【文章內(nèi)容簡介】 限 滾 動 循環(huán) ， 使 得 負(fù) 載 平 臺 能 沿 著 滑 軌 輕 易 的 以 高 精 度 作 線 性 運(yùn) 動 ， 其 摩 擦 系 數(shù) 可 降 至 傳 統(tǒng) 滑動 導(dǎo) 引 的 1/50， 使 之 能 輕 易 地 達(dá) 到 1μm 級 的 定 位 精 度 。 現(xiàn) 在 滑 塊 與 滑 軌 間 的 末 制 單元 設(shè) 計 ， 使 得 線 形 滑 軌 可 同 時 承 受 上 下 左 右 等 各 方 向 的 負(fù) 荷 ， 專 利 的 回 流 系 統(tǒng) 及 精 簡化 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 使 線 性 滑 軌 有 更 平 順 且 低 噪 音 的 運(yùn) 動 。 滾 動 直 線 導(dǎo) 軌 副 動 靜 摩 擦 力 之差 很 小 ， 摩 擦 阻 力 小 ， 隨 動 性 極 好 。 導(dǎo) 軌 的 導(dǎo) 向 精 度 要 求 高 。圖 21 工作臺草圖徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )4（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用交流伺服電動機(jī)。交流伺服電動機(jī)，是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的一種機(jī)器。交流伺服電動機(jī)主要由一個用以產(chǎn)生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子組成。電動機(jī)利用通電線圈在磁場中受力轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象而制成的。交流伺服電動機(jī)主要由定子部分和轉(zhuǎn)子部分組成，其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成 90 度電角度的兩相繞組（其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組） 。交流伺服電動機(jī)控制精度高，矩頻特性好，具有過載能力，多應(yīng)用于物料計量，橫封裝置和定長裁切機(jī)上。工作臺草圖如上圖 21。 伺服電機(jī)設(shè)計 伺服電機(jī)概述交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成 90 度電角度的兩相繞組。其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組，交流伺服電動機(jī)一種兩相的交流電動機(jī)。 交流伺服電動機(jī)使用時，激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓 Uf，控制繞組兩端施加控制電壓 Uk。當(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動機(jī)很快就會轉(zhuǎn)動起來。 通入勵磁繞組及控制繞組的電流在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向，當(dāng)任意一個繞組上所加的電壓反相時，旋轉(zhuǎn)磁場的方向就發(fā)生改變，電機(jī)的方向也發(fā)生改變。 表 21 交流伺服電動機(jī)的分類、特點(diǎn)及使用范圍類型 代號 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 性能特點(diǎn) 使用范圍籠型交流伺服電動機(jī) SL轉(zhuǎn)子與定子結(jié)構(gòu)與一般籠型異步電動機(jī)相似, 但轉(zhuǎn)子一般為兩相,且細(xì)而長,籠可用鋁、紫銅、黃銅制成勵磁電流較小，體積較小，機(jī)械強(qiáng)度較高，低速運(yùn)轉(zhuǎn)時不夠平滑，有抖動現(xiàn)象廣泛運(yùn)用于小功率自動控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和計算裝置中非磁性杯型交流伺服電動機(jī)SKADP用非磁性金屬鋁、黃銅等制成杯形轉(zhuǎn)子，杯的內(nèi)外由內(nèi)外定子構(gòu)成磁路轉(zhuǎn)動慣量小，運(yùn)轉(zhuǎn)平滑、無抖動現(xiàn)象，勵磁電流和體積較大用于要求運(yùn)行平滑的系統(tǒng)，如自動裝置和計算裝置等FANUC 交流伺服電動機(jī) FANUC轉(zhuǎn)矩大,轉(zhuǎn)速低,機(jī)械特性線性度好, 低速性能良好，可直接與絲杠連接用于數(shù)控機(jī)床驅(qū)動或其他驅(qū)動系統(tǒng)低速交流伺服電動機(jī)SDSAND轉(zhuǎn)子、定子結(jié)構(gòu)與籠型交流伺服電動機(jī)相同, 另外機(jī)殼中裝有齒輪減速裝置體積小,重量輕,力能指標(biāo)高,性能好，輸出轉(zhuǎn)速低 ,轉(zhuǎn)矩大廣泛應(yīng)用于自動裝置和計算技術(shù)裝置中作驅(qū)動、執(zhí)行或控制元件徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )5步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運(yùn)動控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號） ，但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。