进给系统教案

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1、第三章 进给系统 3 1 对数控机床进给传动系统的要求 3 2 联轴器 3 3 滚珠丝杠螺母副与静压丝杠螺母副 3 4 齿轮传动副与齿轮齿条传动 3 5 双导程蜗杆蜗轮副与静压蜗杆蜗轮 条传动 3 6 直线电动机传动 3 7 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 进给传动系统由于需经常启动 停止 变速或反向运动 若 机械传动装置

2、惯量大 就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 的自重及各传动元件的直径和自重 2 低摩擦阻力 下一页返回 3 1 对数控机床进给传动系统的要 求 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 所以导轨必须采用具有较小摩擦系数和高耐磨性的滚动导 轨 静压导轨和滑动导轨等 此外进给传动系统还普遍采用 了滚珠丝杠副 3 高刚度 数控机床进给传动系统的高刚度主要取决于滚珠丝杠副 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 足和摩擦阻力大会导致工作台产生爬行现象及造成反向死区

3、影响传动准确性 缩短传动链 合理选择丝杠尺寸及对滚 珠丝杠副和支承部件的预紧是提高传动刚度的有效途径 上一页 下一页返回 3 1 对数控机床进给传动系统的要 求 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 一般要求进给传动系统的固有频率应高于伺 服驱动系统的固有频率的2 3倍 5 消除传动间隙 进给系统的传动间隙一般指反向间隙 即反向死区误差 它 存在于整个传动链的各传动副中 直接影响数控机床的加工 精度 传动间隙主要来自传动齿轮副 蜗杆副 联轴器 螺 旋副及其支承部件之间 应施加预紧力和采取消除间隙的结 构措施 尽量消除传动间隙 减小反向死区误差 设计中可

4、 采用消除间隙的联轴节及有消除间隙措施的传动副等方法 上一页 返回 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 其中 机械式联轴器的应用最为广泛 它借助于机械构件相互间的 机械作用来传递扭矩 大致可作如下分类 下一页返回 3 2 联轴器 机械式 上一页 下一页返回 刚性 弹性 固定式 套管联轴器 凸缘联轴器及夹 壳联轴器等 可移式 齿轮联轴器 十字滑块联轴器及 万向联轴器等 金属弹性联轴器 簧片联轴器 膜片联轴 器及波形管联轴器

5、等 非金属弹性联轴器 轮胎式联轴器 整 圈橡胶联轴器及橡胶块联轴器等 3 2 联轴器 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 套简联轴器由连接两轴轴端的套简和连接套简 与轴的连接件 键或销钉 所组成 一般当轴端直径d 80mm 时 套简用35或45钢制造 d 80mm时 可用强度较高的铸铁 制造 此种联轴器构造简单 径向尺寸小 但其装拆困难 轴需作轴 向移动 且要求两轴严格对中 不允许有径向及角度偏差 因 此使用上受到一定限制 由于伺服电动机性能的提高 目前许多场合采用伺服电动机 与丝杠直接相联 如图3 3所示 图3 3 a 用锥销连接 为防 上一页 下一页返回 3

6、 2 联轴器 止振松 用螺母加弹簧垫圈锁紧 图3 3 b 为十字滑块联轴 节 接头槽口需研配 适于负载较小的传动 2 凸缘式联轴器 如图3 4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 图3 4 a 另一 种则是共同与另一刘分环相配合而对中 图3 4 b 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 它对于所连接的两轴的对中性 上一页 下一页返回 3 2 联轴器 要求相当高 当两轴间有

7、位移与倾斜存在时 就在机件内引 起附加载荷 使工作情况恶化 这是它的主要缺点 但由于 其构造简单 成本低以及可传递较大扭矩 故当转速低 无 冲击 轴的刚性大以及对中性较好时亦常采用 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动机的 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 图3 5为采用锥形夹紧环 简称锥环 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 上一页 下一页返回 3 2 联轴器 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

8、矩 为了能补偿同 轴度及垂直度误差引起的憋劲现象 可采用图3 6所示的挠性 联轴器 柔性片7分别用螺钉和球面垫圈与两边的联轴套相连 通过柔性片传递转矩 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 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 上一页 返回 3 3 滚珠丝杠螺母副与静压丝杠 螺母副 3 3 1 滚珠丝杠螺母副 为了提高进给系统的灵敏度 定位精度和防止爬行 必须降 低数控机床进给系统的摩擦并减

9、少静 动摩擦系数之差 因 此 行程不太长的直线运动机构常用滚珠 丝杠螺母副 它是直线运动与回转运动相互转换的新型传动 装置 它可以消除反向间隙并施加预载 有助于提高定位精 度和刚度 1 滚珠丝杠螺母副的工作原理与特点 滚珠丝杠螺母副是数控机床的进给运动链中将旋转运动转换 为直线运动的用得最广泛的一种新型理想传动装置 下一页返回 3 3 滚珠丝杠螺母副与静压丝杠 螺母副 1 工作原理 滚珠丝杠螺母副的结构原理如图3 7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

