数控机床进给传动装置的设计

I 目目 录录 中文摘要中文摘要 英文摘要英文摘要 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 引言引言 1 1 2 数控机床进给传动系统简要叙述数控机床进给传动系统简要叙述 2 1 2 1 升降台传动系统 2 1 2 2 床鞍传动系统 3 1 2 3 工作台传动系统 3 1 3 FXK5045 机床的用途及性能机床的用途及性能 3 1 4 数控机床对进给传动系统的要求数控机床对进给传动系统的要求 5 1 5 数控机床进给系统总体设计方案数控机床进给系统总体设计方案 7 1 6 本章小结本章小结 8 第二章第二章 伺服电动机伺服电动机 9 2 1 伺服系统伺服系统 9 2 1 1 对伺服系统的基本要求 9 2 1 2 伺服系统的分类 10 2 2 伺服电动机的分类伺服电动机的分类 11 2 2 1 直流伺服电机 11 2 2 2 交流伺服电机 11 2 2 3 直线电机 12 2 2 4 步进电机 12 2 3 电动机的选择与计算电动机的选择与计算 14 2 3 1 脉冲当量的选择 15 2 3 2 电机的最高转速 15 2 3 3 等效负载转矩的计算 15 2 3 4 初选步进电动机型号 16 2 3 5 电动机选型验算 17 2 4 本章小结本章小结 18 II 第三章第三章 同步齿形皮带轮传动同步齿形皮带轮传动 19 3 1 同步齿形带的特点应用和优缺点同步齿形带的特点应用和优缺点 19 3 1 1 同步齿形带的特点和应用 19 3 1 2 同步齿形带传动的优缺点 20 3 2 同步齿形带的主要参数和规格同步齿形带的主要参数和规格 20 3 3 同步齿形带传动设计计算同步齿形带传动设计计算 21 3 3 1 失效形式和计算准则 21 3 3 2 同步齿形带传动注意事项 21 3 3 3 同步齿形带传动计算步骤 22 3 4 皮带轮几何尺寸的计算皮带轮几何尺寸的计算 28 3 5 齿轮传动间隙的调整方法齿轮传动间隙的调整方法 29 3 6 同步齿形皮带轮材料的选择同步齿形皮带轮材料的选择 30 3 7 本章小结本章小结 31 第四章第四章 滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的设计计算 32 4 1 滚珠丝杠传动滚珠丝杠传动 32 4 1 1 滚珠丝杠的特点 32 4 1 2 滚珠丝杠的一些主要参数 33 4 1 3 滚珠丝杠的预拉伸 34 4 2 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副 35 4 2 1 滚珠丝杠螺母副的循环方式 35 4 2 2 滚珠丝杠螺母副间隙的调整 36 4 2 3 滚珠丝杠螺母副的维护 37 4 2 4 滚珠丝杠螺母副的常见故障 37 4 3 滚珠丝杠的设计滚珠丝杠的设计 38 4 3 1 滚珠丝杠的设计计算 43 4 3 2 滚珠丝杠的校核 45 4 4 本章小结本章小结 47 第五章第五章 联轴器和导轨联轴器和导轨 48 5 1 联轴器联轴器 48 5 1 1 联轴器的总体分类 48 5 1 2 安全联轴器的作用 50 III 5 2 机床导轨机床导轨 51 5 2 1 对导轨的总体要求 51 5 2 2 导轨副的种类以及组合形式 52 5 2 3 导轨的技术要求 56 5 2 4 导轨副的材料选择 57 5 2 5 导轨副的维护和故障诊断 58 5 3 本章小结本章小结 59 总总 结结 60 参考文献参考文献 62 致致 谢谢 63 四川理工学院毕业设计 论文 说明书 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 引言 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 数控装备是以数 控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 即所谓的数字化装备 其技术范围覆盖很多领域 1 机械制造技术 2 信息处理 加工 传输技术 3 自动控制技术 4 伺服驱动技术 5 传感器技术 6 软件技术 等 从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看 其主要研究热点有以下几个方 面 1 高速 高精度加工技术及装备的新趋势 效率 质量是先进制造技术的主体 高速 高精加工技术可极大地提高效率 提 高产品的质量和档次 缩短生产周期和提高市场竞争能力 为此日本先端技术研究会 将其列为 5 大现代制造技术之一 国际生产工程学会 CIRP 将其确定为 21 世纪的中 心研究方向之一 2 智能化 开放化 网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统 智能化的内容包括在数控系统中 的各个方面 为追求加工效率和加工质量方面的智能化 如加工过程的自适应控制 工艺参数自动生成 为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 如前馈控制 电机参 数的自适应运算 自动识别负载自动选定模型 自整定等 简化编程 简化操作方面 的智能化 如智能化的自动编程 智能化的人机界面等 还有智能诊断 智能监控方 面的内容 方便系统的诊断及维修等 3 重视新技术标准 规范的建立 数控系统设计开发规范 如前所述 开放式数控系统有更好的通用性 柔性 适应性 扩展性 美国 欧 共体和日本等国纷纷实施战略发展计划 并进行开放式体系结构数控系统规范 OMAC