数控机床伺服系统的几个关键技术问题

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1、圃固匹疃疆殛仿囊，建檬ICADICAMICAEICAPP数控机床伺服系统的几个关键技术问题邓力凡(湖南机电职业学院机械工程系，长沙410151)1引言近几年来CNC机床出现了一些更新的的伺服进给系统，如德国Rexroth、INA公司和日本THK公司推出了由AC电机直接驱动的高速滚珠丝杆PHS—BS的高速线性驱动装置，并且采用了双电机双丝杆驱动方式，提高了伺服系统在高速时的平稳性，改善了动能特性。驱动线速度达60～100m／min，加速度达0．5～1．5g，定位精度达2～5txm，适合行程在3m以内的中高档CNC机床。AC—LM直线电机伺服实现了零传动即直接

2、传动，它58×108×(2)抛弃了动力源与工作部件之间的中间传动环节，实现了其中：为受力最大的滚动体上的载荷高速与低速的加减特性和随动性，高灵敏的动态精确定P×(1+6M)(3)位即敏捷的跟踪性。驱动线速度达60～200m／min，加速度达O．5～10g，定位精度达0．1～0．01txm，AC—LM直线电机伺M一导轨面中点的力矩；P-导轨面中点的力；L一滚动体有服已由德国DMG及美国CINCINADI及日本MAZAK公效工作长度；z_滚动体的数量。司较成熟地推向市场。而Z≤，1——，_=(4)这些新的伺服概念对于在中国推广高性能的数控伺0．95xx／d服系

3、统就显得尤为重要和迫切．但要推广使用，还必需解G一每条导轨上所承受的运动部件的重量，kg；d～滚动体的决几个关键技术问题，即：数控伺服系统的伺服刚度，惯直径。量匹配，固有振动频率，矢动量。可见：适当减少滚动体的数量z，可增加，从而提2伺服刚度高一；但z过小，由于滚动体的制造误差会造成载荷不伺服系统不但要在高速时实现移动部件的高速空刀均匀。进给及快速切削(跟刀)进给，在有些地方还要实现低速因此，在适当减小滚动体直径的同时，适当减小滚动微量切削过程，在低速微量进给运动中，要求伺服系统具体的数量z，并提高滚动体的制造精度，可增大一而提有较高的伺服刚性，这样才能避

4、免伺服的爬行，避免破坏高导轨的刚性。进给运动的均匀性。伺服刚性K由机械传动部分刚度K(2)K导轨与滚动导轨和伺服驱动部分刚度K组成。的预紧有关2．，机械传动部分刚度K通过对导轨副的预对于由伺服电机+滚珠丝杆+直线滚动导轨的结构紧可消除滚动体与导轨的间隙，并在两者间产生(如图1所示)：=+(1)凡^丝轩^导轨弹性变形而提高一和2．1．1直线滚动导轨的刚度K导轨提高刚性；但刚度提高的(1)K与滚动体和导轨的接触应力～有关同时，牵引力也同步增基金项目：湖南省教育厅科研资助项目(10C0157)加，如图2所示。98{机械工程师2010年第9期制造业信总化仿囊，建礁

5、ICADICAMICAEICAPP可见，要选择合适的预紧力，使刚度提高而使牵引力结论：(a)适当增大丝杆和丝杆钢球直径，增大丝杆钢增加不大才是关键。最大的预紧力如何确定?球接触角及增加钢球个数，减小丝杠支承跨距，对丝杠刚施加了预加载荷后，受力最大的滚动体的载荷P：度均有益处。(b)对丝杆起支承作用的轴承，增大轴承钢p-=越(1+6M)(5)球直径及个数、钢球接触角，均可提高丝杠部件的轴向刚舢度。(c)对选购的滚珠丝杠部件只能通过预紧提高刚度。P预大一为最大的预加载荷，则施加了预加载荷后的接触应2．2伺服驱动部分刚度力为：4．58X10×I／≤[or]=1．

6、8x10伺服电机的特点是可控性，能满足CNC机床伺服系统的要求(即：低惯量，起动转矩大，低速运转平稳及均匀，所以：u一≤(6)换向性好，过载能力强)；可控性体现在：有控制信号时就转动，无控制信号时就停止转动；改变电机的控制电压或可见：最大预加载荷与导轨副的受力状况最为相关，频率，就可改变伺服电机的转速和转向。当然也与导轨副的材料硬度和制造精度有较大关系；当所以，伺服驱动部分刚度取决于伺服电机的低速运滚珠及导轨硬度越高，预紧力越大，且滚动体和导轨的制转的稳定性、均匀性和快速换行能力。现在的伺服电机广造精度越高，在相同的载荷下所需的预紧力要小些。泛采用同步永磁

7、伺服电机，同步的含义是电机的转速与结论：(a)在目前的制造工艺条件下，以滚动体表面硬度控制信号的频率存在一种严格的关系。为HRC60，预紧力(过盈量)为7-15txm为最佳选择；(b)定伺服电机的低速运转的稳定性取决于运行时带负载制导轨副时，为提高刚性应适当减小z和d，并提高制造质的能力，稳定运行时电磁转量；(c)对选购的导轨副为提高刚性只能通过适当预紧。矩与所带负载转矩相等，当2．1．2滚珠丝杆的刚度K杆负载为0时，电磁转矩也为—L：—L+—l¨_f7)0；所以低速运转的稳定性和K丝杆K扭K轴向、(1)丝杆的扭转变形均匀性取决于电机的机械特在扭矩的作用下

8、，丝杆的扭转变形角引起丝杆性，如图3所示。每个螺距的变化量△：机械