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1、2 0 0 7年第 1期( 总第 1 6 9期) - 。 。 。 。 i设计与开发 i : 伺服系统的机械传动装置设计 蔡新娟 上海理工大学( 2 0 0 0 9 3) 摘要以拖板传动链设计为例,介绍了伺服系统机械传动装置的设计步骤,以及设计时需考虑的具体情况。分 析了不同传动方式的利弊,提出了设计人员应根据机床的精度、机床形式等多种因素合理选择伺服传动装置,从 而以最经济实用的方式满足机床的要求。 关键词磨床伺服系统机械传动装置 伺服机械传动装 置是 伺服系统的一个组成环 一 节,已广泛应用于各种精密机床和精密仪器工作台 的 自动定位、数控机床拖板移动、机械手与机器人 的运动等。其作用是传递
2、转矩和转速并使伺服 电动 机和负载之 间的转矩与转速得到合理的匹配。 伺服机 械传动装置在数控磨床 中主要 应用于 工作台 ( 或拖板 ) 、砂轮架的移动和回转等。传动 装置的设计,既要考虑强度、刚度 , 也要考虑精度、 惯量、摩擦等因素 。目前生产的大型机床拖板移动 式数控轧辊磨床和外圆磨床,其拖板的移动 ( z轴 ) 及砂轮架的移动 ( 轴 )及轧辊 磨床中高机构 ( U 轴 )的摆动均通过伺服电机驱动。这些传动装置设 计关系到整 台机床的精度、生产效率等 。现 以拖板 传动链设计为例,介绍传动装置设计步骤 。 1估算载荷 根据机床所需磨削的工件直径、长度、重量和 功能配置等,考虑机床生产
3、企业设备加工能力,初 步确定床身、拖板长度、导轨类型、润滑方式。拖 板上需要安装的部件 , 如垫板、砂轮架、测量装置、 液压部件、电气操纵台等,估算拖板所承受的总重 量 。 2 选择传动总转速比和伺服电动机型号 2 1选择传动总转速 比的原则 伺服机械传动装置的工作情况各不相同,在工 作中所受的载荷也多种 多样,因此载荷 的综合需要 视具体情况而定。作用在传动装置上的载荷 ,一般 地说 ,主要有工作载荷、惯性载荷 、摩擦载荷。从 伺服电动机到负载的功率传递过程 中,总转速 比的 选择就是转矩和转速的匹配 问题 。 就拖板而言,伺服机械传动装置的总传动速 比 一 般为降速,其总传动速比 f 的选
4、择 既要考虑它对 系统稳定性、精确性、快速性的影响 ,也要考虑伺 服 电机与负载的最佳匹配 问题 。 2 2选择伺服电动机型号 1 )采用滚珠丝杆传动 ( 1 )按最大切削负载转矩计算电机扭矩 最 大切 削负载转矩不得超过 电动机 的额 定转 矩 , 折 算 至 电 动 机 的 最 大 切 削 负 载 转 矩 r F P 、 T , =l 二 + , 1 + , 2 l i 册 | ) 式中F ma x丝杆上的最大轴 向载荷,等 于最大轴向进给力加导轨摩擦力 N P h 丝杆导程m T l滚珠丝杆的机械效率 因滚珠丝杆螺母预加载荷引起 的附加摩擦转矩, 可查样本 N m 滚珠丝杆轴承的摩擦转矩
5、 可查样本N m f传动 比 ( 2 )电机的转子惯量 应与负载惯量 以 匹配 惯量 由两部分组成: 伺服电动机转子惯量 和负载惯量 以, 负载惯量折算到电动机轴 ,其惯量 (丢 )2= m ( 2( ) k g -m z 3 l 维普资讯 http:/ 精密制造与自动化 丝杆 的惯量 = J L p , k g m j 式中 电机轴角加速度 r a d s 电机轴的转速 r mi n p 密度 k g m 钢 的密度 P= 7 8 1 0 3 k g m d丝杆直径 m l 丝杆长度 m 联轴器 的惯量: 可直接查手册 负载惯量 :J L = +J 2 + 电机惯量: 应符合条件 由计算可知
