第七章 第三节.ppt

1、第三节 数控机床进给传动系统,现代数控机床的进给伺服电动机，调速范围足够宽，其转速可以从每分钟不到一转至几千转；转矩足够大，可达到数十Nm，甚至百Nm以上，因此可以把进给伺服电动机直接装到滚珠丝杠上，不需要齿轮降速机构。这就使进给系统的机械传动机构很简单，只剩下滚珠丝杠的问题了。,一、滚珠丝杠传动 滚珠丝杠传动是数控机床伺服驱动的重要部件之一。它的优点是摩擦系数小，传动精度高，传动效率高达8598，是普通滑动丝杠传动的24倍。滚珠丝杠副的摩擦角小于1因此不能自锁。如果用于立式升降运动则必须有制动装置。其动、静摩擦系数之差甚小，有利于防止爬行和提高进给系统的灵敏度；采用消除反向间隙并硕紧措施，有

2、助于提高定位精度和刚度。一般情况下，滚珠丝杠可以宣接从专门生产厂家订购，无须自行设计制造。,(一)滚珠丝杠的结构 图723为滚珠丝杠的原理图。丝杆1和螺母3之间填入钢珠2，使丝杠和螺母之间为滚动摩擦运动。三者均用轴承钢制成，经淬火、磨削、达到足够高的精度。螺纹的截面为圆弧形其半径赂大于钢球半径。依回珠方式分为内循环和外循环。,根据消除间隙和预加载荷的方法不同，又分为单螺母法和双螺母法。如图724所示。,(二)滚珠丝杠副的消除间隙和预加载荷 滚珠丝杠的传动不允许存在轴向间隙，不仅因为它会造成反向冲击，更主要是产生定位误差，影响机床的精度稳定性，为了提高进给系统的刚度，使滚珠丝杠在过盈条件下工作更

3、为有利，即进行预加载荷或称为预紧。 消除间隙和预紧的方法有多种。机床上常用双螺母法子加载荷。如图725所示。图中1是丝杠，2是左螺母，3是钢珠，4是右螺母。固725a把左右螺母往两头撑开；图725b向中间挤紧。这时接触角为45，左、右螺母接触方向相反。须加载荷力为Fo。左右螺母装在一个共同的螺母体内。螺母作为整体与丝杆间处于无间隙或过盈状态以提高接触刚度。,(三)滚珠丝杠的预拉伸 滚珠丝杠在工作时会发热，其温度高于床身。丝杠的热膨胀将使导程加大，影响定位精度。为了补偿热膨胀，可将丝杠预拉伸。预拉伸量应赂大于热膨胀量。发热后，热膨胀量抵消了部分预拉伸量，使丝杠内的拉应力r降，但长度却没有变化。需

4、进行预拉伸的丝杠在制造时应使其目标行程（螺纹部分在常温厂的长度）等于公称行（螺纹部分的理论长度，等于公称导程乘以丝杠上的螺纹因数）减去预拉伸量。拉伸后恢复公称行程值。减去的量称为“行程补偿 值”。,(四)中空强冷滚珠丝杠 将丝杠制成空心，通人冷却液强行冷却可以有效地散发丝杠传动中的热量，对保证定位精度大有益处，由此也可获得较高的进给速度，据介绍，国外的铝合金加工端铣时，进给速度已经达到7m/min总在一般的滚珠丝杠传动是难以实现的。因728所示为带中空强冷的滚珠丝杠传动图。为了减少滚珠丝杠受热变形，在支承法兰处通人恒温油循环冷却以保持在恒温状态下工作。,二、直线电动机进给系统 直线电动机是指可

5、以直接产生直线运动的电动机，可作为进给驱动系统，如图729所示。其雏形在世界上出现了旋转电动机不久之后就出现了，但由于受制造技术水平相应用能力的限制，一直未能在制造业领域作为驱动电动机而使用。在常规的机床进给系统中，仍一直采用“旋转电动机+滚珠丝杠”的传动体系。随着近几年来超高速加工技术的发展，滚珠丝杠机构已不能满足高速度和高加速度的要求，直线电动机才有了用武之地。持别是大功率电子器件、新型交流变频调速技术、微型计算机数控技术和现代控制理论的发展，为直线电动机在高速数控机床中的应用提供了条件。,世界上第一台使用直线电动机驱动工作台的高速加工中心是德国Ex-Cell-O公司于1993年生产的，采

