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機(jī)床加工雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用

文章出處: 人氣:1179 發(fā)表時(shí)間:2020-05-26 16:09:45
根據(jù)用戶的使用要求,在機(jī)床主傳動(dòng)中,要求主軸轉(zhuǎn)速范圍為:0.1~800rpm,即Rn=8000,要滿足這種變速范圍??恳环N主電機(jī)和串聯(lián)分級(jí)變速箱是不能滿足這種要求,因此設(shè)計(jì)出一種雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置,使輸出軸的轉(zhuǎn)速范圍變寬,能夠滿足機(jī)床加工時(shí)轉(zhuǎn)速范圍較大的需求。


目前機(jī)床主傳動(dòng)一般都是主電機(jī)通過普通三角帶傳遞到分級(jí)變速箱上的三角帶輪進(jìn)行傳動(dòng)或靠一種主電機(jī)和串聯(lián)分級(jí)變速箱,這種傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)只能滿足一般的變速要求,但是如果需要更大的變速范圍,原有的這種傳動(dòng)裝置是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足的。因此,為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置,從而有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。


1、雙電機(jī)傳動(dòng)裝置簡介


根據(jù)用戶的使用要求,在機(jī)床加工過程中,按用戶需求有大切削量重載切削和小切削量精密切削,但由于電機(jī)的性能因素,只能滿足一種加工方式,因此設(shè)計(jì)出一種雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置,使輸出軸的轉(zhuǎn)速范圍變寬,能夠滿足機(jī)床加工時(shí)轉(zhuǎn)速范圍較大的需求。
雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床主傳動(dòng)裝置主要由下列件組成:1、三角皮帶,2、三角帶輪,3、15kW變頻電機(jī),4、直齒內(nèi)齒輪,5、受柄桿,6、凸輪,7、杠桿,8、直齒外齒輪、9、斜齒輪減速機(jī),10、3kW變頻電機(jī),11、車座 ,12、行程開關(guān)。


2、雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)


2.1雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)
如圖1所示普通臥式車床雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置,包括第一變頻電機(jī)3設(shè)置在車座11上,其特點(diǎn)在于:第一變頻電機(jī)3的動(dòng)力輸出軸在其兩端伸出,第一變頻電機(jī)3動(dòng)力輸出軸的一端設(shè)有帶輪2,第一變頻電機(jī)3動(dòng)力輸出軸的另一端通過離合器與減速裝置9的動(dòng)力輸出軸相連接,設(shè)置在車座11上的第二變頻電機(jī)10與減速裝置9相連接,車座11上設(shè)有與離合器對(duì)應(yīng)的凸輪6,凸輪6上設(shè)有手柄桿5和杠桿7。


第一變頻電機(jī)3動(dòng)力輸出軸的一端設(shè)有帶輪2,第一變頻電機(jī)3動(dòng)力輸出軸的另一端通過離合器與減速裝置9的動(dòng)力輸出軸相連接,設(shè)置在車座11上的第二變頻電機(jī)10與減速裝置9相連接,diangon.com車座11上設(shè)有與離合器對(duì)應(yīng)的凸輪6,凸輪6上設(shè)有手柄桿5和杠桿7。


離合器包括設(shè)在減速裝置9的動(dòng)力輸出軸上直齒外齒輪8和設(shè)置在第一變頻電機(jī)3動(dòng)力輸出軸上的直齒內(nèi)齒輪4,直齒內(nèi)齒輪4與直齒外齒輪8相對(duì)設(shè)置,直齒外齒輪8上設(shè)有與杠桿7相對(duì)應(yīng)的槽。


第一變頻電機(jī)3的功率大于第二變頻電機(jī)10的功率,車座11上還設(shè)有與凸輪6對(duì)應(yīng)的行程開關(guān)12。


2.2雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的計(jì)算
由于第一變頻電機(jī)3和第二變頻電機(jī)10的轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)為四級(jí),輸出轉(zhuǎn)速范圍均為150~1500r/min,所以第一變頻電機(jī)3輸出扭矩為:

