MVA加工中心X轴向进给系统设计方案

1、封面作者：PanHongliangXxx 大学仅供个人学习2009 届毕业设计MVA6040教育型加工中心X轴向进给系统设计论文作者姓名：所在院系： 机电工程学院所学 专业：机械制造及其自动化指导老师：论文完成时间： 2009 年 5 月 11 日目录内容摘要.1关键词.1Abstract . 1Key word. 11、.引言21.1课题的背景.21.2本论文课题的目的和意义.31.3本论文所做的主要工作.32、对进给系统 的要求及各部件的了解 .42.1对加工中心进给系统的整体要求.42.2对 丝 杠 的 要 求 及 认识.42.3对机床导轨的要求及认识.72、.4对支撑部分的认识及要求8

2、2.5对伺服系统的要求.93、 进给系统方案的确定.103.1确定系统方案.104、 滚珠丝杠螺母副的设计计算与防护.114.1精度的确定.114.2疲劳强度的计算.124.3传动效率.134.4支撑跨局的计算.134.5稳定性验算.144.6临界转速的校核.144.7滚珠丝杠副的Dn值.154.8预拉伸计算.154.9刚度验算.164.10防护与密封.174.11滚珠丝杠螺母副设计使用中应注意的问题.175、伺服电机.185.1伺服电机的原理.185.2伺服电机与步进电机的比较.195.3最大切削负载荷转距.215.4惯量匹配及计算负载惯量.225.5空载加速转距.235.6机械转动装置刚度

3、计算.245.7伺服刚度计算.255.8最大压区误差.25结论.26致谢.27参考文献.28内容摘要： 本设计结合当今加工中心的发展，采用模块化的设计方法，结合现代机床动力学的原理，对MA6040教育型加工中心X轴向进给系统进行了详细的分析，提出了半闭环数控伺服进给系统中各种影响加工中心性能发挥的各 种因素并提出了解决的方法。并且重点确保伺服系统能够实现转矩、速度和位 置的精确控制，实现控制系统的目标定位精度为0.012/300mm。作为数控系统与机床本体的“桥梁”，伺服技术直接影响零件加工的 质量、生产率及工作可靠性等技术指标。若要求加工工件表面有较好的光 洁度，则要求机床运动平稳，特别是在

4、高速换向时的加减速控制，机床运 动部件要有较高的运动精度和较小的惯性。目前伺服技术的发展形势比较 乐观，交流驱动取代了直流驱动、数字控制取代了模拟控制，产生了交流 数字驱动系统。同时DSP的推广和应用使伺服系统的计算速度进一步提 高，采样时间减少、调试方便、柔性增强。关键词： 伺服系统；模块化；伺服电机Abstract：The design of the development of todays machining centers, modular designmethod, combined with the principles of modern machine tool dynami

5、cs, the MA6040education type X axis machining center-feed system for a detailed analysis of thesemi-closed-loop digital servofeed to the system affecting the performance of machiningcenters and a variety of factors play a solution. And focus to ensure that the servo systemto achieve torque, speed an

6、d precise position control, control system to achieve the goalof positioning accuracy for 0.012/300mm.CNC machine tools as a body with the bridge, servo processing technology directlyaffects the quality of parts, productivity and reliability of technical indicators. If the requestprocessing has a go

7、od surface finish, they are required to machine a smooth movement,especially in the high-speed for the acceleration and deceleration control when themachine moving parts to have higher accuracy and less movement of inertia. Servotechnology is currently more optimistic about the situation, replace th

8、e AC Drive DC Drive,Digital Control replaces the analog control, resulting in the exchange of digital drivesystem. At the same time, the promotion and application of DSP servo system so thatfurther enhance the computing speed, to reduce sampling time, debugging convenience,enhanced flexibility.Key w

