金属切削机床 第8章 进给传动设计

第八章进给传动设计第一节概述一、进给传动类型及其应用进给传动系统----用来实现机床的进给运动和辅助运动。机床进给传动的类型:1）机械传动采用滑移齿轮、交换齿轮、离合器、齿条机构、丝杠－螺母机构及无级变速器等传递动力和运动。工作可靠，维修方便，但结构较复杂，制造工作量较大,应用广泛。2）液压传动采用油液作介质，通过液压元件传递动力和运动。传动结构简单，工作可靠，传动平稳，便于实现自动化，应用日益广泛。3）电气传动采用可调速电动机,直接驱动执行件，或经简单的齿轮变速箱，驱动执行件。机械结构简单，可在工作中无级变速，便于自动控制，但成本较高。二、进给传动特点1.进给传动速度低、受力小、消耗功率少.2.对传动链换接的要求较多3.进给传动的载荷特点为恒转矩工作4.进给传动系统的计算转速三、进给传动的组成进给传动一般由动力源、变速系统、换向机构、分配机构、安全机构、快速运动传动链、变换回转运动为直线运动的机构和执行件等组成。四、进给伺服系统设计要求1.静态设计要求(1)能够克服摩擦力和负载。(2)很小的进给位移量。目前最小分辨率为0.1µm。(3)高的静态扭转刚度。(4)足够的调速范围。(5)进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象2.动态设计要求(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。(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。(3)负载引起的轨迹误差应尽可能小。3.对数控机床机械传动部件的设计要求：(1)被加速的运动部件应具有较小的惯量。(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性.五、快速空行程运动为缩短辅助时间和减轻工人体力劳动，通常在进给传动中设有快速空行程传动链，以实现机床移动部件的快速移近和快速返回等。快速空行程传动方式:机械、液压和电气等。1.快速运动与进给运动共用一台电动机2.快速运动采用单独的电动机为避免产生运动干涉，可采用下列几种方法：1）采用超越离合器；2)采用差动机构；3）采用差动螺母。第二节数控机床伺服进给传动系统一、数控机床伺服进给传动系统特点1.进给传动由伺服电动机经齿轮降速传动或直接驱动运动转换机构来实现，对于闭环系统还要有位移测量装置。机械传动机构较简单。2.运动转换机构采用滚珠丝杠传动，工作台等执行部件采用滚动导轨、塑料导轨或静压导轨等.3.为避免伺服系统失步和反向时的死区，必须尽可能消除传动齿轮副、丝杠螺母副、联轴器以及支承件的间隙。4.传动机构应有足够的刚度，在满足刚度要求的前提下，尽可能减少运动部件的质量。二、滚珠丝杠副1.工作原理及其特点工作原理：在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽，这两个圆弧形槽合起来便形成了螺旋滚道，在滚道内装入滚珠。当丝杠相对螺母旋转时，滚珠在螺旋滚道内滚动，迫使二者发生轴向相对位移。由于滚珠的存在，丝杠与螺母之间是滚动摩擦，仅在滚珠之间存在滑动摩擦。滚珠丝杠副特点：（1）摩擦损失小、传动效率高。（2）运动灵敏、低速时无爬行。（3）轴向刚度高、反向定位精度高。（4）摩损小、寿命长、维护简单。（5）传动具有可逆性、不能自锁。（6）结构和工艺均较复杂，因而成本较高。2.结构类型1)滚珠循环方式:⑴内循环滚珠在循环过程中与丝杠始终保持接触.⑵外循环滚珠在循环回路中与丝杠脱离接触.根据滚珠循环回路结构型式的不同可分为螺旋槽式、插管式和盖板式等。