【文章內容簡介】 脈沖馬達轉速3000 rpm（7）總傳動比：360第二章 方案比較與選擇 傳動方案的選擇 傳動方案傳動時應滿足的要求數控回轉工作臺一般由原動機、傳動裝置和工作臺組成，傳動裝置在原動機和工作臺之間傳遞運動和動力，并可實現分度運動。在本課題中，原動機采用應采用步進電機，工作臺為T形槽工作臺，傳動裝置由齒輪傳動和蝸桿傳動組成。合理的傳動方案主要滿足以下要求：（1）機械的功能要求：應滿足工作臺的功率、轉速和運動形式的要求。（2）工作條件的要求：例如工作環(huán)境、場地、工作制度等。（3）工作性能要求：保證工作可靠、傳動效率高等。（4）結構工藝性要求；如結構簡單、尺寸緊湊、使用維護便利、工藝性和經濟合理等。 傳動方式特點蝸桿傳動特點：1)由于蝸桿相當于一個螺桿，當蝸桿的導程角小于摩擦角時，蝸桿傳動帶有自鎖性，這時渦輪副只能由蝸桿驅動渦輪，不能由渦輪驅動蝸桿。2)蝸輪副傳動的結構緊湊，渦輪箱的外形尺寸較小。3)蝸輪副傳動平穩(wěn)，無噪聲4)蝸輪副傳動是滑動摩擦，在傳動中摩擦損害較大，因此傳動效率較低。采用自鎖蝸桿傳動時，效率約為50%。5)由于蝸桿傳動時，蝸桿和蝸輪輪齒間的運動速度較大，摩擦也大，為了提高蝸輪副傳動的壽命，一般蝸桿采用鋼材制造，而蝸輪采用耐磨的材料如青銅等制造。齒輪傳動特點: 齒輪傳動是由分別安裝在主動軸及從動軸上的兩個齒輪相互嚙合而成。齒輪傳動是應用最多的一種傳動形式，它有如下特點1）能保證傳動比穩(wěn)定不變。2）能傳遞很大的動力。 l7 }4 o。 M* I3 P9 J% ]3）外廓尺寸小，結構緊湊、效率高。+Q u9 Q! A) c% z$ z7 U! e39。 R2 {4）制造和安裝的精度要求較高。 b) r8 P5 E7 U( q+ i) b/ y5）當兩軸間距較大時，采用齒輪傳動就比較笨重6）圓周速度及功率范圍廣，應用最廣泛7）不能緩沖，無過載保護作用，有噪音 傳動方案及其分析 由圖21所示，數控回轉工作臺的傳動方案有兩種：方案一為一級和二級都是齒輪傳動；方案二為一級齒輪傳動，二級蝸桿傳動。圖21 傳動方案方案一的最大缺陷是：；；，無法使工作臺完成自鎖。而方案二雖然傳動效率低，但以上三個功能全部都能完成自鎖。所以數控回轉工作臺傳動方案為方案二：步進電機——齒輪傳動——蝸桿傳動——工作臺。該傳動方案分析如下：齒輪傳動承受載能力較高 ，傳遞運動準確、平穩(wěn)，傳遞 功率和圓周速度范圍很大，傳動效率高，結構緊湊。蝸桿傳動有以下特點：1．傳動比大，在分度機構中可達1000以上。與其他傳動形式相比，傳動比相同時，機構尺寸小，因而結構緊湊。2．傳動平穩(wěn) 蝸桿齒是連續(xù)的螺旋齒，與蝸輪的嚙合是連續(xù)的，因此，傳動平穩(wěn)，噪聲低。3．可以自鎖 當蝸桿的導程角小于齒輪間的當量摩擦角時，若蝸桿為主動件，機構將自鎖。這種蝸桿傳動常用于起重裝置中。4．效率低、制造成本較高 蝸桿傳動方面：齒面上具有較大的滑動速度，摩擦磨損大。為了提高減摩擦性和耐磨性，蝸輪通常采用價格較貴的有色金屬制造。 傳動方案的選擇由以上分析可得：將齒輪傳動放在傳動系統(tǒng)的高速級，蝸桿傳動放在傳動系統(tǒng)的低速級，傳動方案較合理。 原動機的選擇 步進電動機圖22 步進電機步進電動機具有自身的特色．歸納起來有：(1)可以用數字信號直接進行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)簡單廉價。 (2) 一般步進電機的精度為步進角的35%，角位移與輸入脈沖數嚴格成正比，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性，可以組成結構較為簡單而又具有—定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可在要求更高招度時組成閑環(huán)控制系統(tǒng)。 (3)無刷，電動機本體部件少，可靠性高。 (4)易于起動、停止、正反轉及變速．響應性也好 (5)停止時，可有自鎖能力。 (6)步距角選擇范圍大，可在幾十角分至180度大范圍內選擇。在小步距情況下通常 可以在超低速下高轉矩穩(wěn)定運行、通常可以不經減速器直接驅動負載。 (7)速度可在相當寬范圍內平滑調節(jié)。同時用一臺控制器控制幾臺步進電動機可使它 們完全同步運行。 (8)步進電機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負載的能力較差。 (9)由于存在失步和共振，因此步進電動機的加減速方法根據利用狀態(tài)的不向而復雜化。 (10)步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。（11）步進電機外表不允許較高的溫度。　　 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏8090度完全正常。（12）步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降?！　? 當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。（13）由步進電機與驅動電路組成的開環(huán)數控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非常的可靠，同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數控系統(tǒng)。（14）速度可在相當寬的范圍內平滑調節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅動負載。