數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動裝置的設(shè)計

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摘　　要 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要的組成部分，本次設(shè)計的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)主要由升降臺傳動系統(tǒng)、床鞍傳動系統(tǒng)、工作臺傳動系統(tǒng)部分三部分組成。升降臺運(yùn)動由伺服電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)置于升降臺內(nèi)，電機(jī)通過一對圓弧齒形皮帶輪及皮帶傳遞動力。床鞍運(yùn)動由伺服電機(jī)通過一對圓弧齒形皮帶輪、皮帶、一對消隙齒輪和滾珠絲杠副降速傳動；工作臺運(yùn)動由伺服電機(jī)通過兩個圓弧齒形皮帶輪，和圓弧齒形皮帶降速傳動。 在本次設(shè)計的進(jìn)給傳動系統(tǒng)中，伺服電機(jī)通過同步齒形皮帶和滾珠絲杠相聯(lián)，編碼器將工作臺的實際位移信號傳遞給控制系統(tǒng)，屬于開環(huán)控制。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)是通過伺服進(jìn)給系統(tǒng)來控制工作。伺服進(jìn)給系統(tǒng)的作用是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)傳來的指令信息，進(jìn)行放大以后控制執(zhí)行部件的運(yùn)動，不僅控制進(jìn)給運(yùn)動的速度，同時還要精確控制刀具相對于工件的移動位置和軌跡。 關(guān)鍵詞：進(jìn)給系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)，齒形皮帶輪，滾珠絲杠，伺服電機(jī) ABSTRACT CNC machine tool for CNC machine drive system is an important component of the design of the NC machine tool to the main transmission system from the transmission lifts, saddle-drive system, Stage three of transmission components. Movement by lifting platform servo motor, motor placed lifts, Electrical arc through a tooth belt and pulley transmission power. - On the campaign servo motor through a pair of circular tooth pulleys, belts, one pair of anti-backlash gear and ball screw deceleration drive; worktable campaign by servo motor through two circular tooth pulleys and belts velocity profile circular drive. In the current design of the feed drive system, servo motor through the synchronous belt and ball screw associates, Encoder will table the actual displacement signal transmitted to the control system is open-loop control. NC Machine Tool Feed transmission is through feed servo control system to work. Servo system of up to the role of the NC system came under the command of information, Click for control of the implementation of parts after the campaign, not only controlling the feed of the speed, while precision control tool in relation to the movement of the workpiece location and trajectory. Key words : feed system, servo system, Profile Pulley, Ball Screws, Servo motor 2 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 設(shè)計（論文）名稱 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動裝置設(shè)計 設(shè)計（論文）類型 B—應(yīng)用研究 指導(dǎo)教師 俞煒 學(xué)生 姓名 崔宇翔 學(xué)號 030110704 系、專業(yè)、班級 機(jī)電系機(jī)械設(shè)計制造及其自動化-機(jī)電033班 一、選題依據(jù)：（簡述研究現(xiàn)狀或生產(chǎn)需求情況，說明該設(shè)計（論文）目的意義。） 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)的制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：(1).機(jī)械制造技術(shù)；(2).信息處理、加工、傳輸技術(shù)；(3).自動控制技術(shù)；(4).伺服驅(qū)動技術(shù)；(5).傳感器技術(shù)；(6).軟件技術(shù)等。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面：(1).高速、高精度加工技術(shù)及裝備的新趨勢；(2).智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢；(3).重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立；(4).對數(shù)控機(jī)床無污染提出要求。 在本次設(shè)計中，以FXK5045為例說明，數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)主要是有升降臺傳動系統(tǒng)、床鞍傳動系統(tǒng)、工作臺傳動系統(tǒng)組成。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它是將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給工作臺或刀架以實現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動的整個機(jī)械傳動鏈，包括齒輪傳動副、絲杠螺母副及其支承部件等。 二、設(shè)計（論文研究）思路及工作方法 設(shè)計思路： 明確設(shè)計要求，方案的初步設(shè)計：首先進(jìn)行電動機(jī)的選型，然后對齒形皮帶和齒形皮帶輪進(jìn)行設(shè)計計算，再對滾珠絲杠進(jìn)行設(shè)計計算和校核，最后用CAD繪制工作臺的裝配圖和若干零件圖。 工作方法： 1.在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，先了解此次設(shè)計的基本情況，明確設(shè)計方向和設(shè)計目的。 2.查找相關(guān)的資料，初步設(shè)計大概的設(shè)計思路。 3.查閱圖書館資料配合指導(dǎo)老師的答疑，一步一步的完成設(shè)計內(nèi)容。 4.配合老師對我們的設(shè)計進(jìn)度進(jìn)行不定期的檢查，查看是否在相應(yīng)的時間里完成相應(yīng)的任務(wù)。 