第3章-数控机床进给传动系统

第3章数控机床的进给传动系统3.1对数控机床进给传动系统的要求3.2联轴器3.3减速机构3.4滚珠丝杠螺母副3.5静压丝杠螺母副3.6齿轮传动副3.7齿轮齿条传动与直线电机传动3.8双导程蜗杆蜗轮副与静压蜗杆——蜗杆条传动3.9数控机床导轨3.1对数控机床进给传动系统的要求数控机床进给传动系统承担了数控机床各直线坐标轴、回转坐标轴的定位和切削进给，进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响被加工工件的最后轮廓精度和加工精度。为了保证数控机床进给传动系统的定位精度和动态性能，对数控机床进给传动系统的要求主要有如下几个方面。（1）低惯量。进给传动系统由于经常需启动、停止、变速或反向运动，若机械传动装置惯量大，就会增大负载并使系统动态性能变差。（2）低摩擦阻力。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摩擦系数与静摩擦系数之差。下一页返回3.1对数控机床进给传动系统的要求（3）高刚度。数控机床进给传动系统的高刚度取决于滚珠丝杠副或蜗轮蜗杆副及其支承部件的刚度。刚度不足和摩擦阻力会导致工作台产生爬行现象及造成反向死区，影响传动准确性。（4）高谐振为了提高进给的抗振性，应使机械构件具有较高的固有频率和合适的阻尼，一般要求进给系统的固有频率应高于伺服驱动系统的固有频率2~3倍。（5）无传动间隙。为了提高位移精度，减小传动误差，对采用的各种机械部件首先要保证它们的加工精度，其次要尽量消除各种间隙，因为机械间隙是造成进给传动系统反向死区的另一主要原因。返回上一页3.2联轴器联轴器是用来连接进给机构的两根轴，使之一起回转与传递扭矩和运动的一种装置。机器运转时，被连接的两轴不能分离，只有停车后，将联轴器拆开，两轴才能脱开。目前联轴器的类型繁多，有液压式、电磁式和机械式。下面介绍几种数控机床常用的联轴器。1.套筒联轴器如图3-2所示，套筒联轴器由连接两轴轴端的套筒和联接套筒与轴的联接件所组成，一般当轴端直径d≤80mm时，套筒用35或45钢制造；d80mm时，可用强度较高的铸铁制造。套筒连轴器各部分尺寸间的关系如下：套筒长L≈3d；套筒外径D≈1.5d；销钉直径d0=（0.3~0.25）d；销钉中心到套筒端部的距离e≈0.75d。下一页返回3.2联轴器2.凸缘式联轴器如图3-3所示，凸缘式联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器分别与两轴连接，然后用螺栓把两个半联轴器连成一体，以传递运动和扭矩。凸缘式联轴器有两种对中方法：一种是用一个半联轴器上的凸肩与另一个半联轴器上的凹槽相配合而对中；另一种则是共同与另一部分环相配合而对中。凸缘式联轴器的材料可用HT250或碳钢，重载时或圆周速度大于30m/s时应用铸钢或锻钢。3.扰性联轴器在大扭矩宽调速直流电动机及传递扭矩较大的步进电机的传动机构中，与丝杠之间可采用直接连接的方式，这不仅可简化结构、减少噪声，而且对减少间隙、提高传动刚度也大有好处。下一页返回上一页3.2联轴器图3-4为采用锥形夹紧环的消隙联轴器，可使动力传递没有反向间隙。螺钉5通过压圈3施加轴向力时，由于锥环之间的楔紧作用，内外环分别产生径向弹性变形，消除配合间隙，并产生接触压力以传递扭矩。为了能补偿同轴度及垂直误差引起的憋劲现象，可采用图3-5所示的扰性联轴器。柔性片4分别用螺钉和球面垫圈与两边的联轴套2相连，通过柔性片传递扭矩。柔性片每片厚0.25mm，材料为不锈钢。两端的位置偏差由柔性片的变形抵消。上一页返回3.2联轴器这种联轴器传递功率大，转速高，使用寿命长，能适应较大的相对位移，能在受振动和冲击载荷等恶劣条件下连续工作，安装、使用和维护方便、简单，作用于系统中的负荷小、噪声小，因而在数控机床的进给传动系统中应用广泛。返回上一页3.3减速机构3.3.1齿轮传动装置齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个：一是将高转速转矩的伺服电机（如步进电机、直流和交流伺服电机等）的输出改变为低转矩的执行件的输入；另一个是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中占有较小的比重。此外，对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。下一页返回3.3减速机构为了尽量减小齿侧间隙对数控机床加工精度的影响，经常在结构上采取措施，以减小或消除齿轮副的空行程误差。