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现代数控加工机床的驱动系统

发布时间:2019-10-20 16:25:32 编辑:笔名

现代数控加工机床的驱动系统

现代数控加工领域向着高精度、高速度方向发展,传统的驱动方式已经显现出技术瓶颈,在定位精度、启停加速度、大扭矩驱动方面都无法满足需求。为了解决这一困境,各研究机构及厂商展开广泛的研究,推出一系列先进驱动器件及系统。

传统的主轴头采取电机通过皮带、齿轮箱或者联轴器的方式驱动主轴头的转动,这样的方式限制了主轴的转速和体积,在性能上难以满足目前高速、高精度、高复杂度的零件加工需求,电主轴是近年来快速发展并不断带来新突破的功能部件之一。电主轴是高频主轴的简称,根据它的结构特点也会被称作直接传动主轴,主要表现为主轴电机单元内部安装,不通过传动系统传输动力,以此保证零距离的机床主传动链。由于传动方式的特点,该结构具有机械效率高,外形紧凑等特点,同时可以获得极高的转速且控制精度高、共振小、运行平稳,在先进机床中得到了大量使用。

在数控机床中,各运动轴的移动一般都采取旋转电机加滚珠丝杠副的方式驱动,但是这种驱动方式存在一些局限性:(1)旋转电机加滚珠丝杠副的直线驱动方式存在着多个弹性环节,当整个系统在高速运动时会变形,导致刚度下降,同时弹性变形使系统的阶次变高,系统的鲁棒性降低,从而使伺服性能下降。而且,弹性变形是数控机床产生机械谐振的根源;(2)中间传动环节的存在,增加了运动体的惯量,使得位移和速度的动态响应能力较差;(3)存在间隙死区,由于运动部件摩擦、误差积累等因素,使进给速度和加速度受到限制;(4)运转平稳性较差,在高速运动下噪声大且容易发热;(5)由于传动方式存在摩擦,精度保持寿命相对短。

1993年德国第一次将直线电机用在数控机床上面,取得了极好的效果,从此直线电机开始广泛地出现在数控机床中。直线电机可以简单理解为回转电机通过径向剖开,沿圆周展开成直线。直线电机具有许多独特的优势:

(1)快速响应性。主要表现在缩短动力传递路径,减少机械传递件,将动态响应时间较大的机械传递改为更加敏捷的电气控制,大幅度提升控制系统的动态响应能力;(2)结构简单,直线电机只有一个运动部件且驱动力不需要通过接触传递,可以做到几乎无磨损使用,延长使用寿命,可靠度高;(3)传动刚性高、推力平稳。由于缩短动力传递路径,系统弹性变形减小,提升了整体刚性,优化了传递效率;(4)精度高、重复定位准确,相对伺服回转电机和滚珠丝杠副组合的重复定位精度提高7~10倍;

(5)移动速度快,加速度大,最大速度可达90~180m/min,最大加速度可达1~10g;(6)行程不受限制,可定制各种位移距离。但是目前直线电机在部分领域相对旋转电机加滚珠丝杆副还是有一些差距,主要表现在重载时的散热和寿命的问题,同时直线电机相对而言成本也比较高昂,对于经济型数控机床仍然没法普及。

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