三、設(shè)計（論文研究）任務(wù)完成的階段內(nèi)容及時間安排。 1.準(zhǔn)備參考資料，查閱文獻(xiàn)，完成開題報告 2007年03月05日到03月16日 2.對數(shù)控進(jìn)給傳動傳統(tǒng)方案設(shè)計 2007年03月17日到04月25日 3.對進(jìn)給系統(tǒng)一些重要部件進(jìn)行CAD繪制 2007年04月26日到05月24日 4.完成畢業(yè)設(shè)計說明書 2007年05月25日到06月05日 5.畢業(yè)設(shè)計說明書修改、答辯準(zhǔn)備，畢業(yè)答辯 2007年06月06日到06月24日 指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 教研室畢業(yè)設(shè)計（論文）工作組審核意見 難度 分量 綜合訓(xùn)練程度 教研室主任： 年 月 日 設(shè)計（論文）類型：A—理論研究；B—應(yīng)用研究；C—軟件設(shè)計；D-其它等。 四 川 理 工 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 設(shè)計（論文）題目： 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動裝置的設(shè)計 系： 機(jī)電系 專業(yè)： 機(jī)電一體化 班級： 學(xué)號： 學(xué)生： 指導(dǎo)教師： 接受任務(wù)時間 教研室主任 （簽名）　　系主任 （簽名） 1．畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容及基本要求 (1).數(shù)控伺服系統(tǒng)傳統(tǒng)方案設(shè)計； (2).齒形皮帶輪的設(shè)計計算和校核； (3).滾珠絲杠的設(shè)計計算和校核； (4).對進(jìn)給系統(tǒng)中重要的部件聯(lián)軸器和導(dǎo)軌進(jìn)行了解和選擇； (5).用CAD繪制出工作臺的裝配圖，一個托架的鑄件圖和滾珠絲杠的零件圖， 以及若干部件的零件圖，折合圖紙接近3張A0； 2．指定查閱的主要參考文獻(xiàn)及說明 (1).數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與維修/對進(jìn)給系統(tǒng)做一個全面的了解； (2).數(shù)控機(jī)床及其程序編制/對數(shù)控系統(tǒng)的編程進(jìn)行系統(tǒng)的認(rèn)識； (3).數(shù)控技術(shù)/數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠計算的參照； (4).數(shù)控機(jī)床與編程/對進(jìn)給傳動重要部件進(jìn)行詳細(xì)的介紹； (5).機(jī)械設(shè)計手冊(中冊)第二版/齒形皮帶輪的設(shè)計計算參照。 3．進(jìn)度安排 設(shè)計（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 熟悉題目要求，收集準(zhǔn)備參考資料 2007.03.05-2007.03.16 2 數(shù)控伺服進(jìn)給傳動傳統(tǒng)方案的設(shè)計 2007.03.17-2007.04.25 3 對進(jìn)給傳動系統(tǒng)一些重要部件進(jìn)行CAD繪制 2007.04.26-2007.05.24 4 畢業(yè)設(shè)計說明書的撰寫 2007.05.25-2007.06.05 5 畢業(yè)設(shè)計（論文）的修改，答辯的準(zhǔn)備 2007.06.06-2007.06.24 I 目 錄 中文摘要...............................................................................................................................Ⅰ 英文摘要...............................................................................................................................Ⅱ 第一章 緒論 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.1 引言 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.2 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)簡要敘述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 1.2.1 升降臺傳動系統(tǒng) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 1.2.2 床鞍傳動系統(tǒng) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 1.2.3 工作臺傳動系統(tǒng) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 1.3 FXK5045 機(jī)床的用途及性能 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 1.4 數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給傳動系統(tǒng)的要求 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????5 1.5 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)總體設(shè)計方案 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????7 1.6 本章小結(jié) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????8 第二章 伺服電動機(jī) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????9 2.1 伺服系統(tǒng) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????9 2.1.1 對伺服系統(tǒng)的基本要求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????9 2.1.2 伺服系統(tǒng)的分類 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????10 2.2 伺服電動機(jī)的分類 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11 2.2.1 直流伺服電機(jī) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11 2.2.2 交流伺服電機(jī) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11 2.2.3 直線電機(jī) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????12 2.2.4 步進(jìn)電機(jī) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????12 2.3 電動機(jī)的選擇與計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????14 2.3.1 脈沖當(dāng)量的選擇 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????15 2.3.2 電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????15 