机床数控技术及应用6-3

6.3数控机床的进给传动机构6.3.1进给系统概述数控机床进给系统承担了数控机床各直线坐标轴、回转坐标轴的定位和切削进给，直接影响整个机床的运行状态和精度指标。数控机床按进给方式可分为液压进给伺服系统和电气进给伺服系统两类。由于伺服电动机和进给驱动装置的发展，目前绝大多数数控机床采用电气伺服进给系统。按反馈方式可分为闭环控制、半闭环控制和开环控制。半闭环控制在装配和调整时都比较方便，而且精度较高。通过对机械零件的选择，必要时再采取螺距误差补偿和反向间隙补偿的电气措施，可以满足一般精度数控机床的精度要求，所以目前大多数数控机床的进给系统都采用半闭环方式。6.3.1进给系统概述数控机床进给系统的机电部件主要有伺服电动机及检测元件、联轴节、减速机构（齿轮副和皮带轮）、滚珠丝杠螺母副（或齿轮齿条副）、丝杠轴承、运动部件（工作台、主轴箱、滑座、横梁和立柱等）。由于滚珠丝杠、伺服电动机及其控制单元性能的提高，很多数控机床的进给系统中已去掉了减速机构，而直接用伺服电动机与滚珠丝杠联接，因而整个系统结构简单，减少了产生误差的环节。同时，由于转动惯量减小，使伺服特性有所改善。另外，进给系统中还有一个重要的环节就是导轨。虽然从表面上看导轨似乎与进给系统无密切关系，但实际上运动摩擦力及负载在进给系统中占有重要地位，因此导轨的性能对进给系统的影响是不容忽视的。6.3.1进给系统概述数控机床进给系统要求具有较高的定位系统还应具有良好的动态响应特性，既系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性好。为了要确保数控机床进给系统的传动精度和工作稳定性，要求进给系统要达到无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率以及有适宜的阻尼比等。为了达到这些要求，数控机床的进给系统中主要采取如下措施：（1）尽量采用低摩擦的传动，如采用静压导轨、滚动导轨和滚珠丝杠等，以减少摩擦力。（2）选用最佳的传动比。这样既能提高机床的分辨率，又使工作台能更快跟踪指令，同时可减小系统折算到驱动轴上的转动惯量。6.3.1进给系统概述（3）缩短传动链，采用预紧的办法提高传动系统的刚度。如采用电动机直接驱动丝杠、应用预加负载的滚动导轨和滚动丝杠副、丝杠支承设计成两端轴向固定、采用预拉伸的结构等方法提高传动系统的刚度。（4）尽量消除传动误差，减少反向死区误差。如采用消除间隙的联轴器，采用有消除间隙措施的传动副等。6.3.2传动齿轮的消隙数控机床常用的调整齿侧间隙的方法有以下几种：1.圆柱齿轮传动（1）偏心调整法如右图所示，将相互啮合的一对齿轮中的一个装在电动机输出轴上，并将电动机1安装在偏心套2上，通过转动偏心套的转角，就可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。这种方法的特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。6.3.2传动齿轮的消隙（2）轴向垫片调整法如右图所示，齿轮1和齿轮2相啮合，其分度圆齿厚沿轴线方向略有锥度，这样就可以用垫片3使齿轮2沿轴向移动，从而消除两齿轮的齿侧间隙。装配时垫片3的轴向厚度应既使齿轮1和2之间的齿侧间隙小，又使运转灵活（3）双片齿轮错齿调整法这种方法是将其中一个齿轮做成宽齿轮，另一个齿轮由两片薄齿轮组成。使一个薄齿轮的左齿侧和另一薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，且反向时不会出现死区。6.3.2传动齿轮的消隙2.斜齿轮传动斜齿轮传动齿侧间隙的消除方法基本上与上述错齿调整法相同，也是用两个薄片齿轮和宽齿轮啮合，只是在两个薄片齿轮的中间用垫片隔开了一小段距离，以使螺旋线错开。改变垫片的厚度，可使薄片齿轮分别与宽齿轮齿槽的左、右侧面贴紧，从而达到消除齿侧间隙的目的。6.3.2传动齿轮的消隙3.齿轮齿条传动在大型数控机床中，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来实现，而常采用齿轮齿条传动。驱动时可采用双齿轮错齿调整法，使齿轮分别与齿条齿槽左、右两侧面贴紧，从而消除齿侧间隙。6.3.3联轴器数控机床的进给驱动系统中，伺服电动机与滚珠丝杠联结，联结方式主要有三种：直联式、齿轮减速方式和齿形皮带方式。最常用的是直联式，通过挠性联轴节，把伺服电动机和滚珠丝杠联结起来。这种无键、无隙直联方式的联轴节已编入机床的零部件标准，称为膜片弹性联轴器。