数控机床进给传动系统

数控机床进给模块之机械部件装配一．进给传动系统图纵向和横向进给传动系统图二．系统图的主要构造和功用电动机：1.步进电动机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的驱动元件。步进电动机是一种特殊的电动机，一般电动机通电后都是连续转动的，而步进电动机则有定位与运转两种状态。当有一个电脉冲输入时，步进电动机就回转一个固定的角度，这角度称为步距角，一个步距角就是一步，所以这种电动机称为步进电动机。又由于它输入的是脉冲电流，也称作脉冲电动机。当电脉冲连续不断地输入，步进电动机便跟随脉冲一步一步地转动，步进电动机的角位移量和输入的脉冲个数严格成正比例，在时间上与输入脉冲同步。因此，只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组的通电顺序，便可获得所需转角、转速和方向。在无脉冲输入时，步进电动机的转子保持原有位置，处于定位状态。步进电动机的调速范围广、惯量小、灵敏度高、输出转角能够控制，而且有一定的精度，常用作开环进给伺服系统的驱动元件。与闭坏系统相比，它没有位置速度反馈回路，控制系统简单，成本大大降低，与机床配接容易，使用方便，因而在对精度、速度要求不十分高的中小型数控机床上得到了广泛地应用。2.直流伺服电动机由于数控机床对进给伺服驱动装置的要求较高，而直流电动机具有良好的调速特性，因此在半闭坏、闭坏伺服控制系统中，得到较广泛地使用。直流进给伺服电动机就其工作原理来说，虽然与普通直流电动机相同。然而，由于机械加工的特殊要求，一般的直流电动机是不能满足需要的。首先，一般直流电动机转子的转动惯量过大，而其输出转矩则相对较小。这样，它的动态特性就比较差，尤其在低速运转条件下，这个缺点就更突出。在进给伺服机构中使用的是经过改进结构，提高其特性的大功率直流伺服电动机，主要有以下两种类型：（1）小惯量直流电动机。主要结构特点是其转子的转动惯量尽可能小，因此在结构上与普通电动机的最大不同是转子做成细长形且光滑无槽。以此表现为转子的转动惯量小，仅为普通直流电动机的1/10左右。因此，响应特别快，机电时间常数可以小于10ms，与普通直流电动机相比，转矩与惯量之比要大出40~50倍。且调速范围大，运转平稳，适用于频繁起动与制动，要求有快速响应（如数控钻床、冲床等点定位）的场合。但由于其过载能力低，并且电动机的自身惯量比机床相应运动部件的惯量小，因此应用时都要经过一对中间齿轮副，才能与丝杠相连接，在某些场合也限制了它广泛地使用。（2）大惯量直流电动机。又称宽调速直流电动机，是在小惯量电动机的基础上发展起来的。在结构上和常规的直流电动机相似，其工作原理相同。当电枢线圈通过直流电流时，就会在定子磁场的作用下，产生带动负载旋转的电转矩。小惯量电动机是从减小电动机转动转量来提高电动机的快速性，而大惯量电动机则是在维持一般直流电动机转动惯量的前提下，尽量提高转矩的方法来改善其动态特性。它既具有一般直流电动机便于调速、机械特性较好的优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能。因此，可归纳为以下特点：1）转子惯量大。这种电动机的转子具有较大的惯量，容易与机床匹配。可以和机床的进给丝杠直接连接，省掉了减速机构，故可使机床结构简单，即避免了齿轮等传动机构产生的噪声和振动，又提高了加工精度。2）低速性能好。这种电动机低速时输出转矩大，能满足数控机床经常在低速进给时进给量大、转矩输出大的特点，如能在1r/min甚至0.1r/min下平稳运转。3）过载能力强、动态响应好。由于大惯量直流电动机的转子有槽，热容量大，同时采用了冷却措施后，提高了散热能力。因此可以过载运行30分钟。另外，电动机的定子采用矫顽力很高的铁氧体永磁材料，可使电动机过载10倍而不会去磁，这就显著地提高了电动机的瞬间加速力矩，改善了动态响应，加减速特性好。4）调速范围宽。这种电动机机械特性和调速特性的线性度好，所以调速范围宽而运转平稳。一般调速范围可达1∶10000以上。大惯量直流电动机尽管有上述优点，但仍有不如其它驱动元件的地方，如运行调整不如步进电动机简便；快速响应性能不如小惯量电动机。这种驱动系统可直接接有高精度检测元件，如一些测量转速和转角等检测元件，实现半闭坏、闭环伺服系统的精确定位。3.