2.3.3 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????15 2.3.4 初選步進(jìn)電動機(jī)型號 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????16 2.3.5 電動機(jī)選型驗算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????17 2.4 本章小結(jié) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????18 第三章 同步齒形皮帶輪傳動 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19 II 3.1 同步齒形帶的特點應(yīng)用和優(yōu)缺點 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19 3.1.1 同步齒形帶的特點和應(yīng)用 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19 3.1.2 同步齒形帶傳動的優(yōu)缺點 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????20 3.2 同步齒形帶的主要參數(shù)和規(guī)格 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????20 3.3 同步齒形帶傳動設(shè)計計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21 3.3.1 失效形式和計算準(zhǔn)則 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21 3.3.2 同步齒形帶傳動注意事項 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21 3.3.3 同步齒形帶傳動計算步驟 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????22 3.4 皮帶輪幾何尺寸的計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????28 3.5 齒輪傳動間隙的調(diào)整方法 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 3.6 同步齒形皮帶輪材料的選擇 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????30 3.7 本章小結(jié) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31 第四章 滾珠絲杠的設(shè)計計算 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 4.1 滾珠絲杠傳動 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 4.1.1 滾珠絲杠的特點 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 4.1.2 滾珠絲杠的一些主要參數(shù) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????33 4.1.3 滾珠絲杠的預(yù)拉伸 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????34 4.2 滾珠絲杠螺母副 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????35 4.2.1 滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????35 4.2.2 滾珠絲杠螺母副間隙的調(diào)整 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????36 4.2.3 滾珠絲杠螺母副的維護(hù) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????37 4.2.4 滾珠絲杠螺母副的常見故障 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????37 4.3 滾珠絲杠的設(shè)計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 4.3.1 滾珠絲杠的設(shè)計計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????43 4.3.2 滾珠絲杠的校核 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????45 4.4 本章小結(jié) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????47 第五章 聯(lián)軸器和導(dǎo)軌 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????48 5.1 聯(lián)軸器 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????48 5.1.1 聯(lián)軸器的總體分類 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????48 5.1.2 安全聯(lián)軸器的作用 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????50 5.2 機(jī)床導(dǎo)軌 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????51 III 5.2.1 對導(dǎo)軌的總體要求 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????51 5.2.2 導(dǎo)軌副的種類以及組合形式 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52 5.2.3 導(dǎo)軌的技術(shù)要求 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????56 5.2.4 導(dǎo)軌副的材料選擇 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????57 5.2.5 導(dǎo)軌副的維護(hù)和故障診斷 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????58 5.3 本章小結(jié) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????59 總 結(jié) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????60 參考文獻(xiàn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62 致 謝 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????63 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 1 第一章 緒論 1.1 引言 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù) 控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品， 即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：(1).機(jī)械制造技術(shù)；(2).信息處理、 加工、傳輸技術(shù)；(3). 