高速数控冲床送料机构驱动装置设计与分析

机电工程技术 !# 年第 $%卷第 &期高速数控冲床送料机构驱动装置设计与分析逯宪斌，王钦若，黄志坚，唐拥林（东莞大同数控机械有限公司，广东东莞；广东工业大学，广东广州）收稿日期： 数控冲床的送料机构电机设计计算分析为例，；负载；惯量；驱动方案文献标识码：文章编号：（）引言送料机构是高速数控冲床的重要装置，与机床的加工速度、控制精度与产品质量密切相关。东莞东华公司与广东工业大学合作研发的高速数控冲床送料机构要求加工频率次，送料速度，实现一次最大加工直径，多项性能指标达到国内领先水平，在节能方面与国内外同类产品相比节能。高速数控冲床送料驱动机构的设计是一关键课题，经有关人员合作攻关，实现其技术目标。动力参数设计与分析送料系统的负载包括惯性负载、摩擦阻力等，主要进行扭矩、转速的分析计算，在此基础上选择电机。其主要应考虑满足转速、转矩的要求，其中之难点在于负载惯量的计算涉及因素比较复杂。（）轴方向负载参数及电机惯量的确定夹钳送料最大速度为，夹钳质量，板材最大质量约为，丝杆采用的J ，导程为，长度。转速要求为 ! 。经计算得：导轨摩擦阻力转矩 ? ；轴承摩擦转矩 ? ；滚珠丝杆的摩擦损耗 ；由摩擦转矩折算到电机轴后的总摩擦损耗为 ? ；加速度为，加速启动时折算到电机轴上的转矩 ? 。所以伺服电机额定输出转矩! ? ；丝杆惯量丝杆 ? ；夹钳与板材的惯量夹钳与板材 ? ； ? 根据文献负载惯量应限制在倍电机惯量之内（如果超过倍也可以使用，但调整范围会减少，时间常数将会增加），即 （匹配条件）得伺服电机的惯量 ! ? 。（）轴方向负载参数及电机惯量的确定在此假定轴上的丝杆与导轨的摩擦系数与轴方向上的相同。轴上的电机与机架以及夹钳，板材质量共约为，得出轴上电机的转速、转矩及惯量要求。转速要求为 ! 。计算得：导轨摩擦阻力转矩 ? ；轴承摩擦转矩 ? ；由摩擦转矩折算到电机轴后的总摩擦损耗为 ? ；加速度为，加速启动时折算到电机轴上的转矩 ? ；伺服电机额定输出转矩! ? ；丝杆惯量丝杆 ? ；平移动件的总转动惯量：平移动件 ? ；电机的惯量 ! ? 。驱动方案的选定设计开发的任务是搜寻并对各方案进行比较，从中选出可行、较好的方案。在本项目中，主要的设计工作是确定驱动技术方案及驱动电机的选型。（）三种驱动技术的比较分析据调查，数控冲床送料机构驱动系统有三种可选方高速加工图方案二图方案一案，分别是步进电机、支流伺服电机和交流伺服电机。步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。步进电机的主要缺陷是：在低速时易出现低频振动现象；输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在；动态性能差，从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要；控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象；同时，不具有过载能力。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（）伺服系统和交流（）伺服系统。上世纪年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。同时，直流伺服是梯形波，转矩脉动比较大。但直流伺服比较简单，便宜。交流伺服电机具有坚固耐用、经济可靠、动态响应性能好、极平稳的转动和快速加速性能等优点。交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以交流伺服系统在工厂自动化（）等各个领域得到了广泛的应用。交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同步（型）电动机交流伺服系统和感应式异步（型）电动机交流伺服系统。从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为主流产品。到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。综上所述，交流伺服电机非常适用于机床的进给轴，因此本项目应选交流伺服电机作高速送料驱动装置。