数控机床进给系统讲义

数控机床进给系统步进电机开环进给伺服系统原理图：数控典型进给传动系统及系统图数控机床进给系统1．由步进电机构成的开环控制系统步进电机开环伺服系统结构简单，安装调试方便，成本低，但精度有限。影响精度的因素精度取决于步进电机和机械装置的精度。其他因素如步进电机的步距角精度，机械传动部件的精度，丝杠、支承的传动间隙以及传动和支承件的变形等，将直接影响进给位移的精度。提高精度的措施适当提高系统组成环节的精度，还可采取传动间隙补偿和螺距误差补偿等补偿措施。数控典型进给传动系统及系统图数控机床进给系统2．闭环进给位置伺服系统闭环位置控制主要采用直流伺服电动机或交流伺服电动机驱动，机床工作台的实际位移可通过检测装置及时反馈给数控装置中的比较器，以便与指令位移信号进行比较，两者的差值又作为伺服电机的控制信号，进而驱动工作台消除位移误差。闭环系统的分类由于闭环、半闭环控制系统采用的位置检测元件不同，使得指令信号与位置反馈信号的比较方式不同，通常有脉冲比较、相位比较和幅值比较三种不同的比较方式。脉冲比较伺服系统工作原理系统按功能模块大致可分为三部分：采用光电脉冲编码器产生位置反馈脉冲Pf；实现指令脉冲F与反馈脉冲Pf的脉冲比较环节，以取得位置偏差信号e；以位置偏差e作为速度调节系统。数控典型进给传动系统及系统图数控机床进给系统脉冲比较伺服系统原理图数控典型进给传动系统及系统图数控机床进给系统2．闭环进给位置伺服系统脉冲比较电路的基本组成有两个部分：一是脉冲分离部分，二是可逆计数器。应用可逆计数器实现脉冲比较的基本原理当输入指令脉冲为正（即F＋）或反馈脉冲为负（即Pf－）时，可逆计数器作加法计数；当指令脉冲为负（即F－）或反馈脉冲为正（即Pf＋）时，可逆计数器作减法计数。脉冲分离原理当加、减脉冲先后到来时，脉冲本身就是分离的，则可直接进入可逆计数器按预定的要求作加法计数或减法计数；若加、减脉冲同时到来时，则由硬件逻辑电路保证，先作加法计数，然后经过几个时钟的延时再作减法计数，这样，可保证两路计数脉冲信号均不会丢失。数控典型进给传动系统及系统图数控机床进给系统脉冲比较环节框图数控典型进给传动系统及系统图数控机床进给系统2．闭环进给位置伺服系统相位伺服系统的工作原理在采用感应同步器作为位置检测元件的相位伺服系统中，感应同步器取相位工作状态，以定尺的相位检测信号经整形放大后所得的PB（θ）作为位置反馈信号。指令脉冲F经脉冲调相后，转换成重复频率为f0的脉冲信号PA（θ）。PA（θ）和PB（θ）为两个同频的脉冲信号的相位差Δθ反映了指令位置与实际位置的偏差，由鉴相器判别检测。伺服放大器和伺服电机构成的调速系统，接受相位差Δθ信号以驱动工作台朝指令位置进给，实现位置跟踪。数控典型进给传动系统及系统图数控机床进给系统相位比较伺服系统原理框图数控典型进给传动系统及系统图数控机床进给系统2．闭环进给位置伺服系统（8）幅值比较伺服系统工作原理是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。该系统的特点是所用的位置检测元件（感应同步器和旋转变压器）应工作在幅值工作方式。数控典型进给传动系统及系统图数控机床进给系统幅值比较伺服系统框图数控典型进给传动系统及系统图数控机床进给系统3．半闭环进给位置伺服系统基本构成：系统由位置控制单元和速度控制单元构成。注意事项：光电脉冲编码器发出的脉冲，一方面用作位置的反馈信号，另一方面用作测速信号。频率—电压变换器的作用是输出与反馈脉冲信号的频率变化成正比的直流电压信号，该信号就是速度单元的速度反馈信号，它与速度指令电压比较来控制伺服电机转速。