9、ord: Servo system。modular。servo motor1 引言1.1课题的背景随着计算机技术和控制理论的应用和发展，机械加工工艺设备技术水平有 了迅猛的发展。数控技术是机械加工技术、计算机技术、自动控制技术及精密 检测技术等多学科紧密结合的新技术。它可以保证产品达到极高的加工精度和 稳定的加工质量，操作过程易于实现自动化，生产效率高，生产准备周期短， 可以节省大量专用工艺设备，特别是在适应机械产品迅速更新换代、小批量、 多品种生产方面，各类数控设备、加工中心、柔性制造单元（FMC、柔性制造系统（FMS，以及计算机集成制造系统（CIMS是数控技术发展的必然趋势。 运动部件的定

10、位误差和进给速度直接影响到机床的加工精度和切削效率，因此 它们是评定数控机床性能最重要的两个指标。研制高速高精度化数控机床是机 械制造业发展的必然要求。机床运动部件（工作台、刀具等）的运动是由数控 伺服系统来控制，其运行速度和位置精度的提高依赖于数控系统性能的提升。 数控进给伺服装置作为数控系统的主要运动部件，其重要性是显而易见的。如 果说数控系统决定了数控机床的性能和可靠性，那么数控进给伺服装置就决定 了数控机床的加工精度和质量。因此，数控进给伺服装置的研发是研究数控系 统的关键和主要内容。数控机床伺服系统是已机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系 统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构

11、。在数控机床上，伺服驱动系统接受 来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、 功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动。伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是实现切削刀具与工件间运动的 进给驱动和执行机构，是数控机床的“四肢”。伺服系统的性能在很大程度上 决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精 度等重要指标均取决于伺服系统的动态和静态性能。因此，研究与开发高性能 的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。数控机床的伺服驱动系统按进给驱动和主轴驱动可分为：进给伺服系统和 主轴伺服系统；数控机床的进给伺服系统分为纵向和横向两种，我

12、们这次的论文题目是X方向进给系统设计。12本论文课题的目的和意义本课题通过对教育型加工中心X方向进给系统的设计，系统阐述了目前在 数控机床上广泛采用的半闭环控制系统的设计过程，并努力采用各种方法提高 和保证设计要求的定位精度及机床稳定性等。同时为其它同类数控机床产品定 位精度保证和误差补偿提供了借鉴，并为数控机床生产企业解决生产技术难 题同时作为经济型数控机床普遍采用的一种形式对其进行设计在经济型数控 机车日益普及的今天更加拥有现实意义。总之，高速度精密化是数控技术未来的发展方向。但改进经济型数控加工 中心进给系统的设计相对于单纯改用更加高级、精密的数控伺服系统来保证日 益精密的零件加工精度，

13、是一条经济合理而又可行的途径。因此，针对本工程 的研究具有重要意义。1.3本论文所做的主要工作本课题针对数控进给伺服系统，通过对轴承的固定与夹紧方式、滚珠丝杠 螺母副的设计与计算误差补偿措施，使该系统达到了设计的要求，在理论上已 经基本解决了研究的数控进给伺服系统X方向进给系统的设计问题。在完成 本课题期间主要工作有以下几个方面：（1）机械传动结构的设计、零部件选择绘出X方向进给系统装配图及零件图；计算并选择了滚珠丝杠螺母副，确 定循环方式，进行校核保证精度；选择并选择轴承的固定与夹紧方式为以下各 方面的工作作好准备工作。（2）伺服电动机的选择和校核 在各种伺服电动机中选择最合适的电动机，初选

14、型号进行负载惯量计算和 电动机力矩计算，校核启动矩频特性、运行矩频特性，最终选定电动机。（3）系统润滑、防尘及其他设计 确定滚珠丝杠副、轴承润滑方式及润滑脂类型；对系统的防尘方式的选 择。2 对进给系统的要求及各部件的了解2.1对加工中心进给系统的整体要求数控机床进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响到工作台的坐标 精度和工件的轮廓精度。为此，数控机床的进给系统应充分注意减少摩擦力， 提高传动精度和刚度，消除间隙以及减少运动件的惯量等。对于高速高精度数 控机床尤其如此。加工中心对进给系统的要求集中在精度，稳定性和快速响应 等方面。为了满足这种要求，首先要选择高性能的饲服电动机，同时也需要高