自動控制技術(shù)；(4). 伺服驅(qū)動技術(shù)；(5).傳感器技術(shù)；(6). 軟件技術(shù) 等。 從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方 面： (1).高速、高精度加工技術(shù)及裝備的新趨勢 效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提 高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會 將其列為 5 大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學(xué)會（CIRP）將其確定為 21 世紀(jì)的中 心研究方向之一。 (2).智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21 世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中 的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制， 工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參 數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面 的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方 面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 (3).重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立 ①.數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)規(guī)范 如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，美國、歐 共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，并進(jìn)行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范 (OMAC、 OSACA、 OSEC)的研究和制定，世界 3 個最大的經(jīng)濟(jì)體在短期內(nèi)進(jìn)行了幾乎 相同的科學(xué)計劃和規(guī)范的制定，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個新的變革時期的來臨。我國在 2000 年也開始進(jìn)行中國的 ONC 數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。 ②.數(shù)控標(biāo)準(zhǔn) 第一章 緒論 2 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術(shù)誕生后的 50 年間的信息交換 都是基于 ISO6983 標(biāo)準(zhǔn)，即采用 G，M 代碼描述如何加工，其本質(zhì)特征是面向加工過 程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研 究和制定一種新的 CNC 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) ISO14649（STEP －NC) ，其目的是提供一種不依賴 于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)整 個制造過程，乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。 (4).對數(shù)控機(jī)床無污染提出要求 21 世紀(jì)的數(shù)控機(jī)床必須把環(huán)保和節(jié)能放在重要位置，即要實現(xiàn)切削加工工藝的綠 色化。目前這一綠色加工工藝主要集中在不使用切削液上，這主要是因為切削液既污 染環(huán)境和危害工人健康，又增加資源和能源的消耗。干切削一般是在大氣氛圍中進(jìn)行， 但也包括在特殊氣體氛圍中(氮?dú)庵小⒗滹L(fēng)中或采用干式靜電冷卻技術(shù))不使用切削液進(jìn) 行的切削。不過，對于某些加工方式和工件組合，完全不使用切削液的干切削目前尚 難與實際應(yīng)用，故又出現(xiàn)了使用極微量潤滑(MQL) 的準(zhǔn)干切削。目前在歐洲的大批量 機(jī)械加工中，已有 10～15%的加工使用了干和準(zhǔn)干切削。對于面向多種加工方法/ 工件 組合的加工中心之類的機(jī)床來說，主要是采用準(zhǔn)干切削，通常是讓極微量的切削油與 壓縮空氣的混合物經(jīng)由機(jī)床主軸與工具內(nèi)的中空通道噴向切削區(qū)。在各類數(shù)控機(jī)床中， 采用干切削最多的是滾齒機(jī)。 總之，數(shù)控機(jī)床技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展提供了良好的條件，促使 制造業(yè)向著高效、優(yōu)質(zhì)以及人性化的方向發(fā)展?？梢灶A(yù)見，隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展 和數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用，制造業(yè)將迎來一次足以撼動傳統(tǒng)制造業(yè)模式的深刻革命。 1.2 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)簡要敘述 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要的組成部分，它是將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 傳遞給工作臺或刀架以實現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動的整個機(jī)械傳動鏈，包括齒輪傳動副、絲杠螺母 副及其支承部件等。 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)主要由升降臺傳動系統(tǒng)、床鞍傳動系統(tǒng)、工作臺傳動系統(tǒng) 組成。 1.2.1 升降臺傳動系統(tǒng) 升降臺可沿 Z 軸運(yùn)動，由床身導(dǎo)軌導(dǎo)向并由升降立絲杠驅(qū)動 ,升降臺頂部有矩形導(dǎo) 軌與工作臺底座—床鞍相連。 升降臺內(nèi)裝有： —Z、Y 軸進(jìn)給伺服電機(jī)； —Z、Y 軸齒形皮帶及皮帶輪； 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 3 升降臺運(yùn)動由伺服電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)置于升降臺內(nèi)，電機(jī)通過一對圓弧齒形皮帶輪 及皮帶、一對螺旋傘齒輪和滾珠絲杠副以 1：4 降速轉(zhuǎn)動，兩帶輪與電機(jī)軸和滾珠絲杠 均以漲緊環(huán)實現(xiàn)無間隙連接，滾珠絲杠螺母固定于底座上，絲杠固定于升降臺上。 1.2.2 床鞍傳動系統(tǒng) 床鞍沿升降臺頂部導(dǎo)軌在 Y 軸上移動，床鞍上表面有供工作臺沿 X 軸橫向移動的 燕尾導(dǎo)軌，床鞍上下兩面的導(dǎo)軌互相垂直，從而保證了 X 軸運(yùn)動和 Y 運(yùn)動的垂直。在 床鞍內(nèi)裝有縱向、橫向絲杠及兩端托架。 橫向床鞍運(yùn)動由伺服電機(jī)通過一對圓弧齒形皮帶輪、皮帶、一對消隙齒輪和滾珠 絲杠副以 3：4 降速傳動。兩帶輪與電機(jī)軸和傳動軸均以漲緊環(huán)實現(xiàn)無間隙連結(jié)，滾珠 絲杠固定于床鞍上，絲杠螺母固定于升降臺上。 1.2.3 工作臺傳動系統(tǒng) 工作臺可沿床鞍縱向?qū)к壴?X 軸方向移動，導(dǎo)軌由來自床身的集中潤滑裝置自動 潤滑，X 向滾珠絲杠由手動油槍通過工作臺側(cè)的油杯進(jìn)行潤滑，工作臺表面有便于安 裝工卡夾具、工件及附近的 T 形槽，還有回收冷卻液的回水槽。 