数控机床结构及维修-第4章数控机床的进给传动系统.

普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏第四章数控机床的进给传动系统普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/292第四章数控机床的进给传动系统4.1概述4.2滚珠丝杠螺母副4.3导轨滑块副4.4静压蜗杆—蜗轮齿条传动4.5预加载荷双齿轮齿条4.6直线电动机传动4.7进给传动系统常见故障诊断及维修普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/293为确保数控机床进给系统的传动精度和工作平稳性等，对机械传动装置提出如下要求：(1)减少摩擦阻力；(2)减少运动惯量；(3)高的传动精度与定位精度；(4)宽的进给调速范围；(5)无间隙传动；(6)响应速度要快;(7)稳定性好、寿命长;(8)使用维护方便。4.1概述普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/2944.2滚珠丝杠螺母副4.2.1滚珠丝杠螺母副概述滚珠丝杠螺母副（简称滚珠丝杠副）是一种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间传动元件的丝杠副，是直线运动与回转运动能相互转换的传动装置。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母(或丝杠)轴向移动。与传统丝杠相比，滚珠丝杠螺母副具有高传动精度、高效率、高刚度、可预紧、运动平稳、寿命长、低噪音等优点。普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/2954.2.2滚珠丝杠副的循环方式常用的循环方式有外循环与内循环两种。（1）外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。端部导流方式如图4.1(a)所示。其特点为螺母外径小，可进行微型设计，无噪音高速传送。管循环式如图4.1(b)所示。其特点为规格（轴径、导程）的应用范围广。端盖式如图4.1(c)所示。其特点为适合导程大的应用场合，滚珠循环部的构造复杂，缺乏广泛适用性。（2）内循环滚珠在循环过程中，始终与丝杠保持接触的称为内循环（图4.2）普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/2964.2.3滚珠丝杠副的预紧滚珠丝杠副预紧的目的是为了消除丝杠与螺母之间的间隙和施加预紧力，以保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度。在数控机床进给系统中使用的滚珠丝杠螺母副的预紧方法有修磨垫片厚度、锁紧双螺母消隙、齿差式调整方法等。广泛采用的是双螺母结构消隙。（1）双螺母预紧（D预紧）如图4.3（a）所示。（2）弹簧式双螺母预紧（J预紧）如图4.3（b）所示。（3）偏移预紧（Z预紧）如图4.3（c）所示。（4）超规滚珠预紧（P预紧）如图4.3（d）所示。普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/2974.2.4滚珠丝杠副的应用（一）滚珠丝杠副的支承安装方式对滚珠丝杠副承载能力、刚性及最高转速有很大影响。滚珠丝杠螺母副在安装时应满足以下要求：（1）滚珠丝杠螺母副相对工作台不能有轴向窜动。（2）螺母座孔中心应与丝杠安装轴线同心。（3）滚珠丝杠螺母副中心线应平行于相应的导轨。（4）能方便地进行间隙调整、预紧和预拉伸。常见安装方式有以下四种情况:(1)固定—自由图4.6（a）适用于低转速，中精度，短轴向丝杠。(2)两端支承图4.6（b）适用于中等转速，中精度。(3)固定—支承图4.6（c）适用于中等转速、高精度。(4)固定—固定图4.6（d）适用于高转速、高精度。普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/298（二）滚珠丝杠副的选择方法选用要点：应该根据机床的精度要求来选用滚珠丝杠副的精度，根据机床的载荷来选定丝杠的直径，并且要验算丝杠扭转刚度、压曲刚度、临界转速与工作寿命等。精度等级的选择：滚珠丝杠副的精度将直接影响数控机床各坐标轴的定位精度。