15、 质量的机械结构与之匹配，因此加工中心进给系统的机械机构应满足以下要 求：（1）高的传动精度及刚度进给系统的驱动力矩很大，进给传动连的的弹性会引起工作台运动时间上的 滞后性。降低了系统的快速响应特性，因此要求进给系统有较高的传动精度及 刚度。（2）低摩擦阻力进给运动中的摩擦阻力会降低传动效率，并产生摩擦热，特别影响系统的快 速响应特性。为了提高系统的快速响应特性，还必须减小运动件的摩擦阻力和 动静摩擦之差，机械传动机构的摩擦阻力主要来自丝杠和导轨，再加工中心进 给系统中为了降低摩擦阻力，普片采用滚珠丝杠螺母副，塑料导轨等。（3）小的运动惯量传动元件的惯量对饲服机构的启动和制动特性都有影响，尤其

16、是处于高速 运动的元件，其惯性的影响更大。因此在满足部件刚度和强度的前提下，尽量 的减少运动部件的质量，减小旋转零件的直径和质量，以减少运动部件的惯 量。2.2对丝杠的要求及认识2.2.1滚珠丝杠副介绍 滚珠丝杠副作为当代数控机床进给的主要传动机构，以其长寿命、高刚度、高 效率、高灵敏度、无间隙等显著特点而得以广泛应用，成为各类数控机床的重 要配套部件，并已实现了标准化、通用化、商品化。近年来随着直线电机的出 现，尽管使数控机床省去了中间传动机构，但由于直线电机目前存在控制系统 复杂，稳定性差及推力有限等缺点，因此并没有动摇滚珠丝杠作为数控机床首 选传动定位元件的地位。为了满足数控机床的高速度

17、、高定位精度、高平稳性 和快速响应的要求，必须合理地选择滚珠丝杠副，并进行必要的校核计算。2.2.2滚珠丝杠副的工作原理、组成及特点亲，由于某些原因，没有上传完整的毕业设计（完整的应包括毕业设计说明书、相关图纸CAD/PROE、中英文文献及翻译等），此文档也稍微删除了一部分内容（目录及某些关键内容）如需要的朋友，请联系我的叩扣:2215891151，数万篇现成设计及另有的高端团队 绝对可满足您的需要.此处删除XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX约5000字,需完整说明书联系Q2215891151。导轨受力变形会影响部件之

18、间的导向精度和相对位置。因此要求导轨应有 足够的刚度为减轻或平衡外力的影响。数控机床常采用加大导轨面的尺寸或添 加辅助导轨的方法来提高刚度。（4）低速运转平稳性 要求使导轨的摩擦阻力小，运动轻便，低速时无爬行现象。（5）结构简单，艺性好 所设计的导轨要制造和维修方便，在使用时便于调整和维护。2.3.3导轨副的分类和特点两个作相对运动的部件构成一对导轨副，其中，在工作时固定不动的配合 面称为固定导轨或静导轨；相对固定导轨作直线或回转运动的配合面称为运动 导轨。根据导轨副之间的摩擦情况，导轨分为滑动导轨和滚动导轨两大类。滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点，在机械产品中应 用广泛，其两

19、导轨工作面的摩擦性质为滑动摩擦。传统滑动导轨摩擦阻力大， 磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。现随着技术进步，已发展出贴塑导轨、液体静压导轨、液体动压导轨等结构形式。滚动导轨的优点是摩擦系数小，一般在0.0030.004，动、静摩擦系数很 接近，低速运动一般不会产生爬行现象，并可实现高速运动；在正确安装和合 理预紧的条件下，可以得到很高的刚性和传动精度，并能实现超微M级的进给精度。同时滚动接触由于摩擦能量小，滚动面的摩擦损耗也少，故能长时间地 保持高精度。但滚动导轨结构复杂，几何精度要求高，抗震性较差，防护要求 高，制造困难，成本高。它适用于工作部件要求移动均匀、动作灵敏以及定