10、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 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摩擦 所以具有以下特点 传动效率高 摩擦损失小 滚珠丝杠螺母副的传动效率 上一页 下一页返回 3 3 滚珠丝杠螺母副与静压丝杠 螺母副 0 92 0 96 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 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 运动平稳 无爬行现象 传动精度高 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

11、主动件 磨损小 使用寿命长 精度保持性好 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 上一页 下一页返回 3 3 滚珠丝杠螺母副与静压丝杠 螺母副 不能自锁 特别是对于垂直丝杠 由于自重的作用 下降 时当传动切断后 不能立即停止运动 故常需添加制动装置 2 滚珠丝杠螺母副的循环方式 滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式常用的有两种 外循环和内循 环 滚珠在循环过程中有时与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

12、 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 1 外循环 外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或 上一页 下一页返回 3 3 滚珠丝杠螺母副与静压丝杠 螺母副 插管返回丝杠螺母间重新进入循环 如图3 8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 如图3 8 a 所示是端盖式 在螺母上加工出一纵向孔 作为 滚珠的回程通道 螺母两端的盖板上开有滚珠的回程口 滚 珠由此进入回程管 形成循环 如图3 8 b 所示为插管式 它用弯管作为返回管道 这种结构 工艺性好 但由于管道突出与螺母体外 径向尺寸较大 如图3 8 c 所示为螺旋

13、槽式 它是在螺母外圆上铣出螺旋槽 槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切 形成返回通道 这种 结构比插管式结构径向尺寸小 但制造较复杂 上一页 下一页返回 3 3 滚珠丝杠螺母副与静压丝杠 螺母副 外循环滚珠丝杠外循环结构和制造工艺简单 使用较广泛 其缺点是滚道接缝处很难做得平滑 影响滚珠滚道的平稳性 甚至发生卜珠现象 噪声也较大 2 内循环 内循环均采用反向器实现滚珠循环 反向器有两种类型 如 图3 9所示 如图3 9 a 所示为圆柱凸键反向器 它的圆柱部分嵌入螺母内 端部开有反向槽2 反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键1 定位 以保证对准螺纹滚道方向 如图3 9 b 所示为扁圆镶块反向器 反向器为

14、一半圆头平键形 镶块 镶块嵌入螺母的切槽中 其端部开有反向槽3 上一页 下一页返回 3 3 滚珠丝杠螺母副与静压丝杠 螺母副 用镶块的外轮廓定位 两种反向器比较 后者尺寸较小 从 而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸 但这种反向器 的外轮廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高 内循环滚珠丝杠的优点是径向尺寸紧凑 刚性好 因其返回 滚道较短 故摩擦损失小 适用于高灵敏 高精度传动 不 宜用于重载传动 其缺点是反向器加工困难 3 螺旋滚道型面 螺旋滚道型面 即滚道法向截形 的形状有多种 常见的截形有 单圆弧型面和双圆弧型面两种 如图3 10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

15、线与螺纹 轴线的垂线间的夹角称为接触角 理想接触角 45 上一页 下一页返回 3 3 滚珠丝杠螺母副与静压丝杠 螺母副 1 单圆弧型面 如图3 10 a 所示 通常滚道半径rn稍大于滚珠半径rw 通常 2rn 1 04 1 1 Dw 对于单圆弧型面的螺纹滚道 接触角 是随轴向负荷F的大小而变化的 当F 0时 0 承载后 随F的增大 增大 的大小由接触形变的大小决定 当接 触 增大后 传动效率Ed轴向刚度Rc 以及承载能力随之增 大 2 双圆弧型面 如图3 10 b 所示 滚珠与滚道只在内相切的两点接触 接触 角 不变 两圆弧交接处有一小空隙 可容纳一些脏物 这对 滚珠的流动有利 上一页 下一页

16、返回 3 3 滚珠丝杠螺母副与静压丝杠 螺母副 单圆弧型面 接触角a是随负载的大小而变化的 因而轴承刚 度和承载能力也随之而变化 应用较少 双圆弧型面 接触 角选定后是不变的 应用较广 3 矩形滚道型面 如图3 10 c 所示 这种型面制造容易 只能承受轴向载荷 承载能力低 可在要求不高的传动中应用 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 轴向间隙通常是指丝杠 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 产生弹性形变所造成的轴向窜动量 上一页 下一页返回 3 3 滚珠丝杠螺母副与静压丝杠 螺母副 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贴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 常用的丝杠螺母副消除间隙的方法有单螺母消隙和双螺母消 隙两类 1 单螺母消隙 单