数控典型进给传动系统及系统图数控机床进给系统半闭环进给伺服系统原理图数控典型进给传动系统及系统图数控机床进给系统半闭环进给伺服传动系统组成滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副双螺母数控机床进给系统伺服电机支承轴承丝杠滚珠丝杠螺母半闭环进给伺服传动系统组成伺服电机数控机床进给系统随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已经开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化，应用数字PID算法，用PID程序来代替PID调节器的硬件，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。全数字伺服系统数控机床进给系统位置、速度和电流构成的三环结构如图所示。数控机床进给系统数控机床进给系统数控机床进给系统数控机床进给系统数控机床进给系统进给传动系统的主要构造和功用数控车床X轴进给结构传动特点：交流伺服电机＋同步带＋滚珠丝杠主要构造：1）与电机同轴安装编码器；2）双螺母滚珠丝杠；3）丝杠支承：前端支承：双列角接触球轴承；后端支承：三列角接触球轴承；4）丝杠固定：两端固定；5）矩形滑动导轨＋调整元件预紧；数控机床进给系统卧式车床的布局进给箱主轴箱卡盘刀架尾架溜板箱床身底座底座实现刀架纵向、横向进给、快速移动或车螺纹用于改变进给量或被切螺纹导程装夹车刀，实现纵向、横向和斜向运动传递动力，实现主轴变向、变速的主运动支承长工件，安装孔加工刀具支承、安装各主要部件数控机床进给系统MJ-50型数控车床X轴进给结构滑板螺母螺母滚珠丝杠滚珠丝杠前支承缓冲块缓冲块滚珠丝杠后支承同步带轮螺母同步带同步带交流伺服电动机脉冲编码器镶条数控机床进给系统主要构造：1）与丝杠同轴安装编码器；2）单螺母滚珠丝杠；3）丝杠支承：前端支承：三列角接触球轴承；后端支承：单列滚子轴承；4）丝杠固定：前端固定＋后端浮动；5）电动机与同步带联接：无键联接；传动特点：交流伺服电机＋同步带＋滚珠丝杠MJ-50型数控车床Z轴进给结构数控机床进给系统脉冲编码器同步带轮缓冲块螺母螺母滚珠丝杠缓冲块右支承同步带同步带轮床身交流伺服电动机MJ-50型数控车床Z轴进给结构数控机床进给系统脉冲编码器同步带轮滚珠丝杠角接触轴承螺母同步带轮螺钉法兰内锥环外锥环MJ-50型数控车床Z轴进给前端结构数控机床进给系统（一）进给传动系统的作用和要求1）作用接受数控系统发出的进给脉冲，经放大和转换后驱动执行元件实现预期的成形运动。进给传动系统承担了数控机床各直线坐标轴和回转坐标轴的定位，以及切削进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性，它直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精度。2）要求1.高的精度要求所谓精度是指伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度。。（提高精度措施：脉冲当量越小，机床的精度就越高。消除进给传动链的间隙，一般脉冲当量应在0.01~0.001mm之内。）数控机床对进给传动系统的要求数控机床进给系统2.宽的调速范围由于数控机床加工要适应各种工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围。3.快的响应速度所谓响应速度是指伺服系统跟随指令信号的响应速度快，使工作台能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，保证轮廓切削的形状精度和良好的加工面精度。4.好的稳定性要有较强的抗干扰能力，有较硬的调速机械特性，外加负载变化的适应能力强。5.大的转矩输出要求低速时进给驱动要有大的转矩输出。（措施：需缩短进给驱动传动链，简化机械结构，增强系统刚性，提高传动精度）。数控机床对进给传动系统的要求数控机床进给系统6.