20、位 精度高的场合2.4对支撑部分的认识及要求数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度除了加强滚珠丝杠本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及支撑的结构刚度也是不可忽视的因素，螺母座，滚 珠丝杠端部的轴承及支撑，他们加工的不精确性和受力后的变形都回影响进给 系统的传动刚度，所以要求螺母座与螺母之间必须保持良好的配合。2.5对伺服系统的要求2.5.1对进给伺服的基本要求 带有数字调节的进给调节的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服系统 不仅是数控机床的一个重要组成部分， 也是数控机床区别于一般机床的一个特 殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；跟踪 指令信号的响应要快；系统的稳定

21、性要好。（1）高精度 所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的精度程度（偏 差），即准确性。它包含动态误差，稳态误差，静态误差。常用的精度指标有 定位精度，重复定位精度和轮廓跟随精度。（2）稳定性 进给系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复 到原来的稳定状态下的运行，或者系统在输入的指令信号作用下，系统能够达 到的新的稳定状态的能力。稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构 及组成组件的参数（如惯性、刚度、阻尼、增益等），与外界作用信号（包括指令信号和扰动信号）的性质和形式无关。（3）快速响应无超调 快速响应性是衡量伺服系统动态性能的一项重要性能指标，它反映

22、了系统 的跟踪精度。为了保证轮廓切削精度和低的加工表面粗糙度，对进给伺服系统 除要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令 信号的响应要快。（4）宽调速范围 调速范围是指机械装置要求电动机能提供的最高转速和最低转速之比。数 控加工过程中，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统 具有足够宽的调速范围和优异的调速特性。经过机械传动后，电动机转速的变 化范围即可转化为进给速度的变化范围。对一般数控机床而言，进给速度范围 在024m/min时，即可满足加工要求。2.5.2进给伺服系统的设计要求（1） 机床的位置调节对进给伺服系统提出很高的要求。其中静态设计方面

23、有：1擦力和负载。当加工中最大切削力为2000N3000N时，电机轴上的转矩需要10N - m40N - m2很小的进给位移量。目前最小分辨率为0.1卩m3高的静态扭转刚度。4足够的调速范围。电机的最大转矩由快进速度决定。目前快进速度通常为10m/min12m/min。快进速度达24m/min以用于生产中。5进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象。（2） 在动态设计方面的要求：1具有足够的加速和制动转矩，以便快速地完成启动和制动过程。目前带 有速度调节的伺服电机响应时间通常为20m100ms在整个转速范围内，加速到快进速度或对快进速度进行制动需要转矩20N- m200N- m；而在换向时加速到加

24、工进给速度需要转矩为10N- m150N- m驱动装置应能在很短的时间内达到4倍的额定转矩。2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。表 4 13负载引起的轨迹误差尽可能小。(3)对于数控机床机械传动部件则有以下要求：1被加速的运动部件具有较小的惯量。2高的刚度。3良好的阻尼。4传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等方面具有尽可 能小的非线形。3 进给系统方案的确定3.1确定系统方案根据定位精度要求，初步选择系统为半闭环。如果经计算发现半闭环系统不 能满足定位精度要求，可改用全闭环。伺服电机的最高转速(可查产品目录或有关手册)ndmax=1500r/

25、mi n。工作台要求的最高速度Vmax=10m/min如使伺服电动机通过联轴器与滚珠丝杠螺母 副直接相联，即U=1,如使电动机丝杠的最高转速nm ax=1500r/mi n,则丝杠导 程Pn=1000Vmax/nmax=10010/1500mm=6mm用旋转变压器作为位置检测器， 半闭环控制，位置检测分辨率为1个脉冲1um则结构简图如下：4 滚珠丝杠螺母副的设计计算与防护4.1精度的确定根据使用范围及要求将滚珠丝杠副分为定位滚珠丝杠幅(P)传动滚珠丝杠副(T)，精度分为七个等级，即1、2、3、4、5、& 7、10级，1级精度最高，依 次降低。要求定位精度为0.012/300mm。丝杠的

