伺服电动机与进给丝杠的连接.docx
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伺服电动机与进给丝杠的连接
伺服电动机与进给丝杠的连接之杨若古兰创作
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摘要:
本文次要讲述了伺服电动机与进给丝杠的连接,通过对数控机床进给伺服零碎的介绍,对简单结构进行认知,和对进给伺服零碎的感化及构成的了解,进而引入对伺服电动机与进给丝杠的连接的具体论述,通过对伺服电动机与进给丝杠的连接的三种方式睁开对其的常识把握,最初对其在社会工业发展中的实际利用的发展进行了解.
关键词:
数控机床的伺服进给零碎、伺服电动机、进给丝杠、特点、发展
Abstract:
Thispaperismainlyabouttheservomotorandafeedscrewconnection,throughtheintroductionofCNCmachinetoolservosystem,cognitionofsimplestructure,andthefeedingservosystemofthefunctionandcompositionoftheunderstanding,andthenintroducetheservomotorandthefeedscrewconnectionsaredescribedindetail,expandtheknowledgethroughtheservomotorandthefeedscrewconnectionofthethreeways,finally,thepracticalapplicationintheindustrialsocietyinthedevelopmentofthedevelopmentofunderstanding.
Keywords:
Servofeedsystem,servomotor,feedscrew,characteristicsanddevelopmentofCNCmachinetools
1引言
目前,数控机床正朝着高精度、高速度、高可靠性和智能化、数字化、绿色环保等方向发展.而我国数控机床在技术水平,功能和质量等方面与国外发达国家有很大差距.是以加快我国数控机床及其功能部件的发展速度是当务之急.高速数控机床进给零碎普通依附两种传动方式:
高速精密滚珠丝杠副传动和直线电机传动.其中滚珠丝杠副传动方式因为采取扭转电机,到联轴器,再经过滚珠丝杠螺母等一系列两头传动和变换环节,是以使得全部传动零碎的刚度降低.
2数控机床的进给伺服零碎简介
数控机床的进给伺服零碎是数控机床的次要构成部分,它由伺服电机、联轴节(或减速齿轮)、滚珠丝杠螺母副(含丝杠支承)、导轨副、传动工作台挪动;或蜗杆蜗轮副传动数控回转工作台或分度工作台.
数控机床的进给伺服零碎是一种地位随动与定位零碎,它的感化是快速、精确地履行由数控零碎发出的活动命令,精确地控制机床进给传动链的坐标活动.它的功能决定了数控机床的很多功能,如最高挪动速度、轮廓跟随精度、定位精度等.
2.1典型结构
图2-1是数控机床进给传动零碎的典型结构:
1-伺服电机;2-联轴节;3-滚珠丝杠;
4-限位开关;5-工作台;6-轴承;7-导轨;8-磁尺;9-螺母
图2-1伺服电机与丝杠直连的进给零碎机械结构图
图2-1是立式加工中间X和Y两坐标进给零碎的机械结构图.伺服电机1与滚珠丝杠3通过联轴节2直连并直接驱动工作台5.直线活动采取滚动轴承,包管活动精度和动作的灵敏度.编码器普通安装在伺服电机轴上,成为一个全体单元.计算机控制零碎调和两个活动坐标的位移和速度,完成平面轮廓的切削.
2.2进给伺服零碎的感化及构成
感化:
数控机床的进给零碎是伺服零碎的次要构成部分,它接受数控零碎发出的进给脉冲,经放大和转换后驱动履行元件实现预期的活动,即将伺服电动机的扭转活动改变成工作台的直线挪动或回转活动.
图2-2进给伺服零碎的构成
电动机与丝杠的联接
构成:
减速安装、动弹变挪动的丝杠螺母副、导向元件等.减速安装常采取齿轮机构和带轮机构,导向元件常采取导轨.