OSACA OSEC 的研究和制定 世界 3 个最大的经济体在短期内进行了几乎 相同的科学计划和规范的制定 预示了数控技术的一个新的变革时期的来临 我国在 2000 年也开始进行中国的 ONC 数控系统的规范框架的研究和制定 数控标准 第一章 绪论 2 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势 数控技术诞生后的 50 年间的信息交换 都是基于 ISO6983 标准 即采用 G M 代码描述如何加工 其本质特征是面向加工过 程 显然 他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要 为此 国际上正在研 究和制定一种新的 CNC 系统标准 ISO14649 STEP NC 其目的是提供一种不依赖 于具体系统的中性机制 能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型 从而实现整 个制造过程 乃至各个工业领域产品信息的标准化 4 对数控机床无污染提出要求 21 世纪的数控机床必须把环保和节能放在重要位置 即要实现切削加工工艺的绿 色化 目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上 这主要是因为切削液既污 染环境和危害工人健康 又增加资源和能源的消耗 干切削一般是在大气氛围中进行 但也包括在特殊气体氛围中 氮气中 冷风中或采用干式静电冷却技术 不使用切削液进 行的切削 不过 对于某些加工方式和工件组合 完全不使用切削液的干切削目前尚 难与实际应用 故又出现了使用极微量润滑 MQL 的准干切削 目前在欧洲的大批量 机械加工中 已有 10 15 的加工使用了干和准干切削 对于面向多种加工方法 工件 组合的加工中心之类的机床来说 主要是采用准干切削 通常是让极微量的切削油与 压缩空气的混合物经由机床主轴与工具内的中空通道喷向切削区 在各类数控机床中 采用干切削最多的是滚齿机 总之 数控机床技术的进步和发展为现代制造业的发展提供了良好的条件 促使 制造业向着高效 优质以及人性化的方向发展 可以预见 随着数控机床技术的发展 和数控机床的广泛应用 制造业将迎来一次足以撼动传统制造业模式的深刻革命 1 2 数控机床进给传动系统简要叙述 数控机床进给传动系统是数控机床的重要的组成部分 它是将电动机的旋转运动 传递给工作台或刀架以实现进给运动的整个机械传动链 包括齿轮传动副 丝杠螺母 副及其支承部件等 数控机床进给传动系统主要由升降台传动系统 床鞍传动系统 工作台传动系统 组成 1 2 1 升降台传动系统升降台传动系统 升降台可沿 Z 轴运动 由床身导轨导向并由升降立丝杠驱动 升降台顶部有矩形导 轨与工作台底座 床鞍相连 升降台内装有 Z Y 轴进给伺服电机 Z Y 轴齿形皮带及皮带轮 四川理工学院毕业设计 论文 说明书 3 升降台运动由伺服电机驱动 电机置于升降台内 电机通过一对圆弧齿形皮带轮 及皮带 一对螺旋伞齿轮和滚珠丝杠副以 1 4 降速转动 两带轮与电机轴和滚珠丝杠 均以涨紧环实现无间隙连接 滚珠丝杠螺母固定于底座上 丝杠固定于升降台上 1 2 2 床鞍传动系统床鞍传动系统 床鞍沿升降台顶部导轨在 Y 轴上移动 床鞍上表面有供工作台沿 X 轴横向移动的 燕尾导轨 床鞍上下两面的导轨互相垂直 从而保证了 X 轴运动和 Y 运动的垂直 在 床鞍内装有纵向 横向丝杠及两端托架 横向床鞍运动由伺服电机通过一对圆弧齿形皮带轮 皮带 一对消隙齿轮和滚珠 丝杠副以 3 4 降速传动 两带轮与电机轴和传动轴均以涨紧环实现无间隙连结 滚珠 丝杠固定于床鞍上 丝杠螺母固定于升降台上 1 2 3 工作台传动系统工作台传动系统 工作台可沿床鞍纵向导轨在 X 轴方向移动 导轨由来自床身的集中润滑装置自动 润滑 X 向滚珠丝杠由手动油枪通过工作台侧的油杯进行润滑 工作台表面有便于安 装工卡夹具 工件及附近的 T 形槽 还有回收冷却液的回水槽 工作台运动由伺服电机通过两个圆弧齿形皮带轮 和圆弧齿形皮带以 2 3 降速传 动 两带轮与电机轴和滚珠丝杠均以涨紧环实现无间隙联接 滚珠丝杠螺母固定于工 作台底端 两端托架固定于床鞍上 1 3 FXK5045 机床的用途及性能 图 1 1 XK5045 型普通铣床的布局图 Fig 1 1 Milling machine layout plans 第一章 绪论 4 1 底座 2 强电柜 3 变压器箱 4 垂直升降进给伺服电动机 5 主轴变速手柄和按钮板 6 床身 7 数控柜 8 保护开关 9 挡铁 10 操纵台 11 保护开关 12 横向溜板 13 纵向进给伺服电动机 14 横向进给伺服电动机 15 升降台 16 纵向工作台 在本次设计中 以 FXK5045 数控立式升降台铣床为例来说明数控机床的进给传动 系统 FXK5045 为数控立式升降台铣床 与上图 XK5045 普通铣床相比 在外观结构上 相同 只是多一个数控装置 FXK5045 可配备国外或国内数控系统 具有计算机数字 控制 CNC 可进行纵向 横向 垂向三个坐标的直线 圆弧 抛物线插补运动 由配置的系统功能确定 每个坐标装有编码器作为检测元件 FXK5045 适用于加工形状复杂的平面和立体零件 如冲模 压模 锻模 塑料模 等各种模具及样板 凸轮 飞机零件 内燃机的连杆等形状复杂的零件 对于加工形 状复杂而品种又经常变换的生产部门大为适用 FXK5045 数控立式升降台铣床的基本参数如下 工作台面积 宽 长 500 1800 mm 工作台 T 形槽 槽数 宽度 间距 6 18 63 mm 工作台承载工件最大重量 1000 Kg 工作台行程 