其中,T 扭矩(Nm),P 功率(kW),n 轉(zhuǎn)速(r/min)

當(dāng)使用第二變頻電機(jī)10時(shí),可以連接減速機(jī)9,當(dāng)減速電機(jī)的減速比為1:10時(shí),可得輸出軸扭矩為:

因此,電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速在15~1500r/min,擴(kuò)大了變頻電機(jī)的使用范圍。再通過機(jī)床主軸箱的降速,能實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸輸出轉(zhuǎn)速為0.1~800rpm,大大提高了機(jī)床的性能。

2.3雙電機(jī)傳動(dòng)裝置的使用方法
如圖1所示,在機(jī)械加工過程中,需要重載切削時(shí),第一變頻電機(jī)3的動(dòng)力輸出軸在其兩端伸出,第一變頻電機(jī)3動(dòng)力輸出軸的一端設(shè)有帶輪2,此時(shí),通過手柄桿5轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪6從而觸動(dòng)行程開關(guān)12來實(shí)現(xiàn)第一變頻電機(jī)3的單獨(dú)運(yùn)動(dòng),由帶輪2通過皮帶直接將動(dòng)力傳遞到主軸上,實(shí)現(xiàn)機(jī)床重載切削。

需要小切削量精密切削時(shí),第一變頻電機(jī)3動(dòng)力輸出軸的另一端通過離合器與減速裝置9的動(dòng)力輸出軸相連接,設(shè)置在車座11上的第二變頻電機(jī)10與減速裝置9相連接,此時(shí),通過手柄桿5轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪6從而觸動(dòng)行程開關(guān)12,同時(shí)杠桿7的另一端插入直齒外齒輪8上設(shè)有的槽內(nèi),實(shí)現(xiàn)第一變頻電機(jī)3與第二變頻電機(jī)10的聯(lián)動(dòng),控制離合器嚙合和分離,實(shí)現(xiàn)小切削量精密切削。

3、結(jié)語

這種雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置,采用了串聯(lián)雙電機(jī)的方式,來實(shí)現(xiàn)變速要求,將主軸變速范圍分為低速和高速兩個(gè)檔位,轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)了低速檔為:0.1~8rpm,高速檔為:5~800rpm的要求,其操作簡單,使用方便。

數(shù)控機(jī)床一般由NC控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和反饋檢測(cè)系統(tǒng)3 部分組成。數(shù)控機(jī)床對(duì)位置系統(tǒng)要求的伺服性能包括:定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度;定位精度和輪廓切削精度;精加工的表面粗糙度;在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來說,總希望系統(tǒng)有較高的動(dòng)態(tài)精度,即當(dāng)系統(tǒng)有一個(gè)較小的位置誤差時(shí),機(jī)床移動(dòng)部件會(huì)迅速反應(yīng)。下面就位置控制系統(tǒng)影響數(shù)控機(jī)床加工要求的幾個(gè)方面進(jìn)行論述。 

1、加工精度

精度是機(jī)床必須保證的一項(xiàng)性能指標(biāo)。位置伺服控制系統(tǒng)的位置精度在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度。因此位置精度是一個(gè)極為重要的指標(biāo)。為了保證有足夠的位置精度,一方面是正確選擇系統(tǒng)中開環(huán)放大倍數(shù)的大小,另一方面是對(duì)位置檢測(cè)元件提出精度的要求。因?yàn)樵陂]環(huán)控制系統(tǒng)中,對(duì)于檢測(cè)元件本身的誤差和被檢測(cè)量的偏差是很難區(qū)分出來的,反饋檢測(cè)元件的精度對(duì)系統(tǒng)的精度常常起著決定性的作用??梢哉f,數(shù)控機(jī)床的加工精度主要由檢測(cè)系統(tǒng)的精度決定。位移檢測(cè)系統(tǒng)能夠測(cè)量的最小位移量稱做分辨率。分辨率不僅取決于檢測(cè)元件本身,也取決于測(cè)量線路。在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床、尤其是高精度或大中型數(shù)控機(jī)床時(shí),必須精心選用檢測(cè)元件。所選擇的測(cè)量系統(tǒng)的分辨率或脈沖當(dāng)量,一般要求比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)??傊?,高精度的控制系統(tǒng)必須有高精度的檢測(cè)元件作為保證。例如,數(shù)控機(jī)床中常用的直線感應(yīng)同步器的精度已可達(dá)±0.0001mm,即0.1µm,靈敏度為0.05µm,重復(fù)精度0.2µm;而圓型感應(yīng)同步器的精度可達(dá)0.5N,靈敏度0.05N,重復(fù)精度0.1N。

