伺服電動(dòng)機(jī)與進(jìn)給絲杠的連接

1、.伺服電動(dòng)機(jī)與進(jìn)給絲杠的連接班級(jí)： ： 學(xué)號(hào)：摘要：本文主要講述了伺服電動(dòng)機(jī)與進(jìn)給絲杠的連接，通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的介紹，對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)知，和對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用及組成的了解，進(jìn)而引入對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)與進(jìn)給絲杠的連接的詳細(xì)敘述，通過(guò)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)與進(jìn)給絲杠的連接的三種方式展開(kāi)對(duì)其的知識(shí)掌握，最后對(duì)其在社會(huì)工業(yè)發(fā)展中的實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展進(jìn)行了解。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)、伺服電動(dòng)機(jī)、進(jìn)給絲杠、特點(diǎn)、發(fā)展Abstract：This paper is mainly about the servo motor and a feed screw connection, through the int

2、roduction of C machine tool servo system, cognition of simple structure, and the feeding servo system of the function and position 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 the fee

3、d 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 C machine tools1 引言目前,數(shù)控機(jī)床正朝著高精度、高速度、高可靠性以及智能化、數(shù)字化、綠色環(huán)保等方向

4、發(fā)展。而我國(guó)數(shù)控機(jī)床在技術(shù)水平 ,性能和質(zhì)量等方面與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家有很大差距。因此加快我國(guó)數(shù)控機(jī)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(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)一般依靠?jī)煞N傳動(dòng)方式:高速精密滾珠絲杠副傳動(dòng)和直線電機(jī)傳動(dòng)。其中滾珠絲杠副傳動(dòng)方式由于采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)，到聯(lián)軸器，再經(jīng)過(guò)滾珠絲杠螺母等一系列中間傳動(dòng)和變換環(huán)節(jié),因此使得整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度降低。2數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)介數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它由伺服電機(jī)、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(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)；或蝸桿蝸輪副傳動(dòng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)或分度工作臺(tái)。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)是一種位置隨動(dòng)與定位系統(tǒng)，它的

5、作用是快速、準(zhǔn)確地執(zhí)行由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的運(yùn)動(dòng)命令，精確地控制機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。它的性能決定了數(shù)控機(jī)床的許多性能，如最高移動(dòng)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(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)：1-伺服電機(jī)；2-聯(lián)軸節(jié)；3-滾珠絲杠；4-限位開(kāi)關(guān)；5-工作臺(tái)；6-軸承；7-導(dǎo)軌；8-磁尺；9-螺母圖2-1 伺服電機(jī)與絲杠直連的進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖圖2-1是立式加工中心X和Y兩坐標(biāo)進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。伺服電機(jī)1與滾珠絲杠3通過(guò)聯(lián)軸節(jié)2直連并直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)5.直線運(yùn)動(dòng)采用滾動(dòng)軸承，保證運(yùn)動(dòng)精度和動(dòng)作的靈敏度。編碼器一般安裝在伺服電機(jī)軸上，成為一個(gè)整體單元。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)

6、兩個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的位移和速度，完成平面輪廓的切削。2.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用及組成作用：數(shù)控機(jī)床的進(jìn)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(jìn)給脈沖，經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，即將伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的直線移動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖2-2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成2.3電動(dòng)機(jī)與絲杠的聯(lián)接 組成：減速裝置、轉(zhuǎn)動(dòng)變移動(dòng)的絲杠螺母副、導(dǎo)向元件等。減速裝置常采用齒輪機(jī)構(gòu)和帶輪機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向元件常采用導(dǎo)軌。圖2-3 電動(dòng)機(jī)與絲杠的聯(lián)接3 伺服電動(dòng)機(jī)與進(jìn)給絲杠的聯(lián)接的三種方式3.1通過(guò)同步齒形帶聯(lián)接同步帶是靠嚙合齒輪傳動(dòng)的新型帶，它兼有帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。同步齒形帶是以鋼絲繩為強(qiáng)力層，

7、外面用氯丁橡膠或聚氨酯包裹。由于強(qiáng)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(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能保持準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，亦即主、從動(dòng)輪能做無(wú)滑差同步傳動(dòng)。這種帶薄而輕，慣性效應(yīng)小，因而可用于高速傳動(dòng)，其圓周速度v可達(dá)40m/s。由于它不是靠摩擦傳動(dòng)，因此小帶輪包角可減小，傳動(dòng)比i可達(dá)10，傳動(dòng)效率也高達(dá)98%99%。這種帶的主要缺點(diǎn)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(dòng)（a）梯形齒其中，模數(shù)制梯形齒是我國(guó)最先開(kāi)發(fā)的同步帶，現(xiàn)仍有使用，但不推薦用于新設(shè)計(jì)。周節(jié)制梯形齒已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（CB11616-