纵向 横向 垂向 11000 330 600 mm 垂向行程 手动 套筒 90 mm 主轴锥孔 7 24 ISO50 刀柄形式 XT50 主轴转速 18 级 35 5 1800 r min 主轴电机功率 15 Kw 立铣头最大回转角度 45 主轴端面到工作台面距离 110 710 mm 床身导轨至主轴中心线的距离 450 mm 进给速度范围 X Y Z 5 4000 5 1000 mm min 快速进给 X Y Z 8000 2000 mm min 定位精度 国际 0 035 mm 重复定位精度 国际 0 020 mm 机床重量 约 5000 Kg 机床外型尺寸 长 宽 高 2530 2443 2560 mm 四川理工学院毕业设计 论文 说明书 5 本机床具有如下特点 1 机床具有很高的结构刚性 能承受中负荷切削工作 2 机床具有足够的功率和宽广的变速范围 能使用硬质合金刀进行高速切削 充 分发挥刀具效能 3 主轴变速有冲动装置 便于变速 机床能迅速有效的进行制动 4 机床的重要传动零件均用合金钢制成 容易磨损零件均用耐磨材料制成 导轨 贴塑 保证了机床有足够的使用寿命 5 操纵台与电柜采用分体式 操纵台集中操纵 安装于机床吊挂上 能转动一定 角度 操作方便宜人 6 机床三向运动均有限位装置 保证机床和操作工人的安全 还可用作多机床管 理 7 机床具有完整的润滑系统 重要的传动零件和轴承均有完整的润滑装置 同时 设有指示器进行经常检查 8 各重要传动轴和主轴的安装在滚动轴承上 提高传动效率 9 工作台三个方向均能进行快速移动 减少辅助时间 提高生产效率 1 4 数控机床对进给传动系统的要求 1 减少摩擦阻力 为了提高数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度 必须减小运动件的摩擦 阻力和动 静摩擦力之差 为满足上述要求 在数控机床进给传动系统中 普通采用 滚珠丝杠螺母副 静压丝杠螺母副 滚动导轨 静压导轨和塑料导轨 在减小摩擦阻 力的同时 还必须考虑传动部件要有适当的阻尼 以保证系统的稳定性 2 减少运动惯量 运动部件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有影响 尤其是处于高速运转的 零 部件 其惯量的影响更大 因此 在满足部件强度和刚度的前提下 尽可能减小 运动部件的质量 减小旋转零件的直径和质量 以减小运动部件的惯量 3 高的传动精度与定位精度 数控机床的进给传动装置的传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的 作用 对采用进步电动机驱动的开环控制系统尤其如此 因此 传动精度和定位精度 是数控机床最重要也是最具有该类机床特征的指标 无论对点位 直线控制系统 还 是轮廓控制 该项精度都很重要 设计中 通过在进给传动链中加入减速齿轮 以减 小脉冲当量 即伺服系统接收一个指令脉冲驱动工作台移动的距离 预紧传动滚珠 丝杠 消除齿轮 蜗轮等传动的间隙等办法 可达到提高传动精度的定位精度的目的 第一章 绪论 6 由此可见 机床本身的精度 尤其是伺服传动链和伺服执行机构的精度 是影响工作 精度的主要因素 4 宽的进给调速范围 伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下 应具有很宽的调速范围 以适应各 种工件材料 尺寸和刀具等变化的需要 工作进给速度范围可达 3 6000 mm min 调速 范围 1 2000 为了完成精密定位 伺服系统的低速趋进速度达 0 1mm min 为了缩 短辅助时间 提高加工效率 快速移动速度应高达 15m min 如此宽的调速范围是伺服 系统设计的一个难题 在多坐标联动的数控机床上 合成速度维持常数 是保证表面 粗糙度要求的重要条件 为保证较高的轮廓精度 各坐标方面的运动速度也要配合适 当 这是对数控机床和伺服进给系统提出的共同要求 5 响应速度要快 快响应特性是指进给系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度 即跟踪指令信号的响应要快 定位速度和轮廓切削进给速度要满足要求 工作台应能 在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令 进行单步或连续移动 在运行时不出现 丢步或多步现象 进给系统响应速度的大小不仅影响机床的加工效率 而且影响加工 精度 设计中应使机床工作台及其传动机构的刚度 间隙 摩擦以及转动惯量尽可能 达到最佳值 以提高伺服进给系统的快速响应性 6 无间隙传动 进给系统的传动间隙一般指反向间隙 即反向死区误差 它存在于整个传动链的 各传动副中 直接影响数控机床的加工精度 因此 应尽量消除传动间隙 减小反向 死区误差 设计中可采用消除间隙的联轴节及有消除间隙措施的传动副等方法 7 稳定性好 寿命长 稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本的条件 特别是在低速进给情况下 不产生爬行 并能适应外加负载的变化而不发生共振 稳定性与系统的惯性 刚性 阻尼及增益等都有关系 适当选择各项参数 并能达到最佳的工作性能 是伺服系统 设计的目标 所谓进给系统的寿命 主要是指其保持数控机床传动精度和定位精度的 时间长短 即各传动部件应选择合适的材料及合理的加工工艺与热处理方法 对于滚 珠丝杠及传动齿轮 必须具有一定的耐磨性和适宜的润滑方式 以延长其寿命 8 使用维护方便 数控机床属于精度自动控制机床 主要用于单件 中小批量 高精度及复杂的生 产加工 