伺服电动机与进给丝杠的连接

伺服电动机与进给丝杠的连接

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摘要：

本文主要讲述了伺服电动机与进给丝杠的连接，通过对数控机床进给伺服系统的介绍，对简单结构进行认知，和对进给伺服系统的作用及组成的了解，进而引入对伺服电动机与进给丝杠的连接的详细叙述，通过对伺服电动机与进给丝杠的连接的三种方式展开对其的知识掌握，最后对其在社会工业发展中的实际应用的发展进行了解。

关键词：数控机床的伺服进给系统、伺服电动机、进给丝杠、特点、发展Abstract：Thispaperismainlyabouttheservomotorandafeedscrewconnection,throughthe introductionofCNCmachinetoolservosystem,cognitionofsimplestructure,an dthefeedingservosystemofthefunctionandcompositionoftheunderstanding,a ndthenintroducetheservomotorandthefeedscrewconnectionsaredescribedind etail,expandtheknowledgethroughtheservomotorandthefeedscrewconnection ofthethreeways,finally,thepracticalapplicationintheindustrialsocietyi nthedevelopmentofthedevelopmentofunderstanding.

Keywords：

Servofeedsystem,servomotor,feedscrew,characteristicsanddevelopmentofC NCmachinetools

1引言

目前,数控机床正朝着高精度、高速度、高可靠性以及智能化、数字化、绿色环保等方向发展。而我国数控机床在技术水平,性能和质量等方面与国外发达国家有很大差距。因此加快我国数控机床及其功能部件的发展速度是当务之急。高速数控机床进给系统一般依靠两种传动方式:高速精密滚珠丝杠副传动和直线电机传动。其中滚珠丝杠副传动方式由于采用旋转电机，到联轴器，再经过滚珠丝杠螺母等一系列中间传动和变换环节,因此使得整个传动系统的刚度降低。

2数控机床的进给伺服系统简介

数控机床的进给伺服系统是数控机床的重要组成部分，它由伺服电机、联轴节（或减速齿轮）、滚珠丝杠螺母副（含丝杠支承）、导轨副、传动工作台移动；或蜗杆蜗轮副传动数控回转工作台或分度工作台。

数控机床的进给伺服系统是一种位置随动与定位系统，它的作用是快速、准确地执行由数控系统发出的运动命令，精确地控制机床进给传动链的坐标运动。它的性能决定了数控机床的许多性能，如最高移动速度、轮廓跟随精度、定位精度等。

2.1典型结构

图2-1是数控机床进给传动系统的典型结构：

图2-1是立式加工中心X 和Y 两坐标进给系统的机械结构图。伺服电机1与滚珠丝杠3通过联轴节2直连并直接驱动工作台5.直线运动采用滚动轴承，保证运动精度和动作的灵敏度。编码器一般安装在伺服电机轴上，成为一个整体单元。计算机控制系统协调两个运动坐标的位移和速度，完成平面轮廓的切削。

2.2进给伺服系统的作用及组成

作用：数控机床的进给系统是伺服系统的主要组成部分，它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运动，即将伺服电动机的旋转运动转变为工作台的直线移动或回转运动。

2.3电动机与丝杠的联接 组成：减速装置、转动变移动的丝杠螺母副、导向元件等。减速装置常采用齿轮机构和带轮机构，导向元件常采用导轨。

1-伺服电机；2-联轴节；3-滚珠丝杠； 4-限位开关；5-工作台；6-轴承；7-导轨；8-磁尺；9-螺母

图2-1伺服电机与丝杠直连的进给系统机械结构图

图2-2进给伺服系统的组成

3伺服电动机与进给丝杠的联接的三种方式

3.1通过同步齿形带联接

同步带是靠啮合齿轮传动的新型带，它兼有带传动和链传动的优点。同步齿形带是以钢丝绳为强力层，外面用氯丁橡胶或聚氨酯包裹。由于强力层中的钢丝绳在承载后变形小，能保持齿形带的周节不变。因此带与带轮之间无相对滑动，能保持准确的传动比，亦即主、从动轮能做无滑差同步传动。这种带薄而轻，惯性效应小，因而可用于高速传动，其圆周速度v 可达40m/s 。由于它不是靠摩擦传动，因此小带轮包角可减小，传动比i 可达10，传动效率也高达98%~99%。这种带的主要缺点是齿形带轮的制造复杂、成本高。