8、89）。圓弧齒同步帶只有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)電行業(yè)中已有廣泛的應(yīng)用。同步齒形帶傳動(dòng)綜合了帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，吸振好，噪聲小。缺點(diǎn)是對(duì)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(shí)，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(shí)，小帶輪直徑盡量取大一些；再根據(jù)初選軸間距計(jì)算帶長(zhǎng)，選取標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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)和帶齒的磨損，因而同步齒形

9、帶傳動(dòng)校核主要是限制單位齒寬的拉力，必要時(shí)還校對(duì)工作齒面的壓力3.2 通過(guò)齒輪聯(lián)接齒輪傳動(dòng)在伺服進(jìn)給系統(tǒng)中的作用改變運(yùn)動(dòng)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(jī)和絲杠之間安裝齒輪（直齒、斜齒、錐齒等）時(shí)，必然產(chǎn)生齒側(cè)間隙，造成反向運(yùn)動(dòng)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(duì)齒輪中的大齒輪分為1、2兩個(gè)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(lái)，這樣齒輪1、2兩部分的齒輪自然錯(cuò)開(kāi)，達(dá)到自動(dòng)消除齒側(cè)間隙的目的。圖3-3（c）為斜齒輪傳動(dòng)消隙結(jié)構(gòu)。它是將一個(gè)斜齒輪分為兩個(gè)薄片，分別與寬齒輪1的齒輪

10、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(jiǎn)單，但調(diào)整費(fèi)事，也不能自動(dòng)補(bǔ)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(shí)，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(gè)鍵灌環(huán)氧樹(shù)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(jī)性能的提高，目前許多場(chǎng)合都采用伺服電機(jī)與絲杠直接相連。以增量式光電編碼器為例，當(dāng)光電編碼器與伺服

11、電機(jī)及滾珠絲杠直聯(lián)時(shí)，隨著伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(gè)錐銷。套筒聯(lián)接尺寸小，轉(zhuǎn)動(dòng)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(fù)載較小的傳動(dòng)。(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(jī)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(jī)軸上，當(dāng)擰緊螺釘2時(shí)，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)內(nèi)徑縮小，內(nèi)錐環(huán)外徑脹大，使

12、件5與電機(jī)軸1形成無(wú)鍵連接。右半部也同樣形成無(wú)鍵聯(lián)接。左半部通過(guò)彈性鋼片組15的兩個(gè)對(duì)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(méi)有任何聯(lián)接關(guān)系。同樣，彈簧鋼片組15的另外兩個(gè)對(duì)角孔通過(guò)球面墊圈14、16、螺栓13與右半部聯(lián)接，墊圈16與件5也沒(méi)有任何聯(lián)接關(guān)系。這樣依靠彈性鋼片組對(duì)角聯(lián)接（即撓性）傳遞扭矩，且與電機(jī)軸和絲杠都無(wú)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(jī)軸和絲杠的撓性聯(lián)軸節(jié)1電動(dòng)機(jī)；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)(e)4 電動(dòng)機(jī)與絲杠的聯(lián)接

13、的三種方式的特點(diǎn)4.1 通過(guò)齒輪聯(lián)接Ø 采用齒輪傳動(dòng)副來(lái)達(dá)到一定的降速比要求；Ø 齒側(cè)間隙會(huì)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(dòng)機(jī)與絲杠不能直接聯(lián)接，或因負(fù)荷力矩大、需放大伺服電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合。4.2 通過(guò)同步齒形帶聯(lián)接Ø 具有帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的共同優(yōu)點(diǎn)；Ø 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，安裝調(diào)整方便；Ø 傳動(dòng)不打滑，傳動(dòng)效率高。4.3 聯(lián)軸器直接聯(lián)接Ø 傳動(dòng)精度高；Ø 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝調(diào)整方便；Ø 適用于中、小型機(jī)床或高速加工機(jī)床。數(shù)控機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足減少運(yùn)動(dòng)件的摩擦和消除傳動(dòng)間隙。由

14、于滾動(dòng)絲杠降低了摩擦力，不僅提高運(yùn)動(dòng)件的靈活性，而且減少了進(jìn)給系統(tǒng)所需要的驅(qū)動(dòng)功率。這就顯著改善了動(dòng)態(tài)特性。數(shù)控機(jī)床（尤其是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床）的加工精度在很大程度上取決于進(jìn)給傳動(dòng)鏈的精度和剛度。除了盡可能縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)齒輪和滾珠絲杠的制造精度外，另一個(gè)措施是消除傳動(dòng)間隙，采用無(wú)間隙的傳動(dòng)副。伺服電機(jī)與絲杠連接方式大部分是使用聯(lián)軸器連接，傳動(dòng)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(lái)說(shuō)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(duì)比較緊湊，傳動(dòng)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、減速比的位置。鏈條和皮帶一般用于傳動(dòng)

