数控机床伺服系统的分析与设计

数控机床伺服系统的分析与设计

0伺服传动的设计数控机床客服系统是连接到控制系统和机械零件的环节。它是一种基于计算机的自动控制装置，具有运动期间的位置和速度。在数控机床中,数控系统决定数控机床的功能和可靠性,而伺服系统决定了数控机床的精度和质量。设计一种高性能的伺服系统,对数控机床有着十分重要的意义。数控机床伺服传动系统是系统和机床的中间环节,其结构的设计和参数选择将影响到工件的精度、表面质量和生产效率。文章中采用伺服电机-变速齿轮-工作台的伺服传动系统,在机械设计中齿轮传动应用十分广泛。但它的设计过程较为繁杂,所覆盖的参数广,给设计者带了很多的不便。随着计算机辅助设计(CAD/CAM)的发展,本文用CAD技术来对变速齿轮进行设计。1数控机床系统的工作原理和结构数控机床是一种高精度的机械加工设备,其伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行元件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统;机械传动部件和执行元件组成机械传动系统;检测元件与反馈电路组成检测装置系统。伺服系统是以指令脉冲为输入给定值与输出被调量进行比较而产生反馈信号,利用产生的反馈信号对系统进行自动调节,从而消除偏差,使被调量跟踪给定值。所以,伺服系统的运动来源于反馈信号,必须具有负反馈回路,并且始终处于过渡过程状态。数控机床伺服系统工作原理:数控机床伺服系统按其工作原理不同,可分为主轴伺服系统(主轴驱动的切削运动,以旋转运动为主)和进给伺服系统(控制机床各坐标轴的切削进给运动)。机床主轴主传动是旋转运动,传递切削力,伺服驱动系统分为直流主轴驱动系统和交流主轴驱动系统两大类,数控机床要求主轴伺服驱动系统能够在很宽范围内实现转速连续可调,并且稳定可靠。当机床有螺纹加工功能、C轴功能、准停功能和恒线速度加工时,主轴电动机需要装配检测元件,对主轴速度和位置进行控制。主轴驱动变速目前主要有3种形式:一是带有变速齿轮传动方式,可实现分段无级调速,扩大输出转矩,满足强力切削要求的转矩;二是通过带传动方式,可避免齿轮传动时引起的震动与噪声,适用于低转矩特性要求的小型机床;三是由调速电动机直接驱动的传动方式,主轴传动部件结构简单,紧凑,这种方式主轴输入的转矩小。本文主要对第一种方式中的变速齿轮进行设计和探讨。2pro/e控制系统齿轮传动是一种重要的传动形式,广泛应用机械制造各个领域。传动设计本身是一个复杂的问题,其它体积、重量、承载能力主要由传动参数确定。为了使在实际设计中各参数达到最优设计,必须采用一种高效、方便的设计方法。随着计算机辅助设计在机械设计中运用的普及,为提高设计效率,文章就利用Pro/E进行齿轮传动的自动化设计。Pro/E是一款功能强大的三维CAD软件,采用参数优化、基于特征的三维实体造型系统,其参数化特征造型在保证几何、拓扑关系不变的情况下,以单一全关联的数据库实现模型的快速再生;其二次开发接口使用户可以在自己开发的程序中,对零件进行各种操作和控制,从而实现程序化设计。2.1齿轮的传动齿轮的种类有很多,根据轴向和位置关系可以分为下面3类:平行轴类,交叉轴类,偏移轴类。平行轴类有如下几种:1)正齿轮:其齿筋平行于轴心的直线圆筒齿轮。2)齿条轮:与正齿轮咬合的直线条状齿轮,可以认为是齿轮的节距大小变成无限大的情况。3)内齿轮:与正齿轮咬合的直线圆筒内侧齿轮。4)螺旋齿轮:齿筋成螺旋线的圆筒齿轮。5)斜齿齿轮:与螺旋齿轮咬合的直线齿轮。6)双螺旋齿轮:左右旋齿筋形成的螺旋齿轮。交叉轴类有如下几种:1)直齿伞形齿轮:齿筋与节圆锥的母线一致的伞形齿轮。2)弯齿伞形齿轮:齿筋具有螺旋角的弯曲线的伞形齿轮。3)零螺旋弯齿伞形齿轮:螺旋角是零之弯齿伞形齿轮。偏移轴类有如下几种:1)圆筒蜗轮齿轮:圆筒蜗轮齿轮是蜗杆和齿轮的总称。2)错交螺旋齿轮:它是一种圆筒形螺旋齿轮,其需要利用错交轴之间的传动。