【文章內(nèi)容簡介】 杠副 的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運(yùn)動 ,所以能得到較高的運(yùn)動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達(dá)到 1/3 以下 ,即達(dá)到同樣運(yùn)動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的 1/3。在省電方面很有幫助。 采用滾珠絲杠副，滾珠絲杠直接與聯(lián)軸器連接。 （ 2）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用滾動直線導(dǎo)軌。 直線導(dǎo)軌一般為二種，一種是滾動式，一種是滑動式，滾動直線滑軌是一種滾動導(dǎo)引，它由鋼珠在滑 塊與滑軌之間作無限滾動循環(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?，F(xiàn)在滑塊與滑軌間的末制單元設(shè)計(jì)，使得線形滑軌可同時(shí)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(jì)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(jì) (論文 ) 5 （ 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(gè)用以產(chǎn)生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個(gè)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(jì)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(jì) 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(shí)，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(gè)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(gè)繞組上所加的電壓反相時(shí)，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(shí)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(jì)算裝置中 非磁性杯型交流伺服電動機(jī) SK ADP 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(jì)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) SD SA ND 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(jì)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(jì) (論文 ) 6 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(gè)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(shí)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(shí)間常數(shù)一樣； 下表 22 為交流伺服電動機(jī)的特性實(shí)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??? rmV 100 100 轉(zhuǎn)動慣量 / ）（ 2mkg? ?? ?? 功率變化率 / )sk 1??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)載力矩和切削力矩（包徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 括摩擦力矩）；加 /減速力矩。 步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)應(yīng)滿足的條件： （ 1）機(jī)床無負(fù)載時(shí)，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(shí)電動機(jī)就可能過熱。 （ 2）加 /減速時(shí)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(shí)間內(nèi)完成的話，減速 也可在相同時(shí)間內(nèi)完成。這樣我們只需計(jì)算加速力矩，并在允許時(shí)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(shí)需要計(jì)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(shí)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(jì)計(jì)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?yàn)闆]有這種過載能力，在選型時(shí)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 (): f2m TLFT ??? ?? 式（ ） 其中： mT —— 加到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩（ Nm） F —— 沿坐標(biāo)軸移動一個(gè)部件所需的力（ kgf） 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 L —— 電機(jī)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)機(jī)床的移動距離 = ? ?21 /ZZP? fT —— 滾珠絲杠螺母或軸承加到電機(jī)軸上的摩擦力矩 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 值取決于工作臺的重量，摩擦系數(shù)， F 值還與平衡錘有關(guān)。對于水平工作臺， F 值可按下式計(jì)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 CF —— 反切削力 =50kgf cfF —— 由切削力矩引起的滑動表面上工作臺上收到的力 =30kgf （設(shè) fT =2kgf? cm=? m） 不切削時(shí) 見式 ()： ）fg( ?? WF ? 式（ ） )5060( ????F kgf ）（（ ) ???? ?T m0 . 1 Ncmk g ???? 切削時(shí) 見式 ()： ）（ cfC fg FWFF ???? ? 式（ ） )305060( ?????F kgf57? 2)( ????? ?）（T m1mk g f10 ???? 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(shí)應(yīng)大于 ? m，最高轉(zhuǎn)速應(yīng)小于 20xxr? 1min 。 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(jì)過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 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)矩波動最小； 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(shí)間常數(shù) (ms) 熱時(shí)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(xiàng)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)?扭矩 轉(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)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(shí)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(gè)循環(huán)閉路稱為列，每個(gè)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(gè)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(shí)的返回方式主要有端蓋式、插管式和螺旋槽式。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 （ 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(shí)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。滑動絲杠螺母機(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