工作臺運(yùn)動由伺服電機(jī)通過兩個圓弧齒形皮帶輪，和圓弧齒形皮帶以 2：3 降速傳 動。兩帶輪與電機(jī)軸和滾珠絲杠均以漲緊環(huán)實現(xiàn)無間隙聯(lián)接，滾珠絲杠螺母固定于工 作臺底端，兩端托架固定于床鞍上。 1.3 FXK5045 機(jī)床的用途及性能 圖 1-1 XK5045 型普通銑床的布局圖 Fig.1-1 Milling machine layout plans 第一章 緒論 4 1-底座 2-強(qiáng)電柜 3- 變壓器箱 4-垂直升降進(jìn)給伺服電動機(jī) 5-主軸變速手柄和按鈕板 6-床身 7-數(shù)控柜 8- 保護(hù)開關(guān) 9-擋鐵 10-操縱臺 11-保護(hù)開關(guān) 12- 橫向溜板 13-縱向進(jìn)給伺服電動機(jī) 14-橫向進(jìn)給伺服電動機(jī) 15-升降臺 16- 縱向工作臺 在本次設(shè)計中，以 FXK5045 數(shù)控立式升降臺銑床為例來說明數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動 系統(tǒng)。 FXK5045 為數(shù)控立式升降臺銑床，與上圖 XK5045 普通銑床相比，在外觀結(jié)構(gòu)上 相同，只是多一個數(shù)控裝置，F(xiàn)XK5045 可配備國外或國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)，具有計算機(jī)數(shù)字 控制（CNC），可進(jìn)行縱向、橫向、垂向三個坐標(biāo)的直線、圓弧、拋物線插補(bǔ)運(yùn)動 （由配置的系統(tǒng)功能確定），每個坐標(biāo)裝有編碼器作為檢測元件。 FXK5045 適用于加工形狀復(fù)雜的平面和立體零件，如沖模、壓模、鍛模、塑料模 等各種模具及樣板，凸輪、飛機(jī)零件、內(nèi)燃機(jī)的連桿等形狀復(fù)雜的零件，對于加工形 狀復(fù)雜而品種又經(jīng)常變換的生產(chǎn)部門大為適用。 FXK5045 數(shù)控立式升降臺銑床的基本參數(shù)如下： 工作臺面積（寬×長）： 500×1800 mm 工作臺 T 形槽（槽數(shù) -寬度 間距）： 6-18×63 mm ? 工作臺承載工件最大重量： 1000 Kg 工作臺行程（縱向/橫向/垂向）： 11000/330/600 mm 垂向行程（手動）： 套筒 90 mm 主軸錐孔： 7：24 ISO50 刀柄形式： XT50 主軸轉(zhuǎn)速： 18 級 35.5-1800 r/min 主軸電機(jī)功率： 15 Kw 立銑頭最大回轉(zhuǎn)角度： ±45° 主軸端面到工作臺面距離： 110-710 mm 床身導(dǎo)軌至主軸中心線的距離： 450 mm 進(jìn)給速度范圍（X 、 Y/Z）： 5-4000/5-1000 mm/min 快速進(jìn)給（X 、 Y/Z）： 8000/2000 mm/min 定位精度(國際) ： 0.035 mm 重復(fù)定位精度(國際) ： 0.020 mm 機(jī)床重量(約) ： 5000 Kg 機(jī)床外型尺寸(長×寬×高) ： 2530×2443×2560 mm 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 5 本機(jī)床具有如下特點： (1).機(jī)床具有很高的結(jié)構(gòu)剛性，能承受中負(fù)荷切削工作； (2).機(jī)床具有足夠的功率和寬廣的變速范圍，能使用硬質(zhì)合金刀進(jìn)行高速切削，充 分發(fā)揮刀具效能； (3).主軸變速有沖動裝置，便于變速，機(jī)床能迅速有效的進(jìn)行制動； (4).機(jī)床的重要傳動零件均用合金鋼制成，容易磨損零件均用耐磨材料制成，導(dǎo)軌 貼塑，保證了機(jī)床有足夠的使用壽命； (5).操縱臺與電柜采用分體式，操縱臺集中操縱，安裝于機(jī)床吊掛上，能轉(zhuǎn)動一定 角度，操作方便宜人； (6).機(jī)床三向運(yùn)動均有限位裝置，保證機(jī)床和操作工人的安全，還可用作多機(jī)床管 理； (7).機(jī)床具有完整的潤滑系統(tǒng)，重要的傳動零件和軸承均有完整的潤滑裝置，同時 設(shè)有指示器進(jìn)行經(jīng)常檢查； (8).各重要傳動軸和主軸的安裝在滾動軸承上，提高傳動效率； (9).工作臺三個方向均能進(jìn)行快速移動，減少輔助時間，提高生產(chǎn)效率。 1.4 數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給傳動系統(tǒng)的要求 (1).減少摩擦阻力 為了提高數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能和運(yùn)動精度，必須減小運(yùn)動件的摩擦 阻力和動，靜摩擦力之差。為滿足上述要求，在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)中，普通采用 滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副，滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和塑料導(dǎo)軌。在減小摩擦阻 力的同時，還必須考慮傳動部件要有適當(dāng)?shù)淖枘?，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (2).減少運(yùn)動慣量 運(yùn)動部件的慣量對伺服機(jī)構(gòu)的啟動和制動特性都有影響，尤其是處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的 零、部件，其慣量的影響更大。因此，在滿足部件強(qiáng)度和剛度的前提下，盡可能減小 運(yùn)動部件的質(zhì)量，減小旋轉(zhuǎn)零件的直徑和質(zhì)量，以減小運(yùn)動部件的慣量。 (3).高的傳動精度與定位精度 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動裝置的傳動精度和定位精度對零件的加工精度起著關(guān)鍵性的 作用，對采用進(jìn)步電動機(jī)驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)尤其如此。因此，傳動精度和定位精度 是數(shù)控機(jī)床最重要也是最具有該類機(jī)床特征的指標(biāo)，無論對點位，直線控制系統(tǒng)，還 是輪廓控制，該項精度都很重要。設(shè)計中，通過在進(jìn)給傳動鏈中加入減速齒輪，以減 小脈沖當(dāng)量（即伺服系統(tǒng)接收一個指令脈沖驅(qū)動工作臺移動的距離），預(yù)緊傳動滾珠 絲杠，消除齒輪，蝸輪等傳動的間隙等辦法，可達(dá)到提高傳動精度的定位精度的目的。 第一章 緒論 6 由此可見，機(jī)床本身的精度，尤其是伺服傳動鏈和伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精度，是影響工作 精度的主要因素。 (4).寬的進(jìn)給調(diào)速范圍 伺服進(jìn)給系統(tǒng)在承擔(dān)全部工作負(fù)載的條件下，應(yīng)具有很寬的調(diào)速范圍，以適應(yīng)各 種工件材料，尺寸和刀具等變化的需要，工作進(jìn)給速度范圍可達(dá) 3~6000 mm/min（調(diào)速 范圍 1：2000）。為了完成精密定位，伺服系統(tǒng)的低速趨進(jìn)速度達(dá) 0.1mm/min；為了縮 短輔助時間，提高加工效率，快速移動速度應(yīng)高達(dá) 15m/min。如此寬的調(diào)速范圍是伺服 系統(tǒng)設(shè)計的一個難題。在多坐標(biāo)聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床上，合成速度維持常數(shù)，是保證表面 粗糙度要求的重要條件；為保證較高的輪廓精度，各坐標(biāo)方面的運(yùn)動速度也要配合適 當(dāng)，這是對數(shù)控機(jī)床和伺服進(jìn)給系統(tǒng)提出的共同要求。 (5).響應(yīng)速度要快 快響應(yīng)特性是指進(jìn)給系統(tǒng)對指令輸入信號的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速程度， 即跟蹤指令信號的響應(yīng)要快；定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度要滿足要求；工作臺應(yīng)能 在規(guī)定的速度范圍內(nèi)靈敏而精確地跟蹤指令，進(jìn)行單步或連續(xù)移動，在運(yùn)行時不出現(xiàn) 丟步或多步現(xiàn)象。進(jìn)給系統(tǒng)響應(yīng)速度的大小不僅影響機(jī)床的加工效率，而且影響加工 精度。設(shè)計中應(yīng)使機(jī)床工作臺及其傳動機(jī)構(gòu)的剛度、間隙、摩擦以及轉(zhuǎn)動慣量盡可能 達(dá)到最佳值，以提高伺服進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)性。 (6).無間隙傳動 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動間隙一般指反向間隙，即反向死區(qū)誤差，它存在于整個傳動鏈的 各傳動副中，直接影響數(shù)控機(jī)床的加工精度。因此，應(yīng)盡量消除傳動間隙，減小反向 死區(qū)誤差。設(shè)計中可采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié)及有消除間隙措施的傳動副等方法。 (7).穩(wěn)定性好、壽命長 穩(wěn)定性是伺服進(jìn)給系統(tǒng)能夠正常工作的最基本的條件，特別是在低速進(jìn)給情況下 不產(chǎn)生爬行，并能適應(yīng)外加負(fù)載的變化而不發(fā)生共振。穩(wěn)定性與系統(tǒng)的慣性、剛性、 阻尼及增益等都有關(guān)系，適當(dāng)選擇各項參數(shù)，并能達(dá)到最佳的工作性能，是伺服系統(tǒng) 設(shè)計的目標(biāo)。所謂進(jìn)給系統(tǒng)的壽命，主要是指其保持?jǐn)?shù)控機(jī)床傳動精度和定位精度的 時間長短，即各傳動部件應(yīng)選擇合適的材料及合理的加工工藝與熱處理方法，對于滾 珠絲杠及傳動齒輪，必須具有一定的耐磨性和適宜的潤滑方式，以延長其壽命。 (8).使用維護(hù)方便 數(shù)控機(jī)床屬于精度自動控制機(jī)床，主要用于單件、中小批量、高精度及復(fù)雜的生 產(chǎn)加工，機(jī)床的開機(jī)效率相應(yīng)就高，因而進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)便于維護(hù)和保養(yǎng)、最 大限度地減小維修工作量，以提高機(jī)床的利用率。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 7 1.5 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)總體設(shè)計方案 圖 1-2 進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖 Fig.1-2 Feed system structure diagram 上圖為此次設(shè)計 FXK5045 數(shù)控立式銑床進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖。 伺服電機(jī)通過同步齒形帶和滾珠絲杠相聯(lián)，編碼器固定在滾珠絲杠的右端將工作 臺的實際位移信號傳遞給控制系統(tǒng)，屬于開環(huán)控制。同步帶連接方式隔離了電機(jī)的振 動和發(fā)熱，使電動機(jī)安裝位置更加機(jī)動，但機(jī)械結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)增加了。 方案具體的設(shè)計過程如下： 圖 1-3 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)工作原理圖 Fig.1-3 CNC machine tool drive system to work diagram (1).指令脈沖驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)； (2).步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路帶動功率步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)； (3).功率步進(jìn)電動機(jī)作為動力源，帶動齒形皮帶輪動力的輸送； (4).齒形皮帶輪帶動滾珠絲杠降速轉(zhuǎn)動； (5).滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動使數(shù)控機(jī)床工作臺橫向移動。 第一章 緒論 8 1.6 本章小結(jié) 在本章的設(shè)計中，讓我明白了數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動的三大部分：升降臺傳動系統(tǒng)， 床鞍傳動系統(tǒng)以及工作臺傳動系統(tǒng)，并對三者各自的基本情況和運(yùn)動規(guī)律作了一個簡 要的敘述。對所設(shè)計的數(shù)控銑床 FXK5045 也有了一定的認(rèn)識，其中包括 FXK5045 的基 本性能參數(shù)，還有此機(jī)床進(jìn)給傳動部分所各自具備的用途，以及擅長加工哪些圖形的 情況都做了一一的描述。還有數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給傳動方面的要求也進(jìn)行了一定的說明。 對進(jìn)給傳動總體設(shè)計方案的構(gòu)想也有了一定的思路，并且進(jìn)行設(shè)計的初步實踐中。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 9 第二章 伺服電動機(jī) 伺服電動機(jī)(簡稱伺服電機(jī))為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是速度和軌跡控制的 執(zhí)行元件。伺服系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試與選用的電機(jī)及其特性有密切關(guān)系、直接影響伺服 系統(tǒng)的靜、動態(tài)品質(zhì)。 2.1 伺服系統(tǒng) 在自動控制系統(tǒng)中，輸出量能夠以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱 為伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動部件的位置和速度作為控制量的自 動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動裝置和驅(qū)動元件（或稱執(zhí)行元件伺服電機(jī)）組成， 高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測裝置，反饋實際的輸出狀態(tài)。 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的指令信號，驅(qū)動機(jī)床移動部件 跟隨指令脈沖運(yùn)動，并保證動作的快速和準(zhǔn)確，這就要求高質(zhì)量的速度和位置伺服。 以上指的主要是進(jìn)給伺服控制，另外還有對主運(yùn)動的伺服控制，不過控制要求不如前 者高。數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)往往主要取決于伺服系統(tǒng)。 2.1.1 對伺服系統(tǒng)的基本要求 數(shù)控機(jī)床集中了傳統(tǒng)的自動機(jī)床、精密機(jī)床和萬能機(jī)床的優(yōu)點，將高效率、高精 度與高柔性集中于一體。