6、 ,高速侧 的齿轮与联轴器对总惯量 影响大 ,当设计及选用联轴器时,尽可能采用惯量 小的。 2 )采用齿轮齿条传动 作用于齿轮上的沿导轨运动方向的外力: F 外力 = , , l g+ma 式中 导轨摩擦 因数 m 负载总重 g重力加速度 r r g s a负载起动时的加速度 r r g s 作用于齿轮上最终输 出扭矩为: T输 出 = 外 力Xd 2 d齿轮节圆直径 m 电机输 出扭矩: = T输 出 ( i r 1 ) i减速器传动比 r 1传动效率 根据 以上的计算,就可选择 电机型号。 总转速比与 电机的选择可根据负载转矩 、功率 传递 、输 出速度等经过多次反复计算来选取。总转 速比
7、偏大有利于系统的稳定性、低速性能,但偏大 会造成传动级数增加 ,传动不紧凑,传动精度降低 等。 3选择传动机构 的型式 总转速 比确定后,就可根据具体的要求 ,选择 传动机构 ,配置在驱动元件与负载之间,以实现转 矩 、转速的匹配 。一般拖板及砂轮架运动需要较大 的力矩,故选择总转速 比较大 。为提高传动精度 , 选择齿轮传动时级数尽可 能少 。以终端输 出形式 3 2 分,通常可采用 以下二种结构 。 3 1滚珠丝杆传 动 滚珠丝杆 传动具有摩擦 阻力小 ,操作轻便 灵 活 ,运动平稳,精度高等优 点。但滚珠丝杆的制造 周期较长,能制造长度长 、直径大、精度高的滚珠 丝杆的企业较少;另外长度
8、较长的丝杆本身的 自重 引起的挠度较大,需要增加丝杆托持机构等 ,使结 构变得复杂。故当机床的精度要求较高,且行程较 短的话,采用滚珠丝杆比较适宜。 因丝杆传动的摩擦 阻力小,故可选传动 比较小 的减速器,甚至可以不设减速机构而由电动机直接 驱动滚珠丝杆。要选择更大驱动转矩的电机 。 3 2齿轮齿条传 动 因齿轮齿条之间的间隙在装配时较难消除,故 传动精度没有丝杆传动高。但 齿轮齿条传动可以不 受长度 限制 ,齿条可 以根据长度需要拼接 ,相对长 丝杆要增加托持机构来说,在结构上可简单化。在 机床数控轴线精度允许的情况下 ,选择齿轮齿条传 动比较经济。 采用齿轮齿条传动 时,需要较大的力矩才能
9、驱 动拖板,就要选择传动 比较大的减速器,可采用蜗 轮蜗杆减速或采用齿轮传动 。在设计拖板减速器 时 ,为尽可能减少环节 ,提高精度 ,我们采用较多 的是蜗轮蜗杆减速。蜗轮蜗杆的消隙可采用以下几 种方法 : ( 1 )采用双导程蜗杆。但双导程蜗杆的设计、 加工比较复杂。 ( 2 )采用组合蜗杆 ( 图 1 ) 。放松螺母 3 ,便 可调整蜗杆 1 和 2的相对位置。这种结构较复杂, 蜗杆轴的尺寸无法放大,且装配调试时不方便。 1 蜗杆 2 消隙蜗杆 3 锁紧螺母 图 1组合蜗杆减速器 维普资讯 http:/ 2 0 0 7年第 1期 ( 总 第 1 6 9期) ( 3 )将蜗杆 2安装于一偏心