2）轴向间隙的调整和预紧方法调整和预紧方法的原理与普通丝杠螺母相同，即通过调整双滚珠螺母的轴向相对位置，使两个螺母的滚珠分别压向螺旋滚道的两侧面。但滚珠丝杠螺母机构间隙调整的精度要求高，要求能作微调以获得准确的间隙活预紧量。常用的方法:(1)垫片调隙式(2)螺纹调隙式(3)齿差调隙式3)滚珠丝杠的安装数控机床的进给系统要求获得较高的传动刚度，除加强滚珠丝杠螺母机构本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。滚珠丝杠螺母机构安装不正确以及支承刚度不足，还会使滚珠丝杠的使用寿命大大下降。行程小的短丝杠----可用悬臂支承结构。较长丝杠-----常采用一端轴向固定的支承方式,以防止热变形造成丝杠伸长.丝杠两端轴承座孔与滚珠螺母座孔应保证严格的同轴度，同时要保证滚珠螺母与座孔的配合良好以及孔对端面的垂直度，保证轴承支座和螺母支座的整体刚度、局部刚度和接触刚度等。三、传动齿轮齿侧间隙的消除对数控机床进给系统中的减速齿轮，除要求有很高的运动精度和工作平稳性外，还要求消除啮合齿轮之间的传动间隙。齿轮间隙使换向后的运动滞后于指令信号，产生换向“死区”，直接影响位移精度。齿轮传动间隙的消除方法很多，一般分刚性调整法和柔性调整法。1.刚性调整法指调整后的齿侧间隙不能自动补偿的调整方法。此法结构较简单，传动刚度较高，但要求严格控制齿轮的齿厚及齿距公差，否则将影响运动的灵活性。常见的刚性调整结构有下列几种：1）偏心轴套调整法2）变齿厚调整法3）斜齿轮轴向垫片调整法2.柔性调整法指调整后的齿侧间隙可以自动补偿的调整方法。在齿轮的齿厚和周节有差异的情况下仍可始终保持无间隙啮合。这种调整方法结构较复杂，传动刚度低，会影响传动的平稳性。柔性调整的结构主要有下列几种：1）双片直齿轮错齿调整法2）斜齿轮轴向压簧调整法3）锥齿轮双齿圈错齿调整法4）双齿轮弹簧预紧调整法四、伺服电动机数控机床进给传动系统的驱动元件称为伺服驱动元件，是伺服系统控制的直接对象，是数控机床的重要组成部分。目前使用的主要是各种类型的伺服电动机，如步进电机、小惯量直流电机和大惯量直流电机。为满足数控机床的加工质量和生产率等方面的要求，伺服电动机应具有下列性能：1)速度范围宽并具有良好的稳定性，尤其是低速时的平稳性。2)载特性硬，特别是低速时应有足够的负载能力。3)响应速度快。4)可频繁启动、停止及换向。1.步进电机步进电机又称脉冲电机，每接受数控装置所输出的一个电脉冲信号，电机轴就转过一定的角度，称为步距角。步进电机的角位移与输入脉冲个数成正比，在时间上与输入脉冲同步。2.小惯量直流电机小惯量直流电机是由一般直流电机发展起来的，其特点是转动惯量小、反应快。但额定转矩较小，一般必须与齿轮降速装置相匹配；由于转子直径小、散热差，当负载增加时，转子温升很快，因此电机过载能力较差。小惯量直流电机一般用于高速轻载的小型数控机床。3.大惯量直流电机又称宽调速直流电机，有电激磁和永久磁铁激磁两种类型，其中永磁铁激磁式，由于不需要激磁功率、效率较高，电机低速时输出转矩较大，温升低、尺寸小，因此应用较为普遍。特点:输出转矩大、响应速度快、过载能力强、调速范围宽、运转平稳、调试简单。4.交流伺服电机使用交流电机对数控机床进行伺服驱动，已越来越普遍。交流伺服具有以下突出优点：1）交流电机没有电刷和换向器，因此不需要经常维修。2）因为没有换向器，交流电机的转速不象直流电机那样受到换向火花的限制，因此转速可进一步提高，而且在高速情况下仍有较大的输出转矩。3）因为没有换向火花问题，电机的使用环境可以不受限制。4）交流电机结构简单、体积小、重量轻，相同功率的电机，重量仅为直流电机的70～90％，相同体积情况下，输出功率可提高110～170％。5）交流电机的线圈在定子上，这样绝缘可靠、散热容易，使整个系统的可靠性会进一步提高。