3)面齿轮:能够与正齿轮或者螺旋齿轮咬合的圆盘形面齿轮。4)鼓形蜗轮齿轮:凹鼓形蜗杆及与其咬合的齿轮的总称。2.2齿轮传动的机械测量在齿轮设计中,主要考虑的问题包括基本参数和几何尺寸计算、啮合原理及啮合特点;另外,承载能力设计主要包括设计计算准则、齿轮失效、力分析和强度计算等内容。1)了解齿轮传动的特点、应用及类型。2)理解齿廓啮合基本定律以及渐开线齿廓的形成及其性质,掌握渐开线齿轮的基本参数、标准齿轮的几何计算,还有切齿原理、标准齿轮和变位齿轮的特点及其变位齿轮的尺寸变化。3)了解齿轮精度选择的方法和实效形式的特点、生成特点以及减轻损伤机制,掌握齿轮的材料选择要求、钢材材料选用及其热处理特点。4)做好齿轮传动的受力分析,了解在平行轴斜齿轮轴向力的大小和方向的确定,直齿锥齿传动轴向力和径向力的关系,载荷修正系数的意义及其影响因素,以及减小其影响的方法。5)掌握齿轮的形式、结构和特点,能够绘出齿轮的零件结构图,以及齿轮传动润滑油种类、粘度及润滑方式的选择。2.3参数的添加齿轮精确的三维模型是齿轮零件设计加工的基础。在Pro/E环境下,可以实现齿轮轮齿的轮廓设计,进入Pro/E零件设计界面,在工具/参数的选项中,进入参数对话框,将齿轮的各参数添加到参数列表框。具体有:齿数K,齿轮模数M,压力角β,螺旋角γ,齿顶高度系数Hx,顶系数CX,变位系数X,齿轮宽度B。以上参数均要输入所需设计的齿轮参数数值,对于齿轮顶高HA,齿根高HF,分度圆直径D,基圆直径DB,齿顶圆直径DA,齿根圆直径DF等这些参数不需要输入任何数值,可根据齿轮基本几何参数来确定关系式计算。2.4齿轮的设计程序构造,主要特点有Pro/Program是Pro/E软件提供的一种程序化的二次开发工具。使用Pro/Program软件可以直接生成设计元件的三维实体图像,Program模块应用是自动化零件设计的一项重要工作,工程师可以很方便地使用一种高级程序设计语言来控制尺寸的大小、特征的出现与否、零件的出现与否、零件的个数等。当零件的Program设计完成后,以后读取此零件时,就可以使用非常简单的方式便得到它不同的形状和各种变化情况,实现产品设计的要求。使用Pro/E软件很难直接生成齿轮模型,即使在Pro/E中生成的齿轮。如果模数、齿数和变位系数发生变化,需要精心复杂地设计计算和造型分析,此时的工作量十分庞大。文章就基本变速齿轮的生成原理,结合Program程序,编制变速齿轮实体造型的设计程序,用户在输入相应的齿轮设计参数就可以快速地生成齿轮实体图形。齿轮设计中基本参数包括:齿数K1、K2,模数m,压力角β,齿顶高系数hk,和顶隙系数c,齿宽系数B0。齿轮传动时间根据传递转速、功率和传动比来设置这6个系数。通过Sweep特征来设计齿形的渐开线,但是,齿轮槽的行政和齿轮模数、齿数、变为系数和压力角有关,其中内齿轮齿根圆的半径大于渐开线的基圆半径,而外齿轮齿根圆的半径小于渐开线的基圆半径,齿轮在齿合时只在渐开线部分,这是因为外齿轮在设计时可在基圆以下部分与渐开线相切的直线来间接根圆,而内齿轮则无需加相切线,只需要渐开线的一部分即可。在Pro/E软件无法在零件设计模式下调用不同零件,但是在装配模式下可以实现相应的调用功能。首先在asm下新建一个文件,然后把坐标系统设为mmns,将内、外齿轮的造型按照基准缺省的模式组装起来,这样就把两种不同的齿轮组合在一起,再通过Program编程判断齿轮的齿根圆半径是否大于渐开线的基圆半径来决定采用内齿轮还是外齿轮。若小于则采用内齿轮,反之,则采用外齿轮。2.5加特征和程序专利的生成Program程序设计包括5个部分:参数输入、添加特征、关系定义、质量程序、程序标题。其中添加特征和程序标题由程序自动生成,用户可以对参数输入、关系定义、质量程序根据齿轮设计的实际情况来进行调整。利用Pro/E软件提供的二次开发程序设计齿轮后,可以直接生产其零件和部件图,且利用Pro/E制作的工程图与实体模型之间具有完全的相关性,可以使工程图与实体模型保持一致。3变速齿轮传动系数对机床的性能的影响带变