金属切削机床 戴曙 第九章 数控机床进给系统.ppt

第九章数控机床进给系统第一节运动设计第二节滚珠丝杠及其支承第三节伺服电动机第四节半闭环伺服系统第五节半闭环进给系统的精度第六节计算举例 数控机床进给传动系统要求 1 提高传动精度和刚度2 减少各运动零件的惯量3 减少运动件的摩擦阻力4 响应速度快5 较强的过载能力6 稳定性好 寿命长7 使用维护方便 第一节运动设计 一 数控机床半闭环进给系统 所示 二 设计参数 齿轮传动副3的传动比i丝杆4的导程Ph mm 工作台最高速度Vman m min 丝杆最高转速nman m min 伺服电机最高转速nmman r min 反馈装置有两种 1 用旋转变压器作为位置反馈 用测速发电机作为速度反馈 2 用脉冲编码器兼作位置和速度反馈 脉冲当量 增量或分辨率 每一个脉冲所对应的执行件移距 设脉冲当量为 mm 脉冲当量 伺服电动机每转一转 反馈装置应发出的脉冲数b为 b Ph a i 第二节滚珠丝杆及其支承一 滚珠丝杆的工作原理特点 1 传动效率高 但不能自锁 2 静 动摩托车撺系数没有什么区别 可防爬行 3 可消除反向间隙并可施加预载 4 由专门厂制造 可以外购 滚珠丝杠由丝杠 螺母 滚珠和滚珠返回装置四部分组成 按照滚珠的循环方式 滚珠丝杠螺母副分成内循环方式和外循环方式两大类 见图5 12 图5 12滚珠丝杠螺母副的循环方式 滚球丝杠的工作原理1 按回珠方式分 图9 4 内循环 回珠器位于螺母之内 外循环 回珠器位于螺母之外 2 按用途分 定位滚珠丝杠副 P类 传动滚珠丝杠副 T类 精度等级 1 2 3 4 5 7 10七个等级 数控机床进给系统用P1 P2表示 二 滚珠丝杠副的消除间隙和预加载荷1 消除间隙方法 1 双螺母法 图9 5所示 左 右螺母接触方向相反 2 垫片式 图9 6a b 所示 使垫片厚度比零间隙时增厚或减薄 3 齿差式 图9 6c 所示 So Ph Z1 Z2 预紧载荷 Fo 1 3 F 目前常用的双螺母预紧结构形式有以下三种 1 用锁紧螺母预紧 图5 15螺纹调间隙式滚珠丝杠螺母副1 圆螺母2 锁紧螺母 2 修磨垫片调间隙 图5 16垫片调隙式滚珠丝杠螺母副 3 齿差式调整 图5 17齿差调隙式滚珠丝杠螺母副1 5 螺母2 滚珠3 套筒4 丝杠6 内齿圈 三 滚珠丝杠的计算 1 疲劳强度计算 计算当量动载荷Cm 确定额定载荷Ca 选择滚珠丝杠规格尺寸 2 刚度计算 滚珠丝杠接触刚度 查样本或由样本提供公式计算 不是定值 随载荷增加而增加 滚珠丝杠拉压刚度 一端轴向固定 最小拉压刚度Kk 杆稳定性和临界转速计算 受压丝杠应验算其稳定性 高速旋转长丝杠应验算其临界转速 两端固定 最小拉压刚度产生在螺母处于中间位置 四 滚珠丝杠的支承1 滚珠丝杠常见的支承方式 图9 7所示 1 一端轴向固定 一端自由 2 一端轴向固定 一端简支 3 两端固定 图5 13滚珠丝杠在机床上的支承形式 a 一端装推力轴承 b 一端装推力轴承 另一端装深沟球轴承 c 两端装推力轴承 d 两端装推力轴承及深沟球轴承 2 目前用得较多的轴承种类 图9 8所示 1 接触角为60 的推力角接触球轴承 2 滚针 推力圆柱滚子组合轴承 简支端常用深沟球轴承 不用预紧 背靠背 面对面 一对同向 右边一对同向与左边一个面对面 五 滚珠丝杠的预拉伸预拉伸的目的 是为了补偿热膨胀 预拉伸量略大于热膨胀量 方法 1 制造时进行预拉伸 使目标行程 公称行程 预拉伸量 2 装配时进行预拉伸 使其恢复公称行程值 3 热膨胀之后 热膨胀量抵消了部分预拉伸量 丝杠内应力下降 但长度没变 图9 9是丝杠预拉伸的一种结构图 具体的方法是把套4换一个比原来略厚的套 预拉伸量的计算 例 预拉伸力的计算 例 套 增加的厚度等于预拉伸量 预拉伸力可按材料力学公式计算 六 滚珠丝杠与伺服电动机的联接联接方式 1 齿轮副或同步齿形带 2 联轴节 图9 10所示 柔性联轴节 锥环联接 两轴套的联接靠柔性片 轴与轴套的联接靠锥环 第三节伺服电动机一 伺服电动机特性图9 11是FB 15型直流伺服电动机特性 