机床的开机效率相应就高 因而进给系统的结构设计应便于维护和保养 最 大限度地减小维修工作量 以提高机床的利用率 四川理工学院毕业设计 论文 说明书 7 1 5 数控机床进给系统总体设计方案 图 1 2 进给系统的结构简图 Fig 1 2 Feed system structure diagram 上图为此次设计 FXK5045 数控立式铣床进给系统的机械结构简图 伺服电机通过同步齿形带和滚珠丝杠相联 编码器固定在滚珠丝杠的右端将工作 台的实际位移信号传递给控制系统 属于开环控制 同步带连接方式隔离了电机的振 动和发热 使电动机安装位置更加机动 但机械结构环节增加了 方案具体的设计过程如下 图 1 3 数控机床进给传动系统工作原理图 Fig 1 3 CNC machine tool drive system to work diagram 1 指令脉冲驱动步进电动机 2 步进电机驱动电路带动功率步进电动机运转 3 功率步进电动机作为动力源 带动齿形皮带轮动力的输送 4 齿形皮带轮带动滚珠丝杠降速转动 5 滚珠丝杠的转动使数控机床工作台横向移动 第一章 绪论 8 1 6 本章小结 在本章的设计中 让我明白了数控机床进给传动的三大部分 升降台传动系统 床鞍传动系统以及工作台传动系统 并对三者各自的基本情况和运动规律作了一个简 要的叙述 对所设计的数控铣床 FXK5045 也有了一定的认识 其中包括 FXK5045 的基 本性能参数 还有此机床进给传动部分所各自具备的用途 以及擅长加工哪些图形的 情况都做了一一的描述 还有数控机床对进给传动方面的要求也进行了一定的说明 对进给传动总体设计方案的构想也有了一定的思路 并且进行设计的初步实践中 四川理工学院毕业设计 论文 说明书 9 第二章第二章 伺服电动机伺服电动机 伺服电动机 简称伺服电机 为数控伺服系统的重要组成部分 是速度和轨迹控制的 执行元件 伺服系统的设计 调试与选用的电机及其特性有密切关系 直接影响伺服 系统的静 动态品质 2 1 伺服系统 在自动控制系统中 输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称 为伺服系统 数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自 动控制系统 伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件 或称执行元件伺服电机 组成 高性能的伺服系统还有检测装置 反馈实际的输出状态 数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号 驱动机床移动部件 跟随指令脉冲运动 并保证动作的快速和准确 这就要求高质量的速度和位置伺服 以上指的主要是进给伺服控制 另外还有对主运动的伺服控制 不过控制要求不如前 者高 数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统 2 1 1 对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求 数控机床集中了传统的自动机床 精密机床和万能机床的优点 将高效率 高精 度与高柔性集中于一体 而数控机床技术水平的提高首先依赖于进给驱动特性的改善 及功能的扩大 一般对进给伺服系统有如下要求 1 正反向运行 机床在工作过程中 工作台根据加工轨迹的形状随时都可能要求正向或反向运行 同时应考虑正反向运行时起动与制动之间存在的电能与机械能的转换 以实现可靠的 快速制动 2 调速范围宽 为适应不同的加工条件 如加工零件的材料 类型 大小及刀具的种类 冷却方 式等 要求伺服有很宽的调速范围和优异的调速特性 3 高刚性与高的速度稳定性 伺服在不同的负载情况下或切削条件发生变化时 应使进给速度保持恒定 要求 伺服具有优良的静态与动态负载特性 4 快速响应及无超调 为了保证轮廓切削形状精度与低的加工面表面粗糙度 要求伺服具有良好的快速 响应特性 同时无超调 5 高精度 第二章 伺服电动机 10 为了满足加工精度 要保证机床的定位精度及进给精度 亦即要求伺服具有高的 静态分辨率 动态特性至少应是一阶无差系统 6 低速大扭矩 机床加工的特点多是低速时进行切削加工 要求在低速时进给驱动应保证额定扭 矩输出 亦即要求伺服具有恒扭矩输出 2 1 2 伺服系统的分类伺服系统的分类 1 开环系统 图 2 1 开环系统构成图 Fig 2 1 Open loop systems pose a map 图 2 1 是开环系统构成图 它主要由驱动电路 执行元件和机床三大部分组成 常用的执行元件是步进电机 通常称以步进电机作为执行元件的开环系统为步进式伺 服系统 在这种系统中 如果是大功率驱动时 用电液脉冲马达作为执行元件 驱动 电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号 2 闭环系统 图 2 2 闭环系统构成图 Fig 2 2 Closed loop systems pose a map 闭环系统主要由比较环节 驱动电路 执行元件 机床和检测单元五部分组成 其构成框图如图 2 2 所示 在闭环系统中 检测元件将机床移动部件的实际位置检测 出来并转换成电信号反馈给比较环节 常见的检测元件有旋转变压器 感应同步器 光栅 磁栅和编码盘等 通常把安装在丝杠上的检测元件组成的伺服系统称为半闭环 系统 把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统 由于丝杠和工作 台之间传动误差的存在 