在数控机床的进给系统中，为了避免进给力过大而损坏机构部件，常采用安全联轴节。安全联轴节由联轴器和安全离合器组成。6.3.3联轴器安全离合器的工作原理如图所示。正常情况下，运动由安全离合器传至下一轴。当出现过载，前轴的扭矩增大并超过允许值，通过安全离合器端面螺旋齿传递的扭矩也随之增加，致使端面螺旋齿处的轴向推力超过弹簧3的压力，将离合器右半部2推开。这时离合器的左半部1继续旋转，而右半部2不能带动，所以两者之间产生打滑现象，从而将传递断开，使传动机构不致因过载而破坏。当过载现象消失后，由于弹簧的弹力，安全离合器自动恢复到原来的正常状态。机床需用的最大进给力决定于弹簧的弹力，可通过调整螺母来调整弹簧的弹力。6.3.4丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副（1）滚珠丝杠螺母副的组成及特点滚珠丝杠螺母副是一种新型的螺旋传动机构，在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件——滚珠。右图所示为滚珠丝杠螺母副机构的组成。它由丝杠3，螺母2，滚珠4和反向器（滚珠循环反相装置）1等组成。丝杠转动时带动滚珠沿螺纹滚道滚动。为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置，构成滚珠的循环返回，从而形成滚珠流动的闭合通路。6.3.4丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副与滑动丝杠螺母副相比，具有传动效率高（可达0.90～0.96）、摩擦系数小（0.002～0.005）、轴向刚度高（通过适当预紧可消除丝杠螺母之间的轴向间隙）、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点。但由于滚珠丝杠螺母副不能自锁，具有传动的可逆性，因此用作升降传动机构时需要采取制动措施。6.3.4丝杠螺母副（2）滚珠丝杠螺母副的参数右图所示为滚珠丝杠螺母副的部分参数。名义直径d0：滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时，包括滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝杠螺母副的特征尺寸。导程L：丝杠相对于螺母旋转2π弧度时，螺母上基准点的轴向位移。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，理想接触角等于45°。6.3.4丝杠螺母副此外还有丝杠螺纹大径d、丝杠螺纹小径d1、螺纹全长l、滚珠直径db、螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1、滚道圆弧偏心距R等参数。导程的大小是根据机床的加工精度要求确定的。精度要求高时，应将导程取小一些，这样在一定的轴向力作用下，丝杠上的摩擦阻力较小。但为了使滚珠丝杠具有一定的承载能力，滚珠直径又不能太小。导程过小势必使滚珠直径变小，滚珠丝杠螺母副的承载能力亦随之减小。若丝杠副的名义直径不变，导程减小则螺旋升角也变小，传动效率降低。因此在满足机床加工精度的条件下，导程应尽可能取得大些。名义直径与承载能力有直接关系，有的资料推荐滚珠丝杠螺母副的名义直径应大于丝杠工作长度的1/30。数控机床常用进给丝杠的名义直径范围为30～80mm。6.3.4丝杠螺母副（3）滚珠丝杠螺母副的结构和轴向间隙的调整法滚珠丝杠螺母副结构的不同主要表现在螺纹滚道型面的形状、滚珠循环方式、轴向间隙的调整和预加负载的方法等方面。螺纹滚道型面的形状及其主要尺寸螺纹滚道型面的形状有多种，但国内只有单圆弧形面和双圆弧形面两种。在下图中，滚珠与滚道型面接触点处的法线与丝杠轴线的垂直线间的夹角称为接触角。6.3.4丝杠螺母副图a所示为圆弧型面的螺纹滚道，通常滚道半径稍大于滚珠半径。对于单圆弧形面的螺纹滚道，接触角随轴向负荷的大小而变化。接触角增大后，传动效率、轴向刚度以及承载能力随之增大。图b所示为双圆弧形面的螺纹轨道。偏心决定后接触角不变。双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。为提高传动效率和承载能力以及流动畅通，接触角应选大些。但接触角过大，使制造较困难，因此建议取接触角为45°。6.3.4丝杠螺母副滚珠循环方式滚珠丝杠螺母副的滚珠循环可分为内循环及外循环两类。