伺服系统在轴承磨床上的应用

刘鹏¹，郭继军²，徐如涛¹

（1.河南机电高等专科学校，2.河南新机股份有限公司，河南新乡　453000）

　　摘　要：文中介绍了伺服系统在轴承磨床上的应用、原理、结构、优点，以及在轴承磨床使用中所能达到的精度、应用前景。

　　关键词：伺服系统；伺服电机；精度；进给系统

　　随着社会的发展和技术的进步，轴承作为标准化的精密基础件，用户对其精度要求、噪音值要求和振动值要求都很高。以前，轴承磨床上应用的进级系统是步进电机、凸轮杠杆机构，其进给精度Z高只能达到2um，有的甚至还达不到2um。这样的结构越来越不能适应用户的要求，而应用伺服系统后的轴承磨床进给精度很轻松就能达到0.5um，如果增加光栅定位机构，甚至可以达到0.05um。因此，在现行的轴承磨床上使用伺服系统是必要的。

　　1　伺服系统的含义

　　“伺服”是一个外来词，在英语中是“仆人”的意思。我们在通常情况下对其具体的定义是：

　　1）按所接受的指令要求的位置进行定位。

　　2）按所接受的指令要求的速度进行运动。
　　这就是我们通常所说的伺服系统。这样的定义是根据其具体应用环境的要求来进行确定的，轴承磨床的进给系统的应用环境就是既有定位方面的要求，又有运动速度方面的要求。

　　2　伺服系统的机械结构

　　在轴承磨床上常用的伺服系统有两种形式：

　　1）间接联接式。伺服电机→减速器→同步带轮→滚珠丝杠。用这种联接方式其装配和维修都稍微复杂，适用于定位精度要求不高的场合。

　　2）直接联接式。伺服电机→联轴器→滚珠丝杠，如图所示（见图1）。这种联接方式装配简单，调整方便，维修便利，适用于空间位置较小，定位精度要求较高的情况。

　　下面简述一下直接联接式伺服系统的工作原理：伺服电机12接受编码器13的指令旋转，带动联轴器1、滚珠丝杠6旋转，滚珠丝杠的螺矩为S。因为联轴器同时联接了伺服电机和滚珠丝杠的轴端，且联轴器本身无任何间隙，也无空回，所以伺服电机旋转1周，滚珠丝杠也同样旋转1周，而工作台拖板8与丝杠螺母座7是连接在一起的。因此，伺服电机旋转1周，工作台拖板在直线方向上运动的距离为滚珠丝杠的导程。

　　用在轴承磨床中的伺服系统要求工作台拖板的定位精度至少为1um，那么，如何来实现这么高的定位精度呢?

　　一对角接触球轴承11背靠背安装，内隔套9和外隔套10需经过精密研磨，锁紧螺母3压紧压套4，锁紧后不允许轴承有任何轴向窜动。因为选用的是60°接触角的丝杠专用轴承，可以承受较大的轴向载荷，所以右面的一套轴承可以完全承受磨削力及来自拖板的作用于轴线方向上的合载荷。联接座固定于床身上，工作台拖板与床身之间有直线滚动导轨，可以完全保证拖板运动时有足够的刚性和很高的运动精度。用在轴承磨床中的伺服系统通常是第二种形式，因其符合用户的实际要求。

　　3　伺服电机的优点

　　1）旋转速度高，进给速度快。如图所示的伺服系统中的小功率伺服电机转速通常在1000r/min~3000r/min之间，选用的滚珠丝杠是GD4005-3-P3，即丝杠直径φ40mm，导程S=5mm，精度等级为P3级，运动速度为25mm/s。若选用3000r/min转速，运动速度可以达到50mm/s。为了减少单件轴承磨削时间，轴承磨床中有跳进要求，要求在0.5s的时间内，走完10mm的距离，即运动速度为20m/s。这样高的运动速度完全可以满足快跳的要求。

　　2）结构简单，维修方便。传动系统若出现故障，只需要拧下安装伺服电机的四个螺钉，即可拿掉伺服电机，然后来维修传动系统，结构简化到只有联轴器→两套角接触球轴承→滚珠丝杠。实际上，这样的一套传动系统一旦安装完毕，精度保持性极佳，可以长时间地保持机床的进给精度。

　　3）精度定位性好。在安装状况良好、润滑良好的情况下，现在的传动系统可以达到0.5um的定位精度。

　　4）编码方便。通过编码器，直接与驱动模块连接，实现数控化更加方便、快捷。编码器可以准确地记忆传动的速度和位置，在机床的整个运行过程中，可以保证进给的每一步都有记忆。

　　5）有过载保护。伺服电机本身具有载保护装置，一旦负载过大，电流过大，伺服电机会自动报警停机，可以有效地保证伺服电机这一精密部件的安全性。

　　伺服系统具有这么多的优点，而且这些又是步进电机所不具有的。尤其是对于采用定程磨削的轴承磨床，具有0.5um的定位精度，意味着轴承套圈成品尺寸散差在0.5um以内，装配轴承时，不再需要选配，大大节约了轴承的装配效率，减少了管理费用，降低了生产成本。所以，伺服系统必将越来越受到人们的偏爱。

　　4　与步进电机、凸轮杠杆结构的比较

　　1）结构的比较。伺服系统装配简单，维修方便，传动行程大。步进电机、凸轮杠杆结构安装繁琐，受凸轮升程的限制，传动行程小，还需要液压顶紧油缸来跟踪定位，受油缸定位精度的影响大，定位精度也只有2um，限制了精度的进一步提高。而伺服系统的进给精度可以达到0.5um。

　　2）对磨削品精度的比较。磨削品的精度受重复定位精度的影响很大，而步进电机、凸轮杠杆结构中凸轮表面硬度、撞块表面硬度的不确定性，以及液压系统油缸定位精度的不确定性，都影响磨削工件的尺寸精度。而伺服系统不存在这样的问题。

　　3）成本的比较。伺服系统的成本比步进电机、凸轮杠杆结构约高出一万元。但考虑到其操作简单，维修便利，增加了机床的稳定性，降低了生产成本等优点，虽然机床成本有所上升，但用户是愿意接受的。

　　伺服系统作为高精度的进给系统，在轴承磨床上的应用已引起轴承磨削的一场革命。实践会进一步证明伺服系统的广泛应用会带来制造业的巨大变革。

　　参考文献：

　　[1]编者.机床设计手册（第二册）[M].北京:机械工业出版社，1980.

　　[2]编者.Σ系列SGM/SGDB伺服电机用户手册[M].日本:安川电机株式会社出版社，1997.
 

来源：《河南机电高等专科学校学报》2003年12月