数控机床原理、结构与维修第4章

第4章数控机床的进给传动系统学习目的与要求•了解数控机床对进给传动系统的要求•了解数控机床常用的联轴器的使用•掌握齿轮传动副及其消除齿轮传动中的间隙方法•掌握数控机床用滚珠丝杠螺母副原理、特点、参数、选择方法和维护•了解齿轮齿条副与双导程蜗杆副传动、静压蜗杆蜗条副与直线电动机传动原理和特点•掌握数控机床导轨形状、类型和特点，导轨间隙的调整、润滑与防护•理解丝杠、导轨在使用过程中常见的的故障、故障原因及维修方法[学习导引示例]典型数控机床的数控工作台传动系统图4-1所示为数控工作台传动系统的机械结构图。伺服电动机通过滚珠丝杠与工作台螺母座连接驱动工作台运动，两坐标上下垂直布置，直线运动采用滚动导轨，这种直联的结构简单。伺服电动机还可通过齿轮传动或同步齿形带与丝杠连接，同步齿形带可隔离电动机的振动和发热，电动机的安装位置也比较灵活。图4-1数控工作台传动系统的机械结构图1一伺服电动机2一联轴器3一滚珠丝杠4一限位开关5一工作台6一轴承7一导轨8一检测装置9一螺母4.1.1数控机床对进给传动系统的要求（1）减小运动件的摩擦阻力和动、静摩擦力之差，以提高数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度。如采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副，滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。(2)减少高速运转的零部件的惯量对伺服机构的启动和制动特性的影响；减小旋转零件的直径和质量，以减小运动部件的蜗轮副的啮合侧隙对传动、定位精度的影响。如采用双导程蜗杆蜗轮。(3)使进给传动装置有高的传动精度与定位精度，对采用步进电动机驱动的开环控制系统尤其如此。如通过在进给传动链中加入减速齿轮，以减小脉冲当量，预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙等办法，可达到提高传动精度和定位精度。4.1概述(4)具有宽的工作进给调速范围达3～6000mm／min(调速范围1：2000)；精密定位，伺服系统的低速趋近速度达0.1mm／min；快速移动速度应高达15m／min。(5)响应速度要快。使机床工作台及其传动机构的刚度、间隙、摩擦以及转动惯量尽可能达到最佳值，以提高伺服进给系统的快速响应性。提高机床的加工效率和加工精度。(6)消除传动间隙，减小反向死区误差。如设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。(7)稳定性好、寿命长。如组成进给机构的各传动部件，特别是滚珠丝杠及传动齿轮，必须具有一定的合适耐磨性材料和适宜的润滑方式。(8)便于维护和保养，最大限度地减小维修工作量，以提高机床的利用率。运作4.1.2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，以传递转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。1.套筒联轴器(图4-2)由连接两轴轴端的套筒和联接套筒与轴的联接件(键或锥销等)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。（a）（b）（c）图4-2套筒联轴器(a)键连接(b)锥销连接(c)十字滑块联轴节三种不同生产类型的生产管理特点2．凸缘联轴器凸缘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，以传递动动和转矩，见图4-3凸缘联轴器。（a）靠螺栓杆承受挤压与剪切来传递转矩,在装拆时轴必须作轴向移动，(b)转矩靠半联轴器结合面间的摩擦力来传递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。（a）（b）图4-3凸缘式联轴器图4-4是现在广泛采用的直接连接电机轴和丝杠的弹性联轴器。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。