交流伺服电动机尽管直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流电动机存在着不可避免的缺点：它的电刷和换向器易磨损，需经常维护；另外换向时易产生火花，使电机的最高转速受到限制，也使应用环境受到限制。而且，直流电动机结构复杂，制造成本高。随着大规模集成电路、计算机控制技术及现代控制理论的发展与应用，80年代交流伺服驱动技术取得了突破性地进展，使得交流伺服电动机具备了调速范围宽、稳速、精度高、动态响应快以及其它良好的技术性能。交流电动机转子惯量较直流电动机小，动态响应更好，在一般同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高10%~70%，因此交流电动机可选得大一些，以达到更高的电压与转速。交流伺服电动机采用了全封闭无刷构造，不需要定期检查与维修定子，省去了铸造件壳体，比直流电动机在外形尺寸上减少了50%，重量减轻近60%，转子惯量减至20%。定子铁芯较一般电动机开槽多且深，绝缘可靠，磁场均匀。还可对定子铁芯直接冷却，散热效果好。因而传给机械部分的热量少，提高了整个系统的可靠性。转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁，可得到高的转矩/惯量比。因此交流伺服电动机可得到比直流伺服电动机更硬的机械性能和宽的调速范围，交流伺服以其高的性能、大容量得到了广泛地应用。交流伺服电动机提高性能的关键在于解决对交流电动机的调速控制与驱动。对交流伺服电动机的调速，目前用得较多的是计算机对交流电动机磁场作矢量变换控制，其基本原理是把交流电动机等效为直流电动机，从而使交流电动机像直流电动机一样进行有效地控制。数控进给传动结构：在数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有：滚珠丝杠螺母副、静压蜗杆-蜗母条、预加载荷双齿轮-齿条及双导程蜗杆等。1.滚珠丝杠螺母副传动为了提高数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度，必须减少运动件的摩擦阻力和动静摩擦力之差。为此，在中小型数控机床中，滚珠丝杠螺母副是采用最普遍的结构。(1）滚珠丝杠副的工作原理。滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互转换的新型传动装置，是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。其结构原理示意如图，图中丝杠和螺母上都加工有弧形螺旋槽，将它们套装在一起时，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成了螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，滚珠则既自转又沿着滚道流动。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的滚道两端用返回装置（又称回珠器）连接起来，使滚珠滚动数圈后离开滚道，通过返回装置返回其入口继续参加工作，如此往复循环滚动。（2）滚珠丝杠副的特点。由以上滚珠丝杠螺母副传动的工作过程，可以明显看出滚动丝杠副的丝杠与螺母之间是通过滚珠来传递运动的，使之成为滚动摩擦，这是滚珠丝杠区别于普通滑动丝杠的关键所在，其特点主要有以下几点：1）传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率高达95%~98%，是普通梯形丝杠的3~4倍，功率消耗减少2/3~3/4.2）灵敏度高、传动平稳。由于是滚动摩擦，动静摩擦系数相差极小。因此低速不易爬行，高速传动平稳。3）定位精度高、传动刚度高。用多种方法可以消除丝杠螺母的轴向间隙，使反向无空行程，定位精度高，适当预紧后，还可以提高轴向刚度。4）不能自锁、有可逆性。即能将旋转运动转换成直线运动，也能将直线运动转换成旋转运动。因此丝杠在垂直状态使用时，应增加制动装置或平衡块。5）制造成本高。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度及表面粗糙度等要求高，制造工艺较复杂，成本高。（3）滚珠丝杠副的循环方式。常用的循环方式有两种：滚珠在循环反向过程中，与丝杠滚道脱离接触的称为外循环；而在整个循环过程中，滚珠始终与丝杠各表面保持接触的称为内循环。外循环回流方式内循环回流方式1）、外循环外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。