而數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的提高首先依賴于進(jìn)給驅(qū)動特性的改善 及功能的擴(kuò)大，一般對進(jìn)給伺服系統(tǒng)有如下要求： (1).正反向運(yùn)行 機(jī)床在工作過程中，工作臺根據(jù)加工軌跡的形狀隨時都可能要求正向或反向運(yùn)行。 同時應(yīng)考慮正反向運(yùn)行時起動與制動之間存在的電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)可靠的 快速制動。 (2).調(diào)速范圍寬 為適應(yīng)不同的加工條件，如加工零件的材料、類型、大小及刀具的種類、冷卻方 式等，要求伺服有很寬的調(diào)速范圍和優(yōu)異的調(diào)速特性。 (3).高剛性與高的速度穩(wěn)定性 伺服在不同的負(fù)載情況下或切削條件發(fā)生變化時，應(yīng)使進(jìn)給速度保持恒定，要求 伺服具有優(yōu)良的靜態(tài)與動態(tài)負(fù)載特性。 (4).快速響應(yīng)及無超調(diào) 為了保證輪廓切削形狀精度與低的加工面表面粗糙度，要求伺服具有良好的快速 響應(yīng)特性，同時無超調(diào)。 (5).高精度 第二章 伺服電動機(jī) 10 為了滿足加工精度，要保證機(jī)床的定位精度及進(jìn)給精度，亦即要求伺服具有高的 靜態(tài)分辨率，動態(tài)特性至少應(yīng)是一階無差系統(tǒng)。 (6).低速大扭矩 機(jī)床加工的特點多是低速時進(jìn)行切削加工，要求在低速時進(jìn)給驅(qū)動應(yīng)保證額定扭 矩輸出，亦即要求伺服具有恒扭矩輸出。 2.1.2 伺服系統(tǒng)的分類 (1).開環(huán)系統(tǒng) 圖 2-1 開環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖 Fig.2-1 Open-loop systems pose a map 圖(2-1)是開環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖，它主要由驅(qū)動電路，執(zhí)行元件和機(jī)床三大部分組成。 常用的執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)，通常稱以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)為步進(jìn)式伺 服系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，如果是大功率驅(qū)動時，用電液脈沖馬達(dá)作為執(zhí)行元件。驅(qū)動 電路的主要任務(wù)是將指令脈沖轉(zhuǎn)化為驅(qū)動執(zhí)行元件所需的信號。 (2).閉環(huán)系統(tǒng) 圖 2-2 閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖 Fig.2-2 Closed-loop systems pose a map 閉環(huán)系統(tǒng)主要由比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動電路、執(zhí)行元件、機(jī)床和檢測單元五部分組成。 其構(gòu)成框圖如圖(2-2)所示。在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測元件將機(jī)床移動部件的實際位置檢測 出來并轉(zhuǎn)換成電信號反饋給比較環(huán)節(jié)。常見的檢測元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、 光柵、磁柵和編碼盤等。通常把安裝在絲杠上的檢測元件組成的伺服系統(tǒng)稱為半閉環(huán) 系統(tǒng)；把安裝在工作臺上的檢測元件組成的伺服系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。由于絲杠和工作 臺之間傳動誤差的存在，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一些。比 較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號和反饋信號進(jìn)行比較，兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤 差，經(jīng)驅(qū)動電路，控制執(zhí)行元件帶動工作臺繼續(xù)移動，直到跟隨誤差為零。根據(jù)進(jìn)入 比較環(huán)節(jié)信號的形式以及反饋檢測方式，閉環(huán)（半閉環(huán)）系統(tǒng)可分為脈沖比較伺服系 統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)三種。 由于比較環(huán)節(jié)輸出的信號比較微弱，不足以驅(qū)動執(zhí)行元件，故需對其進(jìn)行放大， 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 11 驅(qū)動電路正是為此而設(shè)置的。執(zhí)行元件的作用是根據(jù)控制信號，即來自比較環(huán)節(jié)的跟 隨誤差信號，將表示位移量的電信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移。常用的執(zhí)行元件有直流寬調(diào)速 電動機(jī)、交流電動機(jī)等。執(zhí)行元件是伺服系統(tǒng)中必不可少的一部分，驅(qū)動電路是隨執(zhí) 行元件的不同而不同的。 2.1.3 伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向 隨著生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，要求伺服系統(tǒng)向高精度、高速度、大功率方向發(fā)展。 (1).充分利用迅速發(fā)展的電子和計算機(jī)技術(shù)，采用數(shù)字式伺服系統(tǒng)，利用微機(jī)實現(xiàn) 調(diào)節(jié)控制，增強(qiáng)軟件控制功能，排除模擬電路的非線性誤差和調(diào)整誤差以及溫度漂移 等因素的影響，可大大提高伺服系統(tǒng)的性能，并為實現(xiàn)最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制創(chuàng)造條 件。 (2).開發(fā)高精度、快速檢測元件。 (3).開發(fā)高性能的伺服電機(jī)（執(zhí)行元件）。目前交流伺服電機(jī)的變速比已達(dá) 1：10000，使用日益增多。無刷電機(jī)因無電刷和換向片零部件，加速性能要比直流伺 服電機(jī)高兩倍，維護(hù)也較方便，常用于高速數(shù)控機(jī)床。 2.2 伺服電動機(jī)的分類 在數(shù)控機(jī)床中常用的伺服電機(jī)有:直流伺服電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和 直線電機(jī)等．直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，在 70 年代、80 年代的數(shù)控系統(tǒng)中得 到了廣泛的應(yīng)用；交流伺服電動機(jī)由于結(jié)構(gòu)和控制原理的發(fā)展，性能大大提高，從 80 年代末開始逐漸取代直流伺服電機(jī)，是目前主要使用的電動機(jī)；步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用在輕載、 負(fù)荷變動不大以及經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中。直線電機(jī)是一種很有發(fā)展前途的特種電機(jī)，主 要應(yīng)用在高速、高精度的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中。 2.2.1 直流伺服電機(jī) 常用的直流電動機(jī)有:永磁式直流電機(jī)、混合式直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)和直流力 矩電機(jī)等。