第十二讲 机床进给传动系统设计ppt课件.ppt

金属切削与机床MetalCutting MachineTools 第十二讲机床进给传动系统设计 概述进给传动分类与组成进给传动系统特点与设计要求机床内联系传动链数控伺服进给系统系统特点滚珠丝杠伺服电机选择 概述 一 进给系统类型及其应用进给传动系统 用来实现机床的进给运动和辅助运动 机床进给传动类型 1 机械传动采用滑移齿轮 交换齿轮 离合器 齿条机构 丝杠 螺母机构及无级变速器等传递动力和运动 工作可靠 维修方便 但结构较复杂 制造工作量较大 应用广泛 概述 一 进给系统类型及其应用进给传动系统 用来实现机床的进给运动和辅助运动 机床进给传动类型 2 液压传动采用油液作介质 通过液压元件传递动力和运动 传动结构简单 工作可靠 传动平稳 便于实现自动化 应用日益广泛 3 电气传动采用可调速电动机 直接驱动执行件 或经简单的齿轮变速箱 驱动执行件 机械结构简单 可在工作中无级变速 便于自动控制 但成本较高 概述 二 进给系统特点及设计要求1 进给系统组成进给传动一般由动力源 变速系统 换向机构 分配机构 安全机构 快速运动传动链 变换回转运动为直线运动的机构和执行件等组成 概述 二 进给系统特点及设计要求2 进给系统设计要求a 静态设计要求能够克服摩擦力和负载很小的进给位移量 目前最小分辨率0 1um较高静态扭转刚度足够的调速范围进给速度均匀 低速时无爬行现行 概述 二 进给系统特点及设计要求2 进给系统设计要求b 动态设计要求具有足够的加速和制动转矩 以便快速的完成启动和制动过程 具有良好的动态传递性能 以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质量 负载引起的轨迹误差应尽可能小 概述 二 进给系统特点及设计要求2 进给系统设计要求c 数控进给系统机械部件设计要求被加速的运动部件应具有较小的惯量高刚度 良好的阻尼传动部件的拉压刚度 扭转刚度 摩擦阻尼特性和间隙等方面具有尽可能小的非线性 概述 二 进给系统特点及设计要求2 进给系统设计要求d 变速系统设计原则传动副 前少后多 降速 前快后慢 传动线 前疏后密 概述 二 进给系统特点及设计要求3 快速空行程运动为缩短辅助时间和减轻工人体力劳动 通常在进给传动中设有快速空行程传动链 以实现机床移动部件的快速移动和快速返回等 方式 机械 液压 电气等1 快速运动与进给运动共用一台电动机2 快速运动采用单独的电动机为避免产生运动干涉 可采用下列几种方法 1 采用超越离合器 2 采用差动机构 3 采用差动螺母 内联系传动链 是从保证传动精度进行设计的 因此 内联系传动链的设计原则 与外联系传动链是不同的 一 误差来源与传递规律1 误差来源在机床传动链中 传动误差主要来自齿轮 蜗杆蜗轮及丝杠螺母等传动件的制造和装配误差 1 齿轮传动副圆柱齿轮的制造误差中 影响传动精度较大的主要是齿距累积误差 2 丝杠螺母传动副丝杠的螺距误差和轴向窜动 会以线值误差的形式直接传递给螺母 机床内联系传动链 内联系传动链 是从保证传动精度进行设计的 因此 内联系传动链的设计原则 与外联系传动链是不同的 一 误差来源与传递规律1 误差来源在机床传动链中 传动误差主要来自齿轮 蜗杆蜗轮及丝杠螺母等传动件的制造和装配误差 3 蜗杆蜗轮传动副蜗轮误差分析同斜齿轮一样 蜗杆误差分析同丝杠一样 4 传动件的总误差若某一传动件同时存在多项独立误差 既有制造误差又有装配误差 根据概率原理 设误差按正态分布 则其总误差可近似取均方根值 机床内联系传动链 内联系传动链 是从保证传动精度进行设计的 因此 内联系传动链的设计原则 与外联系传动链是不同的 一 误差来源与传递规律2 误差传递规律 机床内联系传动链 