图2-3电动机与丝杠的联接
3伺服电动机与进给丝杠的联接的三种方式
通过同步齿形带联接
同步带是靠啮合齿轮传动的新型带,它兼有带传动和链传动的长处.同步齿形带是以钢丝绳为强力层,里面用氯丁橡胶或聚氨酯包裹.因为强力层中的钢丝绳在承载后变形小,能坚持齿形带的周节不变.是以带与带轮之间无绝对滑动,能坚持精确的传动比,亦即主、从动轮能做无滑差同步传动.这类带薄而轻,惯性效应小,因此可用于高速传动,其圆周速度v可达40m/s.因为它不是靠摩擦传动,是以小带轮包角可减小,传动比i可达10,传动效力也高达98%~99%.这类带的次要缺点是齿形带轮的制作复杂、成本高.
如图3-1所示,同步齿形有梯形和圆弧齿两类:
其中,模数制梯形齿是我国最早开发的同步带,现仍有使用,但不推荐用于新设计.周节制梯形齿已有国家尺度(CB11616-89).圆弧齿同步带只要行业尺度,在机电行业中已有广泛的利用.
同步齿形带传动综合了带传动和链传动的长处,活动平稳,吸振好,噪声小.缺点是对中间距请求高,带和带轮制作工艺复杂,安装请求高.
同步齿形带带型从最轻型到超重型共分七种.选择同步齿形带时,首先根据请求传递的功率和小带轮的转速选择同步齿形带的带型和节距,然后根据请求传递的变速比确定小带轮和大带轮的直径.通常在带速和安装尺寸条件答应时,小带轮直径尽量取大一些;再根据初选轴间距计算带长,拔取尺度同步齿形带;最初确定带宽和带轮的结构和尺寸.
同步齿形带传动的次要失效方式是同步齿形带疲劳断裂、带齿剪切和压馈和同步齿形带两侧和带齿的磨损,因此同步齿形带传动校核主如果限制单位齿宽的拉力,须要时还校订工作齿面的压力
3.2通过齿轮联接
齿轮传动在伺服进给零碎中的感化改变活动方向,降速、增大扭矩,适应分歧丝杠螺距和分歧脉冲当量的配比等.当在伺服电机和丝杠之间安装齿轮(直齿、斜齿、锥齿等)时,必定发生齿侧间隙,形成反向活动的死区,必须设法清除.目前清除齿侧间隙普遍采取双片齿轮结构,如图3-2(a)、(b)所示.将一对齿轮中的大齿轮分为1、2两个部分,并分别与螺钉3、4固定,再将弹簧5与3、4联接起来,如许齿轮1、2两部分的齿轮天然错开,达到主动清除齿侧间隙的目的.图3-3(c)为斜齿轮传动消隙结构.它是将一个斜齿轮分为两个薄片,分别与宽齿轮1的齿轮左、右正面贴紧,清除了间隙.齿侧间隙△与垫片增减量△t的关系可用下式暗示为
△t=△cosβ
这类方法结构简单,但调整费事,也不克不及主动抵偿间隙.图3-3(c)所示锥齿轮清除间隙的道理也与图3-2(a)的直齿圆柱齿轮不异.
当齿轮与轴联接时,键两侧的间隙也必须设法清除,其措施如图3-2所示.图(a)为双键清除间隙,用紧定螺钉顶紧;图(b)将其中一个键灌环氧树脂,但不容易拆卸维修.
3.3联轴器直接联接
因为伺服电机功能的提高,目前很多场合都采取伺服电机与丝杠直接相连.以增量式光电编码器为例,当光电编码器与伺服电机及滚珠丝杠直联时,随着伺服电动机的动弹,发生序列脉冲输出,脉冲的频率将随着转速的快慢而升降.
其一是图3-4(a)用锥销联接,为防止振松,用螺母加垫圈锁紧.图(b)将锥销放在侧边,故可承受较大的剪切力.图(c)为套筒中间线上互为90o的两个锥销.套筒联接尺寸小,动弹惯量小.图(d)为十字滑块联轴节,接头槽口需研配,适合负载较小的传动.