26、“任意300mm行程内的行程变动量V300取为定位精度的1/31/2，即0.0040.006mm有下表可知：精度等级12345710V3006812162352210V2p45678一级精度的丝杠V300= 0.006mm故应取1级精度。4.2疲劳强度的计算丝杠的最大载荷为最大进给才加摩擦力；最小载荷即摩擦力，最大进给力已知，为260kgx9.8N/kg=2548N。工作台总质量为400kg。己知贴塑导轨的摩擦 力为0.04，故摩擦力F =(400 x0.04x9.8)N=156.8N最大载荷Fmax=2548+156.8=2704.8N选用滚珠丝杠直径时，须保证丝杠工作时在一定的径向载荷作用

27、下，丝杠在旋 转转后，在它的滚道上不产生疲劳点蚀现象，这个径向载荷的最大值是，即该 滚珠丝杠螺母副所承受的最大当量的载荷，可用下式计算：式中：Fn轴向平均载荷；单位为，一般取Fm=;Fmax Fmin丝杠的最大、最小工作载荷，单位为N；L工作寿命(以r为单位1)，L=。Nn平均转速，单位为r/min, Nm=。Nmax Nmin丝杠的最高、最低转速，单位为r/min。T使用寿命，单位为h,一般机床可取T=10000h,数控机床可取T=15000ho精度系数，表 4 2精度系数1、2、34、57101.0运转状态系数,表 4 3运转状态系数无冲击平稳运转一般运转有冲击运转1 -

28、 1.21.2 -1.51.5 - 2.5由上式知：平均载荷：Fm=。 平均转速：Nm=。丝杠工作寿命取T=15000h,，滚珠丝杠寿命L(单位为1转次)；L=代入公式 从机电一体化技术手册或产品样本，可采用WD4510-2.5-P1型外循环，垫 片式双螺母预紧滚珠丝杠副2.5圈1列，其额定动负载为，强度足够用。精度 等级为1级，其几何参数如下：公称直径：；导程：；螺纹升角：； 钢球直径：；螺杆内径：。4.3传动效率：丝杠的螺旋升角；摩擦角； 滚珠丝杠副的滚动摩擦因数：，摩擦角约等于。4.4支撑跨矩的计算等于工 作台 最大行程(800mm) 加螺 母长 度(153mm) 家 两端 余程 (45

29、mm)：支撑跨矩应约大于一点，取=1300mm4.5稳定性验算轴向固定的长丝杠在承受压缩负载时,应校核其压杆稳定性,临界压缩载 荷按下式进行校核计算：由公式 ：式中： 丝杠支撑系数，材料弹性模量，钢为；丝杠底径惯性矩；，为底径；L支撑矩离（）；K安全系数，一般取k=3；4.6临界转速的校核临界转速的核算是校核所选定的滚珠丝杠副的名义直径，在给定的支撑条 件下，其最高转速是否有靠近其横向固有频率而发生共振的危险。一般对转速 小于100r/min的丝杠可不进行此核算。由公式：式中：安全系数；=；丝杠支撑系数，支撑矩离；材料弹性模量，钢为：；I丝杠底径惯性矩；丝杠底径处断面积；比重，钢为；重力加速度

30、，；=39774.7滚珠丝杠副的Dr值精密等级1-5级dOnmaxc 70000精密等级7-10级d0nmaxc 50000 d0-滚珠丝杠的节圆直径（mm）nmax -滚珠丝杠副的最高 转速*（r/mir）由己知滚珠丝杠副为1级精度，所以d0nmax=45X 1500=67500 700004.8预拉伸计算a.温升引起的伸长量，设温升为3.5，则螺纹部分伸长量为：式中；a线膨胀系数；m； 丝杠全长的伸长量：m。 为此，丝杠的目标行程可定为比公称行程小。丝杠在安装时，进行预拉伸，拉 伸量为。b.预拉伸后，根据材料力学欧拉公式4.9刚度验算：X向进给滚珠丝杠的支撑间矩，丝杠螺母及轴承均进行预紧，

