伺服電動機與進給絲杠的連接

1、伺服電動機與進給絲杠的連接班級： 姓名： 學(xué)號：摘 要：本文主要講述了伺服電動機與進給絲杠的連接，通過對數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的介紹，對簡單結(jié)構(gòu)進行認知，和對進給伺服系統(tǒng)的作用及組成的了解，進而引入對伺服電動機與進給絲杠的連接的詳細敘述，通過對伺服電動機與進給絲杠的連接的三種方式展開對其的知識掌握，最后對其在社會工業(yè)發(fā)展中的實際應(yīng)用的發(fā)展進行了解。關(guān)鍵詞：數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)、伺服電動機、進給絲杠、特點、發(fā)展Abstract：This paper is mainly about the servo motor and a feed screw connection, through the i

2、ntroduction of CNC machine tool servo system, cognition of simple structure, and the feeding servo system of the function and composition of the understanding, and then introduce the servo motor and the feed screw connections are described in detail, expand the knowledge through the servo motor and

3、the feed screw connection of the three ways, finally, the practical application in the industrial society in the development of the development of understanding.Keywords ：Servo feed system, servo motor, feed screw, characteristics and development of CNC machine tools1 引言目前,數(shù)控機床正朝著高精度、高速度、高可靠性以及智能化、數(shù)

4、字化、綠色環(huán)保等方向發(fā)展。而我國數(shù)控機床在技術(shù)水平 ,性能和質(zhì)量等方面與國外發(fā)達國家有很大差距。因此加快我國數(shù)控機床及其功能部件的發(fā)展速度是當(dāng)務(wù)之急。高速數(shù)控機床進給系統(tǒng)一般依靠兩種傳動方式:高速精密滾珠絲杠副傳動和直線電機傳動。其中滾珠絲杠副傳動方式由于采用旋轉(zhuǎn)電機，到聯(lián)軸器，再經(jīng)過滾珠絲杠螺母等一系列中間傳動和變換環(huán)節(jié),因此使得整個傳動系統(tǒng)的剛度降低。2 數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)簡介數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分，它由伺服電機、聯(lián)軸節(jié)（或減速齒輪）、滾珠絲杠螺母副（含絲杠支承）、導(dǎo)軌副、傳動工作臺移動；或蝸桿蝸輪副傳動數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺或分度工作臺。數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)是一種位

5、置隨動與定位系統(tǒng)，它的作用是快速、準確地執(zhí)行由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的運動命令，精確地控制機床進給傳動鏈的坐標運動。它的性能決定了數(shù)控機床的許多性能，如最高移動速度、輪廓跟隨精度、定位精度等。2.1 典型結(jié)構(gòu)圖2-1是數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)：1-伺服電機；2-聯(lián)軸節(jié)；3-滾珠絲杠；4-限位開關(guān)；5-工作臺；6-軸承；7-導(dǎo)軌；8-磁尺；9-螺母圖2-1 伺服電機與絲杠直連的進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)圖圖2-1是立式加工中心X和Y兩坐標進給系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)圖。伺服電機1與滾珠絲杠3通過聯(lián)軸節(jié)2直連并直接驅(qū)動工作臺5.直線運動采用滾動軸承，保證運動精度和動作的靈敏度。編碼器一般安裝在伺服電機軸上，成為一個整體單

6、元。計算機控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)兩個運動坐標的位移和速度，完成平面輪廓的切削。2.2 進給伺服系統(tǒng)的作用及組成作用：數(shù)控機床的進給系統(tǒng)是伺服系統(tǒng)的主要組成部分，它接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給脈沖，經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換后驅(qū)動執(zhí)行元件實現(xiàn)預(yù)期的運動，即將伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_的直線移動或回轉(zhuǎn)運動。圖2-2 進給伺服系統(tǒng)的組成2.3 電動機與絲杠的聯(lián)接 組成：減速裝置、轉(zhuǎn)動變移動的絲杠螺母副、導(dǎo)向元件等。減速裝置常采用齒輪機構(gòu)和帶輪機構(gòu)，導(dǎo)向元件常采用導(dǎo)軌。圖2-3 電動機與絲杠的聯(lián)接3 伺服電動機與進給絲杠的聯(lián)接的三種方式3.1通過同步齒形帶聯(lián)接同步帶是靠嚙合齒輪傳動的新型帶，它兼有帶傳動和鏈傳動的優(yōu)點。同步齒