普通精度的数控机床，一般可选用D级，精密级数控机床选用C级精度的滚珠丝杠副。普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/299（三）滚珠丝杠副的验算当有关结构参数选定后，还应根据有关规范进行扭转刚度、临界转速和寿命的验算校核。图4.7为某公司提供的滚珠丝杠副的计算流程。（1）刚度验算刚度验算就是校验丝杠在额定轴向(扭转)载荷作用下，执行件的失动量。（2）临界转速验算应校核丝杠轴的转速与丝杠自身的自振频率是否接近，如果很接近，会导致强迫共振，影响机床正常工作。应根据有关计算公式进行的校核。（3）寿命验算滚珠丝杠副的寿命，主要是指疲劳寿命。普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/2910（四）制动装置目前常见的有机械式和电气式两种。电气方式制动是采用电磁制动器，而且这种制动器就做在电机内部。图4.8为FANUC公司伺服电机带制动器的示意图。如图4.9所示为数控卧式铣镗床主轴箱进给丝杠示意图。普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/2911（五）滚珠丝杠副的润滑及防护装置润滑方式主要有润滑脂和润滑油两种。润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/3，某些生产厂家在装配时螺母内部已加注润滑脂。而润滑油的给油量随行程、润滑油的种类、使用条件等的不同而不同。普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/29124.2.5滚珠丝杠副的发展趋势高速加工用的进给滚珠丝杠要采取改进措施:(1)加大丝杠的导程和增加螺纹的头数;(2)将实心丝杠改为空心的;(3)减少热影响;(4)采用滚珠丝杠固定。普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/29134.3.1数控机床对导轨滑块副的要求(1)导向精度高。导向精度是指机床的运动部件沿导轨运动的轨迹与机床的相关基准面的相互位置的准确性。影响精度的主要因素有：制造精度、结构形式、装配质量、导轨及其支承件的刚度和热变形。(2)耐磨性好。影响耐磨性的因素有：导轨的材料、摩擦性质、处理及加工的工艺方法，工作中受力情况、润滑和防护。(3)刚度大(4)良好的磨擦特性。；动静磨擦系数尽量接近，使运动平稳，低速无爬行。4.3导轨滑块副普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/29144.3.2导轨副的分类导轨副按接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、静压导轨和滚动导轨。1.滑动导轨滑动导轨分为金属对金属的一般类型的导轨和金属对塑料的塑料导轨两类。2、静压导轨液体静压导轨指压力油通过节流器进入两相对运动的导轨面，所形成的油膜使两导轨面分开，保证导轨面在液体摩擦状态下工作。图4.10为开式静压导轨工作原理图。3、滚动导轨滚动导轨是在导轨面间放置滚珠、滚柱、滚针等滚动体，使导轨面间的摩擦为滚动摩擦，其与普通滑动导轨的性能比较见表4-1，滚动导轨具有运动灵敏度高、定位精度高、精度保持性好和维修方便的优点。图4.11为直线滚动导轨外形图。普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/2915滚动导轨副按结构形式可分为滚动导轨和滚柱导轨块两种。其中滚动导轨多用于中、小型数控机床中。滚动导轨副按形状可分为直线滚动导轨副、圆弧滚动导轨副。其中圆弧滚动导轨副可以实现任意直径大小圆弧或圆周运动，克服了用轴承或滚动支承等设备加工而带来的尺寸限制。直线滚动导轨副按导轨与滑块的关系分为整体型和分离型导轨副按导轨副中是否有带球保持器分为普通型和低噪音型直线滚动导轨。因带球保持器使得滚珠与保持器之间形成了油膜接触，避免了滚珠之间的摩擦，使得导轨副在运行时发热量大大降低，运行稳定，也实现导轨副的高速、高精度运动。普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/29164.3.3滚动导轨的结构滚动导轨的结构直线滚动导轨副，如图4.12所示，为四方向等载荷带球保持器型直线滚动导轨，是较常见的一种导轨副。