传动链中 各传动件的误差在整个传动链中按传动比依次传递 最后反映到末端件上 使工件或刀具产生传动误差 把越靠近末端件的传动副的传动比安排得越小 对减小其前面各传动件的误差影响的效果越显著 这样 就可以有效地减小传递到末端件的总误差 二 内联系传动链设计原则1 缩短传动链设计传动链时应尽量减少串联传动件的数目 以减少误差的来源 2 合理分配传动副的传动比根据误差传递规律 传动链中传动比应采取递降原则 3 合理选择传动件内联系传动链中 不应采用传动比不准确的传动副 4 合理确定传动副的精度末端件上的传动副误差直接反映到执行件上 对加工精度影响最大 因此 末端传动副的精度要高于中间的传动副 机床内联系传动链 二 内联系传动链设计原则5 采用校正装置 机床内联系传动链 校正装置是补偿传动误差的有效措施 利用校正元件使末端传动副获得必要的补偿运动 以校正传动链的传动误差 进一步提高机床的加工精度 数控伺服进给系统 一 数控机床伺服进给传动系统特点1 进给传动由伺服电动机经齿轮降速传动或直接驱动运动转换机构来实现 对于闭环系统还要有位移测量装置 机械传动机构较简单 2 运动转换机构采用滚珠丝杠传动 工作台等执行部件采用滚动导轨 塑料导轨或静压导轨等 3 为避免伺服系统失步和反向时的死区 必须尽可能消除传动齿轮副 丝杠螺母副 联轴器以及支承件的间隙 4 传动机构应有足够的刚度 在满足刚度要求的前提下 尽可能减少运动部件的质量 数控伺服进给系统 伺服进给系统的驱动元件称为伺服驱动元件 是伺服系统控制的直接对象 是数控机床的重要组成部分 二 伺服电动机目前使用的伺服电动机主要包括 如步进电机 小惯量直流电机和大惯量直流电机 直线电机 为满足数控机床的加工质量和生产率等方面的要求 伺服电动机应具有下列性能 1 速度范围宽并具有良好的稳定性 尤其是低速时的平稳性 2 载特性硬 特别是低速时应有足够的负载能力 3 响应速度快 4 可频繁启动 停止及换向 数控伺服进给系统 二 伺服电动机1 步进电机步进电机又称脉冲电机 每接受数控装置所输出的一个电脉冲信号 电机轴就转过一定的角度 称为步距角 步进电机的角位移与输入脉冲个数成正比 在时间上与输入脉冲同步 2 小惯量直流电机小惯量直流电机是由一般直流电机发展起来的 其特点是转动惯量小 反应快 但额定转矩较小 一般必须与齿轮降速装置相匹配 由于转子直径小 散热差 当负载增加时 转子温升很快 因此电机过载能力较差 小惯量直流电机一般用于高速轻载的小型数控机床 数控伺服进给系统 二 伺服电动机3 大惯量直流电机又称宽调速直流电机 有电激磁和永久磁铁激磁两种类型 其中永磁铁激磁式 由于不需要激磁功率 效率较高 电机低速时输出转矩较大 温升低 尺寸小 因此应用较为普遍 特点 输出转矩大 响应速度快 过载能力强 调速范围宽 运转平稳 调试简单 数控伺服进给系统 二 伺服电动机4 交流伺服电机1 交流电机没有电刷和换向器 因此不需要经常维修 2 没有换向器 交流电机的转速不象直流电机那样受到换向火花的限制 因此转速可进一步提高 而且在高速情况下仍有较大的输出转矩 3 没有换向火花问题 电机的使用环境可以不受限制 4 交流电机结构简单 体积小 重量轻 相同功率的电机 重量仅为直流电机的70 90 相同体积情况下 输出功率可提高110 170 5 交流电机的线圈在定子上 这样绝缘可靠 散热容易 使整个系统的可靠性会进一步提高 6 利用伺服系统可以抑制交流电机的噪声和振动 数控伺服进给系统 二 伺服电动机5 伺服电机的选择伺服电动机的主参数是功率 选择时不是按功率而是根据以下指标 最大切削负载转矩不得超过电动机的额定转矩 电动机的转子惯量JM应与折算到电机轴上负载等效惯量JeL匹配 快移时的加速性能 数控伺服进给系统 三 