（）交流伺服驱动方案的确定为了确保数控冲床送料机构的传动精度和工作平稳性，送料机构的传动系统必须满足如下要求：减少摩擦力；减少各运动件的惯量；高的传动精度与定位精度；响应速度要快；使用维护方便。根据以上几点要求，我们初步定出了图、图、图所示的三种送料机构的主传动方案。方案一如图所示，电机经齿轮传动滚珠丝杆，其优点是结构简单、安装调试方便，且在传动上能满足转速与转矩的输出要求，但转换效率较下面方案二低，且占用空间较大，还需要采取一定的安全防护措施。方案二如图所示，交流同步电机直接带动滚珠丝杆旋转，优点是结构紧凑、占用空间小、转换效率高。主轴转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性完全一样，易于控制。方案三如图所示，电机经两对齿轮变速后，再通过蜗杆传动。其优点是能够满足各种送料运动的转矩输出，且具有大范围的速度变化能力。但结构复杂，需增加润滑及温度控制系统，制造维修要求较高。综上分析三种方案，我们选定方案二。这种方案除了已论述的优点外，还有重量轻、系统的惯性较小的优点。它方便整个送料系统的机械部件的设计；同时这种方案的转换效率最高（转换率可达以上）。尽管方案二的调速范围受电机调速范围的限制，但是交流同步伺服电机通过软件调速控制能满足送料伺服系统对不同速度的要求。（）交流伺服电机的选型目前国际上交流伺服电机典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司，各厂家均有其特点。本项目运用层次分析法，根据动力参数、精度要图方案三（下转第页）求、速度要求、可靠性要求、与控制系统的配置等因素进行选择；在一定的情况下，考虑价格因素。由于西门子交流伺服电机速度高、精度高及可靠性高并符合以上要求，故在此选用西门子电机作的轴向的执行元件，而轴向可选用西门子作为执行元件。高速冲床送料机构驱动系统经进一步的设计、安装，反复的现场实验、调试与检测，各性能完全满足设计要求。小结送料机构的负载是一较复杂的体系；交流伺服电机适合驱动送料机构。送料机构驱动机构的设计计算与选型，即有多种可能的方案，又是在多个约束条件下进行，主要应系统地分析机构的惯性负载、响应速度、驱动转矩等因素，在此前提之下，对各种方案进行综合比较，选择满足动力与精度要求、可靠、节能的驱动电机。参考文献：林奕鸿机床数控技术及其应用北京：机械工业出版社，廖效果数控技术武汉：湖北科学技术出版社，邓星钟机电传动控制武汉：华中科技大学出版社，第一作者简介：逯宪斌，男，年生，山东济南人，大学本科，高级工程师。研究领域：数控技术。已发表论文篇。（编辑：吴智恒）图改造后的升降平台加有液压传动的剪刀式升降平台，每个平台配有两个液压缸。鉴于液压系统有内泄漏的问题，我们在设备上加了一个检测开关以保证升降平台在一定范围内稳定。当升降平台降到高位最低点时，启动液压泵，将平台升到适合位置。同时为了更安全起见，在升降平台的高位允许的最低点设有电磁铁的锁紧机构（见图），当液压系统出现泄漏时，保证锁紧机构将升降平台限制在高位的最低位置。为了防止在升降平台升降的过程中液压管路损坏，需要在液压缸上加节流阀，这样一旦出现液压油管路损坏，平台也会比较缓慢平稳的下降到设备的最低点。改造后的升降平台见图。设备安装设备安装要求升降平台的四个角的高度差在以内。在设备初始安装过程中，一台设备安装后，升降平台的上平面的四个角高度差相差比较大，最大高度差。经过分析，是设备基础的安装及两侧的导向轮的对称性不好而造成的。因此在设备安装时设备的基础座和导轨一定要对称，同时两侧的导轮也要调整到对称位置，只有这样，才能保证升降平台的上平面的四个角位置的高度差在要求范围内。液压管路安装时也要注意管路不能被挤压，不能有死角。要调整好液压系统，保证升降平台的升降速度平稳可靠。改造效果改造后的升降平台已使用年，在运送物品时安全可靠、故障率低、维修量少，这样便提高了设备的使用率，减少了设备的维修费用。结束语这次改造给了我们一个提示：无论在设备选型还是在设备改造上，不仅要考虑价格，还要考虑设备的安全性、可靠性以及设备的维护成本。参考文献：北京有色冶金设计研究总院主编机械设计手册化学工业出版社，雷天觉主编液压工程手册机械工业出版社，作者简介：刘振喜，男，年生，黑龙江人，大学本科，工程师。研究领域：设备改造与维护。（编辑：钟兆义）!（上接第页）