半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些 比 较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较 两者的差值作为伺服系统的跟随误 差 经驱动电路 控制执行元件带动工作台继续移动 直到跟随误差为零 根据进入 比较环节信号的形式以及反馈检测方式 闭环 半闭环 系统可分为脉冲比较伺服系 统 相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统三种 由于比较环节输出的信号比较微弱 不足以驱动执行元件 故需对其进行放大 四川理工学院毕业设计 论文 说明书 11 驱动电路正是为此而设置的 执行元件的作用是根据控制信号 即来自比较环节的跟 随误差信号 将表示位移量的电信号转化为机械位移 常用的执行元件有直流宽调速 电动机 交流电动机等 执行元件是伺服系统中必不可少的一部分 驱动电路是随执 行元件的不同而不同的 2 1 3 伺服系统的发展方向伺服系统的发展方向 随着生产力的不断发展 要求伺服系统向高精度 高速度 大功率方向发展 1 充分利用迅速发展的电子和计算机技术 采用数字式伺服系统 利用微机实现 调节控制 增强软件控制功能 排除模拟电路的非线性误差和调整误差以及温度漂移 等因素的影响 可大大提高伺服系统的性能 并为实现最优控制 自适应控制创造条 件 2 开发高精度 快速检测元件 3 开发高性能的伺服电机 执行元件 目前交流伺服电机的变速比已达 1 10000 使用日益增多 无刷电机因无电刷和换向片零部件 加速性能要比直流伺 服电机高两倍 维护也较方便 常用于高速数控机床 2 2 伺服电动机的分类 在数控机床中常用的伺服电机有 直流伺服电动机 交流伺服电动机 步进电机和 直线电机等 直流伺服电机具有良好的调速性能 在 70 年代 80 年代的数控系统中得 到了广泛的应用 交流伺服电动机由于结构和控制原理的发展 性能大大提高 从 80 年代末开始逐渐取代直流伺服电机 是目前主要使用的电动机 步进电机应用在轻载 负荷变动不大以及经济型数控系统中 直线电机是一种很有发展前途的特种电机 主 要应用在高速 高精度的进给伺服系统中 2 2 1 直流伺服电机直流伺服电机 常用的直流电动机有 永磁式直流电机 混合式直流电机 无刷直流电机和直流力 矩电机等 直流进给伺服系统使用永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电动机 普通型 直流主轴伺服系统使用励磁式直流电机类型中的他激直流电机 此外 永磁 式直流电机还包括无槽电枢永磁直流电机 杯型电枢永磁直流电机和印刷绕组电枢永 磁直流电机等 这些均为小惯量电机 适用于要求快速响应和频繁起动的伺服系统 但其过载能力低 电枢惯量与机械系统匹配较差 普通型永磁式直流电机产量大 应 用广泛 2 2 2 交流伺服电机交流伺服电机 在交流伺服系统中 电动机的类型有永磁同步交流伺服电机 PMSM 和感应异步交 流伺服电机 IM 其中 永磁同步电机具备十分优良的低速性能 可以实现弱磁高速 第二章 伺服电动机 12 控制 调速范围宽广 动态特性和效率都很高 已经成为伺服系统的主流之选 而异 步伺服电机虽然结构坚固 制造简单 价格低廉 但是在特性上和效率上存在差距 只在大功率场合得到重视 2 2 3 直线电机直线电机 直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形 它可以看作是一台旋转电 机沿其径向剖开 然后拉平演变而成 近年来 随着自动控制技术和微型计算机的高 速发展 对各类自动控制系统的定位精度提出了更高的要求 在这种情况下 传统的 旋转电机再加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置 已经远不能满足现代控制系 统的要求 为此 近年来世界许多国家都在研究 发展和应用直线电机 使得直线电 机的应用领域越来越广 直线电机与旋转电机相比 主要有如下几个特点 一是结构简单 由于直线电机 不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置 因而使得系统本身的结构大为简化 重 量和体积大大地下降 二是定位精度高 在需要直线运动的地方 直线电机可以实现 直接传动 因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差 故定位精度高 如采用微 机控制 则还可以大大地提高整个系统的定位精度 三是反应速度快 灵敏度高 随 动性好 直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑 因而使得动子和定子之间始终保持 一定的空气隙而不接触 这就消除了定 动子间的接触摩擦阻力 因而大大地提高了 系统的灵敏度 快速性和随动性 四是工作安全可靠 寿命长 直线电机可以实现无 接触传递力 机械摩擦损耗几乎为零 所以故障少 免维修 因而工作安全可靠 寿 命长 2 2 4 步进电机步进电机 步进电机是一种把脉冲信号转换成角位移的电气机械 电脉冲的数量代表了转子 的角位移量 转子的转速与电脉冲的频率成正比 旋转的方向取决于脉冲的顺序 转 矩是由于磁阻作用所产生 步进电机一定要与控制脉冲联系起来才能运行 否则无法 工作 其运行形式是步进的 故称为步进电机 对定子绕组所加电源形式既不是正弦 波交流也不是恒定直流 而是电脉冲电压 电流 所以也称为脉冲电机或脉冲马达 步进电机用于与控制脉冲组成的开环系统中 2 2 4 1 步进电机的分类及结构 步进电机的分类方式很多 