1)在整個調(diào)速范圍內(nèi)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)該在電動機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩的范圍以內(nèi)；2)工作負(fù)載與過載時間應(yīng)該在規(guī)定的范圍以內(nèi)；3)應(yīng)使加速度與希望的時間常數(shù)一樣；下表 22 為交流伺服電動機(jī)的特性實例：表 22 交流伺服電動機(jī)特性舉例 電動機(jī)特性 SM 型伺服電機(jī) IM 型伺服電機(jī)輸出功率 /W 1100 1100峰值電流（A/相) 峰值電壓（V/相） 功率因素 /% 功率 /% 電阻 /? 感應(yīng)電壓常數(shù)/ )]min([1??rV100 100轉(zhuǎn)動慣量/ ）（ 2kg? 4108.????功率變化率/ )s1??W（ 12 16 伺服電機(jī)選擇 伺服電機(jī)選擇原則步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運(yùn)動控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號） ，但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異。現(xiàn)就二者的使用性能作一比較。一般電機(jī)要承受兩種形式的力矩：恒定的負(fù)載力矩和切徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )6削力矩（包括摩擦力矩） ；加/減速力矩。步進(jìn)電機(jī)在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細(xì)分技術(shù)等。 交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT） ，可檢測出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。下面是選擇電機(jī)時應(yīng)滿足的條件：（1）機(jī)床無負(fù)載時，加在電動機(jī)上的力矩應(yīng)小于電動機(jī)的連續(xù)額定力矩的 50%一下。否則，在切削或加速/減速時電動機(jī)就可能過熱。（2）加/減速時間要短，須在電動機(jī)的允許范圍內(nèi)。通常，負(fù)載力矩幫助電動機(jī)的減速，因此如果加速在允許時間內(nèi)完成的話，減速也可在相同時間內(nèi)完成。這樣我們只需計算加速力矩，并在允許時間內(nèi)核算力矩在電動機(jī)的機(jī)械特性的斷續(xù)區(qū)內(nèi)。（3）頻繁地定位和加/減速會使電動機(jī)發(fā)熱，此時需要計算出電動機(jī)承受的力矩的均方根值 Trms，使其小于電動機(jī)的額定力矩 Tc。（4）電動機(jī)以最大切削力矩運(yùn)行的時間應(yīng)在允許范圍內(nèi)。（5）負(fù)載的慣量要小于電動機(jī)本身慣量的 3 倍。這里我們依據(jù)負(fù)載來選擇電動機(jī)。 伺服電機(jī)設(shè)計計算步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。加到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩通常由下式算出見式(): 式（）f2mTLF?????其中： ——加到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩（Nm）mT徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )7 F ——沿坐標(biāo)軸移動一個部件所需的力（ kgf） L ——電機(jī)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)機(jī)床的移動距離= ??21/ZP? ——滾珠絲杠螺母或軸承加到電機(jī)軸上的摩擦力矩 fT步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要 200～400 毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下 MSMA 400W 交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速 3000RPM 僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。無論是否在切削，是垂直軸還是水平軸，F(xiàn) 值取決于工作臺的重量，摩擦系數(shù)，F(xiàn) 值還與平衡錘有關(guān)。對于水平工作臺，F(xiàn) 值可按下式計算:W——工作臺與工件重量=60kg——滑動表面摩擦系數(shù)=?——驅(qū)動系統(tǒng)的效率=?Fg——鑲條鎖緊力 =5kgf——反切削力=50kgfCF——由切削力矩引起的滑動表面上工作臺上收到的力=30kgfcf（設(shè) =2kgf cm= m）fT??不切削時見式() ： 式（））fg(??WF? kgf5.)065.?? ）（（ 92/?T .???切削時見式() ： 式（））（ cfCFWF??)3056(?? kgf7 29./?）