进给伺服系统传动机构1 伺服系统传动类型齿轮齿条传动同步带传动滚珠丝杠传动 数控伺服进给系统 三 进给伺服系统传动机构2 滚珠丝杠副原理 特点及分类工作原理 在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽 这两个圆弧形槽合起来便形成了螺旋滚道 在滚道内装入滚珠 当丝杠相对螺母旋转时 滚珠在螺旋滚道内滚动 迫使二者发生轴向相对位移 由于滚珠的存在 丝杠与螺母之间是滚动摩擦 仅在滚珠之间存在滑动摩擦 数控伺服进给系统 三 进给伺服系统传动机构2 滚珠丝杠副原理 特点及分类结构特点 1 摩擦损失小 传动效率高 2 运动灵敏 低速时无爬行 3 轴向刚度高 反向定位精度高 4 摩损小 寿命长 维护简单 5 传动具有可逆性 不能自锁 6 结构和工艺均较复杂 成本较高 数控伺服进给系统 三 进给伺服系统传动机构2 滚珠丝杠副原理 特点及分类分类 截面形状滚珠循环方式消除轴向间隙 调整预紧力方式 数控伺服进给系统 三 进给伺服系统传动机构2 滚珠丝杠副原理 特点及分类消除轴向间隙 调整预紧力方式通过调整双滚珠螺母的轴向相对位置 使两个螺母的滚珠分别压向螺旋滚道的两侧面 但滚珠丝杠螺母机构间隙调整的精度要求高 要求能作微调以获得准确的间隙预紧量 常用的方法 a 垫片调隙 b 螺纹调隙 c 齿插调隙 数控伺服进给系统 三 进给伺服系统传动机构2 滚珠丝杠副原理 特点及分类消除轴向间隙 调整预紧力方式通过调整双滚珠螺母的轴向相对位置 使两个螺母的滚珠分别压向螺旋滚道的两侧面 但滚珠丝杠螺母机构间隙调整的精度要求高 要求能作微调以获得准确的间隙预紧量 常用的方法 a 垫片调隙 b 螺纹调隙 c 齿插调隙 数控伺服进给系统 三 进给伺服系统传动机构2 滚珠丝杠副原理 特点及分类消除轴向间隙 调整预紧力方式通过调整双滚珠螺母的轴向相对位置 使两个螺母的滚珠分别压向螺旋滚道的两侧面 但滚珠丝杠螺母机构间隙调整的精度要求高 要求能作微调以获得准确的间隙预紧量 常用的方法 a 垫片调隙 b 螺纹调隙 c 齿插调隙 三 进给伺服系统传动机构3 滚珠丝杠副主要尺寸 精度与标注 数控伺服进给系统 d0 公称直径 d1 丝杠公称直径 d2 丝杠螺纹底径 Ph 公称导程 D1 螺母螺纹内径 D2 螺母螺纹底径 Dw 滚珠直径 e 滚道圆弧偏心距 Rr 螺母滚道圆弧半径 Rs 螺纹滚道圆弧半径 a 接触角 三 进给伺服系统传动机构3 滚珠丝杠副主要尺寸 精度与标注 数控伺服进给系统 主要尺寸标称直径 导程 螺旋升角等 精度等级根据JB316 2 91标准规定分为5个等级 1 2 3 4 5级 有的参考书称7个等级 另外有7 10级 1级最高 5级最低 一般动力传动选4 5级 数控机床 精密机械或仪器选1 2 3级 三 进给伺服系统传动机构4 滚珠丝杠副安装数控机床的进给系统要求获得较高的传动刚度 除加强滚珠丝杠螺母机构本身的刚度外 滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素 滚珠丝杠螺母机构安装不正确以及支承刚度不足 还会使滚珠丝杠的使用寿命大大下降 支撑方式 一端固定 另一端自由一端固定 另一端简支两端固定两端固定 多轴承支撑 数控伺服进给系统 三 进给伺服系统传动机构4 滚珠丝杠副安装数控机床的进给系统要求获得较高的传动刚度 除加强滚珠丝杠螺母机构本身的刚度外 滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素 滚珠丝杠螺母机构安装不正确以及支承刚度不足 还会使滚珠丝杠的使用寿命大大下降 支撑方式 一端固定 另一端自由一端固定 另一端简支两端固定两端固定 多轴承支撑 数控伺服进给系统 