进给传动系设计分析.ppt

3 5进给传动系设计 一 进给传动系设计应满足的基本要求 一 进给传动系的组成 动力源 变速机构 换向机构 运动分配机构 过载保险机构和运动转换机构 1 动力源 单独使用电动机 缩短传动链 实现几个方向进给和自动化 与主传动共用动力源 保证主传动与进给运动之间的严格传动比 2 变速机构 改变进给量大小 其方式有 齿轮变速 机械无级变速 伺服电机变速 3 换向机构 电机换向 换向方便 换向次数不能频繁 齿轮换向 换向可靠 广泛用于机床4 运动分配机构 转换传动路线 常采用离合器 5 过载保险机构 过载时自动断开进给运动 过载排除后自动接通 常用牙嵌离合器 片式安全离合器 脱落蜗杆 6 运动转换机构 转换运动类型 回转运动变直线运动 齿轮齿条 蜗轮蜗杆 丝杠螺母 二 进给传动系设计应满足的基本要求1 足够的静刚度和动刚度 2 良好的快速响应性 低速微量进给不爬行 运动平稳 灵敏度高 3 抗振性好 不会因摩擦自振而引起传动件的抖动或齿轮传动冲击 4 足够的调速范围 保证实现所要求的进给量 适应不同材料 不同刀具 不同零件要求的加工 传递较大扭矩 5 传动精度 定位精度要高 6 结构简单 加工 装配工艺性好 调整维修方便 操纵轻便灵活 二 机械进给传动系的设计特点 分类 1 进给传动是恒扭矩传动切削加工中 进给量大时 背吃刀量小 背吃刀量大时 进给量小 故切削力大致相同 进给力是切削力在进给方向的分力 也大致相同 所以驱动进给运动的传动件是恒扭矩传动 2 进给传动系中各传动件的计算转速是其最高转速因进给系统是恒扭矩传动 在各种进给速度下 末端输出轴上受的扭矩是相同的 设为T末 故各传动件 包括轴和齿轮 受的扭矩为 Ti T末 n末 ni T末 ui 3 21 式中 Ti 第i个传动件受的扭矩n末 ni 末端输出轴和i轴的转速ui 第i个传动件传至输出轴的传动ui Ti T末 n末 ni T末 ui由上式知 ui越大 传动件承受的扭矩越大 在进给传动系的最大升速链中 各传动件至末端输出轴的传动比最大 承受的扭矩也最大 故各传动件的计算转速是其最大转速 例 图3 39升降台铣床进给系统的转速图 由电动机经3 3 2齿轮变速系 然后通过1 1的定比传动到主轴V可得到9 450r min的18种进给速度 主轴的计算转速为其nmax 450r min 其余各轴的计算转速在其最高升速传动路线上 如图3 39示 3 进给传动的转速图为前疏后密结构传动件至末端输出轴的传动比越大 传动件承受的扭矩越大 进给传动系转速图的设计刚好与主传动系相反 是 前疏后密 即采用扩大顺序与传动顺序不一致的结构 如Z 16 28 24 22 21 这样可使进给系内更多的传动件至末端输出轴的传动比较小 承受的扭矩也较小 从而减小各中间轴和传动件尺寸 4 进给传动的变速范围进给传动系速度低 受力小 消耗功率小 齿轮模数小 故进给传动系的变速范围可取比主变速组较大的值 即 降 变速范围Rn 14 为缩短进给传动链 减小进给箱的受力 提高进给传动的平稳性 进给传动系的末端常采用降速很大的传动机构 如蜗轮蜗杆 丝杆螺母 行星机构 5 进给传动系采用传动间隙消除机构对于精密机床 数控机床的进给传动系 为保证传动精度和定位精度 尤其是换向精度 要有传动间隙消除机构 如齿轮传动间隙消除机构 丝杠螺母传动间隙消除机构 6 快速空程传动的采用为缩短进给空行程时间 要设计快速空行程传动 快速与工进需在带负载运行中变换 常用超越离合器 差动机构 电气伺服传动 7 微量进给机构的采用有时进给运动极为微量 如每次进给量小于2 m 或进给速度小于10mm min 需采用微量进给机构 微量进给机构有手动和自动两类 a 自动微量进给机构采用各种驱动元件使进给自动地进行b 手动微量进给机构主要用于微量调整精密机床的一些部件c 最小进给量大于1 m的机构有蜗杆传动 丝杠螺母 齿轮齿条传动等 