7、形帶是以鋼絲繩為強力層，外面用氯丁橡膠或聚氨酯包裹。由于強力層中的鋼絲繩在承載后變形小，能保持齒形帶的周節(jié)不變。因此帶與帶輪之間無相對滑動，能保持準確的傳動比，亦即主、從動輪能做無滑差同步傳動。這種帶薄而輕，慣性效應(yīng)小，因而可用于高速傳動，其圓周速度v可達40m/s。由于它不是靠摩擦傳動，因此小帶輪包角可減小，傳動比i可達10，傳動效率也高達98%99%。這種帶的主要缺點是齒形帶輪的制造復(fù)雜、成本高。如圖3-1所示，同步齒形有梯形和圓弧齒兩類：（c）雙圓弧齒（b）半圓弧齒圖3-1 同步帶傳動（a）梯形齒其中，模數(shù)制梯形齒是我國最先開發(fā)的同步帶，現(xiàn)仍有使用，但不推薦用于新設(shè)計。周節(jié)制梯形齒已有國

8、家標準（CB11616-89）。圓弧齒同步帶只有行業(yè)標準，在機電行業(yè)中已有廣泛的應(yīng)用。 同步齒形帶傳動綜合了帶傳動和鏈傳動的優(yōu)點，運動平穩(wěn)，吸振好，噪聲小。缺點是對中心距要求高，帶和帶輪制造工藝復(fù)雜，安裝要求高。同步齒形帶帶型從最輕型到超重型共分七種。選擇同步齒形帶時，首先根據(jù)要求傳遞的功率和小帶輪的轉(zhuǎn)速選擇同步齒形帶的帶型和節(jié)距，然后根據(jù)要求傳遞的變速比確定小帶輪和大帶輪的直徑。通常在帶速和安裝尺寸條件允許時，小帶輪直徑盡量取大一些；再根據(jù)初選軸間距計算帶長，選取標準同步齒形帶；最后確定帶寬和帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸。同步齒形帶傳動的主要失效形式是同步齒形帶疲勞斷裂、帶齒剪切和壓饋以及同步齒形帶兩側(cè)

9、和帶齒的磨損，因而同步齒形帶傳動校核主要是限制單位齒寬的拉力，必要時還校對工作齒面的壓力3.2 通過齒輪聯(lián)接齒輪傳動在伺服進給系統(tǒng)中的作用改變運動方向，降速、增大扭矩，適應(yīng)不同絲杠螺距和不同脈沖當(dāng)量的配比等。當(dāng)在伺服電機和絲杠之間安裝齒輪（直齒、斜齒、錐齒等）時，必然產(chǎn)生齒側(cè)間隙，造成反向運動的死區(qū)，必須設(shè)法消除。目前消除齒側(cè)間隙普遍采用雙片齒輪結(jié)構(gòu)，如圖3-2（a）、(b)所示。將一對齒輪中的大齒輪分為1、2兩個部分，并分別與螺釘3、4固定，再將彈簧5與3、4聯(lián)接起來，這樣齒輪1、2兩部分的齒輪自然錯開，達到自動消除齒側(cè)間隙的目的。圖3-3（c）為斜齒輪傳動消隙結(jié)構(gòu)。它是將一個斜齒輪分為兩個

10、薄片，分別與寬齒輪1的齒輪左、右側(cè)面貼緊，消除了間隙。齒側(cè)間隙與墊片增減量t的關(guān)系可用下式表示為t=cos圖3-2 齒輪間隙的消除1、2齒輪；3、4螺釘；5彈簧（b）（a）這種方法結(jié)構(gòu)簡單，但調(diào)整費事，也不能自動補償間隙。圖3-3（c）所示錐齒輪消除間隙的原理也與圖3-2（a）的直齒圓柱齒輪相同。當(dāng)齒輪與軸聯(lián)接時，鍵兩側(cè)的間隙也必須設(shè)法消除，其措施如圖3-2所示。圖（a）為雙鍵消除間隙，用緊定螺釘頂緊；圖（b）將其中一個鍵灌環(huán)氧樹脂，但不易拆卸維修。 （d）圖3-3 齒輪間隙的消除（e）（c）3.3 聯(lián)軸器直接聯(lián)接由于伺服電機性能的提高，目前許多場合都采用伺服電機與絲杠直接相連。以增量式光電編