直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)使用永磁式直流電機(jī)類型中的有槽電樞永磁直流電動機(jī) (普通型) ；直流主軸伺服系統(tǒng)使用勵磁式直流電機(jī)類型中的他激直流電機(jī)。此外，永磁 式直流電機(jī)還包括無槽電樞永磁直流電機(jī)、杯型電樞永磁直流電機(jī)和印刷繞組電樞永 磁直流電機(jī)等。這些均為小慣量電機(jī)，適用于要求快速響應(yīng)和頻繁起動的伺服系統(tǒng)， 但其過載能力低，電樞慣量與機(jī)械系統(tǒng)匹配較差．普通型永磁式直流電機(jī)產(chǎn)量大，應(yīng) 用廣泛。 2.2.2 交流伺服電機(jī) 在交流伺服系統(tǒng)中，電動機(jī)的類型有永磁同步交流伺服電機(jī)(PMSM)和感應(yīng)異步交 流伺服電機(jī)(IM)，其中，永磁同步電機(jī)具備十分優(yōu)良的低速性能、可以實現(xiàn)弱磁高速 第二章 伺服電動機(jī) 12 控制，調(diào)速范圍寬廣、動態(tài)特性和效率都很高，已經(jīng)成為伺服系統(tǒng)的主流之選。而異 步伺服電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)堅固、制造簡單、價格低廉，但是在特性上和效率上存在差距， 只在大功率場合得到重視。 2.2.3 直線電機(jī) 直線電機(jī)可以認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種變形，它可以看作是一臺旋轉(zhuǎn)電 機(jī)沿其徑向剖開，然后拉平演變而成。近年來，隨著自動控制技術(shù)和微型計算機(jī)的高 速發(fā)展，對各類自動控制系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求，在這種情況下，傳統(tǒng)的 旋轉(zhuǎn)電機(jī)再加上一套變換機(jī)構(gòu)組成的直線運(yùn)動驅(qū)動裝置，已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代控制系 統(tǒng)的要求。為此，近年來世界許多國家都在研究、發(fā)展和應(yīng)用直線電機(jī)，使得直線電 機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。 直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，主要有如下幾個特點：一是結(jié)構(gòu)簡單，由于直線電機(jī) 不需要把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動的附加裝置，因而使得系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大為簡化，重 量和體積大大地下降；二是定位精度高，在需要直線運(yùn)動的地方，直線電機(jī)可以實現(xiàn) 直接傳動，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來的各種定位誤差，故定位精度高，如采用微 機(jī)控制，則還可以大大地提高整個系統(tǒng)的定位精度；三是反應(yīng)速度快、靈敏度高，隨 動性好。直線電機(jī)容易做到其動子用磁懸浮支撐，因而使得動子和定子之間始終保持 一定的空氣隙而不接觸，這就消除了定、動子間的接觸摩擦阻力，因而大大地提高了 系統(tǒng)的靈敏度、快速性和隨動性；四是工作安全可靠、壽命長。直線電機(jī)可以實現(xiàn)無 接觸傳遞力，機(jī)械摩擦損耗幾乎為零，所以故障少，免維修，因而工作安全可靠、壽 命長。 2.2.4 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是一種把脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的電氣機(jī)械。電脈沖的數(shù)量代表了轉(zhuǎn)子 的角位移量，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與電脈沖的頻率成正比，旋轉(zhuǎn)的方向取決于脈沖的順序，轉(zhuǎn) 矩是由于磁阻作用所產(chǎn)生。步進(jìn)電機(jī)一定要與控制脈沖聯(lián)系起來才能運(yùn)行，否則無法 工作。其運(yùn)行形式是步進(jìn)的，故稱為步進(jìn)電機(jī)。對定子繞組所加電源形式既不是正弦 波交流也不是恒定直流，而是電脈沖電壓、電流、所以也稱為脈沖電機(jī)或脈沖馬達(dá)。 步進(jìn)電機(jī)用于與控制脈沖組成的開環(huán)系統(tǒng)中。 2.2.4.1 步進(jìn)電機(jī)的分類及結(jié)構(gòu) 步進(jìn)電機(jī)的分類方式很多，按作用原理分，步進(jìn)電機(jī)有磁阻式(反應(yīng)式)、感應(yīng)子式 和永磁式三大類。按輸出功率和使用場合分類，分為功率步進(jìn)電機(jī)和控制步進(jìn)電機(jī)； 按結(jié)構(gòu)分類，分為徑向式(單段式)、軸向式(多段) 和印刷繞組式步進(jìn)電機(jī)；按相數(shù)分類， 分為三相、四相、五相、六相等。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 13 各種步進(jìn)電機(jī)都是由定子和轉(zhuǎn)子組成，但因類型不同，結(jié)構(gòu)也不完全一樣。磁阻 式步進(jìn)電機(jī)(以三相徑向式為例)，定子鐵心上有六個均勻分布 5 個齒，齒槽距相等，齒 間夾角為 9°。在直徑方向相對的兩個極上的線圈串聯(lián)，構(gòu)成了一相勵磁繞組，共有三 相(A ， B， C)按徑向排列的勵磁繞組。轉(zhuǎn)子為鐵心(硅鋼)，其上無繞組，只有均布的 40 個齒，齒槽等寬，齒間夾角也是 9°。三相定子磁極和轉(zhuǎn)子上相應(yīng)的齒依次錯開了 1/3 齒距，即 3°。 磁阻式步進(jìn)電機(jī)還有一種軸向分相的多段式結(jié)構(gòu)，定子和轉(zhuǎn)子鐵心都分成多段(三、 四、五、六段等)，每段為一相，依次錯開排列為 A、 B、 C、 D、 E 等相，每相都是獨(dú) 立的。 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)分為勵磁式和永磁式兩種。感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與磁阻式 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，其定子轉(zhuǎn)子鐵心的磁場和齒槽均一樣，兩者的差別是感應(yīng)子式 步進(jìn)電機(jī)存在軸向恒定磁場。勵磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)是靠轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組產(chǎn)生軸向 磁場。永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由一段環(huán)形磁鋼(在轉(zhuǎn)子中部)和二段鐵心(在環(huán)形 磁鋼的兩端)，軸向充磁，建立軸向磁場。軸向磁場可以改善步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)特性，發(fā) 展趨勢將取代磁阻式步進(jìn)電機(jī)。 永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，定子為軟磁材料。該種電機(jī)有多種結(jié)構(gòu)形式， 常用形式有爪極式和隱極式。爪極式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)一般采用二相或者四相繞組，隱極 式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)與磁阻式步進(jìn)電機(jī)一樣有二、三、四、五、相等多種繞