按作用原理分 步进电机有磁阻式 反应式 感应子式 和永磁式三大类 按输出功率和使用场合分类 分为功率步进电机和控制步进电机 按结构分类 分为径向式 单段式 轴向式 多段 和印刷绕组式步进电机 按相数分类 分为三相 四相 五相 六相等 四川理工学院毕业设计 论文 说明书 13 各种步进电机都是由定子和转子组成 但因类型不同 结构也不完全一样 磁阻 式步进电机 以三相径向式为例 定子铁心上有六个均匀分布 5 个齿 齿槽距相等 齿 间夹角为 9 在直径方向相对的两个极上的线圈串联 构成了一相励磁绕组 共有三 相 A B C 按径向排列的励磁绕组 转子为铁心 硅钢 其上无绕组 只有均布的 40 个齿 齿槽等宽 齿间夹角也是 9 三相定子磁极和转子上相应的齿依次错开了 1 3 齿距 即 3 磁阻式步进电机还有一种轴向分相的多段式结构 定子和转子铁心都分成多段 三 四 五 六段等 每段为一相 依次错开排列为 A B C D E 等相 每相都是独 立的 感应子式步进电机分为励磁式和永磁式两种 感应子式步进电机的结构与磁阻式 步进电机的结构相似 其定子转子铁心的磁场和齿槽均一样 两者的差别是感应子式 步进电机存在轴向恒定磁场 励磁感应子式步进电机是靠转子上的励磁绕组产生轴向 磁场 永磁感应子式步进电机的转子由一段环形磁钢 在转子中部 和二段铁心 在环形 磁钢的两端 轴向充磁 建立轴向磁场 轴向磁场可以改善步进电机的动态特性 发 展趋势将取代磁阻式步进电机 永磁式步进电机的转子为永久磁铁 定子为软磁材料 该种电机有多种结构形式 常用形式有爪极式和隐极式 爪极式步进电机结构一般采用二相或者四相绕组 隐极 式步进电机结构与磁阻式步进电机一样有二 三 四 五 相等多种绕组 2 2 4 2 步进电机的工作原理 以磁阻式 反应式 步进电机为例 其工作原理是按电磁吸引的原理工作的 以下 图所示的反应式三相步进电机为例加以说明 当某一相定子绕组加上电脉冲 即通电 时 该相磁极产生磁场 并对转子产生电磁转矩 将靠近定子通电绕组磁极的转子上 一对齿吸引过来 当转子一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时 磁阻最小 转矩 为零 停止转动 如果定子绕组按顺序轮流通电 A B C 三相的三对磁极就依次产 生磁场 使转子一步步按一定方向转动起来 第二章 伺服电动机 14 图 2 3 步进电机工作原理 Fig 2 3 Stepper Motor Principle 具体为 假设每个定子磁极有一个齿 转子有四个齿 首先 A 相通电 B C 二相 断电 转子 1 3 齿按磁阻最小路径被 A 相磁极产生的电磁转矩吸引过去 当 1 3 齿 与 A 相对齐时 转动停止 此时 B 相通电 A C 二相断电 磁极 B 又把距它最近的 一对齿 2 4 吸引过来 使转子按逆时针方向转过 30 接着 C 相通电 A B 二相断 电 转子又逆时针旋转 30 依次类推 定子按 A B C A 顺序通电 转子就一 步步地按逆时针方向转动 每步 30 若改变通电顺序 按 A C B A 使定子绕 组通电 步进电机就按顺时针方向转动 同样每步转 30 这种控制方式叫单三拍方 式 由于每次只有一相绕组通电 在切换瞬间失去自锁转矩 容易失步 此外 只有 一相绕组通电吸引转子 易在平衡位置附近产生振荡 故实际上均不采用单三拍方式 而采用双三拍控制方式 双三拍通电顺序按 AB BC CA AB 逆时针方向 或按 AC CB BA AC 顺时针方向 进行 由于双三拍控制每次有二相绕组通电 而 且切换时总保持一相绕组通电 所以工作稳定 如果按 A AB B BC C CA A 顺序通电 就是三相六拍工作方式 每切换一次 步进电机每步按逆时针方向转过 15 同样 若按 A AC C CB B BA A 顺序通电 步进电机每步按顺时针方向转过 15 对应一个指令电脉冲 转子转动一 个固定角度 称为步矩角 实际上 转子有 40 个齿 三相单三拍工作方式 步距角为 3 三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步矩角小一半 为 1 5 控制步进电机的转动是由加到绕组的电脉冲决定的 即由指令脉冲决定的 指令 脉冲数决定它的转动步数 即角位移的大小 指令脉冲频率决定它的转动速度 只要 改变指令脉冲频率 就可以使步进电机的旋转速度在很宽的范围内连续调节 改变绕 组的通电顺序 可以改变它的旋转方向 可见 对步进电机控制十分方便 一转中没 有累计误差 动态响应快 自起动能力强 角位移变化范围宽 步进电机的缺点是效 率低 带惯性负载能力差 低频振荡 失步 高频失步 自身噪声和振动较大 2 3 电动机的选择与计算 进给系统是与控制脉冲组成的是开环系统 数控机床的进给传动系统又需要电机 的旋转速度在很宽的范围内连续调节 通过输入脉冲信号来进行控制的 即电机的总 转动角度由输入脉冲数决定 而电机的转速由脉冲信号频率决定 基于这几个方面 选用步进电动机作为进给传动系统的动力源 四川理工学院毕业设计 论文 说明书 15 2 3 1 脉冲当量的选择脉冲当量的选择 脉冲当量 一个指令脉冲使步进电动机驱动工作台的移动距离 脉冲当量是数控机床精度的一个重要参数 系统根据需要选择 0 01mm p 输入 一个指令脉冲工作台移动 0 01 毫米 初选之相步进电动机的步距角 当三相三拍运行时 步距角 0 75 1 5 当三相六拍运行时 步距角 1 5 0 75 选步进电动机为三相六拍运行 其每转的脉冲数为 360 480 0 75 sp r 2 1 2 3 2 电机的最高转速电机的最高转速 按照步进电动机的性能要求 