《机械制造装备设计》讲义(四)要点

1、四电气伺服进给传动系统设计有控制系统，检测 +反馈1 分类： 按 控制方式 分类（ 1 ） 开环系统 ：不带反馈。只管发脉冲。脉冲当量 ：对应一个脉冲，工作台移动的距离。精度 ： 开环系统精度取决于步进电机的 步距角精度 及步进电机至执行部件间传动系统的 传动精度 。 （± 0.01 ± 0.02） 。特点：结构简单，适用于精度要求不高的NC机床。应用 ：简易数控。（ 2 ） 闭环系统 ：带有检测（反馈）装置， 检测装置安装在末端执行件上，检测执行件的位置和速度。反馈装置：旋转变压器（位置反馈）；测速发电机（速度反馈）；脉冲编码器（位置和速度反馈）。特点：可以消除整个系统误

2、差；其定位精度取决于检测装置的精度；系统复杂、成本高，主要用于精密NC机床。注意：系统的稳定性问题，伺服系统的增益值<<系统的共振频率，增益值愈高，伺服机构响应愈快，动态精度愈高。一般要求传动系统的刚性好。通过改善导轨面的滑动状态，减少爬行。（ 3 ） 半闭环系统：检测装置安装在进给系统的中间旋转部件上。特点： 环外误差不能补偿，精度界于开环和闭环之间；由于惯性较大的工作台在环以外，则系统稳定性好；结构简单，价格低，调整方便，应用广泛。可以看出 ：半闭环控制精度取决于丝杠的精度，如果丝杠系统的精度高，即通过NC系统进行螺距误差补偿和采用反向间隙补偿装置，可以大大提高传动精度，因此在

3、许多加 工中心中广泛应用。2 驱动部件（ 1 ） 步进电机 ：脉冲电机将电脉冲信号转换为角位移（或线位移）的一种机电式数模转换器。步距角（ 0.5°3 °） ，步进电机的 转速与 脉冲频率成正比。 特点 ：调速范围宽，无累积误差，成本低；效率低，发热大，有时会“失步”；适用于中小型机床和速度精度要求不高的地方。（ 2 ） 交流伺服电机：采用磁场矢量技术进行控制，无电刷，可靠性好，成本低， 重量轻 ，响应频率高，输 出功率高。目前应用广泛。（ 3 ） 直流伺服电机：小惯量直流伺服电机 ：转动惯量小，响应快；额定转矩小，一般与齿轮降速装置相匹配，适用于高速轻载的小型数控机床中。

4、 大惯量直流伺服电机 （宽调速直流伺服电机） ：类型：有电励磁和永磁两种。电励磁：成本低。永磁型：可以在较大过载下长期工作，低速下运转平稳，输出转矩大。特点：具有良好的低速刚度和动态性能，定位精度好；转动惯量大，响应慢。（4）直线电机：直线驱动图示为直线电机的演变过程，定子一一初级，转子一一次级（移动），旋转磁场直线运动，带动次级移动。同1 3-45靛转电动机变为直觊电动机过程 门，林电动机宜城电验机E 1一定于2林子$一次堪4 一朝堪日日日甲 - ju h b an分类：同步式和感应式两类。同步式直线电机：在定件（床身）上铺设永久磁 铁（次级），永磁铁一块接一块； 在动件（工作台）下部安装含

5、铁芯 的通电绕组（初级），且一块接一 块。感应式直线电机与同步式直线电机的区别在于：® 3-46直城伺服电动机的型式*）版次嵯b海制蛭1 制理 E一次蚯在定件（床身）上铺设不通电的绕组（次级） ，每个绕组中每一匝均短路。直线电机的出现打破了 “旋转电机+滚珠丝杠” 一统天下的局面。1993年德国Excello公司在汉诺威国际机床博览会上展出了世界上第一台直线电机驱动工作台的HSO 240型超高速加工中心，采用了德国Indramat公司开发成功的感应式直线电机。此后世界各国争先研究直线电机及其在加工中心上的应用。直线电机是“零传动”，它具有以下优点：（1）速度高：直接驱动，没有任何旋转

6、元件，因而不受离心力的作用，最大进给速 度则达80120 m/min,甚至更高；目前一般滚珠丝杠能实现的最大直线运动速度约为2030 m/min。（2）加速度大：直线电机启动推力大，结构简单、质量轻，可实现极灵敏的加减速， 最大加速度可高达 2 g10 g;滚珠丝杠一般为 0.10.3g。（3）定位精度高：这种进给系统一般以光栅尺为位置检测元件，采用闭环反馈控制 系统，工作台定位精度高达0.10.01 m.（4）行程不受限制：直线电机的次极是一段一段连续铺在机床床身上的，次级铺到哪 里，初级（工作台）就可运动到哪里.不管有多远，对整个进给系统的刚度没有任何影响， 这点是滚珠丝杠所望尘莫及的。例

7、：最近美国 Cincinnati机床公司为航天工业开发成功SuperMach大型高速加工中心。其 X轴行程长达46 m,采用了直线电机。工作台最大进 给速度60 m/min,快速行程 100 m/min,加速度 2g。主轴最高转速 60000 r/min,主 电机功率80 kw,生产效率极高。可以看出：直线电机是适应目前超高速加工技术发展的新型电机。目前直线电机主要存在以下问题：隔磁防磁（磁泄露）：开放式磁场。发热（散热不好）、效率低；功率损耗往往超过输出功率的50%,直线电机的一定速度（12m/s）仅是旋转电机转子切线速度（1020m/s）的1/10,在低速大电流条件下，必然导致发热和效率低

