数控机床原理、结构与维修第4章数控机床的进给传动系统

数控机床原理、结构与维修主编张平亮第4章数控机床的进给传动系统4.1概述4.2齿轮传动副4.3数控机床用丝杠传动副4.4齿轮齿条副与双导程蜗杆副传动第4章数控机床的进给传动系统图4-1数控工作台传动系统的机械结构图1—直流伺服电动机2—滑块联轴器3—滚珠丝杠4—左螺母5—键6—半圆垫片7—右螺母8—螺母座4.1概述4.1.1对进给传动系统的要求为确保数控机床进给系统的传动精度和工作平稳性等，在设计机械传动装置时，应符合如下要求：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。2)减少高速运转零部件的转动惯量对伺服机构的起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杆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。4.1概述4)工作进给调速范围宽，可达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。6)消除传动间隙，减小反向死区误差。7)稳定性好、寿命长。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。4.1.2联轴器4.1概述联轴器是用来联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，被联接的两轴不能分离，只有停机后，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；而机械式联轴器是应用最广泛的一种，它借助于机械构件相互间的机械作用力来传递转矩，大致可作如下划分：1.套筒联轴器图4-2套筒联轴器a)键联接b)锥销联接c)十字滑块联轴节4.1概述2.凸缘联轴器图4-3凸缘式联轴器3.弹性联轴器4.1概述图4-4直接联接电动机轴和丝杠的弹性联轴器4.1概述4.安全联轴器图4-5安全联轴器工作原理【实例4-1】TND360型数控车床的安全联轴器4.1概述图4-6TND360型数控车床的纵向滑板的传动系统图1—旋转变压器和测速发电机2—直流伺服电动机3—锥环4、6—半联轴器5—滑环7—钢片8—碟形弹簧9—套10—滚珠丝杠11—垫圈12、13、14—滚针轴承15—堵头16—压紧螺钉17—压紧外环18—压紧内环19—压紧套4.2齿轮传动副图4-7偏心轴套式调整间隙机构1、3—齿轮2—偏心轴套4.2齿轮传动副1.直齿圆柱齿轮副消除间隙的方法(1)偏心轴调整法如图4-7所示为偏心轴套式调整间隙结构，齿轮1装在偏心轴套2上，可以通过偏心轴套2调整齿轮1和齿轮3之间的中心距来消除齿轮传动副的齿侧间隙。(2)锥度调整法如图4-8所示为用一个带有锥度的齿轮来消除间隙的结构。(3)双片薄齿轮错齿调整法图4-9所示为双片薄齿轮错齿调整法。图4-8锥度齿轮调整法4.2齿轮传动副图4-9双片薄齿轮错齿消隙结构4.2齿轮传动副图4-10斜齿轮垫片调整法1、2—薄片斜齿轮3—垫片4—宽齿轮4.2齿轮传动副2.斜齿圆柱齿轮副消除间隙的方法(1)轴向垫片调整法如图4-10所示为斜齿轮垫片调整法，其原理与错齿调整法相同。(2)轴向压簧调整法图4-11是斜齿轮轴向压簧错齿消隙结构。图4-11斜齿轮轴向压簧错齿消隙结构1、2—薄片斜齿轮3—弹簧4—宽齿轮5—螺母4.2齿轮传动副3.锥齿轮传动副消隙间隙的方法(1)轴向压簧调整法如图4-12为锥齿轮轴向压簧调整法。图4-12锥齿轮轴向压簧调整法4.2齿轮传动副图4-13锥齿轮周向弹簧调整法(2)周向弹簧调整法图4-13为锥齿轮周向弹簧调整法。4.3数控机床用丝杠传动副4.3.1滚珠丝杠副1.滚珠丝杠副原理及特点图4-14滚珠丝杠副的结构原理4.3数控机床用丝杠传动副1)摩擦损失小，传动效率高，可达90%～96%，功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的1/4～1/3。2)采用双螺母预紧后，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，提高了传动刚度。