（T 1f0??N為滿足運(yùn)行條件，應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)選擇電動機(jī)，其負(fù)載力矩在不切削時應(yīng)大于 m，最高?轉(zhuǎn)速應(yīng)小于 2022r 。交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求?1in不高的場合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中要綜合徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )8考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。 伺服電機(jī)選擇綜上所述，選擇 FANUC 系列交流伺服電動機(jī)，電動機(jī)的型號為 FANUC40 該類型伺服電動機(jī)是由日本法納克公司為滿足 CNC 機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人的需要開發(fā)的，這種伺服交流電動機(jī)都是永磁式同步型伺服電動機(jī)，其特點(diǎn)都是定子為三相繞組，轉(zhuǎn)子為永久磁鐵。其結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速低，機(jī)械特性線性度好低速性能良好，可直接與絲杠連接。我們選用的 FANUC40，其數(shù)據(jù)見表 23。其特點(diǎn)如下：1）具有獨(dú)特的磁極形狀，使轉(zhuǎn)矩波動最??；2）外面沒有機(jī)殼，定于鐵心直接在空氣中冷卻，這種結(jié)構(gòu)使電動機(jī)溫升能減到最低；3）具有高的轉(zhuǎn)矩/慣量比，能承受高的加減速；4）由于采用了集中磁力線機(jī)構(gòu)，在保證高輸出轉(zhuǎn)矩的情況下，電動機(jī)體積小而且重量輕；5）由于采用高頻脈寬調(diào)制控制，電動機(jī)只有很低的噪聲和振動。表 23FANUC40 的技術(shù)數(shù)據(jù)型號） 輸出功率（KW）額定轉(zhuǎn)矩（Nm）最大轉(zhuǎn)矩(Nm)最高轉(zhuǎn)速(r/min)轉(zhuǎn)動慣量(kg/ )2m機(jī)械時間常數(shù)(ms)熱時間常數(shù)(min)質(zhì)量(kg)40 3000 ?11 15 滾珠絲杠副介紹 滾珠絲杠副概述滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)常用的循環(huán)方式有兩種：外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。滾珠每一個循環(huán)閉路稱為列，每個滾珠循環(huán)閉路內(nèi)所含導(dǎo)程數(shù)稱為圈數(shù)。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副的每個螺母有 2 列、3 列、4 列、5 列等幾種，每列只有一圈；外循環(huán)每列有 圈、 圈和 圈等幾種。（1） 外循環(huán)外循環(huán)是滾珠在循環(huán)過程結(jié)束后通過螺母外表面的螺旋槽或插管返回徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )9絲杠螺母間重新進(jìn)入循環(huán)。外循環(huán)滾珠絲杠螺母副按滾珠循環(huán)時的返回方式主要有端蓋式、插管式和螺旋槽式。（2） 內(nèi)循環(huán)內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠。內(nèi)循環(huán)均采用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種類型。 絲杠螺母機(jī)構(gòu)有滑動摩擦和滾動摩擦之分?；瑒咏z杠螺母機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能。但其摩擦阻力大，傳動效率低。滾動絲杠螺母機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜制造成本高。但其最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力小，傳動效率高，因此選用滾動絲杠螺母機(jī)構(gòu)。根據(jù)絲杠和螺母相對運(yùn)動的組合情況，其基本傳動形式一共可分為四種類型，其類型如下：（1）螺母固定、絲桿傳動并移動。該傳動形式因螺母本身起著支承作用，消除了絲桿軸承可能產(chǎn)生的附加軸向竄動，結(jié)構(gòu)比較簡單，可獲得較高的傳動精度。但其軸向尺寸不已太長，剛性較差。因此只適合用于行程較小的場合。（2）絲桿傳動、螺母移動。該傳動形式需要限制螺母的傳動，故需導(dǎo)向裝置。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、絲桿剛性較好。適用于工作行程較大的場合。（3）螺母傳動、絲桿移動。該傳動形式需要限制螺母移動和絲桿的傳動，由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且占用軸向空間較大，故應(yīng)用較少。（4）絲桿固定、螺母傳動并移動。該傳動方式結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但在多數(shù)情況下，使用極不方便，故很少應(yīng)用。根據(jù)工作臺運(yùn)動情況，應(yīng)選擇絲杠傳動螺母移動的形式，該傳動形式需要限制螺母的轉(zhuǎn)動，故需導(dǎo)