进给系统-对数控机床

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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，若机械传动装置惯量大，就会增大负载并使系

2、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，影响传动准确性。缩短传动链，合理

3、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。设计中可采用消除间隙的联轴节及有消除间隙措施的传动

4、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等,非金属弹性联轴器-轮胎式联轴器、整圈橡胶联轴

5、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d80mm时，套简用35或45钢制造;d80mm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,3.2 联轴器,止振松，用螺母加弹簧垫圈锁紧。图3-3( b)为十

6、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

7、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。

8、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

9、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

10、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. 920. 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

11、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，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

12、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

13、，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

14、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

15、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. 041. 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,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

16、。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)单螺母消隙单螺母变位导程预加负荷。如图3-11所示为单螺母变位导,