如图3-7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、插管埋入式、插管突出式和螺旋槽式。如图3-7（a）所示为端盖式。在螺母末端加工出以纵向孔，作为滚珠的回程管道，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3-7（b）所示为插管式。它用弯管作为返回管道，在螺母外圆上装有螺旋形的插管口，其两端接入滚珠螺母工作始末两端孔中，以引导滚珠通过插管，形成滚珠的多圈循环链。这种形式结构简单，工艺性好，承载能力较高，但径向尺寸较大。目前应用最为广泛，也可用于重载传动系统中。如图3-7（c）所示为螺旋槽式。它在螺母的外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹管道相切，形成返回通道，这种结构径向尺寸较小，但制造较复杂。2）、内循环如图3-8所示为内循环滚珠丝杠。内循环均采用反向器实现滚珠循环，它靠螺母上安装的反向器接通相邻两滚道，形成一个闭合的循环回路，使滚珠成单圈循环。反向器2的数目与滚珠圈数相等，一般有2—4个，且沿圆周等分分布。这种类型的结构紧凑，刚度好，滚珠流通性好，摩擦损失小效率高；适用于高灵敏、高精度的进给系统，不宜用于重载传动，且制造较困难。反向器有两种类型：圆柱凸键反向器和扁圆镶块反向器。如图3-8（a）所示为圆柱凸键反向器，他的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键定位，以保证对准螺纹滚道方向。如图3-8（b）所示为扁圆镶块反向器，反向器为一般圆头平键形镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽，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。滚珠丝杠的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3-9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α，理想接触角α=45°。•（4）滚珠丝杠副轴向间隙调整和预紧方法滚珠丝杠副的轴向间隙，是指负载时滚珠与滚道型面接触的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和，它直接影响其传动刚度和精度。（5）滚珠丝杠副的使用防护。滚珠丝杠副和其它滚动摩擦的传动元件一样，如有硬质的灰尘或切屑等脏物落进滚道，就会妨碍滚珠的运转并加速磨损，因此有效地防护密封和保持润滑油的清洁就显得十分必要。常用的防尘密封装置有密封圈和防护罩相结合，密封圈系在滚珠螺母的两端，和丝杠直接接触，其材料有毛毡圈、耐油橡皮或尼龙等，防尘效果好。但有接触压力、摩擦力矩增加的现象，所以有时采用非接触式、由聚氯乙烯等塑料制成的迷宫密封圈。对于暴露在外面的丝杠一般采用伸缩套筒式、折叠式的塑料或人造革等形式的防护罩，以防止空气中尘埃或粘附在丝杠表面。滚珠丝杠副和普通滑动丝杠螺母副一样，要用润滑剂来提高耐磨性及传动效率。润滑剂可分为润滑油或润滑脂两大类。润滑油可采用一般机械油或90~180号透平油或140号主轴油，经过壳体上的油孔而注入螺纹的空间内。润滑脂可采用锂基油脂，油脂则加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。2.其它进给传动机构（1）静压蜗杆-蜗母条传动。蜗杆-蜗母条机构是丝杠螺母机构的一种特殊形式，蜗杆可看作长度很短的丝杠，蜗母条则可看作一个很长的螺母沿轴向剖开后的一部分。液体静压蜗杆-蜗母条机构是在蜗杆-蜗母条的啮合齿面间注入压力油，以形成一定厚度的油膜，使两啮合面形成液体摩擦，特别适宜重型数控机床的进给传动系统。进给伺服电动机通过联轴器与蜗杆相联，产生旋转运动。蜗母条与运动部件（工作台）相联，以获得往复直线运动。这种形式常用于龙门式铣床的工作台进给驱动。（2）双齿轮-齿条传动。齿轮-齿条是行程较长的大型数控机床上常用的进给传动形式。适用于传动刚性要求高，传动精度不太高的场合。采用齿轮-齿条传动时，必须采取消除齿侧间隙的措施。通常采用两个齿轮2，3与齿条啮合的方法，专用的预加载机构使两齿轮以相反方向预转过微小的角度，使两齿轮分别与齿条的两侧齿面贴紧，从而消除