运动件的摩擦阻力小进给系统中的摩擦阻力会降低传动效率，并产生摩擦热，特别是会影响系统的快速响应特性。（措施；减弱导轨和丝杠的结构使摩擦阻力）。8.消除传动系统中的间隙对于开环伺服系统，传动环节的间隙会产生定位误差；对于闭环伺服系统，包括滚珠丝杠、轴承、齿轮、蜗轮蜗杆，甚至连轴器和键联接都必须采用相应的消除间隙措施。9.减小运动惯量，具有适当的阻尼在满足强度和刚度的条件下，应尽可能地合理配置各元件，使它们的惯量尽可能地小。系统中的阻屁既降低了伺服系统的快速响应特性，又能够提高系统的稳定性。数控机床对进给传动系统的要求数控机床进给系统（二）.进给传动系统的基本形式直线和圆周进给运动两类。直线进给运动实现方法：滚珠丝杠螺母副、齿轮齿条副、直线电机；圆周进给运动实现方法：齿轮副、蜗轮蜗杆副；2）根据驱动电机又分为：(1)步进电机伺服进给系统；(2)直流电机伺服进给系统；(3)交流电机伺服进给系统；(4)直线电机伺服进给系统；1）按进给运动分：数控机床对进给传动系统的要求数控机床进给系统(1)有较高的工作精度；(2)响应速度快；(3)调速范围宽；(4)稳定性好；(5)可靠性高；（三）.进给传动的组成部件及其要求(1)运动部件；(如工作台、导轨、横梁、立柱等)(2)伺服电动机；(3)检测元件；(4)联轴节；(5)丝杠轴承；(6)滚珠丝杠螺母副(或齿轮齿条副)；(7)减速机构(齿轮副和带轮)；1）进给传动系统的主要机电部件有：2）对进给传动部件的要求：数控机床对进给传动系统的要求数控机床进给系统进给系统的装配方法保证装配精度的方法可归纳权为：互换装配法、选择装配法、修配装配法和调整装配法四大类。一、互换装配法   互换装配法可分为完全互换装配法和不完全互换装配法，现分述如下：1.完全互换装配法(1)特点：  优点：装配质量稳定可靠（装配质量是靠零件的加工精度来保证）；装配过程简单，装配效率高（零件不需挑选，不需修磨）；易于实现自动装配,便于组织流水作业；产品维修方便。 数控机床进给系统 不足之处：当装配精度要求较高，尤其是在组成环数较多时，组成环的制造公差规定得严，零件制造困难，加工成本高。(2)应用：完全互换装配法适用于在成批生产、大量生产中装配那些组成环数较少或组成环数虽多但装配精度要求不高的机器结构。2.统计互换装配法（不完全互换装配法）优点：扩大了组成环的制造公差，零件制造成本低；装配过程简单，生产效率高。不足之处是：装配后有极少数产品达不到规定的装配精度要求，须采取另外的返修措施。大数互换装配方法适用于在大批大量生产中装配那些装配精度要求较高且组成环数又多的机器结构。进给系统的装配方法数控机床进给系统二、选择装配法1、选择装配法种类   •直接选配法：特点：1）装配精度较高；2）装配时凭经验和判断性测量来选择零件，装配时间不易准确控制；3）装配精度在很大程度上取决于工人的技术水平。   •分组选配法：（4）特点：主要优点是：零件的制造精度不高，但却可获得很高的装配精度；组内零件可以互换，装配效率高。不足之处是：增加了零件测量、分组、存贮、运输的工作量。分组装配法适用于在大批大量生产中装配那些组成环数少而装配精度又要求特别高的机器结构。进给系统的装配方法数控机床进给系统三、修配装配法       2、特点：主要优点是：组成环均可以加工经济精度制造，但却可获得很高的装配精度。不足之处是：增加了修配工作量，生产效率低；对装配工人的技术水平要求高。   3、应用：修配装配法适用于单件小批生产中装配那些组成环数较多而装配精度又要求较高的机器结构。四、调整装配法    调节调整件相对位置的方法有可动调整法、固定调整法和误差抵消调整法等三种。   2、特点：主要优点是：组成环均可以加工经济精度制造，但却可获得较高的装配精度；装配效率比修配装配法高。不足之之处：是要另外增加一套调整装置。  