数控机床进给系统的机械传动结构

第八章数控机床的进给传动系统机械设备数控技术本章主要内容对数控机床进给系统机械结构的要求齿轮传动副滚珠丝杆螺母副数控机床的回转工作台数控机床分度工作台一、对数控机床进给系统机械结构的要求1．高传动刚度进给传动系统的高传动刚度主要取决于丝杆螺母副(直线运动)或蜗轮蜗杆副(回转运动)及其支承部件的刚度。刚度不足与摩擦阻力一起会导致工作台产生爬行现象以及造成反向死区，影响传动准确性。提高传动刚度的有效途径缩短传动链合理选择丝杆尺寸对丝杆螺母副及支承部件等预紧2．高谐振为提高进给系统的抗振性，应使机械构件具有高的固有频率和合适的阻尼，一般要求机械传动系统的固有频率应高于伺服驱动系统固有频率的2～3倍。3．低摩擦进给传动系统要求运动平稳，定位准确，快速响应特性好，必须减小运动件的摩擦阻力和动、静摩擦系数之差，在进给传动系统中现普遍采用滚珠丝杆螺母副。4．低惯量进给系统由于经常需进行起动、停止、变速或反向，若机械传动装置惯量大，会增大负载并使系统动态性能变差。因此在满足强度与刚度的前提下，应尽可能减小运动部件的重量以及各传动元件的尺寸，以提高传动部件对指令的快速响应能力。5．无间隙机械间隙是造成进给系统反向死区的另一主要原因，因此对传动链的各个环节，包括：齿轮副、丝杆螺母副、联轴器及其支承部件等均应采用消除间隙的结构措施。二、齿轮传动副引言数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副来达到一定的降速比和转矩的要求。一对啮合的齿轮，总应有一定的齿侧间隙才能正常地工作。齿侧间隙会造成进给系统的反向动作落后于数控系统指令要求，形成跟随误差甚至是轮廓误差。对闭环系统来说，齿侧间隙也会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用各种消除侧隙的措施，以尽量减小齿轮侧隙。数控机床上常用的调整齿侧间隙的方法针对不同类型的齿轮传动副有不同的方法。齿侧间隙消除方法圆柱齿轮传动消除齿侧间隙方法斜齿轮传动消除齿侧间隙方法1．圆柱齿轮传动消除间隙（1）偏心轴套调整法如图所示，齿轮１装在电动机轴上，调整偏心轴套２可以改变齿轮１和３之间的中心距，从而消除齿侧间隙。偏心套消隙图例1-齿轮2-偏心套3-齿轮1．圆柱齿轮传动消除间隙（2）锥度齿轮调整法如图所示将一对齿轮１和２的轮齿沿齿宽方向制成小锥度，使齿厚在齿轮的轴向稍有变化。调整时改变垫片３的厚度就能改变齿轮１和２的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。锥度齿轮消隙法图例1．圆柱齿轮传动消除间隙（3）双片齿轮错齿调整法图示是双片齿轮周向可调弹簧错齿消隙结构。两个相同齿数的薄片齿轮1和2与另—个宽齿轮啮合，两薄片齿轮可相对回转。在两个薄片齿轮1和2的端面均匀分布着四个螺孔，分别装上凸耳3和8。齿轮1的端面还有另外四个通孔，凸耳可以在其中穿过，弹簧4的两端分别钩在凸耳3和调节螺钉7上。通过螺母5调节弹簧4的拉力，调节完后用螺母6锁紧。弹簧的拉力使薄片齿轮错位，即两个薄齿轮的左右齿面分别贴在宽齿轮齿槽的左右齿面上，从而消除了齿侧间隙。1．圆柱齿轮传动消除间隙（4）双片齿轮错齿调整法图示为另一种双片齿轮周向弹簧错齿消隙结构，两片薄齿轮1和2套装一起，每片齿轮各开有两条周向通槽，在齿轮的端面上装有短柱3，用来安装弹簧4。装配时使弹簧4具有足够的拉力，使两个薄齿轮的左右面分别与宽齿轮的左右面贴紧，以消除齿侧间隙。双齿错齿可调弹簧式消隙法图例12薄片齿轮38凸耳4弹簧5螺母6锁紧螺母7调节螺钉双齿错齿周向弹簧式消隙法图例12薄片齿轮3短柱4弹簧圆柱齿轮传动消除间隙的方法（1）偏心轴套调整法（2）锥度齿轮调整法（3）双片齿轮错齿调整法2．斜齿轮传动消除间隙（1）基本思想斜齿轮传动消除侧隙的方法与直齿圆柱齿轮传动中双片薄齿轮消除间隙的思路相似，也是用两个薄片齿轮和一个宽齿轮啮合，只是通过不同的方法使两个薄片齿轮沿轴向移动合适的距离后，相当于两薄片斜齿圆柱齿轮的螺旋线错开了一定的角度。两个齿轮与宽齿轮啮合时分别负责不同的方向（正向和反向），起到消除侧隙的作用。2．