如图3-1所示，同步齿形有梯形和圆弧齿两类：

其中，模数制梯形齿是我国最先开发的同步带，现仍有使用，但不推荐用于新设计。周节制梯形齿已有国家标准（CB11616-89）。圆弧齿同步带只有行业标准，在机电行业中已有广泛的应用。

同步齿形带传动综合了带传动和链传动的优点，运动平稳，吸振好，噪声小。缺点是对中心距要求高，带和带轮制造工艺复杂，安装要求高。

同步齿形带带型从最轻型到超重型共分七种。选择同步齿形带时，首先根据要求传递的功率和小带轮的转速选择同步齿形带的带型和节距，然后根据要求传递的变速比确定小带轮和大带轮的直径。通常在带速和安装尺寸条件允许时，小带轮直径尽量取大一些；再根据初选轴间距计算带长，选取标准同步齿形带；最后确定带宽和带轮的结构和尺寸。

同步齿形带传动的主要失效形式是同步齿形带疲劳断裂、带齿剪切和压馈以及同步齿形带两侧和带齿的磨损，因而同步齿形带传动校核主要是限制单位齿宽的拉力，必要时还校对工作齿面的压力

3.2通过齿轮联接

（a ）梯形齿 （b ）半圆弧齿 （c ）双圆弧齿 图2-3电动机与丝杠的联接

图3-1同步带传动

齿轮传动在伺服进给系统中的作用改变运动方向，降速、增大扭矩，适应不同丝杠螺距和不同脉冲当量的配比等。当在伺服电机和丝杠之间安装齿轮（直齿、斜齿、锥齿等）时，必然产生齿侧间隙，造成反向运动的死区，必须设法消除。目前消除齿侧间隙普遍采用双片齿轮结构，如图3-2（a ）、(b)所示。将一对齿轮中的大齿轮分为1、2两个部分，并分别与螺钉3、4固定，再将弹簧5与3、4联接起来，这样齿轮1、2两部分的齿轮自然错开，达到自动消除齿侧间隙的目的。图3-3（c ）为斜齿轮传动消隙结构。它是将一个斜齿轮分为两个薄片，分别与宽齿轮1的齿轮左、右侧面贴紧，消除了间隙。齿侧间隙△与垫片增减量△t 的关系可用下式表示为

△t=△cosβ

这种方法结构简单，但调整费事，也不能自动补偿间隙。图3-3（c ）所示锥

齿轮消除间隙的原理也与图3-2（a ）的直齿圆柱齿轮相同。

当齿轮与轴联接时，键两侧的间隙也必须设法消除，其措施如图3-2所示。图（a ）为双键消除间隙，用紧定螺钉顶紧；图（b ）将其中一个键灌环氧树脂，但不易拆卸维修。

3.3联轴器直接联接

由于伺服电机性能的提高，目前许多场合都采用伺服电机与丝杠直接相连。以增量式光电编码器为例，当光电编码器与伺服电机及滚珠丝杠直联时，随着伺服电动机的转动，产生序列脉冲输出，脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。

其一是图3-4（a ）用锥销联接，为防止振松，用螺母加垫圈锁紧。图（b ）将锥销放在侧边，故可承受较大的剪切力。图(c)为套筒中心线上互为90o 的两个锥销。套筒联接尺寸小，转动惯量小。图（d ）为十字滑块联轴节，接头槽口需研配，适合负载较小的传动。

（a ） （b ） （d ） （e ） （c ）

图3-3齿轮间隙的消除 图3-2齿轮间隙的消除

1、2—齿轮；3、4—螺钉；

5—弹簧 (a) (b)

