数控机床进给传动系统.doc

数控机床进给模块之机械部件装配一．进给传动系统图

纵向和横向进给传动系统图

二．系统图的主要构造和功用

电动机：

1. 步进电动机

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的驱动元件。步进电动机

是一种特殊的电动机，一般电动机通电后都是连续转动的，而步进电动机则有定位与运转两种状态。当有一个电脉冲输入时，步进电动机就回转一个固定的角度，这角度称为步距角，一个步距角就是一步，所以这种电动机称为步进电动机。又由于它输入的是脉冲电流，也称作脉冲电动机。当电脉冲连续不断地输入，步进电动机便跟随脉冲一步一步地转动，步进电动机的角位移量和输入的脉冲个数严格成正比例，在时间上与输入脉冲同步。因此，只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组的通电顺序，便可获得所需转角、转速和方向。在无脉冲输入时，步进电动机的转子保持原有位置，处于定位状态。步进电动机的调速范围广、惯量小、灵敏度高、输出转角能够控制，而且有一定的精度，常用作开环进给伺服系统的驱动元件。与闭坏系统相比，它没有位置速度反馈回路，控制系统简单，成本大大降低，与机床配接容易，使用方便，因而在对精度、速度要求不十分高的中小型数控机床上得到了广泛地应用。

2. 直流伺服电动机

由于数控机床对进给伺服驱动装置的要求较高，而直流电动机具有良好的调速特性，因此在半闭坏、闭坏伺服控制系统中，得到较广泛地使用。直流进给伺服电动机就其工作原理来说，虽然与普通直流电动机相同。然而，由于机械加工的特殊要求，一般的直流电动机是不能满足需要的。首先，一般直流电动机转子的转动惯量过大，而其输出转矩则相对较小。这样，它的动态特性就比较差，尤其在低速运转条件下，这个缺点就更突出。在进给伺服机构中使用的是经过改进结构，提高其特性的大功率直流伺服电动机，主要有以下两种类型：（1）小惯量直流电动机。主要结构特点是其转子的转动惯量尽可能小，因此在结构上与普通电动机的最大不同是转子做成细长形且光滑无槽。以此表现为转子的转动惯量小，仅为普通直流电动机的1/10左右。因此，响应特别快，机电时间常数可以小于10 ms，与普通直流电动机相比，转矩与惯量之比要大出40~50倍。且调速范围大，运转平稳，适用于频繁起动与制动，要求有快速响应（如数控钻床、冲床等点定位）的场合。但由于其过载能力低，并且电动机的自身惯量比机床相应运动部件的惯量小，因此应用时都要经过一对中间齿轮副，才能与丝杠相连接，在某些场合也限制了它广泛地使用。

（2）大惯量直流电动机。又称宽调速直流电动机，是在小惯量电动机的基础上发展起来的。在结构上和常规的直流电动机相似，其工作原理相同。当电枢线圈通过直流电流时，就会在定子磁场的作用下，产生带动负载旋转的电转矩。小惯量电动机是从减小电动机转动转量来提高电动机的快速性，而大惯量电动机则是在维持一般直流电动机转动惯量的前提下，尽量提高转矩的方法来改善其动态特性。它既具有一般直流电动机便于调速、机械特性较好的优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能。因此，可归纳为以下特点：

1）转子惯量大。这种电动机的转子具有较大的惯量，容易与机床匹配。可以和机床的进给丝杠直接连接，省掉了减速机构，故可使机床结构简单，即避免了齿轮等传动机构产生的噪声和振动，又提高了加工精度。

2）低速性能好。这种电动机低速时输出转矩大，能满足数控机床经常在低速进给时进给量大、转矩输出大的特点，如能在1 r/min甚至0.1 r/min下平稳运转。

3）过载能力强、动态响应好。由于大惯量直流电动机的转子有槽，热容量大，同时采用了冷却措施后，提高了散热能力。因此可以过载运行30分钟。另外，电动机的定子采用矫顽力很高的铁氧体永磁材料，可使电动机过载10倍而不会去磁，这就显著地提高了电动机的瞬间加速力矩，改善了动态响应，加减速特性好。

4）调速范围宽。这种电动机机械特性和调速特性的线性度好，所以调速范围宽而运转平稳。一般调速范围可达1∶10000以上。

大惯量直流电动机尽管有上述优点，但仍有不如其它驱动元件的地方，如运行调整不如步进电动机简便；快速响应性能不如小惯量电动机。这种驱动系统可直接接有高精度检测元件，如一些测量转速和转角等检测元件，实现半闭坏、闭环伺服系统的精确定位。

3. 交流伺服电动机

尽管直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流电动机存在着不可避免的缺点：它的电刷和换向器易磨损，需经常维护；另外换向时易产生火花，使电机的最高转速受到限制，也使应用环境受到限制。而且，直流电动机结构复杂，制造成本高。

随着大规模集成电路、计算机控制技术及现代控制理论的发展与应用，80年代交流伺服驱动技术取得了突破性地进展，使得交流伺服电动机具备了调速范围宽、稳速、精度高、动态响应快以及其它良好的技术性能。交流电动机转子惯量较直流电动机小，动态响应更好，在一般同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高10%~70%，因此交流电动机可选得大一些，以达到更高的电压与转速。

交流伺服电动机采用了全封闭无刷构造，不需要定期检查与维修定子，省去了铸造件壳体，比直流电动机在外形尺寸上减少了50%，重量减轻近60%，转子惯量减至20%。定子铁芯较一般电动机开槽多且深，绝缘可靠，磁场均匀。还可对定子铁芯直接冷却，散热效果好。因而传给机械部分的热量少，提高了整个系统的可靠性。转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁，可得到高的转矩/惯量比。因此交流伺服电动机可得到比直流伺服电动机更硬的机械性能和宽的调速范围，交流伺服以其高的性能、大容量得到了广泛地应用。

交流伺服电动机提高性能的关键在于解决对交流电动机的调速控制与驱动。对交流伺服电动机的调速，目前用得较多的是计算机对交流电动机磁场作矢量变换控制，其基本原理是把交流电动机等效为直流电动机，从而使交流电动机像直流电动机一样进行有效地控制。

数控进给传动结构：

在数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有：滚珠丝杠螺母副、静压蜗杆-蜗母条、预加载荷双齿轮-齿条及双导程蜗杆等。

1. 滚珠丝杠螺母副传动

为了提高数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度，必须减少运动件的摩擦阻力和动静摩擦力之差。为此，在中小型数控机床中，滚珠丝杠螺母副是采用最普遍的结构。

(1）滚珠丝杠副的工作原理。滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互转换的新型传动装置，是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。其结构原理示意如图，图中丝杠和螺母上都加工有弧形螺旋槽，将它们套装在一起时，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成了螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，滚珠则既自转又沿着滚道流动。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的滚道两端用返回装置（又称回珠器）连接起来，使滚珠滚动数圈后离开滚道，通过返回装置返回其入口继续参加工作，如此往复循环滚动。