15、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(dòng)效率不如聯(lián)軸器，需要謹(jǐn)慎使用。5 伺服電動(dòng)機(jī)與進(jìn)給絲杠的連接的發(fā)展近年來(lái)，數(shù)控機(jī)床高速發(fā)展的同時(shí)也推動(dòng)了伺服電機(jī)向高速方向發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)有“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)精密高速滾珠絲杠”和“直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)”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(dòng)技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)與傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲桿”的驅(qū)動(dòng)方式的對(duì)比引起業(yè)界的關(guān)注。1845年英國(guó)人就已經(jīng)發(fā)明了直線電動(dòng)機(jī)，但當(dāng)時(shí)的直線電動(dòng)機(jī)氣隙過(guò)大導(dǎo)致效

16、率很低，無(wú)法應(yīng)用。19世紀(jì)70年代科爾摩根也推出過(guò)，但因成本高效率低限制了它的發(fā)展。直到20世紀(jì)70年代以后，直線電機(jī)才逐步發(fā)展并應(yīng)用于一些特殊領(lǐng)域，20世紀(jì)90年代直線電機(jī)開(kāi)始應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)，現(xiàn)在世界一些技術(shù)先進(jìn)的加工中心廠家開(kāi)始在其高速機(jī)床上應(yīng)用，國(guó)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(jī)的高速高精加工中心。下面主要參考HIWIN科技的先進(jìn)的高速靜音式絲杠 SUPER S 系列（DN值達(dá)22萬(wàn)）和HIWIN的直線電機(jī)在幾個(gè)主要特性上做一些比較，為相關(guān)業(yè)者提供一個(gè)參考。

17、速度比較：速度方面直線電機(jī)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，直線電機(jī)速度達(dá)到300m/min，加速度達(dá)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(duì)比上，直線電機(jī)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，而且直線電機(jī)在成功解決發(fā)熱問(wèn)題后速度還會(huì)進(jìn)一步提高，而“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+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(jī)因傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單減少了插補(bǔ)滯后的問(wèn)題，定位精度、重現(xiàn)精度、絕對(duì)精度，通過(guò)位置檢測(cè)反饋控制都會(huì)較“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”高，且容易實(shí)現(xiàn)。直線電機(jī)定位精度可達(dá)0.1m?！靶D(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”最高達(dá)到25m，且要求C-伺服電機(jī)-無(wú)隙連軸器-止推軸承-冷卻系統(tǒng)-高精

18、度滾動(dòng)導(dǎo)軌-螺母座-工作臺(tái)閉環(huán)整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)部分要輕量化，光柵精度要高。價(jià)格比較：價(jià)格方面直線電機(jī)的價(jià)格要高出很多，這也是限制直線電機(jī)被更廣泛應(yīng)用的原因。能耗比較：直線電機(jī)在提供同樣轉(zhuǎn)矩時(shí)的能耗是“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”一倍以上，“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”屬于節(jié)能、增力型傳動(dòng)部件，直線電機(jī)可靠性受控制系統(tǒng)穩(wěn)定性影響，對(duì)周邊的影響很大必須采取有效隔磁與防護(hù)措施，隔斷強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌的影響和對(duì)鐵屑磁塵的吸附。通過(guò)以下這個(gè)例子更容易使大家了解直線電機(jī)和“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”的一些特點(diǎn)：日本某公司超高速龍門式加工中心。X、Y軸采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)V=120m/min。該公司為何不應(yīng)用“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)

19、+滾珠絲杠(HIWIN SUPER S 系列）”.因?yàn)镾UPER S雖然DN值已經(jīng)歷了從傳統(tǒng)絲杠7萬(wàn)到15萬(wàn)再到22萬(wàn)的提速進(jìn)程，但由于存在純機(jī)械傳動(dòng)的軟肋，其線速度、加速度、行程X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X圍受臨界轉(zhuǎn)速Nc的制約顯然不可能太長(zhǎng)。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(chǎng)合。能達(dá)到DN值22萬(wàn)從一個(gè)側(cè)面反映了HIWIN的設(shè)計(jì)、制造水準(zhǔn)。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(shí)上到目前為止，在高速高精C金切機(jī)床中(C成形機(jī)床除外)速度V120m/min仍采用SUPER S系列驅(qū)動(dòng)的成功X例未見(jiàn)到。實(shí)際上“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”的最佳應(yīng)用場(chǎng)合是：要求V=40100m/min，加速度0.81.5(2.0)g，精度P3級(jí)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(shí)上，直線電機(jī)和“旋轉(zhuǎn)