依靠弹性钢片组对角连接(即弹性)传递扭矩，且与电机轴和丝杠都无键连接，这便是弹性无键联轴器的工作原理.3．弹性无键联轴器图4-4直接连接电机轴和丝杠的弹性联轴器【实例4-1】TND360型安全联轴器为了避免整个运动传动机构的零倬损坏，安全联轴器动作，终止运动的传递。图4-6所示为TND360数控车床的纵向滑板的传动系统图。它是由纵向直流伺服电动机2，经安全联轴器4、6直接驱动滚珠丝杠螺母副10，传动纵向滑板，使其沿床身上的纵向导轨运动。4．安全联轴器图4-6适用范围：对已投产的企业确定生产类型时使用4.2齿轮传动副齿轮传动副被广泛应用将执行元件(电动机或液压马达)输出的高转速、低转矩转换成被控对象所需的低转速、大转矩的场合。齿轮副的侧隙会造成进给运动反向时丢失指令脉冲，并产生反向死区，从而影响加工精度，因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙。1．直齿圆柱齿轮副消除（1）偏心轴调整法（2）双片薄齿轮错齿调整法2．斜齿圆柱齿轮副消除（1）轴向垫片调整法(2)轴向压簧调整法3．锥齿轮传动副（1）轴向压簧调整法(2)周向弹簧调整法4.3数控机床用丝杠传动副4.3.1滚珠丝杠螺母副1.滚珠丝杠螺母副原理及特点滚珠丝杠螺母副的传动效率高达85％～98％，是普通滑动丝杠的2～4倍，它是提高进给系统灵敏度、定位精度和防止爬行的有效措施之一。滚珠丝杠螺母副的结构原理如图4-14所示。滚珠丝杠副的特点是：①传动效率高，可达90％～96。②磨损小、寿命长、传动精度高。③摩擦阻力小，不易产生低速爬行现象。④传动速度过高时，滚珠在其回路管道内易产生卡珠现象。⑤制造工艺复杂、加工精度高。图4-142滚珠的循环方式(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插管返回丝杠螺母间重新进入循环。外循环每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等几种。图4-15外循环滚珠丝杠(a)端盖式(b)插管式(c)螺旋槽式。外循环滚珠丝杠外循环结构和制造工艺简单，但易发生卡珠现象，噪声也较大。(2)内循环内循环始终与丝杠保持接触，均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种类型。如图4-16(a)、(b)所示为圆柱凸键反向器、扁圆镶块反向器。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．结构紧凑、定位可靠、不易发生滚珠堵塞，摩擦损失也小。但结构复杂、制造困难，上能用于多线螺纹传动。3.滚珠丝杠副的参数(1)公称直径是滚珠丝杠副的特征尺寸。公称直径越大，承载能力和刚度越大。数控机床常用的进给丝杠，公称直径为30～~80mm。(2)导程L丝杠相对螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。(3)基本导程丝杠相对于螺母旋转2兀时，螺母上的基准点轴向位移。(4)接触角在螺纹滚道法向剖面内，滚珠球心与滚道接触点的连线和螺纹轴线的垂直线间的夹角，理想接触角等于45°。(5)滚珠直径、滚珠的工作圈数i、滚珠的总数N图4-17基本参数GB／T17587.1-1998规定●内循环为浮动式（标记代号F）和固定式（C），外循环为插管式（C）;预紧方式见表4—3●螺纹旋向为右旋者不标，为左旋者标记代号为“LH”。P类为定位滚珠丝杠副，即通过旋转角度和导程控制轴向位移量的滚珠丝杠副。●精度分1、2、3、4、5、7和10级。1级精度最高，依次递减●T类为传动滚珠丝杠副，公称直径系列为：6mm、8mm。。。。导程：2．5mm、3mm。。。【实例4-2】滚珠丝杠副CDM5010—3一P3的标注示例4．滚珠丝杠副的标注与精度（1）精度等级的选择：数控机床一般可选用D级，精密级选用C级精度的滚珠丝杠副。（2）结构尺寸的选择。滚珠丝杆的结构尺寸主要有：丝杆的名义直径，基本导程、导程L、滚珠直径等。（3）滚珠丝杠副选择和验算①机床定位精度要求与丝杠精度丝杠温升引起的变形量为：△L=αL·△t②滚珠丝杠的刚性直径大、刚度好，但直径大，转动惯量也增大。