如图4.13所示，滚珠之间用保持器分开，滚珠之间不发生碰撞，降低了导轨副中在运动中产生的噪音，称之为低噪音型滚动直线导轨。还有滚柱直线导轨如图4.14所示，由于滚柱与导轨的接触面积要比滚珠的大，因此它具有较大的负载能力。还可以通过增加滚道的数目来提高负载能力，如六滚道型滚动导轨。普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/29174.3.4滚动导轨的载荷、寿命计算滚动导轨的选用流程如图4.15所示。1.载荷计算滚动导轨所承受的载荷，受到很多因素的影响，如配置形式（水平、垂直或斜置等）、移动的重心和受力点的位置、移动导轨牵引力的作用点、起动及停止时的惯性力，以及切削阻力作用等。表4-2为几种典型条件下作用于导轨上载荷的计算。2.寿命计算直线滚动导轨副的寿命计算公式为：350htcawffffCfFLF—工作载荷—硬度系数见表4-3—温度系数表4-4所示—接触系数见表4-5—精度系数表4-6所示—载荷系数见表4-7hftfcfafwf普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/2918滚动导轨块寿命计算的公式为：如果寿命以h计算，式中——行程长度（m）——每分钟往复次数如已选定滚动导轨的型号，即已知C，可据此计算预期寿命；如给定预期寿命，可由Lh计算L，再计算额定动载荷C，据此选定导轨的型号。103100htcawffffCfFLln310260LhnlL普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/29194.3.5滚动导轨的安装与调整1．滚动导轨的导轨块安装滚动导轨的常见安装形式按导向方式分为闭式安装窄式导向，闭式导轨宽式导向。按定位方式分为单导轨定位和双导轨定位。闭式安装，窄式导向。如图4.16（a）所示导轨块的配置。如图4.16（b）所示支撑主导轨，用贴塑压板的滚动导轨块，用来承受翻转力矩。闭式导轨，宽式导向。如图4.17所示滚动导轨的宽式安装，上下左右都用滚动导轨块，图中1、2是弹簧垫或调整垫，用来调节滚子和支承导轨间的预压力。单导轨定位，如图4.18所示。双导轨定位，如图4.19所示。普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/2920导轨安装步骤如下：（1）将导轨基准面紧靠机床装配表面的侧基面，对准螺孔，将导轨轻轻地用螺栓予以固定。（2）上紧导轨侧面的顶紧装置，使导轨基准侧面紧紧靠贴床身的侧面。（3）按表4-8的参考值，用力矩扳手拧紧导轨的安装螺钉；从中间开始按交叉顺序向两端拧紧。滑块座安装步骤如下：（1）将工作台置于滑块座的平面上，并对准安装螺钉孔，轻轻地压紧。（2）拧紧基准侧滑块座侧面的压紧装置，使滑块座基准侧面紧紧靠贴工作台的侧基面。（3）按对角线顺序拧紧基准侧和非基准侧滑块座上各个螺钉。普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/29212．轨道副的间隙调整常用的调整形式有过盈配合法和调整法。调整法又分为压板调整、镶条调整、压板镶条调整。如图4.20所示为压板调整间隙，压板用螺钉固定在动导轨上。如图4.21（a）所示为等厚度镶条调整间隙，全长厚度相等，横截面为平行四边形（用于燕尾形导轨）或矩形的平镶条，通过侧面的螺钉调节和螺母锁紧，以其横向位移来调整间隙，在螺钉的着力点有挠曲。如图4.21（b）所示斜镶条，全长厚度变化的斜镶条及三种用于斜镶条的调节螺钉，以其斜镶条的纵向位移来调整间隙。如图4.22所示为压板镶条调整间隙，T形压板用螺钉固定在运动部件上。如图4.23所示滚动导轨调整实例，镶条1固定不动，滚动导轨块2固定在镶条4上。普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床结构及维修邓三鹏2019/12/29223．滚动导轨调整要求加工中心上使用的直线滚动导轨一般选用精密级(D级）。安装直线滚动导轨的安装基面精度，必须等于或高于导轨精度。（1）安装精密级直线滚动导轨的安装基面，平面度一般取0.0lmm以下。（2）安装基面两侧定位面之间的平行度取0.015mm左右。（3）侧定位面对底平面安装