31、预紧力为最 大轴向负荷的1/3，丝杠变形量计算如下： 滚珠丝杠截面积，按丝杠螺纹的底径确定：A=工作负载引起的导程的变化量可用下式计算： 式中：轴向平均载荷（N）； 材料弹性模量，钢为； 滚珠丝杠截面积；A=；则丝杠的拉伸或压缩变形量；由于丝杠两端均采用了深沟球轴承与推力轴承，且丝杠又进行了预紧，故 其拉压刚度可比一端固定的丝杠提高4倍，其实际变形量为 滚珠与螺纹滚道间接触变形；由公式得由于进行了预紧，所以实际变形量为滚珠与螺纹滚道间接触变形1/2， 支撑滚珠丝杠的轴承为8307型推力球轴承，几何参数为：、滚动体直径、 滚动体数量 轴承的轴向接触变形可按公式：因施加了预紧力故实际变形量 根据以

32、上计算，总变形量为：一级精度丝杠允许的螺矩误差为0。012/300mm故刚度够用4.10防护与密封：为防止意外机械损伤，避免尘埃、污物及铁屑进入丝杠-螺母内，在丝杠轴 上应安装防护装置(例如：螺旋滚珠弹簧保护套、折叠式防护套等)，在螺母 两端安装密封圈。4.11滚珠丝杠螺母副设计使用中应注意的问题(1)为提高滚珠丝杠副 的使用寿命和精度，应使作用在螺母上的合力通过丝杠轴心，以保证滚珠受力 均匀，避免倾覆力。(2)放逆转：滚珠丝杠副传动逆效率高，应考虑在电机停 电后，因部件自重而产生螺旋副的逆传动(特别是在垂直方向上传动时)，防止 逆传动的方法可采用：停电自锁的电机、蜗轮蜗杆机构、离合器等方式。

33、(3)滚珠丝杠副在行程两端应有行程保护装置，以防止越程后滚珠丝杠副受撞击而 影响精度、使用寿命甚至损坏。(4)防止热变形：热变形对精密螺旋传动的定 位精度有着重要的影响。其热源不单是螺旋副的摩擦热，还有其他机械部件工 作时产生的热，致使丝杠热膨胀而伸长。为此必须分析热源的各因素，采用措 施控制热源，还可以采用预拉伸、强制冷却等减少热变形对丝杠的伸长的影 响。(5)细长而又水平放置的丝杠，因自重使轴线产生弯曲变形，是影响导程 累积误差的因素之一，还会使螺母受载不均。设计细长丝杠时，应考虑防止或 减小自重弯曲变形的措施。(6)防护与密封：尘埃和杂质进入滚道会妨碍滚动 体运动流畅，会加速滚动体与滚道

34、的磨损，使滚动螺旋副丧失精度。为此需要 防尘措施。博特牌滚珠丝杠副在螺母两端已安装防尘圈，为避免丝杠外露，用 户还需要为丝杠选择防护装置。(7)合理润滑是减小驱动转矩、提高传动效 率、延长螺旋副使用寿命的重要环节。接触表面的油膜还有吸振、减小传动噪 声和冲洗丝杠上的粉尘等杂物的作用。因此要注入润滑脂。在螺母上还有油 孔，用户可旋入油嘴，再采用其他合适的润滑方式。(8)正确选择预紧力：我 公司的滚珠丝杠副出厂时已经按要求调节好您所需要的预紧力，如果使用过程 中有超程或需要拆卸请及时与我公司联系，以便从新调整安装。严禁自行拆卸 滚珠丝杠副的各个部件，以免影响其精度。严禁敲击和拆卸导珠管， 以免造成