3)摩擦阻力小，动、静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象。4)不能自锁，有可逆性，既能将旋转运动转换为直线运动，又能将直线运动转换为旋转运动。5)运动速度受到一定限制，传动速度过高时，滚珠在其回路管道内易产生卡珠现象。6)制造工艺复杂。2.滚珠的循环方式4.3数控机床用丝杠传动副(1)外循环外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母中重新进入循环。图4-15常用的外循环滚珠丝杠a)端盖式b)插管式c)螺旋槽式4.3数控机床用丝杠传动副(2)内循环如图4-16所示为内循环滚珠丝杠。图4-16内循环滚珠丝杠1—凸键2、3—反向槽4—丝杠5—钢珠6—螺母7—反向器4.3数控机床用丝杠传动副3.滚珠丝杠副的参数(1)公称直径d0滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝杠副的特征尺寸。图4-17基本参数a)滚珠丝杠副轴向剖面图b)滚珠丝杠副法向剖面图4.3数控机床用丝杠传动副(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L0丝杠相对于螺母旋转2π时，螺母上的基准点轴向位移。(4)接触角β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β等于45°。(5)滚珠直径db、滚珠直径db应根据轴承厂提供的尺寸选用。(6)滚珠的工作圈数i在每一个循环回路中，由于各圈滚珠所受的轴向负载是不均匀的，第一圈滚珠承受总负载的50%左右，第二圈约承受30%，第三圈约为20%。(7)滚珠的总数N若设计计算时超过规定的最大值，则因流通不畅容易产生堵塞现象。4.3数控机床用丝杠传动副(8)其他参数除了上述参数外，滚珠丝杠副还有丝杠螺纹大径d、丝杠螺纹小径d1，螺纹全长L、螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1、滚道圆弧偏心距P、滚道圆弧半径R等参数。4.滚珠丝杠副的标注与精度(1)滚珠丝杠副的标注方法(2)滚珠丝杠副的精度精度等级标号及选择见表4-2。4.3数控机床用丝杠传动副表4-1预紧方式预紧方式标记代号预紧方式标记代号单螺母变位导程预紧B双螺母螺纹预紧W双螺母垫片预紧D单螺母无预紧L双螺母齿差预紧C4.3数控机床用丝杠传动副表4-2精度等级标号及选择精度等级分1、2、3、4、5、7和10级。1级精度最高，依次递减精度等级标号应用范围5普通机床4，3数控钻床、数控车床、数控铣床、机床改造2，1数控磨床、数控线切割机床、数控镗床、坐标镗床、MC、仪表机床4.3数控机床用丝杠传动副(3)尺寸系列国际标准化ISO中规定，公称直径系列为：6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm、63mm、80mm、100mm、120mm、125mm、160mm及200mm。【实例4-2】滚珠丝杠副的标注示例5.滚珠丝杠副的选择方法(1)精度等级的选择应该根据机床的精度要求来选用滚珠丝杠副的精度。(2)结构尺寸的选择滚珠丝杠的结构尺寸主要有：丝杠的名义直径d0，基本导程L0、导程L、滚珠直径db等，尤其是名义直径与刚度直接相关，直径大、承载能力和刚度越大，但直径大转动惯量也随之增加，使系统的灵敏度降低。4.3数控机床用丝杠传动副(3)滚珠丝杠副选择和验算在选用滚珠丝杠副时，必须知道实际的工作条件，应知道最大的工作载荷(或平均工作载荷)、最大载荷作用下的使用寿命、丝杠的工作长度(或螺母的有效行程)、丝杠的转速(或平均转速)、滚道的硬度及丝杠的工况。1)机床定位精度要求与丝杠精度。2)滚珠丝杠的刚性。3)滚珠丝杠副的临界转速4)滚珠丝杠副的寿命计算【实例4-3】滚珠丝杠的安装示例4.3数控机床用丝杠传动副图4-18滚珠丝杠安装4.3数控机床用丝杠传动副图4-18滚珠丝杠安装(续)4.3数控机床用丝杠传动副6.