适用于进给行程大 进给量 进给速度变化范围宽的机床 d 最小进给量小于1 m的进给机构有弹性力传动 电致伸缩传动 磁致伸缩传动 热应力传动等 都是利用材料的物理性能实现微量进给 e 微量进给机构的基本要求 灵敏度高 刚度好 平稳性好 低速进给时速度均匀 无爬行 精度高 重复定位精度好 结构简单调整方便 操作方便灵活 三 电气伺服进给系统 一 分类按有无检测和反馈装置分 开环系统闭环系统半闭环系统 1 开环系统典型的开环伺服系统采用步进电机如图3 41 开环系统对工作台实际位移量没有检测和反馈装置 数控装置发来的每一个进给脉冲由步进电机直接变换成一个转角 步距角 再通过齿轮 或同步齿形带 滚珠丝杠螺母 带动工作台移动 对应一个进给脉冲 工作台移动的距离称脉冲当量 用Q表示Q L U 360 式中Q 脉冲当量 mm 步进电机的步距角 L 滚珠丝杠的导程mmU 步进电机至传动丝杠之间的传动比 如数控系统发出N个进给脉冲 工作台的位移量为开环伺服系统的精度取决于步进电机的步距角精度 步进电机至执行部件间的传动系的传动精度 这类系统的定位精度较低 一般在 0 01 0 02 mm 但系统简单 调试方便 成本低 用于精度要求不高的数控机床 2 闭环系统工作过程 闭环系统使用位移检测元件测量机床执行部件的移 转 动量 将执行部件的实际移 转 动量和控制量进行比较 比较后的差值用信号反馈给控制系统 对执行部件的移 转 动进行补偿 直至差值为0 为提高系统的稳定性 闭环系统除了检测执行部件的移动量外 还检测其速度 检测反馈装置有 a用旋转变压器作为位置反馈 测速发电机作为速度反馈 b用脉冲编码器兼作位置和速度馈 多用此种 特点 闭环控制可以消除整个系统的误差 间隙和失动 其定位精度取决于检测装置的精度 其控制精度 动态性能等较开环系统好 但系统比较复杂 安装 调试 测试麻烦 成本高 用于精密型数控机床 3 半闭环系统如果检测元件不是直接安装在执行部件上 而是安装在进给传动系中间部位的旋转部件上 称之为半闭环系统 特点 半闭环系统只能补偿环路内部传动链的误差 不能纠正环路之外误差 如图a 传动齿轮的齿形误差和间隙 丝杠螺母的导程误差和间隙 丝杠轴承的轴向窜动等误差均在环路之外 无法补偿 对伺服系统的基本要求 稳定性好 精度高 快速响应性好 定位精度高 影响机床伺服系统性能的因素进给传动件的间隙 扭转 挠曲 机床运动部件的振动 摩擦 机床的刚度和抗振性 系统的质量和惯量 低速下运动平稳性 有无爬行现象等 二 电气伺服进给系统驱动部件伺服驱动部件 步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机机械传动部件 齿轮 滚珠丝杠螺母 1 对进给驱动部件的基本要求 调速范围要宽 满足不同刀具不同零件的加工 低速运行平稳 无爬行 快速响应性好 跟踪指令信号响应快 无滞后 电机惯量小 抗负载振动能力强 受冲击时系统的速度不变 在低速下有足够的负载能力 可承受频繁启动 制动和反转 振动和噪音小 可靠性高 寿命长 调整 维修方便 2 进给驱动部件的类型和特点 略 三 电伺服进给传动系中的机械传动部件1 机械传动部件应满足的基本要求 机械传动部件要采用低摩擦传动 导轨采用静压导轨 滚动导轨 丝杠传动采用滚珠丝杠螺母传动 伺服系统和机械传动系匹配要合适输出轴上带有负载的伺服电动机的时间常数与伺服电动机本身所具有的时间常数不同 加速时间不一样 如果惯性矩和齿轮等匹配不当 就达不到快速反应的性能 增加电机功率 减小惯性载荷 选择最佳降速比来降低惯性 最好有采用直接传动方式 采用预紧办法来提高整个系统的刚度 采用消除传动间隙的方法 减小反向死区误差 提高运动平稳性 定位精度 即 传动部件无间隙 低磨擦 低惯量 高刚度 高谐振和适宜阻尼比 2 机械传动部件设计主要指齿轮和丝杠螺母传动副设计 最佳降速比的确定传动副的最佳降速比应按最大加速能力 