连续工作区 1 用于长期工作 2 基本上是恒转矩输出 3 最大输出转矩为额定转矩 加减速区和断续工作区1 用于短期工作 2 电动机在低速下提供的转矩远大于额定转矩 是伺服电动机的最大转矩 二 选择伺服电动机的三个指标伺服电动机生参数是功率 KW 但不按功率选择型号 1 最大切削负载转矩不得超过电动机额定转矩 即 TL T额定求电动机最大切削负载转矩 2 电动机转子惯量JM应与负载惯量JL匹配 根据牛顿第二定理 分析 A 若希望角加速度变化小 在加速转矩基本不变条件下 那么应使系统转动惯量小 B 因为J JM JL 负载惯量JL不是一个定值 若希望J变化小 那么最好JL所占的比例小 这就是惯量匹配 匹配的条件为 3 快移时的加速性能 根据额定转矩和惯量匹配条件 就可以选择电动机型号 然后从样本上查出电动机的最大输出转矩Tman机械常数Tm 第四节半闭环伺服系统数控机床曲线加工 如图9 12所示 直线段长短除取决于曲线形状和进给速度外 不取决于插补时间 一 直流伺服电动机的半闭环伺服系统的组成直流伺服电动机的基本性能 速度大小决定输入的电压 负载转矩大小决定输入的电流 二 用直流伺服电动机的半闭环伺服系统的原理 图9 14所示 分析 1 位置偏差越大 要求伺服电动机的转速越高 输入的模拟电压UC越大 2 伺服电动机速度还受负载的影响 负载发生变化 电动机转速将发生变化 三 用直流伺服电动机半闭环伺服系统的控制框图 图 15所示 K 是各环节的传递函数 各环节K可以看作定值 称为增益 K2 是速度环的闭环增益 KV0 为速度环的开环增益 KS 为系统的开环增益 也是控制工程中的系统灵敏度 通常KS 8 25 1 S ts 是系统的时间常数 ts 1 ks 系统增益KS应根据加速能力进行验算 执行器官 如工作台 能达到的最大加速度 分析 aman应略小于a 速度控制环的开环增益kvo可取为 2 4 KS 第五节半闭环进给系统的精度主要验算 定位精度和重复定位精度 一 定位精度计算半闭环系统的误差 1 丝杠的导程误差 2 丝杠轴承的轴向窜动 3 伺服系统误差 4 伺服系统闭环之外各机械环节弹性变形引起的误差 1 伺服系统的误差 伺服刚度KR 为伺服电动机的输出力矩与位置偏差之比 即伺服刚度为单位位置偏差 电动机能输出多大的转矩以克服外界的干扰 2 综合刚度 计算出伺服刚度 滚珠丝杠螺母副的接触刚度 滚珠丝杠的最小拉压刚度和丝杠轴承的轴向接触刚度后 按弹簧串联原则合成 3 定位精度 是在无切削空载条件下检验的 因此 载荷只是导轨摩擦力Ff 而引起的误差 为 f 加上300mm内丝杠导程公差和轴承的轴向窜动 不应超过要求的定位公差 二 重复定位精度的计算最大重复定位误差 为 三 提高定位精度的途径1 提高丝杠精度 2 提高各环节的刚度 1 提高伺服刚度 可适当加大系统增益KS 2 提高机械环节刚度 可适当加大丝杠直径 增大滚珠圈数和列数 改一端轴向固定为两端固定 改变推力角接触轴承的配组方式 3 若半闭环系统不能满足要求改为闭环系统 第六节计算举例例9 3 设计一台镗铣加工中心的工作台纵向 X轴 进给系统 纵向最大进给力为5000N 工作台重300Kg 工件及夹具的最大重量为500Kg 工作台纵向行程750mm 进给速度1 4000mm 快移速度vmax 15m min 导轨为矩形 表面粘贴聚四氟乙烯软带 要求定位精度为 0 012 300mm 重复定位精度为 0 006mm 设计内容 设计传动系统 选择滚珠丝杠及轴承 选择伺服电动机 反馈装置和伺服系统的参数 验算精度能否符合要求 解 1 根据定位精度要求 选半闭环系统 滚珠丝杠精度取P1级 2 设计传动系统 取伺服电动机的最高转速nmax 1500r min 若电动机与丝杠直接联接 传动比i 1 根据 9 2 公式 丝杠的最高转速为nmax 1500r min 根据 9 1 公式 丝杠导程为 脉冲当量常取a 0 001mm每个脉冲 按9 3公式求电动机每转发出的脉冲数b为 位置反馈装置 旋转变压器和脉冲编码器 图9 17所示 3 滚珠丝杠的选择 滚珠丝杠