快速行程的步进电机转速应严格控制在电机的额定 转速之内 2 2 3 max 10 nom n Vi nn P 3 8 1 5 1015002000 8 rpm 式中 n 快速行程时电机的转速 rpm Vmax 直线运行速度 m min i 系统传动比 Pn 丝杠导程 mm nnom 电机的额定转速 rpm 2 3 3 等效负载转矩的计算等效负载转矩的计算 2 3 3 1 在机床位加任何负载的情况下 空载时的摩擦转矩 TLF 0 06 4250 0 008 0 27 220 8 1 5 n LF uwP TN m i 2 3 式中 u 摩擦系数 w 工作台的总重量 Pn 丝杠导程 i 传动比 工作台运动由私服电机通过两个圆弧齿形皮带轮 和圆弧齿形 皮带以 2 3 降速传动 滚珠丝杆传动效率 2 3 3 2 在机床加工过程中所产生的负载转矩 TL为 第二章 伺服电动机 16 2 yxn L Fu wFP T i 2 4 75000 06 4250 15000 0 008 20 8 1 5 9 183N m 式中 Fx 最大切削力 N Fy X 方向产生的切削分力 也就是 Y 方向产生的切削力 2 3 3 3 等效转动惯量计算 1 滚珠丝杆的转动惯量 Js 443 32 0 032 1 328 7 85 10 1 07 10 3232 do lp JsKg m 2 5 式中 do 滚珠丝杆节圆直径 l 滚珠丝杆的工作长度 也就是滚珠丝杠螺纹的长度 2 大齿轮的转动惯量 Jg2 大齿接圆直径 135 毫米 宽 60 毫米 443 32 2 0 135 0 06 10 1 96 10 3232 g D bp Jkg m 2 6 3 小齿轮的转动惯量 Jg1 小齿接圆直径 90 毫米 宽 60 毫米 443 42 1 0 09 0 06 10 3 86 10 3232 g D bp Jkg m 2 7 换算到电动机轴上总转动惯量 JL由滚珠丝杆的转动惯量 大齿轮的转动惯量 小 齿轮的转动惯量三者共同决定 因此 总转动惯量 JL为 2 1 2 sg Lg JJ JJ L 2 8 33 4 2 1 07 101 96 10 3 86 10 1 328 32 2 10 10 Kg m 2 3 4 初选步进电动机型号初选步进电动机型号 根据铣削时负载转距 9 183 L TN m 和电动机总转动惯量 32 2 10 10 L JKg m 初 步选定电动型号为 FANUC ac12 步进电动机 该电动机的最大静扭距 max 22 1TN m 转子转动惯量 JM 1 1 10 3kg m2 为了使步进电动机具有良好的起动能力及较快的响应速度应为 四川理工学院毕业设计 论文 说明书 17 2 max TL T 及 4 M L J J max 22 1 2 42 9 183 L T T 3 3 2 10 10 1 94 1 1 10 L M J J 2 3 4 1 带惯性负载的最大起动频率的计算 L f 1500 881 1 1 9 1 m L L M f fHZ J J 2 9 电动机空载起动频率m f 2 3 4 2 带惯性负载的最大转速 2 10 600 75881 60 110 360360 L m f n 转分 2 3 4 3 带惯性负载起动力矩 Tm电动机起动矩的情况下 根据频率特性曲线可以查 得 2 6 m TN M 2 3 4 4 电机带惯性负载时的起动时间 a t 2 11 0 1047 LMm a mLF JJn t TT 33 2 10 101 1 10 0 1047 2 60 27 0 0014s FANUC ac12 步进电动机的最小加 减速度时间为 1 秒 所以该电机带惯性负载时能够起动 2 3 5 电动机选型验算电动机选型验算 1 空行程快速移动速度的验算 从电动机的运行矩频率特性曲线查得 fmax 6000HZ 时 电动机转矩 0 9N m TLF 0 27N m 空载时的摩擦转矩 max 0 75 6000 8 4518 min300 min 66 1 328 n fP vmmmm l 2 12 2 工作行程速度验算 第二章 伺服电动机 18 当 TL 9 183N m 时 电动机对应频率 f 2000Hz 0 75 2000 8 1506 min500 min 66 1 328 n fP vmmmm l 2 13 以上计算 选该型号 FANUC ac12 步进电动机 无论是起动性能 还是空行程快速 进给 还是工作行程进给速度都能满足该机床的设计要求 2 4 本章小结 在本章的设计中 首先是对伺服系统的一个基本了解 其中包括对伺服系统的基 本要求和分类 在数控机床中常用的伺服电机有 直流伺服电动机 交流伺服电动机 步进电机和直线电机等 这几类是主要的伺服电动机 对它们的基本原理作一个简要 的叙述 比较其特点 并选取步进电机作为本进给传动系统的动力源 然后从机床性 能要求 选取符合本设计铣床的步进电动机 其主要过程为 脉冲当量的选择 确定 电机的最高转速 等效负载转矩的计算 根据以上三个计算结果 初步确定选择合适 的步进电动机 对所选择步进点动机进行验算 看是否满足性能要求 四川理工学院毕业设计 论文 说明书 19 第三章第三章 同步齿形皮带轮传动同步齿形皮带轮传动 同步齿形带传动是FXK5045数控机床进给传动系统的重要部件之一 同步齿形带传动是一种特殊的新型带传动 带的工作面做成齿形 带轮的轮缘表 面也做成相应的齿形 带与带轮主要靠啮合进行传动 同步齿形带一般采用细钢丝绳 作强力层 外面包覆聚氯脂或氯丁橡胶 强力层中线定为带的节线 带线周长为公称 长度 带的基本参数是周节p和模数m 周节p等于相邻两齿对应点间沿节线量得的尺 寸 模数m