如采用双片齿轮错齿法、利用偏心套调整齿轮副中心距或采用轴向垫片调整法消除齿轮侧隙。与采用同步齿形带相比，在数控机床进给传动链中采用齿轮减速装置，更易产生低频振荡，因此减速机构中常配置阴尼器来改善动态性能。下一页返回上一页3.3减速机构3.3.2同步齿形带同步齿形带传动是一种新型的带传动。它利用齿形带的齿形与带轮齿依次啮合传递运动和动力，因而兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，且无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高，而且齿形带的强度高、厚度小、重量轻，故可用于调整传动。齿形带无需特别张紧，故作用在轴和轴承上的载荷小，传动效率也高，现已在数控机床上广泛应用。同步齿形带的主要参数与规格如下：（1）齿距齿距P为相邻两齿在节线上的距离。由于强力层在工作时长度不变，所以强力层的中心线被规定为齿形带的节线，并以节线的周长L作为齿形带的公称长度。下一页上一页返回3.3减速机构（2）模数模数定义为m=pπ，是齿形带尺寸计算的一个主要依据。（3）其他参数齿形带的其他参数和尺寸与渐开线齿条基本相同。齿形带齿形的计算公式与渐开线齿条不同，因为齿形带的节线在强力层上，而不在齿高中部。齿形带的标注方法是：模数x宽度x齿数，即mxbxz。返回上一页3.4滚珠丝杠螺母副3.4.1滚珠丝杠螺母副的工作原理与特点1.滚珠丝杠螺母副的工作原理滚珠丝杠螺母副的结构原理如图3-6所示。在丝杠3和螺母1上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺母滚道。螺母上有滚珠回路管道4，将几圈螺母滚道的两端连接起来，构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠2。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，从而迫使螺母轴向移动。2.滚珠丝杠螺母副的特点由于滚珠丝杠在传动时，丝杠与螺母之间基本上是滚动磨擦，所以具有以下特点：下一页返回3.4滚珠丝杠螺母副①传动效率高，磨损损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率μ=0.92~0.96，比常规螺母副提高3~4倍。因此，功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的1/4~1/3。②给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空行程死区，定位精度高，刚度好。③运动平稳，无爬行现象，传动精度高。④有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。⑤磨损小，使用寿命长。⑥制造工艺复杂，成本高。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙也要求高，故制造成本高。下一页返回上一页3.4滚珠丝杠螺母副⑦不能自锁。特别是对于生于垂直丝杠，由于自重的作用，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故常添加制动装置。3.4.2滚珠丝杠螺母副的循环方式常用的循环方式有两种：外循环和内循环。滚珠在循环过程中有时不慌不忙丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。滚珠每一个循环闭路称为列，每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈；外循环每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等几种。下一页返回上一页3.4滚珠丝杠螺母副（1）外循环。外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。如图3-7所示，外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖式、插管式和螺旋槽式。（2）内循环。如图3-8所示为内循环滚珠丝杠。内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种类型。下一页返回上一页3.4滚珠丝杠螺母副3.4.3螺旋滚道型面螺旋滚道型面的形状有多种，常见的截形有单圆弧型面攻双圆弧型面两种。