③滚珠丝杠副的临界转速自振频率角度校核的临界转速为≤0.85.滚珠丝杠副的选择方法cnAEIgL222260mnmnmn④滚珠丝杠副的寿命计算额定寿命计算公式如下：/hLaNfF(106cfmPVf3)=[/]／60保证额定寿命≥20000(h)。【实例4-3】滚珠丝杠安装示例美国CINCINNATI10HC卧式加工中心的Z坐标(立柱水平方向移动)的滚珠丝杠支承采用一端固定，一端自由的结构形式，见图4-18(a)；CINCINNATII0HC卧式加工中心的X坐标滚珠丝杠，如图4-18(b)所示；CINCINNATI10HC卧式加工中心的Y坐标滚珠丝杠如图4-18(c)所示。6．滚珠丝杠螺母副的维护(1)支承轴承的定期检查应定期检查丝杠支承与床身的连接是否有松动以及支承轴承是否损坏等。(2)滚珠丝杠副的润滑和密封用润滑剂来提高耐磨性及传动效率。润滑油为一般机油或90～180号透平油或140号主轴油。润滑脂可采用锂基油脂。(3)滚珠丝杠副常用防尘密封圈和防护罩1)密封圈。密封圈装在滚珠螺母的两端。接触式的弹性密封圈系用耐油橡皮或尼龙等材料制成，其内孔制成与丝杠螺纹滚道相配合的形状。非接触式的密封圈又称迷宫式密封圈，系用聚氯乙烯等塑料制成，其内孔形状与丝杠螺纹滚道相反，并略有间隙。2)防护罩。钢带缠卷式丝杠防护装置。4.3.2静压丝杠1.静压丝杠应用与结构静压丝杠副结构设计主要是螺母部分的结构设计，油腔节流器一般在螺母上，而丝杠结构与一般滑动丝杠基本相同。图4-20静压丝杠螺母副的结构1一螺母2一接压力表油孔3、5、12一进油孔4一螺母座6一油塞7一节流器8一丝杠9一螺钉10一回油槽11一油腔13一进油槽2.工作特点和原理●工作特点:①摩擦系数很小，仅为0.0005，避免了爬行。②油膜层可以吸振，提高了运动的平稳性。③油膜层具有一定的刚度④提高供油压力即可提高承载能力●工作原理丝杠和螺母的螺旋面之间通入压力油，如图4-21所示。4.4齿轮齿条副与双导程蜗杆副传动4.4.1齿轮齿条副【实例4-4】XKB-2320型数控龙门铣床齿轮齿条传动(1)传动原理如图4-24所示，以液压电动机直接驱动蜗杆6，蜗杆6同时带动蜗轮2和7。蜗轮2通过双面齿离合器3和单面齿离合器4，把运动传给轴齿轮1；蜗轮7经一对速比等于1的斜齿轮8和19，把运动传给另一轴齿轮14。这样，可使两个轴齿轮的转向相同。(2)反向间隙和预载力的调整1)通过离合器3和4进行粗调。2)调整滚轮20与消除间隙板21之间的接触压力。图4-24齿轮齿条机构传动原理图4.4.2双导程蜗杆蜗轮副•1.双导程蜗杆蜗轮副的特点①啮合间隙可调整得很小。②双导程蜗杆蜗轮副是用蜗杆轴向移动来调整啮合侧隙的，不会改变它们的中心距，可以避免会引起齿面接触情况变差.③双导程蜗杆蜗轮副使用修磨调整环来控制调整量，调整准确，方便可靠④用调整环来获得合适的啮合侧隙。•2.双导程蜗杆蜗轮副的工作原理双导程蜗杆齿的左、右两侧面具有不同的导程，而同一侧的导程则是相等的.•【实例4-5】JCS-013加工中心双导程蜗杆蜗轮副的间隙调整结构图4-27数控回转工作台双导程蜗杆4.5静压蜗杆蜗条副与直线电动机传动•4.5.1静压蜗杆蜗条副传动•1.工作原理图4-28在蜗杆蜗轮条的啮合面间注入压力油，以形成一定厚度能油膜，使两啮合面问成为液体摩擦.2特点①摩擦阻力小②使用寿命长③抗振性能好④有足够的轴向刚度⑤蜗轮条能无限接长3．静压蜗杆蜗轮条副的材料钢蜗杆配铸铁蜗轮条。钢蜗杆配铸铁基体涂有SKC3耐磨涂层的蜗轮条。图4-28蜗杆一蜗轮条传动机构4.5.2直线电动机驱动•【实例4-6】HVM800型卧式加工中心直线电动机传动•如图4-33所示。当多相交变电流通入多相对称绕组时，就会在直线电动机初级和次级之间的气隙中产生一个行波磁场。从而使初级和次级之间相对移动。图4-33旋转电动机展平为直线电动机的过程(a)旋转电动机(b)直线电动机4.6数控机床导轨•4.6.1对导数控轨的要求•1．导向精度高.2．高、低速平稳性好.3．耐磨性好及寿命长.4．足够的刚度.•4.6.2导轨的技术要求•(1)导轨的精度要求镶钢导轨的平面度须控制在0.005～0.01mm以下，平行度和垂