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第4章 数控水射流切割机床的传动系统设计
第4章 数控水射流切割机床的传动系统设计
4.1 伺服系统的发展
最早的数控机床采用步进电机和液压转矩放大器（又称电液脉冲马达）作为驱动电机。功率型步进电机出现后，因其功率较大，可以直接的驱动机床，使用方便，逐渐取代了电脉冲马达。
60年代初期，美国和欧洲采用液压伺服系统。同期，日本首先研制出一种新型的小惯量直流伺服电动机，其动态响应快，不亚于液压伺服系统，同时，用来驱动直流伺服电机的大功率晶闸管整流器的价格下降，所以在60年代中后期数控机床上普遍采用小惯量直流伺服电机。
小惯量直流伺服电机的最大特点是转速高，用于机床进给驱动时，必须采用齿轮减速箱，为了省去齿轮箱，70年代，美国盖梯茨公司首先研制成功了大惯量直流伺服电机，又称宽调速直流伺服电机，可以直接的与机床的丝杠相连。目前，许多数控机床都是使用大惯量直流伺服电机。
直流伺服电机的结构复杂，经常需要维修。80年代初期美国的通用电气公司研制成功笼型异步交流伺服电机。交流伺服电机的优点是没有电刷，避免了滑动摩擦，运转时无火花，进一步提高了可靠性，交流伺服电机也可以直接与滚珠丝杠相互连接，调速范围与大惯量直流伺服电机相近。据统计，欧美近年来生产的数控机床，采用交流伺服电机进行调速的占80%以上，采用直流伺服电机所占的比例不足20%。可以看出，采用交流伺服电机的调速系统已成为数控机床主要的调速方法。
4.2 数控水射流切割机的驱动系统设计
4.2.1 对数控机床机械系统的基本要求
数控机床的机械系统与传统的一般机床的机械部分的要求相比，除了要求具有较高的定位精度以外，还应该有良好的动态相应特性，就是说响应要快，稳定性要好。 这里所说得机械系统一般的包括减速装置，丝杠螺母副等机构。
为了确保机械系统的传动精度和工作的稳定性，在设计中，常提出以
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下要求：
1. 无间隙 2. 低摩擦 3. 低惯量 4. 高刚度
5. 高谐振频率 6. 适当阻尼比
为了达到以上的要求，主要从以下几个方面采取措施：
1. 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑件，如采用滚珠丝杠夫，滚动导向支撑等。
2. 缩短传动链，提高传动与支撑刚度，如采用加预紧的方法提高滚珠丝杠副的刚度和滚动导轨副的传动与支撑刚度；采用大扭矩，快调速的交流伺负电机直接的与滚珠丝杠相连接以减少中间的传动机构。
3. 选用最佳的传动比，减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量。尽可能的提高加速能力。
4. 缩小反向死区误差，采取消除传动间隙，减少支撑变形。 下面的设计根据以上的建议来进行。
4.2.2 驱动系统的设计
根据现有的机床进行参考，有伺服系统的发展可以看出，在电机控制领域交流电机调速技术取得了突破性进展，交流伺服驱动系统大举进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服驱动系统的最大优点是交流电机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠性角度来看，采用交流电机比直流电机将更合理。采用交流伺服电机调速系统已经成为了数控机床的主要调速方法。因此我所设计的数控水射流切割机床也采用交流伺服电机调速的方法。
由于交流伺服电机也可以和滚珠丝杠进行相连，这样的结构比较简单，拟采用这种简单的结构。交流伺服电机与丝杠相连接的方式有以下两种比较简单的形式：
1. 交流伺服电机通过联轴器和滚珠丝杠进行相连接。 2. 交流伺服电机通过一对调隙齿轮和滚珠丝杠相连接。
第一种方法，这种方式比较简单，可以减小伺服驱动的外型尺寸，从节省
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第4章 数控水射流切割机床的传动系统设计
空间的角度来看更为合理一点，而第二种方法有利于消除传动间隙，但是在传动系统中增加了一对齿轮，势必增加传动链的长度，降低了传动效率，并且增加了传动误差。权衡二者，采用第一种方法，既采用交流伺服电机通过联轴器和滚珠丝杠的方式。
4.3 机床传动部件的选择
滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。
滚珠丝杠与滑动丝杠相比有以下特点： 1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。
2、高精度的保证
滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度·湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。
3、微进给可能
滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。
4、无侧隙、刚性高
滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。
5、高速进给可能
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滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。 因此，选用滚珠丝杠，而不选择滑动丝杠。 滚珠丝杠的支撑方式有以下四种： （1）两端固定支撑
该种支撑形式，适用于高精度，高转速的情况下。 （2）一端固定，一端铰支
该种支撑形式使用于中等转速，高精度的情况下。 （3）两端铰支
该种支撑方式使用于中等转速，中等精度的情况。
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