22 双导程蜗杆消隙原理,图4.4-23 分度工作台 1蜗轮副；2角接触球轴承；3小齿轮；4上