（15）步進電機存在振蕩和失步現象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應的措施。（16）步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。 伺服電機 圖23 伺服電機伺服電機與步進電機相比優(yōu)點：(1)精度：實現了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進電機失步的問題；(2)轉速：高速性能好，一般額定轉速能達到2000～3000轉；在其額定轉速以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。(3)適應性：抗過載能力強，能承受三倍于額定轉矩的負載，對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用； (4)穩(wěn)定：低速運行平穩(wěn)，低速運行時不會產生類似于步進電機的步進運行現象。適用于有高速響應要求的場合； (5)及時性：電機加減速的動態(tài)相應時間短，一般在幾十毫秒之內； (6)舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。(7)過載能力：具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。避免了力矩浪費的現象。(8)控制性能：伺服驅動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。 伺服電機分為直流伺服電機和交流伺服電機： 直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝碗s，容易實現智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。但現在價格高。交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應用。免維護，性價比高。 電液脈沖馬達：電液脈沖馬達由步進電機和液壓伺服機構（即扭矩放大器）所組成。由步進電機接收數字控制裝置發(fā)出的脈沖信號，把它轉換或角位移。經液壓隨動閥和油馬達組成的伺服機構做功率放大后，驅動機床工作臺或刀架，使之進行精確定或作進給運動。是當前數控系統(tǒng)中特別是開環(huán)系統(tǒng)中比較理想的伺服元件。電液脈沖馬達廣泛應用在自動控制、同步控制和各種數控機床上。其優(yōu)點為：角位移準確、反應迅速、調整范圍廣，在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常數小，反應快，速度平穩(wěn)等。缺點為：液壓系統(tǒng)需要供油，體積大，噪聲，漏油等。圖24 電液脈沖馬達采用電液脈沖馬達為驅動單元，其機構也比較簡單，主要是變速齒輪副、滾珠絲杠副，以克服爬行和間隙等不足。通常步進電機每加一個脈沖轉過一個脈沖當量；但由于其脈沖當量一般較大，在數控系統(tǒng)中為了保證加工精度，廣泛采用電液脈沖馬達的細分驅動技術。 原動機選擇由于步進電機輸出扭矩現在還不能做得太大，且隨著輸出扭矩的增大，其慣量亦增大，使它的起停頓率受到限制，且相比較之下電液脈沖馬達在數控機床上的經濟性和實用性都較伺服電機好，而且電液脈沖馬達已經廣泛應用在數控機床上，各方面都比較成熟，故綜合比較之下選擇電液脈沖馬達。 回轉臺類型的選擇數控回轉工作臺有兩種型式：開環(huán)回轉工作臺、閉環(huán)回轉工作臺。兩種型式各有特點：（1） 開環(huán)回轉工作臺開環(huán)回轉工作臺和開環(huán)直線進給機構一樣，都可以用步進電機來驅動。開環(huán)控制數控機床的特點是不帶檢測反饋裝置，該系統(tǒng)的伺服驅動裝置主要是步進電機、電液脈沖馬達等。數控裝置將工件加工程序處理后，輸出指令脈沖信號，由 圖25 開環(huán)回轉工作臺數控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，驅動執(zhí)行部件。步進電機只要改變指令脈沖的數量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪等傳動元件的精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。開環(huán)控制系統(tǒng)因為沒有檢測裝置，也就沒有糾正偏差的能力，因此它的控制精度較低。但該系統(tǒng)具有結構簡單、調試維修方便、工作可靠度高、成本價格低，易改裝成功等優(yōu)點。（2） 閉環(huán)回轉工作臺 閉環(huán)回轉工作臺和開環(huán)回轉工作臺大致相同，其區(qū)別在于：閉環(huán)回轉工作臺有轉動角度的測量元件（圓光柵）。所測量的結果經反饋與指令值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅動執(zhí)行機構，以給定的速度向著減少偏差的方向運動，直到指令給定位置與反饋的實際位置的差值為零。同此可見閉環(huán)控制數控系 圖26 閉環(huán)回轉工作臺統(tǒng)可以消除機械傳動的各種誤差及在加工過程中產生干擾的影響，使加工精度大大提高。閉環(huán)控制數控系統(tǒng)在結構上比開環(huán)進給系統(tǒng)復雜，相對成本也高，對使用環(huán)境要求嚴。系統(tǒng)的設計和調試都比開環(huán)系統(tǒng)難度在。但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅動功率更大的特性指標。由以上分析，選擇采用閉環(huán)回轉工作臺。 機械部分的設計綜合以上分析機械