11、碼器為例，當(dāng)光電編碼器與伺服電機及滾珠絲杠直聯(lián)時，隨著伺服電動機的轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生序列脈沖輸出，脈沖的頻率將隨著轉(zhuǎn)速的快慢而升降。其一是圖3-4（a）用錐銷聯(lián)接，為防止振松，用螺母加墊圈鎖緊。圖（b）將錐銷放在側(cè)邊，故可承受較大的剪切力。圖(c)為套筒中心線上互為90o的兩個錐銷。套筒聯(lián)接尺寸小，轉(zhuǎn)動慣量小。圖（d）為十字滑塊聯(lián)軸節(jié)，接頭槽口需研配，適合負載較小的傳動。(b)(a)圖3-4 鏈連接間隙消除(d)(c)圖3-5（e）是現(xiàn)在廣泛采用的直接聯(lián)接電機軸和絲杠的撓性聯(lián)軸節(jié)。這種聯(lián)軸節(jié)的工作原理是：聯(lián)軸節(jié)的左半部裝在電機軸上，當(dāng)擰緊螺釘2時，件3和件5相互靠近，擠壓內(nèi)錐環(huán)17、外錐環(huán)4，使外錐環(huán)

12、內(nèi)徑縮小，內(nèi)錐環(huán)外徑脹大，使件5與電機軸1形成無鍵連接。右半部也同樣形成無鍵聯(lián)接。左半部通過彈性鋼片組15的兩個對角孔與螺栓6、球面墊圈7、8相聯(lián)。圖中表明球面墊圈8與右半部件9沒有任何聯(lián)接關(guān)系。同樣，彈簧鋼片組15的另外兩個對角孔通過球面墊圈14、16、螺栓13與右半部聯(lián)接，墊圈16與件5也沒有任何聯(lián)接關(guān)系。這樣依靠彈性鋼片組對角聯(lián)接（即撓性）傳遞扭矩，且與電機軸和絲杠都無鍵聯(lián)接，便是撓性聯(lián)軸節(jié)的工作原理。圖3-5直接聯(lián)接電機軸和絲杠的撓性聯(lián)軸節(jié)1電動機；2螺釘；3法蘭；4外錐環(huán)；5左本體；613螺栓；7、8、14、16墊圈；9右本體；10法蘭；11絲杠；12螺釘；15彈簧鋼片組；17內(nèi)錐環(huán)

13、(e)4 電動機與絲杠的聯(lián)接的三種方式的特點4.1 通過齒輪聯(lián)接Ø 采用齒輪傳動副來達到一定的降速比要求；Ø 齒側(cè)間隙會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；Ø 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用于因結(jié)構(gòu)原因電動機與絲杠不能直接聯(lián)接，或因負荷力矩大、需放大伺服電動機輸出轉(zhuǎn)矩的場合。4.2 通過同步齒形帶聯(lián)接Ø 具有帶傳動和鏈傳動的共同優(yōu)點；Ø 機械結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，安裝調(diào)整方便；Ø 傳動不打滑，傳動效率高。4.3 聯(lián)軸器直接聯(lián)接Ø 傳動精度高；Ø 結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)整方便；Ø 適用于中、小型機床或高速加工機床。數(shù)控機床機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足減少運

14、動件的摩擦和消除傳動間隙。由于滾動絲杠降低了摩擦力，不僅提高運動件的靈活性，而且減少了進給系統(tǒng)所需要的驅(qū)動功率。這就顯著改善了動態(tài)特性。數(shù)控機床（尤其是開環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機床）的加工精度在很大程度上取決于進給傳動鏈的精度和剛度。除了盡可能縮短傳動鏈，提高傳動齒輪和滾珠 絲杠的制造精度外，另一個措施是消除傳動間隙，采用無間隙的傳動副。伺服電機與絲杠連接方式大部分是使用聯(lián)軸器連接，傳動效率比其他方式要高，可以節(jié)省不占用橫向空間但是必須有足夠的直向空間，一般來說是首選連接方式。如果只想空間不夠就要選用其它方式，齒輪連接相對比較緊湊，傳動效率比其他兩種要高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也較高，多用于需要有加、減速比