电机 和最小惯量 传动件 的要求确定 以降低机械传动部件的惯量 a 开环系统传动副的设计主要是由机床所要求的脉冲当量与所选用的步进电动机的步距角决定 降速比为u见P108 式中 步进电动机的步距角 L 滚珠丝杠的导程 Q 脉冲当量 b 对于闭环系统由驱动电动机的最高转速或扭矩与机床要求的最大进给速度或负载扭矩决定 降速比为 式中 驱动电动机最大转速 r min L 滚珠丝杠导程 mm 工作台最大移动速度 mm min 设计中 小型数控机床时 通过选用最佳降速比来降低惯量 应尽可能使传动副的传动比u 1 这样可选用驱动电动机直接与丝杠相连接的方式 齿轮传动间隙的消除传动副为齿轮传动时 要消除其传动的间隙a 刚性调整法 调整后的齿侧间隙不能自动进行补偿 如偏心轴套调整法 变齿厚调整法 斜齿轮轴向垫片调整法 齿侧间隙不能自动补偿 结构简单 传动刚度高 b 柔性调整性 调整后的齿侧间隙可以自动进行补偿 如双片直齿错齿调整法 薄片斜齿轮轴向压簧调整法 双齿轮弹簧调整法 齿侧间隙可自动补偿 结构复杂 传动刚度低 影响平整性 滚珠丝杠及其支承 功用 滚珠丝杠是将旋转运动转换成执行件的直线运动的运动转换机构组成 螺母 丝杠 滚珠 回珠器和密封环组成 摩擦系数小 传动效率高 载荷特点 主要承受轴向载荷 对丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高 采用角接触轴承或双向推力园柱滚子与滚针轴承的组合 滚珠丝杠的支承方式 图3 52 一端固定 一端自由 用于短丝杠与竖直丝杠钻床a图一端固定 一端简支 用于较长的卧式安装丝杠车床b图两端固定 用于长丝杠或高转速 要求高抗压刚度场合c图 丝杠的拉压刚度计算丝杠传动的综合拉压刚度主要由丝杠的拉压刚度 支承刚度和螺母刚度三部分组成 丝杠的拉压刚度不是一个定值 它随螺母至轴向固定端的距离而变化 a 一端轴向固定的丝杠 图3 52a b 的拉压刚度k N um 式中 A 螺纹底径处的截面积 mm2 E 弹性模量 钢E 2 1011N m2 L1 螺母至固定端的距离 m b 两端固定的丝杠 图c 刚度k N um L 两端固定的距离 m c 由于传动刚度的变化而引起的定位误差 式中 不同位置时的进给力 N 不同位置时的刚度 N um 滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧滚珠丝杠在轴向载荷作用下 滚珠和螺纹滚道接触区产生接触变形 接触刚度与接触表面预紧力成正比 如果滚珠丝杠螺母副间存在间隙 接触刚度较小 当滚珠丝杠反向旋转时 螺母不会立即反向 存在死区 影响丝杠的传动精度 故同齿轮传动副一样 也要消除间隙 并施加预紧力 以保证丝杠 滚珠 螺母之间没有间隙 提高螺母 丝杠副的接触刚度 方法 采用双螺母结构 通过调整两个螺母之间的轴向位置 使两螺母的滚珠在承受工作载荷前 分别与丝杠的两个不同的侧面接触 产生一定的预紧力 以达到提高轴向刚度的目的 a 垫片调整式b 齿差调整式两个螺母相对其啮合的内齿圈同向都转一个齿 则两螺母的相对轴向位移 图3 53a 改变垫片的厚薄来改变两个螺母之间的轴向距离 实现轴向间隙消除和预紧 优点 结构简单 刚度高 可靠性好 缺点 精确调整困难 当滚珠和滚道磨损时不能随时调整 图3 53b 齿差调整式左右螺母法兰外园上制有外齿轮 齿数常相差1 这两个外齿轮又与固定在螺母体两侧的两个齿数相同的内齿圈相啮合 调整方法是两个螺母相对其啮合的内齿圈同向都转一个齿 则两螺母的相对轴向位移为 式中 L 丝杠的导程 mm 两齿轮的齿数例 滚珠丝杠的预拉伸滚珠丝杠采用预拉伸方式 提高其拉压刚度和补偿丝杠的热变形 确定丝杠预拉伸力时考虑下列因素 a 丝杠在最大轴向载荷作用下 在受力方向上仍能保持受拉状态 为此预拉伸力应大于最大工作载荷的0 35倍 b 丝杠