2、開環(huán)放大倍數(shù)

在典型的二階系統(tǒng)中,阻尼系數(shù)x=1/2(KT) 1/2,速度穩(wěn)態(tài)誤差e(∞)=1/K,其中K為開環(huán)放大倍數(shù),工程上多稱作開環(huán)增益。顯然,系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)是影響伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)的重要參數(shù)之一。

一般情況下,數(shù)控機(jī)床伺服機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)取為20~30(1/S)。通常把K<20 范圍的伺服系統(tǒng)稱為低放大倍數(shù)或軟伺服系統(tǒng),多用于點(diǎn)位控制。而把K>20 的系統(tǒng)稱為高放大倍數(shù)或硬伺服系統(tǒng),應(yīng)用于輪廓加工系統(tǒng)。

假若為了不影響加工零件的表面粗糙度和精度,希望階躍響應(yīng)不產(chǎn)生振蕩,即要求是取值大一些,開環(huán)放大倍數(shù)K就小一些;若從系統(tǒng)的快速性出發(fā),希望x選擇小一些,即希望開環(huán)放大倍數(shù)~增加些,同時(shí)K值的增大對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度也能有所提高。因此,對(duì)K值的選取是必需綜合考慮的問題。換句話說,并非系統(tǒng)的放大倍數(shù)愈高愈好。當(dāng)輸入速度突變時(shí),高放大倍數(shù)可能導(dǎo)致輸出劇烈的變動(dòng),機(jī)械裝置要受到較大的沖擊,有的還可能引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。這是因?yàn)樵诟唠A系統(tǒng)中系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)K值有取值范圍的要求。低放大倍數(shù)系統(tǒng)也有一定的優(yōu)點(diǎn),例如系統(tǒng)調(diào)整比較容易,結(jié)構(gòu)簡單,對(duì)擾動(dòng)不敏感,加工的表面粗糙度好。

3、提高可靠性

數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化設(shè)備,如果發(fā)生故障其損失就更大,所以提高數(shù)控機(jī)床的可靠性就顯得尤為重要??煽慷仁窃u(píng)價(jià)可靠性的主要定量指標(biāo)之一,其定義為:產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi),完成規(guī)定功能的概率。對(duì)數(shù)控機(jī)床來說,它的規(guī)定條件是指其環(huán)境條件、工作條件及工作方式等,例如溫度、濕度、振動(dòng)、電源、干擾強(qiáng)度和操作規(guī)程等。這里的功能主要指數(shù)控機(jī)床的使用功能,例如數(shù)控機(jī)床的各種機(jī)能,伺服性能等。 

平均故障(失效)間隔時(shí)間(MTBF)是指發(fā)生故障經(jīng)修理或更換零件還能繼續(xù)工作的可修復(fù)設(shè)備或系統(tǒng),從一次故障到下一次故障的平均時(shí)間,數(shù)控機(jī)床常用它作為可靠性的定量指標(biāo)。由于數(shù)控裝置采用微機(jī)后,其可靠性大大提高,所以伺服系統(tǒng)的可靠性就相對(duì)突出。它的故障主要來自伺服元件及機(jī)械傳動(dòng)部分。通常液壓伺服系統(tǒng)的可靠性比電氣伺服系統(tǒng)差,電磁閥、繼電器等電磁元件的可靠性較差,應(yīng)盡量用無接觸點(diǎn)元件代替。