10、套 中 ( 图 2 ) ,通 过转动偏心套来调整蜗轮蜗杆的中心距,达到消隙 作用。采用此方法需要机构具有足够的空间。 ( 4 )加工 时根据体壳 中心距 ,采用单配蜗杆 的方法 。此方法最简单 ,但当机床使用一段时间, 蜗杆磨损后,间隙会变大,且无法调整。 随着功能部件 的增 多,现在市场 已有较多企业 能生产高精度减速器 ,如 A P E X 、A T L A N T A 、G O D E L 等这些减速器采用齿轮或蜗轮 、蜗杆减速 ,结构小 巧,精度高,且能传递和大的力矩 。其中还有采用 双驱动消隙的,在设计时可根据需要选用 。 4 结构设计 在选定伺服电机、减速器 、传动机构形式后就 可
11、进行设计了。这时就需要考虑机械传动装置的布 局,选择导轨的型式 。 磨床常用的纵、横 向导轨为平、V型导轨组合, 它的导 向性好,制造简单。在设计时需考虑滚珠丝 杆或齿轮齿条的位置,即合理安排牵引力的位置, 使导轨副摩擦力 、届组成的合力 与牵引力 在 同一直线上 ,否则就会产生力偶 ,使导轨副对角线 接触,影响导轨副接触,造成运动件的导向精度降 1 低 。 如图 3所示 ,平 、V 导轨中心距为 1 ,拖板总 重量 ,摩擦阻力 的合力为 F,则 平导轨的摩擦阻力为 F v = fW 2 V导轨的摩擦阻力为F =( 2 - 1 s i n ( Q 2 ) 1 口=l f _ = _ 一+l 1
12、 、 s i n ( a 2 ) 在布置丝杆及齿轮齿条减速器电机位置时,应 尽可能考虑放置在拖板重心位置上 ,为了使平、V 导轨磨损均匀 , 拖板上部件布局 时, 将重心放在平、 V导轨 中间。 导轨 的宽度与导轨承载能力有关,作用于导轨 面上的载荷愈大, 宽度也相应增大。 在 已知载荷 移动导轨长度 和许用 比压 p 。 即可求 出导轨宽度 口=W ( L P ) 。 导轨的比压一般取4 N c m 2 , 最大比 压为 7 8 N c m2 。 导轨的中心距 1 应在保证运动部件工作稳定的 前提下取较小 的值 。 移动导轨越长越有利 于改善 导 向精度 和工作 的可靠性 ,当存在导轨 间隙
13、时, 越长 ,间隙对导 轨导 向精度影响越小。 另外,在滚珠丝杆支承方式的布局上 ,采用较 多的是一端固定。像轧辊磨床 的拖板运动等机床进 给精度不是很高的机床,考虑到结构简单、安装方 便 等 ,常 采用 此 种方 式 。而 高精 度 的机床 ,如 S E R 外 圆磨床 的砂 轮架进给轴 , 由于滚珠丝 杆 的热伸 长将 影响机床 的加工精度, 采用丝杆前 端固定方式。 为提高丝杆 的轴 向刚度, 支承端采用 接触角大的轴承 , 轴承座 等零件采用钢件 , 并增加 安装螺钉个数; 凡用于传 动装置 中连接齿轮、 联轴 器 的地方 尽可 能采 用胀 紧套连接, 避免键连接产 生间隙。 I霄 叵 I 图 3拖板导轨示意图 5 结论 在设计伺服机械传动装置时,须根据产 品的不 同要求 ,考虑其强度、刚度等,选择合适的转 速 比、电机型号、导轨形式、支承方式等,并 经过多次反复计算、校核最终选取最佳值,使 设计的产品以最经济 、实用的方式满足技术要 求 。当机床磨削长度较短 ,传动精度较高的情 况 ,应选择伺服 电机驱动滚珠丝杆的方式;当 机床磨削长度较长或对传动精度要求不高时, 可以用伺服电机驱动齿轮、齿条 的方式。 参考文献 1 史习敏, 黎永明精密机械设计上海科学技术 出版社 ,1 9 8 1 2 戴曙金属切削机床机械工业出版社。1 9 9 7 3 3 维普资讯 http:/
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