图3-4链连接间隙清除
图3-5(e)是此刻广泛采取的直接联接电机轴和丝杠的挠性联轴节.这类联轴节的工作道理是:
联轴节的左半部装在电机轴上,当拧紧螺钉2时,件3和件5彼此靠近,挤压内锥环17、外锥环4,使外锥环内径缩小,内锥环外径胀大,使件5与电机轴1构成无键连接.右半部也同样构成无键联接.左半部通过弹性钢片组15的两个对角孔与螺栓6、球面垫圈7、8相联.图中标明球面垫圈8与右半部件9没有任何联接关系.同样,弹簧钢片组15的另外两个对角孔通过球面垫圈14、16、螺栓13与右半部联接,垫圈16与件5也没有任何联接关系.如许依附弹性钢片组对角联接(即挠性)传递扭矩,且与电机轴和丝杠都无键联接,即是挠性联轴节的工作道理.
图3-5直接联接电机轴和丝杠的挠性联轴节
4电动机与丝杠的联接的三种方式的特点
4.1通过齿轮联接
Ø采取齿轮传动副来达到必定的降速比请求;
Ø齿侧间隙会影响零碎的波动性;
Ø结构复杂,用于因结构缘由电动机与丝杠不克不及直接联接,或因负荷力矩大、需放大伺服电动机输出转矩的场合.
4.2通过同步齿形带联接
Ø具有带传动和链传动的共同长处;
Ø机械结构简单,制形成本低,安装调整方便;
Ø传动不打滑,传动效力高.
4.3联轴器直接联接
Ø传动精度高;
Ø结构简单,安装调整方便;
Ø适用于中、小型机床或高速加工机床.
数控机床机械零碎结构应当满足减少活动件的摩擦和清除传动间隙.因为滚动丝杠降低了摩擦力,不但提高活动件的灵活性,而且减少了进给零碎所须要的驱动功率.这就明显改善了动态特性.数控机床(特别是开环零碎的数控机床)的加工精度在很大程度上取决于进给传动链的精度和刚度.除了尽可能缩短传动链,提高传动齿轮和滚珠丝杠的制作精度外,另一个措施是清除传动间隙,采取无间隙的传动副.
伺服电机与丝杠连接方式大部分是使用联轴器连接,传动效力比其他方式要高,可以节省不占用横向空间但是必须有足够的直向空间,普通来说是首选连接方式.如果只想空间不敷就要选用其它方式,齿轮连接绝对比较紧凑,传动效力比其他两种要高,但是结构复杂,成本也较高,多用于须要有加、减速比的地位. 链条和皮带普通用于传动效力和精度请求不高的部位直向空间占用不大甚至可以不必,但是横向空间须要较大.目前联轴器品种比较多,可以根据须要使用.还有一些特殊情况须要使用皮带或齿轮连接,例如空间不敷、有特殊利用,传动效力不如联轴器,须要谨慎使用.
5伺服电动机与进给丝杠的连接的发展
近年来,数控机床高速发展的同时也推动了伺服电机向高速方向发展,数控机床的进给驱动有“扭转伺服电机精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动”两品种型.守旧的滚珠丝杠工艺加工精度较高.
随着直接驱动技术的发展,直线电机与传统的“扭转伺服电机+滚珠丝杆”的驱动方式的对比惹起业界的关注.1845年英国人就曾经发明了直线电动机,但当时的直线电动机气隙过大导致效力很低,没法利用.19世纪70年代科尔摩根也推出过,但因成本高效力低限制了它的发展.直到20世纪70年代当前,直线电机才慢慢发展并利用于一些特殊领域,20世纪90年代直线电机开始利用于机械制作业,此刻世界一些技术进步前辈的加工中间厂家开始在其高速机床上利用,国外着名企业例如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCIATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK都陆续推出使用直线电机的高速高精加工中间.
上面次要参考HIWIN科技的进步前辈的高速静音式丝杠SUPERS系列(DN值达22万)和HIWIN的直线电机在几个次要特性上做一些比较,为相干业者提供一个参考.
速度比较:
速度方面直线电机具有相当大的上风,直线电机速度达到300m/min,加速度达到10g;滚珠丝杠速度为120m/min,加速度为.从速度上和加速度的对比上,直线电机具有相当大的上风,而且直线电机在成功解决发热成绩后速度还会进一步提高,而“扭转伺服电机+滚珠丝杠”在速度上却受到限制很难再提高较多.
精度比较:
精度方面直线电机因传动机构简单减少了插补滞后的成绩,定位精度、重现精度、绝对精度,通过地位检测反馈控制都会较“扭转伺服电机+滚珠丝杠”高,且容易实现.
