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数控机床进给传动系统.docx
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数控机床进给传动系统.docx
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数控机床进给模块之机械部件装配
一.进给传动系统图
纵向和横向进给传动系统图
二. 系统图的主要构造和功用
电动机:
1. 步进电动机
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的驱动元件。步进电动机
是一种特殊的电动机,一般电动机通电后都是连续转动的,而步进电动机则有定
位与运转两种状态。当有一个电脉冲输入时,步进电动机就回转一个固定的角度,
这角度称为步距角,一个步距角就是一步,所以这种电动机称为步进电动机。又
由于它输入的是脉冲电流,也称作脉冲电动机。当电脉冲连续不断地输入,步进
电动机便跟随脉冲一步一步地转动,步进电动机的角位移量和输入的脉冲个数严
格成正比例,在时间上与输入脉冲同步。因此,只需控制输入脉冲的数量、频率
及电动机绕组的通电顺序,便可获得所需转角、转速和方向。在无脉冲输入时,
步进电动机的转子保持原有位置,处于定位状态。步进电动机的调速范围广、惯
量小、灵敏度高、输出转角能够控制,而且有一定的精度,常用作开环进给伺服
系统的驱动元件。与闭坏系统相比,它没有位置速度反馈回路,控制系统简单,
成本大大降低,与机床配接容易,使用方便,因而在对精度、速度要求不十分高
的中小型数控机床上得到了广泛地应用。
2. 直流伺服电动机
由于数控机床对进给伺服驱动装置的要求较高,而直流电动机具有良好的调
速特性,因此在半闭坏、闭坏伺服控制系统中,得到较广泛地使用。直流进给伺
服电动机就其工作原理来说,虽然与普通直流电动机相同。然而,由于机械加工
的特殊要求,一般的直流电动机是不能满足需要的。首先,一般直流电动机转子
的转动惯量过大,而其输出转矩则相对较小。这样,它的动态特性就比较差,尤
其在低速运转条件下,这个缺点就更突出。在进给伺服机构中使用的是经过改进
结构,提高其特性的大功率直流伺服电动机,主要有以下两种类型:
(1)小惯量直流电动机。主要结构特点是其转子的转动惯量尽可能小,因
此在结构上与普通电动机的最大不同是转子做成细长形且光滑无槽。以此表现为
转子的转动惯量小,仅为普通直流电动机的 1/10 左右。因此,响应特别快,机
电时间常数可以小于 10 ms,与普通直流电动机相比,转矩与惯量之比要大出
40~50 倍。且调速范围大,运转平稳,适用于频繁起动与制动,要求有快速响应
(如数控钻床、冲床等点定位)的场合。但由于其过载能力低,并且电动机的自
身惯量比机床相应运动部件的惯量小,因此应用时都要经过一对中间齿轮副,才
能与丝杠相连接,在某些场合也限制了它广泛地使用。
(2)大惯量直流电动机。又称宽调速直流电动机,是在小惯量电动机的基
础上发展起来的。在结构上和常规的直流电动机相似,其工作原理相同。当电枢
线圈通过直流电流时,就会在定子磁场的作用下,产生带动负载旋转的电转矩。
小惯量电动机是从减小电动机转动转量来提高电动机的快速性,而大惯量电动机
则是在维持一般直流电动机转动惯量的前提下,尽量提高转矩的方法来改善其动
态特性。它既具有一般直流电动机便于调速、机械特性较好的优点,又具有小惯
量直流电动机的快速响应性能。因此,可归纳为以下特点:
1)转子惯量大。这种电动机的转子具有较大的惯量,容易与机床匹配。可
以和机床的进给丝杠直接连接,省掉了减速机构,故可使机床结构简单,即避免
了齿轮等传动机构产生的噪声和振动,又提高了加工精度。
2)低速性能好。这种电动机低速时输出转矩大,能满足数控机床经常在低
速进给时进给量大、转矩输出大的特点,如能在 1 r/min 甚至 0.1 r/min 下平稳
运转。
3)过载能力强、动态响应好。由于大惯量直流电动机的转子有槽,热容量
大,同时采用了冷却措施后,提高了散热能力。因此可以过载运行 30 分钟。另
外,电动机的定子采用矫顽力很高的铁氧体永磁材料,可使电动机过载 10 倍而
不会去磁,这就显著地提高了电动机的瞬间加速力矩,改善了动态响应,加减速
特性好。
4)调速范围宽。这种电动机机械特性和调速特性的线性度好,所以调速范
围宽而运转平稳。一般调速范围可达 1∶10000 以上。
大惯量直流电动机尽管有上述优点,但仍有不如其它驱动元件的地方,如运
行调整不如步进电动机简便;快速响应性能不如小惯量电动机。这种驱动系统可
直接接有高精度检测元件,如一些测量转速和转角等检测元件,实现半闭坏、闭
环伺服系统的精确定位。
3. 交流伺服电动机
尽管直流伺服电动机具有优良的调速性能,但直流电动机存在着不可避免的
缺点:它的电刷和换向器易磨损,需经常维护;另外换向时易产生火花,使电机
的最高转速受到限制,也使应用环境受到限制。而且,直流电动机结构复杂,制
造成本高。
随着大规模集成电路、计算机控制技术及现代控制理论的发展与应用,80 年
代交流伺服驱动技术取得了突破性地进展,使得交流伺服电动机具备了调速范围
宽、稳速、精度高、动态响应快以及其它良好的技术性能。交流电动机转子惯量
较直流电动机小,动态响应更好,在一般同样体积下,交流电动机的输出功率可
比直流电动机提高 10%~70%,因此交流电动机可选得大一些,以达到更高的电压
与转速。
交流伺服电动机采用了全封闭无刷构造,不需要定期检查与维修定子,省去