p 中国的同步齿形带采用模数制 即 模数 宽度 齿数 靠摩擦传动的带传动在工作前必须有一定的预拉力F0 紧套在两轮上 使带与轮面 之间产生一定的正压力 当主动轮开始转动时 带与轮面之间便产生摩擦力 将动力 和运动由主动轮传到从动轮 这时 带的一边拉力增大为 F1 称为紧边 另一边拉力 减小为F2 称为松边 紧边与松边拉力的差 F1 F2 称为有效拉力Ft 它等于沿带轮的 接触弧上摩擦力的总和 即所能传递的圆周力 表示带传动的承载能力 一般来说 增大预拉力可以增大摩擦力 使紧边和松边的拉力差增大 提高带所能传递的圆周力 但在一定的预拉力条件下 紧边和松边的拉力差有一极限值 超过此值时带就在轮上 打滑 传动失效 图3 1 同步齿形带 Fig 3 1 Synchronous belt 3 1 同步齿形带的特点应用和优缺点 3 1 1 同步齿形带的特点和应用同步齿形带的特点和应用 与普通带传动相比 同步齿形带传动的特点是 1 钢丝绳制成的强力层受载后变形极小 齿形带的周节基本不变 带与带轮间无相 对滑动 传动比恒定 准确 2 齿形带薄且轻 可用于速度较高的场合 传动时线速度可达40米 秒 传动比 可达10 传动效率可达98 第三章 同步齿形皮带轮传动 20 3 结构紧凑 耐磨性好 4 由于预拉力小 承载能力也较小 5 制造和安装精度要求甚高 要求有严格的中心距 故成本较高 这种带薄而且轻 惯性效应较小 因而可用于高速传动 其圆周速度 v 可以达到 40m s 由于不是摩擦传动 因此小带轮的包角可以适当减小 传动比也可达 10 传动 效率也高达 98 99 同步齿形带传动主要用于要求传动比准确的中 小功率的传 动中 如电影放映机 录音机 医疗机械 电子计算机 仪器设备等 这种带传动的主要 缺点是齿形带制造复杂 安装要求复杂且成本较高 3 1 2 同步齿形带传动的优缺点同步齿形带传动的优缺点 1 工作时无滑动 有准确的传动比 同步带传动是一种啮合传动 虽然同步带是弹性体 但由于其中承受负载的承载 绳具有在拉力作用下不伸长的特性 故能保持带节距不变 使带与轮齿槽能正确啮合 实现无滑差的同步传动 获得精确的传动比 2 传动效率高 节能效果好 由于同步带作无滑动的同步传动 故有较高的传动效率 一般可达 0 98 它与三 角带传动相比 有明显的节能效果 3 传动比范围大 结构紧凑 同步带传动的传动比一般可达到 10 左右 而且在大传动比情况下 其结构比三角 带传动紧凑 因为同步带传动是啮合传动 其带轮直径比依靠摩擦力来传递动力的三 角带带轮要小得多 此外由于同步带不需要大的张紧力 使带轮轴和轴承的尺寸都可 减小 所以与三角带传动相比 在同样的传动比下 同步带传动具有较紧凑的结构 4 维护保养方便 运转费用低 由于同步带中承载绳采用伸长率很小的玻璃纤维 钢丝等材料制成 故在运转过 程中带伸长很小 不需要像三角带 链传动等需经常调整张紧力 此外 同步带在运 转中也不需要任何润滑 所以维护保养很方便 运转费用比三角带 链 齿轮要低得 多 5 恶劣环境条件下仍能正常工作 尽管同步带传动与其它传动相比有以上优点 但它对安装时的中心距要求等方面 极其严格 同时制造工艺复杂 制造成本高 3 2 同步齿形带的主要参数和规格 1 齿距 齿距p为相邻两齿在节线上的距离 由于强力层在工作时长度不变 所以强力层的 四川理工学院毕业设计 论文 说明书 21 中心线被规定为齿形带的节线 中性层 并以节线的周长L作为齿形带的公称长度 2 模数 m 模数定义为m p 使齿形带尺寸计算的一个主要依据 根据不同的模数数值来确 定带的型号及结构参数 在60年代该种规格制度曾应用于日 意 苏等国 后随国际 交流的需要 各国同步带规格制度逐渐统一到节距制 目前仅前苏联及东欧各国仍采 用模数制 3 节距制 同步带的主要参数是带齿节距 按节距大小不同 相应带 轮有不同的结构尺寸 该种规格制度目前被列为国际标准 4 其它参数 齿形带的其它参数和尺寸与渐开线齿条基本相同 齿形带齿形的计算公式与渐开 线齿条不同 因为齿形带的节线在强力层上 而不在齿高中部 齿形带的标注方法是 模数 宽度 齿数 即m b z 3 3 同步齿形带传动设计计算 3 3 1 失效形式和计算准则失效形式和计算准则 同步带传动主要失效形式有 1 承载绳断裂 原因是带型号过小和小带轮直径过小等 2 爬齿和跳齿 原因是同步带传递的圆周力过大 带与带轮间的节距差值过大 带的初拉力过小 等 3 带齿的磨损 原因是带齿与轮齿的啮合干涉 带的张紧力过大等 4 其他失效方式 带和带轮的制造安装误差引起的带轮棱边磨损 带与带轮的节距差值太大和啮合 齿数过少引起的带齿剪切破坏 同步带背的龟裂 承载绳抽出和包布层脱落等 在正常的工作条件下 同步带传动的设计准则是在不打滑的条件下 保证同步带 的抗拉强度 在灰尘杂质较多的条件下 则应保证带齿的一定耐磨性 3 3 2 同步齿形带传动注意事项同步齿形带传动注意事项 1 为了减小惯量 同步带轮材料宜采用密度较小的铝合金或塑料制造 2 同步带轮应直接安装在电动机及丝杠轴上 以避免中间环节给系统带来附加惯 量 第三章 同步齿形皮带轮传动 22 3 必须对同步带轮的平行性进行调节 以防止不平行产生的传动带边缘张力 引 起传动带磨损 4 为了消除间隙 同步带必须通过张力调整进行预紧 3 3 3 同步齿形带传动计算步骤同步齿形带传动计算步骤 设计同步带传动的已知条件为 1 需要传递的名义功率 2 n1 n2 主从动轮的转速或传动比 具体计算步骤为 计算功率 Pc 计算模数 m 小带轮齿数 Z1 小带轮节圆直径 d1 大带轮齿数 Z2 大带轮节圆直径 d2 带速 v 初定胶带节线长度 L0p 及其齿数 Z 计算中心距 a 毫米