3、应用：可动调整法和误差抵消调整法适用于在小批生产中应用，固定调整法则主要适用于大批量生产。进给系统的装配方法数控机床进给系统进给系统的装配过程装配过程；1。在床身上安装Z轴步进电动机，2。滚珠丝杠螺母副的安装3。在床身上安装Z轴滚珠丝杆，4。装上溜板箱，5。在溜板箱上装上X轴步进电动机，6。装上X轴滚珠丝杆，7。装上刀架溜板，8。装上电动刀架，9。装上同步带。数控机床进给系统滚珠丝杠主要承受轴向载荷，它的径向载荷主要是卧式丝杠的自重。1)支承轴承组合（三种）向心球轴承＋圆锥滚子轴承；双向推力角接触球轴承(丝杠专用)＋角接触球轴承；60°角接触轴承(丝杠专用)＋圆锥滚子轴承；滚珠丝杠螺母副的安装进给系统的装配过程数控机床进给系统滚珠丝杠专用轴承60°角接触轴承滚针/推力圆柱滚子轴承进给系统的装配过程数控机床进给系统上图所示是一端固定一端自由的支承形式。其特点：是结构简单，轴向刚度低，适用于短丝杠及垂直布置丝杠。一般用于数控机床的调整环节和升降台式数控铣床的垂直坐标轴2)支承固定方式进给系统的装配过程数控机床进给系统图b一端固定一端游动的支承形式进给系统的装配过程数控机床进给系统下图所示是两端固定的支承形式，丝杠的轴向刚度约为一端固定形式的4倍，可预拉伸，这样既可对滚珠丝杠施加预紧力，又可使丝杠受热变形得到补偿，保持恒定预紧力，但结构工艺都较复杂适用于长丝杠。进给系统的装配过程数控机床进给系统3)滚珠丝杠螺母副与电动机的联接（有三种）(1)联轴器直接联接优点：具有最大的刚度；本身无间隙，传动精度高；结构简单；适用中小型及高速CNC。进给系统的装配过程数控机床进给系统挠性联轴器1－压圈2－联轴套3－柔性片4－球面垫5－锥环数控机床进给系统(2)齿轮联接特点：可变速传动，转矩可调，机电匹配性好，布置灵活；但噪声大，摩擦增加，传动有间隙，闭环易振荡，传动效率降低。进给系统的装配过程数控机床进给系统(3)同步齿形带联接；同步带传动装置进给系统的装配过程数控机床进给系统同步齿形带传动是综合了带、链传动优点的新型传动方式。具有：(1)传动效率高，可达98％以上。(2)无滑动，传动比准确。(3)传动平稳，噪声小。(4)使用范围较广，速度可达50m／s，速比可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦。(5)维修保养方便，不需要润滑。(6)安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高同步带传动特点：进给系统的装配过程数控机床进给系统装配注意事项：1.清洗其目的是去除零件表面的油污及机械杂质。清洗的方法有浸洗、擦洗、喷洗和超声波清洗等。清洗液主要有煤油、汽油等石油溶剂、碱液和各种化学清洗液2.联接联接方式一般有以下两种：(1)可拆卸联接(2)不可拆卸联接。3.校正、调整与配作为了保证部装和总装的精度，在批量不大的情况下，常需进行校正、调整与配作工作。4.平衡为了防止运转平稳性要求较高的机器在使用中出现振动。5.在生产中常用静平衡法和动平衡法来消除由于质量分布不均匀所造成的旋转体的不平衡。6.验收试验机械产品装配完成后，应根据有关技术的规定，对产品进行较全面的验收和试验工作，合格后才能出厂。进给系统的装配过程数控机床进给系统1）防护通常滚珠丝杠副可用防尘密封圈和防护套密封；密封圈有接触式和非接触式两种，装在滚珠螺母的两端。防护套可防止尘土及杂质进入滚珠丝杠，一端连接在滚珠螺母的端面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。2）润滑常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂润滑一般在安装过程中放进滚珠螺母的滚道内，定期润滑；润滑油润滑要经常通过注油孔注油。7.滚珠丝杠螺母副的防护与润滑进给系统的装配过程数控机床进给系统