图3-5（e ）是现在广泛采用的直接联接电机轴和丝杠的挠性联轴节。这种联轴节的工作原理是：联轴节的左半部装在电机轴上，当拧紧螺钉2时，件3和件5相互靠近，挤压内锥环17、外锥环4，使外锥环内径缩小，内锥环外径胀大，使件5与电机轴1形成无键连接。右半部也同样形成无键联接。左半部通过弹性钢片组15的两个对角孔与螺栓6、球面垫圈7、8相联。图中表明球面垫圈8与右半部件9没有任何联接关系。同样，弹簧钢片组15的另外两个对角孔通过球面垫圈14、16、螺栓13与右半部联接，垫圈16与件5也没有任何联接关系。这样依靠弹性钢片组对角联接（即挠性）传递扭矩，且与电机轴和丝杠都无键联接，便是挠性联轴节的工作原理。

4电动机与丝杠的联接的三种方式的特点 4.1通过齿轮联接

? 采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求；

? 齿侧间隙会影响系统的稳定性；

? 结构复杂，用于因结构原因电动机与丝杠不能直接联接，或因负荷力矩大、需放大伺服电动机输出转矩的场合。

4.2通过同步齿形带联接

? 具有带传动和链传动的共同优点；

? 机械结构简单，制造成本低，安装调整方便；

? 传动不打滑，传动效率高。

4.3联轴器直接联接

? 传动精度高；

? 结构简单，安装调整方便；

? 适用于中、小型机床或高速加工机床。

1—电动机；2—螺钉；3法兰；4—外锥环；

5—左本体；6—13螺栓； 7、8、14、16—垫圈；9—右本体；10—法兰； 11—丝杠；12

—螺钉；15—弹簧钢片组；17—内锥环 图3-4链连接间隙消除

图3-5直接联接电机轴和丝杠的挠性联轴节 (c) (d) (e)

数控机床机械系统结构应该满足减少运动件的摩擦和消除传动间隙。由于滚动丝杠降低了摩擦力，不仅提高运动件的灵活性，而且减少了进给系统所需要的驱动功率。这就显着改善了动态特性。数控机床（尤其是开环系统的数控机床）的加工精度在很大程度上取决于进给传动链的精度和刚度。除了尽可能缩短传动链，提高传动齿轮和滚珠丝杠的制造精度外，另一个措施是消除传动间隙，采用无间隙的传动副。

伺服电机与丝杠连接方式大部分是使用联轴器连接，传动效率比其他方式要高，可以节省不占用横向空间但是必须有足够的直向空间，一般来说是首选连接方式。如果只想空间不够就要选用其它方式，齿轮连接相对比较紧凑，传动效率比其他两种要高，但是结构复杂，成本也较高，多用于需要有加、减速比的位置。链条和皮带一般用于传动效率和精度要求不高的部位直向空间占用不大甚至可以不用，但是横向空间需要较大。目前联轴器种类比较多，可以根据需要使用。还有一些特殊情况需要使用皮带或齿轮连接，例如空间不够、有特殊应用，传动效率不如联轴器，需要谨慎使用。

5伺服电动机与进给丝杠的连接的发展

近年来，数控机床高速发展的同时也推动了伺服电机向高速方向发展，数控机床的进给驱动有“旋转伺服电机精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动”两种类型。保守的滚珠丝杠工艺加工精度较高。

随着直接驱动技术的发展，直线电机与传统的“旋转伺服电机+滚珠丝杆”的驱动方式的对比引起业界的关注。1845年英国人就已经发明了直线电动机，但当时的直线电动机气隙过大导致效率很低，无法应用。19世纪70年代科尔摩根也推出过，但因成本高效率低限制了它的发展。直到20世纪70年代以后，直线电机才逐步发展并应用于一些特殊领域，20世纪90年代直线电机开始应用于机械制造业，现在世界一些技术先进的加工中心厂家开始在其高速机床上应用，国外知名企业例如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCIATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK都陆续推出使用直线电机的高速高精加工中心。

下面主要参考HIWIN科技的先进的高速静音式丝杠SUPERS系列（DN值达22万）和HIWIN的直线电机在几个主要特性上做一些比较，为相关业者提供一个参考。

速度比较：

速度方面直线电机具有相当大的优势，直线电机速度达到300m/min，加速度达到10g；滚珠丝杠速度为120m/min，加速度为1.5g。从速度上和加速度的对比上，直线电机具有相当大的优势，而且直线电机在成功解决发热问题后速度还会进一步提高，而“旋转伺服电机+滚珠丝杠”在速度上却受到限制很难再提高较多。