斜齿轮传动消除间隙（2）轴向垫片调整法如图所示是斜齿轮垫片错齿消隙结构。宽齿轮4同时与两个相同薄片齿轮1和2啮合，薄片齿轮由平键和轴联接，互相不能相对回转。斜齿轮1和2的齿形拼装后一起加工，并与键槽保持确定的相对位置。装配时在两薄齿轮之间装入厚度为δ的垫片3，使薄片齿轮1、2的螺旋线产生错位，其左右两齿面分别与宽齿轮4的齿贴紧，消除齿侧间隙。斜齿轮轴向垫片消隙图例12薄片齿轮3垫片4宽齿轮2．斜齿轮传动消除间隙（3）轴向压簧调整法如图所示是斜齿轮轴向压簧错齿消除间隙结构。该结构消隙原理与轴向垫片调整法相似，所不同的是利用齿轮2右面的弹簧压力使两个薄片齿轮产生相对轴向位移，从而它们的左、右齿面分别与宽齿轮的左右齿面贴紧，以消除齿侧间隙。图a采用的是压簧，图b采用的是碟形弹簧。斜齿轮轴向压簧消隙法图例a轴向压簧法b蝶形弹簧法问题：比较两种斜齿轮消隙法的优缺点轴向垫片调整法轴向压簧调整法三、滚珠丝杆螺母副１．工作原理和特点（1）滚珠丝杆螺母副由于在丝杆和螺母之间放入了滚珠，使丝杆与螺母间变为滚动摩擦，因而大大地减小了摩擦阻力，提高了传动效率。图示为滚珠丝杆副的结构示意图。丝杆１和螺母３上均制有圆弧型面的螺旋槽，将它们装在一起便形成了螺旋滚道，滚珠４在其间既自转又循环滚动。滚珠丝杠螺母副结构图例1-丝杠2-滚道3-螺母4-滚珠滚珠丝杠螺母副的优点传动效率高，摩擦损失小滚珠丝杆螺母副的传动效率η＝0.92～0.96，可实现高速运动。运动平稳无爬行由于摩擦阻力小，动、静摩擦系数之差极小，故运动平稳，不易出现爬行现象。传动精度高，反向时无空程滚珠丝杆副经预紧后，可消除轴向间隙。磨损小精度保持性好，使用寿命长。具有运动的可逆性可以将旋转运动转换成直线运动，也可将直线运动转换成旋转运动，即丝杆和螺母均可作主动件或从动件。滚珠丝杠螺母副的缺点由于结构复杂，丝杆和螺母等元件的加工精度和表面质量要求高，故制造成本高。由于不能自锁，特别是垂直安装的滚珠丝杆传动，会因部件的自重而自动下降。当部件向下运动且切断动力源时，由于部件的自重和惯性，不能立即停止运动。因此必须增加制动装置。结论：由于其优点显著，虽成本较高，仍被广泛应用在数控机床上。2．结构类型（1）外循环滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杆螺母间重新进入循环。图示为常见的外循环结构形式。在螺母外圆上装有螺旋形的插管口，其两端插入滚珠螺母工作始末两端孔中，以引导滚珠通过插管，形成滚珠的多圈循环链。结构简单，工艺性好，承载能力较高，但径向尺寸较大。应用最广，也可用于重载传动系统。外循环式滚珠丝杠结构图例2．结构类型（2）内循环靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环，如图所示。反向器２的数目与滚珠圈数相等。结构紧凑，刚度好，滚珠流通性好，摩擦损失小，但制造较困难。适用于高灵敏、高精度的进给系统，不宜用于重载传动中。内循环式滚珠丝杠结构图例3．滚珠丝杆副间隙的调整（1）为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度，必须消除滚珠丝杆螺母副轴向间隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使每个螺母中的滚珠分别接触丝杆滚道的左右两侧。用这种方法预紧消除轴向间隙时，预紧力一般应为最大轴向负载的l/3。当要求不太高时，预紧力可小于此值。3．滚珠丝杆副间隙的调整（2）双螺母垫片式消隙如图所示，此种形式结构简单可靠、刚度好，应用最为广泛，在双螺母间加垫片的形式可由专业生产厂根据用户要求事先调整好预紧力，使用时装卸非常方便。双螺母垫片调整法（中间加垫片）图例双螺母垫片调整法（端部加垫片）图例3．滚珠丝杆副间隙的调整（3）双螺母螺纹式消隙如图所示，利用一个螺母上的外螺纹，通过圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧，调整好后用另一个圆螺母锁紧，这种结构调整方便，且可在使用过程中，随时调整，但预紧力大小不能准确控制。双螺母螺纹消隙图例3．