15、的位置。鏈條和皮帶一般用于傳動效率和精度要求不高的部位直向空間占用不大甚至可以不用，但是橫向空間需要較大。目前聯(lián)軸器種類比較多，可以根據(jù)需要使用。還有一些特殊情況需要使用皮帶或齒輪連接，例如空間不夠、有特殊應(yīng)用，傳動效率不如聯(lián)軸器，需要謹慎使用。5 伺服電動機與進給絲杠的連接的發(fā)展近年來，數(shù)控機床高速發(fā)展的同時也推動了伺服電機向高速方向發(fā)展，數(shù)控機床的進給驅(qū)動有“旋轉(zhuǎn)伺服電機精密高速滾珠絲杠”和“直線電機直接驅(qū)動”兩種類型。保守的滾珠絲杠工藝加工精度較高。隨著直接驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，直線電機與傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲桿”的驅(qū)動方式的對比引起業(yè)界的關(guān)注。1845年英國人就已經(jīng)發(fā)明了直線電動機，但

16、當(dāng)時的直線電動機氣隙過大導(dǎo)致效率很低，無法應(yīng)用。19世紀70年代科爾摩根也推出過，但因成本高效率低限制了它的發(fā)展。直到20世紀70年代以后，直線電機才逐步發(fā)展并應(yīng)用于一些特殊領(lǐng)域，20世紀90年代直線電機開始應(yīng)用于機械制造業(yè)，現(xiàn)在世界一些技術(shù)先進的加工中心廠家開始在其高速機床上應(yīng)用，國外知名企業(yè)例如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCI ATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK都陸續(xù)推出使用直線電機的高速高精加工中心。下面主要參考HIWIN科技的先進的高速靜音式絲杠 SUPER S 系列（DN值達22萬）和HIWIN的直線電機在幾個主要特性上做一些

17、比較，為相關(guān)業(yè)者提供一個參考。速度比較：速度方面直線電機具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，直線電機速度達到300m/min，加速度達到10g；滾珠絲杠速度為120m/min，加速度為1.5g。從速度上和加速度的對比上，直線電機具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，而且直線電機在成功解決發(fā)熱問題后速度還會進一步提高，而“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”在速度上卻受到限制很難再提高較多。精度比較：精度方面直線電機因傳動機構(gòu)簡單減少了插補滯后的問題，定位精度、重現(xiàn)精度、絕對精度，通過位置檢測反饋控制都會較“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”高，且容易實現(xiàn)。直線電機定位精度可達0.1m?！靶D(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”最高達到25m，且要求CNC-伺服電機-無

18、隙連軸器-止推軸承-冷卻系統(tǒng)-高精度滾動導(dǎo)軌-螺母座-工作臺閉環(huán)整個系統(tǒng)的傳動部分要輕量化，光柵精度要高。價格比較：價格方面直線電機的價格要高出很多，這也是限制直線電機被更廣泛應(yīng)用的原因。能耗比較：直線電機在提供同樣轉(zhuǎn)矩時的能耗是“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”一倍以上，“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”屬于節(jié)能、增力型傳動部件，直線電機可靠性受控制系統(tǒng)穩(wěn)定性影響，對周邊的影響很大必須采取有效隔磁與防護措施，隔斷強磁場對滾動導(dǎo)軌的影響和對鐵屑磁塵的吸附。通過以下這個例子更容易使大家了解直線電機和“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”的一些特點：日本某公司超高速龍門式加工中心。X、Y軸采用直線電動機驅(qū)動V=120m/mi

19、n。該公司為何不應(yīng)用“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠(HIWIN SUPER S 系列）”？因為SUPER S雖然DN值已經(jīng)歷了從傳統(tǒng)絲杠7萬到15萬再到22萬的提速進程，但由于存在純機械傳動的軟肋，其線速度、加速度、行程范圍的增加總是有限的。若選用40×20mm的產(chǎn)品，則vmax=110m/min，因nmax=5500r/min轉(zhuǎn)速很高，行程范圍受臨界轉(zhuǎn)速Nc的制約顯然不可能太長。若采用大導(dǎo)程40×40mm產(chǎn)品，則Vmax=220m/min，這顯然又不能滿足定位精度高的場合。能達到DN值22萬從一個側(cè)面反映了HIWIN的設(shè)計、制造水準。如果我們選擇40×20(雙頭)mm產(chǎn)品，在n40005000r/min，V=80100m/min狀態(tài)下使用，其安全性、可靠性、工作壽命均可高于預(yù)期值。事實上到目前為止，在高速高精CNC金切機床中(CNC成形機床除外)速度V120m/min仍采用SUPER S系列驅(qū)動的成功范例未見到。實際上“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”的最佳應(yīng)用場合是：要求V=40100m/min，加速度0.81.5(2.0)g，精度P3級以上的中檔高速數(shù)控裝備和部分高檔數(shù)控裝備。應(yīng)用比較：事實上，直線電機和“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