6、用了德国Indrament公司开发成功的感应式直线电机。同时，美国Ingersoll公司和Frod汽车公司合作，在HVM800型卧式加工中心上采用了美国Anorad公司生产的水磁式直线电动机。日本的FANUC公司于1994年购买了Anorad公司的专利权，开始在亚洲市场销售直线电动机。在1996年9月芝加哥国际制造技术博览会(IMTS96)上，直线电动机如雨后春笋船展现在人们面前，这预示着直线电动机开辟的机床新时代已经到来。,1直线电动机工作原理简介 直线电动机的工作原理与旋转电动机相比，并没有本质的区别，可以将其视为旋转电动机沿圆周方向拉开展平的产物。如图730所示。对应于旋转电动机的定子部

7、分，称为直线电动机的初级。对应于旋转电动机的转子部分，称为直线电动机的次级。当多相交变电流通人多相对称绕组时，就会在直线电动机初级和次级之间的气隙中产生一个行波磁场，从而使初级和次级之间相对移动。当然，二者之间也存在一个垂直力，可以是吸引力，也可以是推斥力。,直线电动机可以分为直流直线电动机、步进直线电动机和交流直线电机三大类。在机床上主要使用交流直线电动机。 在结构上，可以有如图731所示的短次级和短初级两种形式。为了减小发热量和降低成本，高速机床用直线电动机一般采用图73l中b所示的短初级、动初级结构。,在励磁方式上，交流直线电动机可以分为永磁(同步)式和感应(异步)式两种。永磁式直线电动

8、机的次级是一块一块铺设的永久磁钢，其初级是含铁芯的三相绕组。感应式直线电动机的初级和水磁式直线电动机的初级相同，而次级是用自行短路的不馈电栅条来代替永磁式直线电动机的永久磁钢。永磁式直线电机在单位面积推力、效率、可控性等方面均优于感应式直线电动机，但其成本高，工艺复杂，而且给机床的安装、使用和维护带来不便。感应式直线电动机在不通电时是没有磁性的，因此有利于机床的安装、使用和维护，近年来，其性能不断改进，已接近水磁式直线电动机的水平，在机械行业的应用已受到欢迎。 直线电动机的数学模型比较复杂、这里我们只以短初级感应式直线电动机为例简要分折。,2使用直线电动机的高速机加工系统 现在的机加工对机床的

9、加工速度和加工精度提出了越来越高的要求，传统的“旋转电动机+珠丝杠”体系引良难适应这一趋势。使用直线电动机的驱动系统，有以下特点： 1)使用直线伺服电动机，电磁力直接作用于运动体(工作台)上，而不用机械连接，因此没有机械滞后或齿节周期误差，精度完全取决于反馈系统的检测精度。 2)直线电动机上装配全数字伺服系统，可以达到极好的伺服性能。由于电动机和工作台之间无机械连接件，工作台对位置指令几乎是立即反应(电气时间常数约为1ms)，从而使得跟随误差减至最小而达到较高的精度。并且，在任何速度下都能实现非常平稳的进给运动。 3)直线电动机系统在动力传动小由于没有低效率的中介传动部件而能达到高效率可获得很

10、好的动态刚度(动态刚度即为在脉冲负荷作用下，伺服系统保持其位置的能力)。 4)直线电动机驱动系统由于无机械零件相互接触，因此无机械磨损，也就不需要定期维护，也不象滚珠丝杠那样有行程限制，使用多段拼技术可以满足超长行程机床的要求。,5)由于直线电动机的动件(初级)已和机床的工作台合二为一，因此，和滚珠丝杠进给单元不同，直线电动机进给单元只能采用全闭环控制系统。其控制框图如图733所示。,然而，直线电动机在机床上的应用也存在一些问题，包括： 1)由于没有机械连接或啮合，因此垂直轴需要外加一个平衡块或制动器。 2)当负荷变化大时，需要重新整定系统。目前，大多数现代控制装置具有自动整定功能因此能快速调机。 3)磁铁(或线圈)对电动机部件的吸力