滚珠丝杆副间隙的调整（4）齿差式消隙如图所示，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为Z1、Z2，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量为：式中Z1、Z2为齿轮的齿数，Ph为滚珠丝杠的导程。齿差式消隙图例4．滚珠丝杆副的支承方式（1）一端装止推轴承(固定－自由式)如图a所示。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杆。4．滚珠丝杆副的支承方式（2）一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承(固定－支承式)如图b所示。滚珠丝杆较长时，一端装止推轴承固定，另一端由深沟球轴承支承。为了减少丝杆热变形的影响，止推轴承的安装位置应远离热源。4．滚珠丝杆副的支承方式（3）两端装推力轴承（单推—单推式或双推—单推式）如图c所示。这种方式是对丝杠进行预拉伸安装。这样做的好处是：减少丝杠因自重引起的弯曲变形；在推力轴承预紧力大于丝杠最大轴向载荷1/3的条件下，丝杠拉压刚度可提高四倍；丝杠不会因温升而伸长，从而保持丝杠精度。4．滚珠丝杆副的支承方式（4）两端装双重止推轴承及深沟球轴承(固定－固定式)如图d所示。为提高刚度，丝杆两端采用双重支承，如止推轴承和深沟球轴承，并施加预紧拉力。这种结构方式可使丝杆的热变形转化为止推轴承的预紧力。滚珠丝杠副支承方式图例四、数控机床的回转工作台1．回转工作台工作特点数控机床的圆周进给由回转工作台完成，称之为数控机床的第四轴，回转工作台可以与Ｘ、Ｙ、Ｚ三个坐标轴联动，从而加工出各种曲面和曲线等复杂的形状。回转工作台对于自动换刀多工序的加工中心是必备的部件。数控回转工作台主要用于数控镗床和铣床，其外形和通用机床分度工作台相似，但它的驱动是伺服系统的驱动方式。数控回转工作台图例2．回转工作台的锁紧与松开当工作台静止时，必须处于锁紧状态。为此，在蜗轮底部的辐射方向装有８对夹紧瓦４和３，并在底座９上均布着同样数量的小液压缸５。当小液压缸的上腔接通压力油时，活塞６便压向钢球8，撑开夹紧瓦４，并夹紧蜗轮２。在工作台需要回转时，先使小液压缸的上腔接通回油路，在弹簧７的作用下，钢球８抬起，夹紧瓦将蜗轮松开。3．回转工作台的圆周进给运动工作台的回转运动通过电液脉冲马达，经齿轮减速，由蜗杆１传给蜗轮２。为了消除蜗杆副的传动间隙，采用了双螺距渐厚蜗杆，通过移动蜗杆的轴向位置来调整间隙。这种蜗杆的左右两侧面具有不同螺距，因此蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚。但由于同一侧的螺距是相同的，所以仍然可保持正常的啮合。五、数控机床分度工作台１．分度工作台特点分度工作台只能完成分度运动，不能实现圆周进给。分度工作台的分度只限于某些特定的角度。定销式分度工作台的定位分度主要靠工作台的定位销和定位孔实现，分度的角度取决于定位孔在圆周上的分布数量。定销式分度工作台图例2．分度工作台基本组成工作部分分度工作台（1）、矩形工作台（10）、上底座（21）定位部分定位销（7）、定位孔衬套（6）、马蹄形环行槽等。夹紧部分锁紧液压缸（8）、锁紧液压缸活塞（11）顶起部分中央液压缸（17）传动及支承部分双列圆柱滚子轴承（14）、滚针轴承（19）、推力圆柱滚子轴承（20）、齿轮（9）等。3．分度工作台的工作原理（1）分度前的准备工作：CNC发出分度指令→夹紧液压缸（8）上腔回油→液压缸活塞（11）在弹簧的作用下复位→分度工作台（1）放松→中央液压缸（17）下腔进油→中央液压缸活塞（16）上升→由螺栓（15）下端带动推力轴承（20）上升处于工作状态→由螺栓（15）上端带动分度工作台（1）上升使得定位销（7）和套（6）分离3．工作原理（2）分度CNC再发指令→液压马达回转→大齿轮（9）回转→带动工作台回转分度→接近目标位置时，第一个行程开关动作→工作台减速→第二个行程开关动作→工作台准停→新的定位销正好对准定位套3．工作原理（3）工作台定位夹紧中央液压缸（17）上腔回油→分度工作台靠自重回