6）利用伺服系统可以抑制交流电机的噪声和振动。五、位移检测装置用途:用来检测和控制运动部件的移动量，是保证机床工作精度和效率的关键。1.位移检测装置的要求与工作方式1）要求⑴工作可靠.抗干扰能力强,受温度和湿度等环境因素的影响小。⑵满足精度和速度的要求.其分辨率应在（0.0001～0.01）mm内，测量精度应满足±（0.0001～0.02）mm/m，运动速度应满足（0～20）m/mm。⑶使用维修方便，成本低。2)工作方式⑴数字式和模拟式⑵增量式测量和绝对式测量⑶直接式和间接式2.位移检测装置的类型位移检测装置有感应同步器、光栅传感器、编码器、旋转变压器、磁栅传感器、激光干涉仪等多种。六、伺服进给系统性能分析1.稳定性分析对控制系统的基本要求是工作的稳定性。为使进给驱动系统获得良好的伺服性能，J.E.Bakel先生提出一般闭环数控方式的进给驱动各环节特征值应有如下关系（图8.16）：如果速度环中最低的谐振频率是fn，那么速度环的闭环转角频率fc应为（1/3~1/4）fv。此外，还要求机械传动部件的谐振频率是fn的3倍。2.快速性分析所谓快速性分析是指分析系统的快速响应特性，快速性反映了系统的瞬态质量。分析系统快速性的方法很多，有直接求解法、间接评价法和计算机模拟法等。第三节机床内联系传动链设计内联系传动链，是从保证传动精度出发进行设计的。因此，内联系传动链的设计原则，与外联系传动链是不同的。一、误差来源及传递规律1.误差来源在机床传动链中，传动误差主要来自齿轮、蜗杆蜗轮及丝杠螺母等传动件的制造和装配误差。1)齿轮传动副圆柱齿轮的制造误差中，影响传动精度较大的主要是齿距累积误差△t∑。2)丝杠螺母传动副丝杠的螺距误差和轴向窜动，都会以线值误差的形式直接传递给螺母。3）蜗杆蜗轮传动副蜗轮误差分析同斜齿轮一样;蜗杆误差分析同丝杠一样。4）传动件的总误差若某一传动件同时存在多项独立误差，既有制造误差又有装配误差，根据概率原理，设误差按正态分布，则其总误差可近似取均方根值.2.误差的传递规律在传动链中，各传动件的误差不仅在一对传动副中互相传递，而且在整个传动链中按传动比依次传递，最后反映到末端件上，使工件或刀具产生传动误差。传动链中后面传动副的传动比，将对前面各传动件的误差传递起作用。如果把越靠近末端件的传动副的传动比安排得越小，对减小其前面各传动件的误差影响的效果越显著，这样，就可以有效地减小传递到末端件的总误差△ψ∑或△l∑应用传动比递降原则，甚至在结构可能的条件下，把全部减速比集中在最后一个或几个传动副，对提高传动精度是非常有效的。二、内联系传动链设计原则1)缩短传动链设计传动链时应尽量减少串联传动件的数目，以减少误差的来源。2)合理分配传动副的传动比根据误差传递规律，传动链中传动比应采取递降原则。3)合理选择传动件在内联系传动链中，不应采用传动比不准确的传动副，如摩擦传动等。4)合理确定传动副的精度末端件上的传动副误差直接反映到执行件上，对加工精度影响最大。因此，末端传动副的精度要高于中间的传动副。5)采用校正装置采用校正装置是补偿传动误差的有效措施。利用校正元件使末端传动副获得必要的补偿运动，以校正传动链的传动误差，进一步提高机床的加工精度。思考题1.机床进给传动有哪几种类型？有何特点？2.机床进给传动系统由哪几部分组成？3.在机床传动链中，传动误差主要来自于何处？4.机床内联系传动链的设计原则是什么？5.数控机床的进给传动必须满足哪些条件？6.在数控机床的进给传动中，为什么要采用滚动丝杠螺母机构？为什么一定要消除传动装置中的间隙？怎样消除传动齿轮的齿侧间隙？7.如何确定机床进给传动系统的计算转速？8.某直线移动部件在加工时作进给运动，由丝杠螺母机构实现；加工完毕作快速运动，由液压油缸实现。试画出示意图表示，并说明其工作原理。