滚珠丝杠副的维护(1)支承轴承的定期检查应定期检查丝杠支承与床身的联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滚珠丝杠副也可用润滑剂来提高耐磨性及传动效率。(3)滚珠丝杠副常用防尘密封圈和防护罩1)密封圈。2)防护罩。图4-19钢带缠卷式丝杠防护装置原理图1—支承滚子2—张紧轮3—钢带4.3数控机床用丝杠传动副4.3.2静压丝杠副1.静压丝杠副应用与结构图4-20静压丝杠副的结构1—螺母2—接压力表油孔3、5—进油孔4—螺母座6—油塞7—节流器8—丝杠9—螺钉10—回油槽11—油腔12—油槽13—进油槽4.3数控机床用丝杠传动副2.工作特点和原理1)静压丝杠的工作特点①摩擦因数很小，仅为0.0005，比滚珠丝杠(摩擦因数为0.002～0.005)的摩擦损失还小。起动力矩很小，传动灵敏，避免了爬行。②油膜层可以吸振，提高了运动的平稳性，由于油液不断流动，有利于静热和减少热变形，提高了机床的加工精度和表面质量。图4-21静压丝杠副的工作原理4.3数控机床用丝杠传动副③油膜层具有一定的刚度，大大减小了反向间隙，同时油膜层介于螺母与丝杠之间，对丝杠的误差有“均化”作用，即丝杠的传动误差比丝杠本身的制造误差还小。④承载能力与供油压力成正比，与转速无关，提高供油压力即可提高承载能力。2)工作原理由于静压丝杠副是在丝杠和螺母的螺旋面之间通入压力油，使其间保持一定厚度、一定刚度的压力油膜，因而丝杠和螺母之间为纯液体摩擦，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齿轮齿条副传动在大型数控机床(如大型数控龙门铣床)中，工作台的行程很大。因此，它的进给运动不宜采用滚珠丝杠副实现，因太长的丝杠易于下垂，将影响到它的螺距精度及工作性能；此外，其扭转刚度也相应下降，故常用齿轮齿条传动。当驱动负载小时，可采用双片薄齿轮错齿调整法，分别与齿条齿槽左、右侧贴紧，而消除齿侧隙。图4⁃22是这种消除间隙方法的原理图。进给运动由轴2输入，通过两对斜齿轮将运动传给轴1和轴3，然后由两个直齿轮4和5去传动齿条，带动工作台移动，轴2上两个斜齿轮的螺旋线方向相反。如果通过弹簧在轴2上作用一个轴向力F，则使斜齿轮产生微量的轴向移动，这时轴1和3便以相反的方向转过微小的角度，使齿轮4和5分别与齿条的两齿面贴紧，消除了间隙。当驱动负载大时，采用径向加载法消除间隙。4.4齿轮齿条副与双导程蜗杆副传动如图4⁃23所示，两个小齿轮1和6分别与齿条7啮合，并用加载装置4在齿轮3上预加负载，于是齿轮3使啮合的大齿轮2和5向外伸开，与其同轴上的齿轮1、6也同时向外伸开，与齿条7上齿槽的左、右两侧相应贴紧面无间隙，齿轮3由液压马达直接驱动。图4-22双齿轮消除间隙原理4.4齿轮齿条副与双导程蜗杆副传动图4-23齿轮齿条传动的齿侧隙消除4.4齿轮齿条副与双导程蜗杆副传动【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。4.4齿轮齿条副与双导程蜗杆副传动图4-24齿轮齿条机构传动原理图1、14—轴齿轮2、7—蜗轮3—双面齿离合器4—单面齿离合器5—紧固螺母6—蜗杆8、9—斜齿轮10—弹簧11、15—杆12—支点13—杠杆16、19—调节螺母17—垫片18—拨叉20—滚轮21—消除间隙板22—齿条23—撞块4.4齿轮齿条副与双导程蜗杆副传动(2)反向间隙和预载力的调整当龙门滑座反向时，传动系统中所有传动元件的受力方向随之改变，由于传动元件皆有弹性，各传动元件的弹性变形方向也随之改变，这样也会产生反向间隙。图4-25龙门纵向传动结构图1、14—轴齿轮2、7—蜗轮3—双面齿离合器4—单面齿离合器5—紧固螺母6—蜗杆8、9—斜齿轮10—弹簧11、15—杆12—支点13—杠杆16、19—调节螺母17—垫片18—拨叉20—滚轮21—消除间隙板23—撞块4.4.2双导程蜗杆副传动1.双导程蜗杆副的特点2.双导程蜗杆副的工作原理1.双导程蜗杆副的特点1)啮合间隙可调整得很小，根据实际经验，侧隙调整可以小到0.01～0.015mm。2)普通蜗杆副是以蜗杆沿蜗轮作径向移动来调整啮合侧