35、 滚珠堵塞， 运转不流畅。(9)建议采用适应于数控机床的大接触轴承以提高传 动刚度。(10)用内循环滚珠丝杠副，必须使丝杠螺纹两端中至少有一端的滚珠螺纹是通牙， 并该端所有外圆尺寸均小于丝杠螺纹底径d2,否则无法装配螺 母。(d2参看样本)。(11)水平位置采用外循环滚珠丝杠副，最好是插管放置 再丝杠轴线上面。(12)为便于丝杠加工，丝杠上最大外圆处的直径最好不要大 于丝杠的外径d1(d1参看样本)。5 伺服电机5.1伺服电机原理辅助电动机是可利用的当AC或DC马达。 早期的辅助电动机一般是DC马达因为唯一的类型控制为大潮流是通过SCRs许多年。如同晶体管变得能控制更大的潮流和交换大潮流以更高

36、的频率, AC辅助电动机成为了经常使用了。 早期的辅助电动机具体地被设计了为伺服放大器。 今天马达组被设计为也许使 用一个伺服放大器或易变频率控制器的应用,哪些意味马达也许被使用在一个 伺服系统在一种应用,并且使用在易变频率驱动在其它应用，一些公司并且叫 不使用一个步进马达一个伺服系统的任一个闭环系统,如此它是可能的为被连接 到速度控制器叫辅助电动机的一台简单的AC磁感应电动机。必须做对任一个马达被设计的一些变动当辅助电动机包括能力经营在速度 的范围没有过度加热,能力操作以零的速度和保留充足的扭矩拿着装载在位置,并且能力操作以非常低速度长的时期没有过度加热。 老类型马达有被连接直接 地到马达轴

37、的冷却风扇，当马达运行以慢速,风扇不移动足够的空气冷却马达， 更新的马达有一台分开的风扇登上了因此它将提供最宜的冷却空气。 这台风扇 由一个恒定的电压来源供给动力以便它一直将转动在最大值RPM不管辅助电动机的速度。 最能用的类型马达的当中一个在伺服系统是永久磁铁(PM)类型马 达。 电压为永久磁铁类型马达的领域绕可能是交流电压或直流电压。永久magnet-type马达与其它PM类型马达是相似早先被提出。 主要区别以这类型 马达是,它也许有齿轮减少能从立场移动更大的装载仍然迅速安置。这类型PM马达并且有一台编码器或果断器被建立入马达住房。这保证,设备准确地将表明马达轴的位置或速度。5.2伺服电机

38、与步进电机的比较步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联 系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式 交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为 了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交 流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信 号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作 一比较。（1）、控制精度不同两相混合式步进电机步矩角一般为3.6、1.8，五相混合式步进电机 步矩角一般为0.72、0.36。也有一些高性能的步进电机步矩角更小。如 四通公

39、司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步矩角为0.09；德国百 格拉公司（BERGERLAHR生产的三相混合式步进电机其步矩角可通过拨码开 关设置 为1.8 、0.9 、0.72 、0.36 、0.18 、0.09 、0.072 、0.036 ， 兼 容 了 两 相 和 五 相 混 合 式 步 进 电 机 的 步 矩角 。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交 流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用 了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电 机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲

40、电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步矩角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。（2） 、 低 频 特 性 不 同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有 关， 一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。 这种由步进电机的工作原 理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低 速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或 驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系 统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解读机 能

41、（FFT） ， 可 检 测 出 机 械 的共 振 点 ， 便 于 系 统 调 整 。（3）、 矩 频 特 性 不 同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其 最高工作转速一般在300600RP M交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定 转速（一般为2000RPM或3000RPM以内，都能输出额定转矩，在额定转速以 上为恒功率输出。（4）、 过 载 能 力 不 同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能立。以松下交 流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的 三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过

42、载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而 机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。（5）、 运 行 性 能 不 同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现 象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好 升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反 馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或 过冲的现象 ， 控制 性 能更好。（6）、 速 度 响 应 性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加

43、速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止 加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不 高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中 要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。5.3最大切削负载荷转矩由前面的计算，已知最大进给力加摩擦力为：滚珠丝杠预紧转矩 值可用下式估算：最大切削负载转矩T可用下式计算：，其中表 5 1 FB15 型直流电动机Fmax丝杠上的最大轴向载荷，包口进给力和摩擦力，单位为N;丝杠导程，单位为m进给转动系统总的机械