了铸造件壳体,比直流电动机在外形尺寸上减少了 50%,重量减轻近 60%,转子
惯量减至 20%。定子铁芯较一般电动机开槽多且深,绝缘可靠,磁场均匀。还可
对定子铁芯直接冷却,散热效果好。因而传给机械部分的热量少,提高了整个系
统的可靠性。转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁,可得到高的转矩/惯量比。
因此交流伺服电动机可得到比直流伺服电动机更硬的机械性能和宽的调速范围,
交流伺服以其高的性能、大容量得到了广泛地应用。
交流伺服电动机提高性能的关键在于解决对交流电动机的调速控制与驱动。对交
流伺服电动机的调速,目前用得较多的是计算机对交流电动机磁场作矢量变换控
制,其基本原理是把交流电动机等效为直流电动机,从而使交流电动机像直流电
动机一样进行有效地控制。
数控进给传动结构:
在数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有:滚珠丝杠螺母副、
静压蜗杆-蜗母条、预加载荷双齿轮-齿条及双导程蜗杆等。
1. 滚珠丝杠螺母副传动
为了提高数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度,必须减少运动件的
摩擦阻力和动静摩擦力之差。为此,在中小型数控机床中,滚珠丝杠螺母副是采
用最普遍的结构。
(1)滚珠丝杠副的工作原理。滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互转换的新
型传动装置,是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。其结构原理
示意如图,图中丝杠和螺母上都加工有弧形螺旋槽,将它们套装在一起时,这两
个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成了螺旋滚道,并在滚道内装满滚珠。当丝杠相
对于螺母旋转时,滚珠则既自转又沿着滚道流动。为了防止滚珠从螺母中滚出来,
在螺母的滚道两端用返回装置(又称回珠器)连接起来,使滚珠滚动数圈后离开
滚道,通过返回装置返回其入口继续参加工作,如此往复循环滚动。
(2)滚珠丝杠副的特点。由以上滚珠丝杠螺母副传动的工作过程,可以明显看
出滚动丝杠副的丝杠与螺母之间是通过滚珠来传递运动的,使之成为滚动摩擦,
这是滚珠丝杠区别于普通滑动丝杠的关键所在,其特点主要有以下几点:
1)传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率高达 95%~98%,是普通梯形丝杠的 3~4
倍,功率消耗减少 2/3~3/4.
2)灵敏度高、传动平稳。由于是滚动摩擦,动静摩擦系数相差极小。因此
低速不易爬行,高速传动平稳。
3)定位精度高、传动刚度高。用多种方法可以消除丝杠螺母的轴向间隙,
使反向无空行程,定位精度高,适当预紧后,还可以提高轴向刚度。
4)不能自锁、有可逆性。即能将旋转运动转换成直线运动,也能将直线运
动转换成旋转运动。因此丝杠在垂直状态使用时,应增加制动装置或平衡块。
5)制造成本高。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度及表面粗糙度等要求高,
制造工艺较复杂,成本高。
(3)滚珠丝杠副的循环方式。
常用的循环方式有两种:滚珠在循环反向过程中,与丝杠滚道脱离接触的称
为外循环;而在整个循环过程中,滚珠始终与丝杠各表面保持接触的称为内循环。
外循环回流方式 内循环回流方式
1)、外循环
外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表的螺旋槽或插管返回丝杠螺
母间重新进入循环。
如图 3-7 所示,外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖
式、插管埋入式、插管突出式和螺旋槽式。
如图 3-7(a)所示为端盖式。在螺母末端加工出以纵向孔,作为滚珠的回
程管道,螺母两端的盖板上开有滚珠的回程口,滚珠由此进入回程管,形成循环。
如图 3-7(b)所示为插管式。它用弯管作为返回管道,在螺母外圆上装有
螺旋形的插管口,其两端接入滚珠螺母工作始末两端孔中,以引导滚珠通过插管,
形成滚珠的多圈循环链。这种形式结构简单,工艺性好,承载能力较高,但径向
尺寸较大。目前应用最为广泛,也可用于重载传动系统中。
如图 3-7(c)所示为螺旋槽式。它在螺母的外圆上铣出螺旋槽,槽的两端
钻出通孔并与螺纹管道相切,形成返回通道,这种结构径向尺寸较小,但制造较
复杂。
2)、内循环
如图 3-8 所示为内循环滚珠丝杠。内循环均采用反向器实现滚珠循环,它靠
螺母上安装的反向器接通相邻两滚道,形成一个闭合的循环回路,使滚珠成单圈
循环。反向器 2 的数目与滚珠圈数相等,一般有 2—4 个,且沿圆周等分分布。
这种类型的结构紧凑,刚度好,滚珠流通性好,摩擦损失小效率高;适用于高灵
敏、高精度的进给系统,不宜用于重载传动,且制造较困难。
反向器有两种类型:圆柱凸键反向器和扁圆镶块反向器。
如图 3-8(a)所示为圆柱凸键反向器,他的圆柱部分嵌入螺母内,端部开
有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键定位,以保证对准螺纹滚道方向。
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