三 进给伺服系统传动机构4 滚珠丝杠副安装数控机床的进给系统要求获得较高的传动刚度 除加强滚珠丝杠螺母机构本身的刚度外 滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素 滚珠丝杠螺母机构安装不正确以及支承刚度不足 还会使滚珠丝杠的使用寿命大大下降 支撑方式 一端固定 另一端自由一端固定 另一端简支两端固定两端固定 多轴承支撑 数控伺服进给系统 补偿热膨胀 减小自重造成的下垂 两端固定支撑需进行预拉伸处理 三 进给伺服系统传动机构5 滚珠丝杠副的预拉伸预拉伸考虑的因素 预拉伸力应大于最大工作载荷的0 35倍丝杠的预拉伸量应能补偿丝杠的热变型 数控伺服进给系统 三 进给伺服系统传动机构6 滚珠丝杠副结构选择 数控伺服进给系统 单圆弧螺纹滚道的单螺母丝杠副 以动力传动为主 允许传动存在一定间隙 且垂直安装 常用在高精度压力设备上 导向精度由导轨保证 单圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副 主要用在传递轻载荷 对传递动力的平稳性和丝杆刚度要求比高 预紧力较小 的小型设备上 双圆弧螺纹滚道的双螺母丝杠副 主要用于重载 以传递动力和运动为主 对传递动力和运动的平稳性有较高的要求 传递精度高 丝杠刚度大防尘效果好的高精度机器设备上 三 进给伺服系统传动机构7 滚珠丝杠副结构尺寸选择主要依据滚珠丝杠副传递的最大载荷 运动特性 传递速度 和范围 有效行程 传递精度要求 选定滚珠丝杠副的公称直径 基本导程以及传递精度等级 公称直径d0应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择 螺纹长度ls在允许的情况下要尽量短 一般取ls do小于30为宜 基本导程lo 或螺距t 应按承载能力 传动精度及传动速度选取 lo大承载能力也大 l0小传动精度较高 要求传动速度快时 可选用大导程滚珠丝杠副 数控伺服进给系统 三 进给伺服系统传动机构7 滚珠丝杠副结构尺寸选择基本参数确定原则 公称直径大 承载能力强 反之 承载能力弱 基本导程大 承载能力强 传动速度快 传动精度降低 反之 承载能力减弱 传动速度慢 传动精度高 传递精度 决定设备静态定位和运动精度 动态响应特性 动态稳定特性 数控伺服进给系统 三 进给伺服系统传动机构7 滚珠丝杠副结构尺寸选择 滚珠丝杠的载荷计算工作载荷 F最小载荷 Fmin最大载荷 Fmax当量载荷 Fm额定动载荷 数控伺服进给系统 三 进给伺服系统传动机构7 滚珠丝杠副结构尺寸选择 滚珠丝杠的额定动载荷计算额定动载荷 式中 nm 丝杠副的平均转速 r min L 运转寿命 h fw 载荷系数 数控伺服进给系统 三 进给伺服系统传动机构7 滚珠丝杠副结构尺寸选择 在丝杠产品系列表中选择所需要的规格 使所选规格的丝杠副的额定动载荷 验算传动效率 刚度及工作稳定性 数控伺服进给系统 三 进给伺服系统传动机构7 滚珠丝杠副结构尺寸选择 对于低速 n 10r min 传动 只按额定静载荷计算即可 数控伺服进给系统 三 进给伺服系统传动机构7 伺服系统降速传动比设计开环系统 i Ph 360 脉冲当量 mm p 步进电机步距角闭环和半闭环 i vmax nmaxPhvmax 工作台最大进给速度mm minnmax 电动机额定转速 r min 数控伺服进给系统 三 进给伺服系统传动机构8 伺服系统传动齿轮齿侧间隙消除数控机床进给系统中的减速齿轮 除要求有很高的运动精度和工作平稳性外 还要求消除啮合齿轮之间的传动间隙 齿轮间隙使换向后的运动滞后于指令信号 产生换向 死区 直接影响位移精度 齿轮传动间隙的消除方法很多 一般分刚性调整法和柔性调整