μm.“扭转伺服电机+滚珠丝杠”最高达到2~5μm,且请求CNC-伺服电机-无隙连轴器-止推轴承-冷却零碎-高精度滚动导轨-螺母座-工作台闭环全部零碎的传动部分要轻量化,光栅精度要高.
价格比较:
价格方面直线电机的价格要高出很多,这也是限制直线电机被更广泛利用的缘由.
能耗比较:
直线电机在提供同样转矩时的能耗是“扭转伺服电机+滚珠丝杠”一倍以上,“扭转伺服电机+滚珠丝杠”属于节能、增力型传动部件,直线电机可靠性受控制零碎波动性影响,对周边的影响很大必须采纳无效隔磁与防护措施,隔断强磁场对滚动导轨的影响和对铁屑磁尘的吸附.
通过以下这个例子更容易使大家了解直线电机和“扭转伺服电机+滚珠丝杠”的一些特点:
日本某公司超高速龙门式加工中间.X、Y轴采取直线电动机驱动V=120m/min.该公司为什么不该用“扭转伺服电机+滚珠丝杠(HIWINSUPERS系列)”?
因为SUPERS虽然DN值曾经历了从传统丝杠7万到15万再到22万的提速进程,但因为存在纯机械传动的软肋,其线速度、加速度、行程范围的添加老是无限的.若选用Φ40×20mm的产品,则vmax=110m/min,因nmax=5500r/min转速很高,行程范围受临界转速Nc的制约明显不成能太长.若采取大导程Φ40×40mm产品,则Vmax=220m/min,这明显又不克不及满足定位精度高的场合.能达到DN值22万从一个正面反映了HIWIN的设计、制作水准.如果我们选择Φ40×20(双头)mm产品,在n≈4000~5000r/min,V=80~100m/min形态下使用,其平安性、可靠性、工作寿命均可高于预期值.事实上到目前为止,在高速高精CNC金切机床中(CNC成形机床除外)速度V≥120m/min仍采取SUPERS系列驱动的成功范例未见到.实际上“扭转伺服电机+滚珠丝杠”的最好利用处合是:
请求V=40~100m/min,加速度0.8~1.5(2.0)g,精度P3级以上的中档高速数控配备和部分高档数控配备.
利用比较:
事实上,直线电机和“扭转伺服电机+滚珠丝杠”两种驱动方式尽管各有上风,但也有本身的软肋.两者在数控机床上都有各自最好的适用范围.
直线电机驱动在以下数控配备领域具有得天独厚的上风:
高速、超高速、高加速度和生产批量大、请求定位的活动多、速度大小和方向频繁变更的场合.例如汽车财产和IT财产的生产线,精密、复杂模具的制作.
两种驱动方式在德国DMG公司被同时应用也说明他们具有各自的上风.直线电机的提升空间很大,将来直线电机的技术更加成熟了、产量上去了、成本降低了,利用也会更加广泛,但从节能降耗、绿色制作的角度思考,和两种结构本身特点考虑“扭转伺服电机+滚珠丝杠”驱动仍有其广阔的市场空间.直线电机将成为高速(超高速)、高档数控配备中的主流驱动方式的同时,“扭转伺服电机+滚珠丝杠”仍然会继续坚持其在中档高速数控配备中的主流地位.
结论
综上所述,伺服零碎与进给丝杠的连接是数控机床及利用中必不成少的一部分,其连接方式的分歧决定适用于分歧数控机床的须要.这些技术的发展与利用,使得伺服零碎功能改善,可靠性提高,大大推动了数控机床及利用技术的发展.时代在发展,科技在进步,将来有一天伺服零碎与进给丝杠的连接方式或答应能被其他社会发展成果所代替,但它为数控行业可持续性发展奠定了基础,带给数控行业的发展的影响是永久的.
参考文献:
[1]杜君文、邓广敏、刘又午.数控技术.天津:
天津大学出版社,2002,213~219.
[2]古文生.数控机床及利用.北京:
电子工业出版社,2002.4,168~175
[3]李业农.数控机床及利用.北京:
国防工业出版社,2006.1,203~216
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