44、效率，采用滚珠丝杠副时，一般=0.80.9因滚珠丝杠预紧引起的附加摩擦转矩，单位为Nm粗略计算时，可忽略此项；u-伺服电动机至丝杠的转动比；所选伺服电动机的额定转矩应大于此值。5.4惯量匹配及计算负载惯量：工作台的最大质量为400kg。根据式式中- 个转动件的转动惯量，单位为；、-个移动件和伺服电动机的转速，单位为r/min。-各移动件的质量，单位为kg。-个移动件的速度，单位为m/mi n。折算到电动机轴的负载惯量包括三部分，即联轴器和丝杠的转动，动作台的移 动。挠性联轴器，加上锁紧螺母等的惯量约为=0.011kg丝杠直径d=40mm=0.04n长L=1.3m,惯量可按式=式中：D直径，单位

45、为mL-长度，单位为m-密度，单位为，钢的=;由式中求得：=(0.011+0.002+0.001)=0.014按式1Tamax满足要求；BESK-20交流伺服电动机的Tmax略小于Tamax也可以用，但加速时间略长5.6机械转动装置刚度计算按结构图计算各部分折算至丝杠一工作台的拉压刚度结果为: 联轴器：Kc=。 滚珠Tamax=162N214N丝杠螺母的轴向接触刚度：Km=69N/mm滚珠丝杠轴向拉压刚度：螺母处于行程最远点时螺母处于行程最低点时 轴承的轴向接触刚度（按有预紧力计算）： 螺母压刚度：，轴承座刚度： 机械传动装置总的拉压刚度由计算结果可知，轴承的轴向劫持刚度最低，是刚度薄弱的环节

46、。 由于机械传动装置刚度变化引起的定位误差为：所以，可满足由于传动刚度变化引起的定位误差小于（）机床定位精度的 要求。5.7伺服刚度计算按表66-9中的公式计算马达轴上的伺服刚度：由表66-39查得宽调速直流电机FB15的性能参数：Kt=5.8N/A,Ke=0.58vs/rad,Rm=0.26所以 折到丝杠工作台上的拉压刚度值为： 由于伺服刚度的存在，整个伺服进给系统最终反映在丝杠工作台的综合拉 压刚度应是处于闭环外的机械传动装置本身的拉压刚度与马达轴上的伺服刚度 折算到丝杠工作台上的拉压刚度串联而成的弹性系统刚度，共最低值为：5.8最大死区误差所以，能实现单脉冲进给，即灵敏度高，满足定位要求

47、。结论综上所述，无论是开环，半开环还是闭环伺服进给系统，为了确保定位精度和工作的稳定性，在机械传动的设计上，都要求是无间隙低摩擦，低惯量，高刚度，高谐振以及适宜的阻尼比。为了达到这些要求，机械传动装置的设计应尽量采用低摩擦的传动副，以减少摩擦力；采用预紧的办法来提高传动刚 度；采用消隙的方法来减小反向死区误差等等，其中提高刚度、降低惯量的要 求尤为重要。参考文献陈兆年 主编 金属切削机床设计简明手册 北京 机械工业出版社199310成大先 主编 机械设计手册 北京 化学工业出版社200211吴宗泽 主编 机械设计实用手册 北京 化学工业出版社1999致谢经过两个月的忙碌之后，毕业设计最终是完成了。这令我心中充满了无限 的喜悦，也倍感到浑身的轻松、洽意与充实感。回忆两个月以来，每天都在图 书馆查阅资料，作笔记的情景来，毕业设计是我们毕业生对三年来所学知识的 一次综合运用。搞设计虽然是一件辛苦的事情、但它确实是让我们学到了很多 东西的。在设计过程中有很多的知识需要我们去亲自的总结并运用。这样不仅 让我们对以前所学增加了记忆，还在原有的基础上还增加了新的认识。尤其是 设计完成后内心的那份喜悦的心情真的是难以用语言来形容的。在毕业设计的过程中， 除了我们自己的不懈努力外， 还有我们指导老师的 亲切指导，让自己明白了设计的意图，了