如图3-9所示为螺旋滚道型面的简图，图中钢球与滚道表面在接触点处的公法线与螺纹轴线的垂线间的夹角称为接触角α，理想接触角α=450。下一页返回上一页3.4滚珠丝杠螺母副3.4.4滚珠丝杠螺母副间隙的消除滚珠丝杠螺母副的间隙是轴向间隙。轴向间隙的数值是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动量，除了结构本身所有的游隙之外，还包括施加轴向载荷后丝杠产生弹性变形所造成的轴向窜动量。为了保证滚珠丝杠传动精度和轴向刚度，必须消除滚珠丝杠螺母副轴向间隙。除了少数用微量过盈滚珠的单螺母消除间隙外，常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠丝杠螺母中的滚珠分别帖紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，否则会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。下一页返回上一页3.4滚珠丝杠螺母副常用的丝杠螺母另消除间隙的方法有单螺母消隙两类。（1）单螺母消隙。①单螺母变位导程预加负荷。如图3-10所示为单螺母变位导程预加负荷，它是在滚珠螺母体内的两列循环珠链之间，使内螺母滚道在轴向产生一个△L0的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位实现预紧。这种调隙方法结构简单，但负荷量须预先设定且不能改变。②单螺母螺钉预紧。如图3-11所示，螺母的专业生产工作完成精磨之后，沿径向开一浅槽，通过内六角调整螺钉实现间隙的调整和预紧。该专利技术成功地解决了开槽后滚珠在螺母中良好的通过性，单螺母结构不仅具有很好的性能价格比，而且间隙的调整和预紧极为方便。下一页返回上一页3.4滚珠丝杠螺母副（2）双螺母消隙。①垫片调隙式。如图3-12所示为垫片调隙式，调整垫片厚度使左右两螺母产生轴向位移，即可消除间隙和产生预紧力。这种方法结构简单，刚性好，但调整不便，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。②螺纹调整式。如图3-13所示为螺纹调整式，是用键限制螺母在螺母卒内的转动。调整时，拧动圆螺母将螺母沿轴向移动一定距离，在消除间隙之后用圆螺母将其锁紧。这种方法结构简单紧凑，调整方便，但调整精度较差，且易于松动。下一页返回上一页3.4滚珠丝杠螺母副③齿差间隙式。如图3-14所示为齿差调隙式，螺母1和2的凸缘上各制有一个圆柱外齿轮，两个齿轮的齿数相差一个齿，两个内齿圈3和4怀外齿轮数分别相同，并用预紧螺钉和销钉固定在螺母座的两端。调整时先将内齿圈取下，根据间隙的大小调整两个螺母分别向相同的方向转过一个或多个齿，使两个螺母在轴向移近了相应的距离达到调整间隙和预紧的目的。（3）滚珠丝杠螺母副的预紧力滚珠丝杠螺母副预紧的基本原理是使两个螺母产生轴向位移，以消除它们之间的间隙和施加预紧力。为保证传动精度及刚度，滚珠丝杠螺母副消除传动间隙外，还要求预紧。预紧力FV的计算公式为FV=（1/3）Fmax下一页返回上一页3.4滚珠丝杠螺母副式中，Fmax——轴向最大工作载荷。上述消除滚珠丝杠螺母副轴向间隙的方法，都对螺母进行预紧。调整时只要注意预紧力大小FV=（1/3）Fmax即可。3.4.5滚珠丝杠螺母副的支承与制动1.滚珠丝杠螺母副的支承方式数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母副本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及支承结构的刚度也是不可忽视的因素。滚珠丝杠常用推力轴承支座，以提高轴向刚度，滚珠丝杠在数控机床上的安装支承方式有以下几种。下一页返回上一页3.4滚珠丝杠螺母副（1）一端装推力轴承（固定——自由式）如图3-15所示，这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，只适用于短丝杠，一般用于数控机床的调节或升降台式数控铣床的立向（垂直）坐标中。（2）一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承（固定—支承式）如图3-16所示，这种方式可用于丝杠较长的情况。应将推力轴承远离液压马达等热源及丝杠上的常用段，以减少丝杠热变形有影响。下一页返回上一页3.4滚珠丝杠螺母副（3）两端装推力轴承