下图所示为外循环式滚珠循环。图a为螺旋槽式，在螺母的外圆2上铣有螺旋槽，螺母外套1上后形成封闭的螺旋槽。在螺母2内装上挡珠器4，挡珠器的舍部切断螺旋滚道，迫使滚珠3离开丝杠5而流向螺旋槽的孔中，完成循环。图b为插管式，用弯管1代替螺旋槽，弯管的两端插在与螺纹滚道相切的两个孔内，用弯管的端部引导滚珠进入弯管，完成循环。图c为端盖式，在螺母1上加工出纵向孔，作为滚珠的回程通道，螺母两端的端盖2上开有滚珠的回程口，滚珠由此进入回程管，形成循环。6.3.4丝杠螺母副右图所示为内循环滚珠丝杠副。在螺母外侧的孔中装有接通相邻滚道的反向器，以迫使滚珠翻越丝杠的齿顶后进入相邻滚道。通常一个螺母上装3个反相器（即采用3列的结构），这3个反向器彼此沿螺母圆周相互错开120°，其轴向间隔为螺距。有的内循环滚珠丝杠副装有2个反向器（即采用双列结构），反相器相互错开180°。6.3.4丝杠螺母副滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法除了对滚珠丝杠副本身单方向的进给运动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格的要求，以保证反向传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙，是负载在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。因此要完全消除轴向间隙相当困难。通常采用双螺母预紧的办法，把弹性变形量控制在最小限度。目前制造的外循环单螺母的轴向间隙达0.05mm，而用双螺母加预紧力调整后，基本上能消除轴向间隙。6.3.4丝杠螺母副利用双螺母加预紧力消除轴向间隙时，必须注意：1）通过预紧力产生预拉变形以减少弹性变形引起的位移时，该预紧力不能过大，否则会引起驱动力矩增大，传动效率降低，导致使用寿命缩短。2）要特别注意减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙。常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有垫片调隙式、螺纹调隙式和齿差调隙式等。6.3.4丝杠螺母副（4）滚珠丝杠螺母副的精度等级及尺寸系列根据JB3162.2—91滚珠丝杠螺母副的精度可分为1，2，3，4，5，7，10等7个等级，最高级为1级，最低级为10级。而JB3162.2—82标准规定滚珠丝杠螺母副的精度可分成C,D,E,F,G,H为6个等级，最高精度为C级，最低级为H级。国际标准ISO规定滚珠丝杠螺母副的公称直径系列为：6，8，10，12，16，20，25，32，40，50，63，80，100，120，125，160及200mm。导程为1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40mm。应尽量选用2.5，5，10，20，40mm。滚珠丝杠在数控机床、精密机床上用于开环和半闭环进给系统时，可根据定位精度和重复定位精度的要求选用C，D，E（1，2，3）级，一般动力传动可选用F,G（4，5）级，全闭环系统可选D,E,F（2，3，4）级。6.3.4丝杠螺母副（5）滚珠丝杠螺母副的支承与制动支承方式确定滚珠丝杠螺母副的支承结构时要注意，若螺母座、丝杠的轴承及其支架的刚度不足，将严重地影响滚珠丝杠副的传动刚度。因此，螺母座应有加强筋，以减少受力后的变形。螺母座与床身的接触面积越大，其联接螺钉后的刚度也越高。定位销要紧密配合，不能松动。滚珠丝杠常用推力轴承支承，以提高轴向刚度（当滚珠丝杠的轴向负载很小时，也可用深沟球轴承支承）。6.3.4丝杠螺母副滚珠丝杠的支承方式有以下几种：a）一端装推力轴承（图a）。这种安装方式适用于短丝杠，它的承载能力小、轴向刚度低，一般用于数控机床的调节环节和升降台式数控铣床的立向（垂直）坐标轴。b）一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承（图b）。当滚珠丝杠较长时，一端装推力轴承固定，另一自由端装深沟球轴承。c）两端装推力轴承（图c）。把推力轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，这样有助于提高刚度。这种安装方式对丝杠的热变性较为敏感。d）两端装推力轴承及深沟球轴承（图d）。为使丝杠具有最大刚度，丝杠两端可采用双重支承，装上推力轴承加深沟球轴承，并施加预紧拉力。这种结构方