精度比较：

精度方面直线电机因传动机构简单减少了插补滞后的问题，定位精度、重现精度、绝对精度，通过位置检测反馈控制都会较“旋转伺服电机+滚珠丝杠”高，且容易实现。

直线电机定位精度可达0.1μm。“旋转伺服电机+滚珠丝杠”最高达到2~5μm，且要求CNC-伺服电机-无隙连轴器-止推轴承-冷却系统-高精度滚动导轨-螺母座-工作台闭环整个系统的传动部分要轻量化，光栅精度要高。

价格比较：

价格方面直线电机的价格要高出很多，这也是限制直线电机被更广泛应用的原因。

能耗比较：

直线电机在提供同样转矩时的能耗是“旋转伺服电机+滚珠丝杠”一倍以上，“旋转伺服电机+滚珠丝杠”属于节能、增力型传动部件，直线电机可靠性受控制系统稳定性影响，对周边的影响很大必须采取有效隔磁与防护措施，隔断强磁场对滚动导轨的影响和对铁屑磁尘的吸附。

通过以下这个例子更容易使大家了解直线电机和“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的一些特点：

日本某公司超高速龙门式加工中心。X、Y轴采用直线电动机驱动

V=120m/min。该公司为何不应用“旋转伺服电机+滚珠丝杠(HIWINSUPERS系列）”？因为SUPERS虽然DN值已经历了从传统丝杠7万到15万再到22万的提速进程，但由于存在纯机械传动的软肋，其线速度、加速度、行程范围的增加总是有限的。若选用Φ40×20mm的产品，则vmax=110m/min，因nmax=5500r/min 转速很高，行程范围受临界转速Nc的制约显然不可能太长。若采用大导程Φ40

×40mm产品，则Vmax=220m/min，这显然又不能满足定位精度高的场合。能达到DN值22万从一个侧面反映了HIWIN的设计、制造水准。如果我们选择Φ40×20(双头)mm产品，在n≈4000~5000r/min，V=80～100m/min状态下使用，其安全性、可靠性、工作寿命均可高于预期值。事实上到目前为止，在高速高精CNC 金切机床中(CNC成形机床除外)速度V≥120m/min仍采用SUPERS系列驱动的成功范例未见到。实际上“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的最佳应用场合是：要求

V=40~100m/min，加速度0.8~1.5(2.0)g，精度P3级以上的中档高速数控装备和部分高档数控装备。

应用比较：

事实上，直线电机和“旋转伺服电机+滚珠丝杠”两种驱动方式尽管各有优势，但也有自身的软肋。两者在数控机床上都有各自最佳的适用范围。

直线电机驱动在以下数控装备领域具有得天独厚的优势：高速、超高速、高加速度和生产批量大、要求定位的运动多、速度大小和方向频繁变化的场合。例如汽车产业和IT产业的生产线，精密、复杂模具的制造。

两种驱动方式在德国DMG公司被同时运用也说明他们具有各自的优势。直线电机的提升空间很大，未来直线电机的技术更加成熟了、产量上去了、成本下降了，应用也会更加广泛，但从节能降耗、绿色制造的角度思考，以及两种结构自身特点考虑“旋转伺服电机+滚珠丝杠”驱动仍有其广阔的市场空间。直线电机将成为高速(超高速)、高档数控装备中的主流驱动方式的同时，“旋转伺服电机+滚珠丝杠”依然会继续保持其在中档高速数控装备中的主流地位。

结论

综上所述，伺服系统与进给丝杠的连接是数控机床及应用中必不可少的一部分，其连接方式的不同决定适用于不同数控机床的需要。这些技术的发展与应用，使得伺服系统性能改善，可靠性提高，大大推动了数控机床及应用技术的发展。时代在发展，科技在进步，将来有一天伺服系统与进给丝杠的连接方式或许可能被其他社会发展成果所代替，但它为数控行业可持续性发展奠定了基础，带给数控行业的发展的影响是永远的。

参考文献：

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