目前數(shù)控機(jī)床因受元件質(zhì)量、工藝條件及費(fèi)用等限制,其可靠性還不很高。為了使數(shù)控機(jī)床能得到工廠的歡迎,必須進(jìn)一步提高其可靠性,從而提高其使用價(jià)值。在設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)時(shí),必須按設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和可靠性選擇元器件,并按嚴(yán)格的測(cè)試檢驗(yàn)進(jìn)行篩選,在機(jī)械互鎖裝置等方面,必須給予密切注意,盡量減少因機(jī)械部件引起的故障。

4、寬范圍調(diào)速

在數(shù)控機(jī)床的加工中,伺服系統(tǒng)為了同時(shí)滿足高速快移和單步點(diǎn)動(dòng),要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。

單步點(diǎn)動(dòng)作為一種輔助工作方式常常在工作臺(tái)的調(diào)整中使用。

伺服系統(tǒng)在低速情況下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)進(jìn)給,則要求速度必須大于“死區(qū)”范圍。所謂“死區(qū)”指的是由于靜摩擦力的存在使系統(tǒng)在很小的輸入下,電機(jī)克服不了這摩擦力而不能轉(zhuǎn)動(dòng)。此外,還由于存在機(jī)械間隙,電機(jī)雖然轉(zhuǎn)動(dòng),但拖板并不移動(dòng),這些現(xiàn)象也可用“死區(qū)”來表達(dá)。

設(shè)死區(qū)范圍為a,則最低速度Vmin,應(yīng)滿足Vmin≥a,由于a≤dK,d為脈沖當(dāng)量(mm/脈沖);K為開環(huán)放大倍數(shù),則

Vmin≥dK

    若取d=0.01mm/脈沖,K=30×1/S,則最低速度

Vmin≥a=30×0.01mm/min=18mm/min

伺服系統(tǒng)最高速度的選擇要考慮到機(jī)床的機(jī)械允許界限和實(shí)際加工要求,高速度固然能提高生產(chǎn)率,但對(duì)驅(qū)動(dòng)要求也就更高。此外,從系統(tǒng)控制角度看也有一個(gè)檢測(cè)與反饋的問題,尤其是在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,必須考慮軟件處理的時(shí)間是否足夠。

由于fmax=fmax/d

式中:fmax為最高速度的脈沖頻率,kHz;vmax為最高進(jìn)給速度,mm/min;d為脈沖當(dāng)量,mm。

又設(shè)D為調(diào)速范圍,D=vmax/vmin,得

fmax =Dvmin/d=DKd/d=DK

由于頻率的倒數(shù)就是兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間,對(duì)應(yīng)于最高頻率fmax的倒數(shù)則為最小的間隔時(shí)間tmin,即tmin=1/DK。顯然,系統(tǒng)必須在tmin內(nèi)通過硬件或軟件完成位置檢測(cè)與控制的操作。對(duì)最高速度而言,vmax的取值是受到tmin的約束。

一個(gè)較好的伺服系統(tǒng),調(diào)速范圍D往往可達(dá)到800~1000。當(dāng)今最先進(jìn)的水平是在脈沖當(dāng)量d=1µm的條件下,進(jìn)給速度從0~240m/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

5、結(jié)論

上述幾方面對(duì)數(shù)控機(jī)床位置伺服系統(tǒng)所要求的伺服性能進(jìn)行了分析,并提出了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性指標(biāo),該研究結(jié)果可用于伺服數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì),也可用于現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的改造以提高其工作精度。


此文關(guān)鍵字:機(jī)床,加工,電機(jī),驅(qū)動(dòng),系統(tǒng),應(yīng)用
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