8、。感应式直线电机严重，永磁式直线电机具有广阔应用前景。一般需要采用强制循环水 冷却系统、散热和隔热措施。成本高。3 .进给系统的机械传动部件的设计要求 主要指齿轮、同步齿形带、滚珠丝杠螺母。（1）低摩擦传动（减少爬行）；（2）伺服系统与机械系统匹配合适；（3）能够通过预紧提高系统刚度；（4）消隙处理，减少传动误差，尤其是反向误差。4、滚珠丝杠部件的设计与选用（1）工作原理与结构组成螺母和丝杠之间为滚动体（滚珠）（图示），（2）特点：为滚动摩擦，基本无爬行，传动效率达到8598%,是普通丝杠副的 24倍，由于其摩擦角1。，因此不能自锁，当用作升降台传动时要考虑制动装置。目前有专业化厂家生产，直接

9、定货。(3)分类：滚珠进行滚动形成一个循环，按回珠方式分为两类：图示a.内循环：回珠器在螺母之内。一圈一个循环。b. 外循环(插管式)：通过插管回珠。几圈一个循环。 注息：(1)两者的区别在于螺母，丝杠是相同的。(2)每个循环为一列，每列内每个导程为一圈:外循环每列有1.5圈、2.5 通常一列有2.5圈、内循环每列只有一圈，通常有 3歹U、4歹U、5列等;圈、3.5圈等，其中半圈为回珠。3.5圈，2列有1.5圈、2.5 圈。(4)精度等级 精度 等级为 1、2、3、4、5、 7、10七个等级，1级最 高。滚珠丝杠按用途分为：国9T漆珠理杠原理a. 定位滚珠丝杠副(P类)；b. 传动滚珠丝杠副(

10、T类)；一般的NC机床多用 P类，精度等级为1、2 级，即 P1、P2。(5)滚珠丝杠副的消隙和预 紧:通过预加载荷 的方式消除螺母和丝杠之间的间隙。稍有预变形，以 消除反向间隙，提 高传动精度。通常有四种预紧方式：图示a.增大钢球方式；b.单螺母变导程方式；c.双螺母垫片方式；d.双螺母齿差方式；e.双螺母螺纹方式。(6)丝杠的支承： 三种支承形式： 图示 a. 固定自由：短丝杠，垂直丝杠；b. 固定一一简支：较长卧式丝杠；c. 固定一一固定：拉压刚度要求高的情况(可以预紧)，如NC机床。 轴承：图示 a.推力角接触球轴承及其组合：接触角为60。；实现预拉伸(预紧)，当丝杠较长时，为了调心，

11、多采用面对面组配。b.滚针-推力圆柱滚子组合：图示低速重载。(7)丝杠的预拉伸:目的：a.提高丝杠的拉压刚度：在最大轴向载荷作用下仍能保持丝杠受拉状态。b. 5补偿丝杠的热变形：丝杠的预拉伸 > 热变形，热膨胀抵消部分预拉伸量，使丝杠内的拉 应力减少，但丝杠长度保持不变。注息：a. 由于预拉伸影响螺距，因此加工时螺距要小一些，以保证预紧时得到正确的螺距，即装配后达到设计精度。b. 预拉伸计算：参见课本 p119120. 形式：实现预拉伸的结构（ 图示）（8） .丝杠的设计计算：机床定位精度要求与丝杠精度；丝杠的刚度和转动惯量（最佳直径的计算）； 丝杠副的临界转速（共振频率和钢球的允许转速

12、）； 允许轴向载荷计算； 寿命计算（额定疲劳寿命计算）。（9） .电动滚珠丝杠（图）5.伺服电机的计算和选择所选伺服电动机，应满足下列条件：在所有进给速度范围内（包括快速移动），空载进给力矩应小于电动机的额定转矩;最大切削力矩小于电动机额定转矩。加、减速时间应符合所希望的时间常数。快速进给频繁度在希望值以内。选取满足上述条件的电动机，需要进行负载扭矩计算计算。Ti yKFk+F2n 2/等速运动时驱预紧力军动力矩率叫T T /溪珠世虹*榻紫双螺母iiL.（i）负载扭矩计算：主要由摩擦力和切削反力引起。，惯量匹配计算 和加、减速扭矩上+Tb） 二 匚，：Z2“轴承的摩力向外擦力矩 戈荷工】i勺一

13、肯（ft色词服J电迪5按Ti<Ts选择伺服电机，其中 Ts为额定转矩。(2)惯量匹配计算为使伺服进给系统的进给执行部件 具有快速响应能力。必须选用加速能力大的电动 机，亦即能够快速响应的电机(例如采用大惯量伺服电机)，但又不能盲目追大惯量，否则由于不能充分发挥其加速能力，造成不经济(成本高) 。因此必须使电机惯量与进给负 载惯量之间有一个合理的匹配。设电机惯量Jm与负载惯量Jl (折算到电机轴)或 J总惯量之间如下的匹配关系：4 < JL <10.5 <Jm < 0.80.2 <JL <0.5JmJJ其中J=JL JmT =2-nm(Jm Jl) Tl60ta(3)定位加、减速时的最大扭矩计算：若T小于伺服电机的最大转矩 Tmax,则能以所选取的时间常数进行加减速。6、齿轮副的设计与计算：(1)最佳速比确定：按照最大加速能力和最小惯量的要求确定，以降低机械传动部件