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1、数控机床结构与故障检修,Structure and maintenance of NC,第4章 数控机床的进给传动系统,The Feed Drive System of NC,目 录,CONTENTS,齿轮传动副,数控机床用丝杠螺母传动副,数控机床进给传动系统概述,一,二,三,四,齿轮齿条副与双导程蜗杆副传动,五,数控机床导轨,数控机床的进给传动系统常用伺服进给系统来实现。伺服进给系统的作用是根据数控系统发出的指令信息，进行放大后控制执行部件的运动，不仅控制进给运动的速度，同时还要精确控制刀具相对工件的移动轨迹和坐标位置。一个典型的数控机床闭环控制进给系统通常由位置比较、放大元件、驱动单元、机
2、械传动装置和检测反馈元件组成。,进给传动系统,课程导引,进给传动系统,课程导引,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,4.1.1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）运动件的摩擦阻力小和动、静摩擦力之差小，以使数控机床进给系统获得较高的快速响应性能和运动精度。2）转动惯量小，以减少对伺服机构的起动和制动特性的影响。如减小旋转零件的直径和质量。3）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。消除传动间隙，减小
3、反向误差，减小运动部件如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或预紧。,进给传动系统,4.1 概述,4）工作进给调速范围宽，可达36000mm/min(调速范围12000)；在精密定位，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）提高传动刚度。预紧及加大轮廓尺寸均是方法。6）稳定性好、寿命长。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。,进给传动系统,4.1 概述,4.1.2联轴器 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，
4、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：,进给传动系统,4.1 概述,机械式联轴器,1.套筒联轴器 套筒联轴器由联接两轴轴端的套筒和联接套筒与轴的联接件组成。轴端直径d80mm时套筒材料为35或45制造，80mm时套筒材料为强度较高的铸铁。构造简单、径向尺寸小，但要求被联接两轴同轴度高且装拆困难。,进给传动系统,4.1 概述,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,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，然后用螺栓将两个半联轴器
5、连成一体以传递动力和扭矩。,进给传动系统,4.1 概述,图4-3凸缘式联轴器,凸缘联轴器材料可采用HT250或碳钢，重载时或要求圆周线速度大于30m/s时应用铸钢或锻钢。构造简单、成本低、可传递较大转矩，但对两轴同轴度要求高，如不能达到要求会产生附加载荷。,进给传动系统,4.1 概述,3.弹性联轴器,进给传动系统,4.1 概述,图4-4直接联接电动机轴和丝杠的弹性联轴器,无键联接；依靠弹性钢片组对角联接传递转矩。,4.安全联轴器 防止过载造成整个运动传动机构零件损坏。,进给传动系统,4.1 概述,图4-5安全联轴器工作原理,TND360型数控车床的安全联轴器,进给传动系统,4.1 概述,图4-
6、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 10滚珠丝杠2直流伺服电动机 11垫圈3锥环 12、13、14滚针轴承4、6半联轴器 15堵头5滑环 16压紧螺钉7钢片 17压紧外环8碟形弹簧 18压紧内环9套 19压紧套,进给传动系统,在数控机床进给伺服系统中，齿轮传动副被广泛应用将执行元件输出的高转速、低转矩转换成被控对象所需的低转速、大转矩的场合。而数控机床进给系统工作时经常处于自动变向状态，齿轮副的侧隙会造成反向时丢失指令脉冲，从而影响加工精度，所以必须采取措施消除齿轮传动间隙。,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
7、所示为偏心轴套式调整间隙结构，电机装在偏心轴套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。,进给传动系统,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,（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。一对啮合着的圆柱齿轮，若其节圆沿齿厚方向制成较小锥度，只需改变垫片3厚度就能实现齿轮间轴向位置的改变，从而消隙。,进给传动系统,4.2 齿轮传动副,图4-8锥度齿轮调整法,（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。,进给传动系统,4.2 齿轮传动副,图4-9双片薄齿轮错齿消隙结构,刚性调整
8、法是指调整后齿侧间隙不能自动补偿的调整法，齿轮周节及齿厚要严格控制，结构简单，传动刚度好。,柔性调整法是指调整后齿侧间隙仍能自动补偿的调整法，齿轮周节及齿厚不需严格控制，结构复杂，轴向尺寸大，传动刚度差。,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。,进给传动系统,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,（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。,进给传动系统,4.2 齿轮传动副,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,3.锥齿轮传动
9、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。,进给传动系统,4.2 齿轮传动副,图4-12锥齿轮轴向压簧调整法,（2）周向弹簧调整法 图4-13为锥齿轮周向弹簧调整法。,进给传动系统,4.2 齿轮传动副,图4-13锥齿轮周向弹簧调整法,4.3.1滚珠丝杠副原理及特点1.工作原理,进给传动系统,4.3数控机床用丝杠传动副,图4-14滚珠丝杠副的结构原理,滚珠丝杠螺母副是数控机床上将回转运动转换为直线运动常用的传动装置。,在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。在螺母上有滚珠回路管道将几圈螺旋滚道的两端连接起来，构成封闭的循环滚道
10、，在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时滚珠在滚道内自转的同时沿滚道循环转动，迫使螺母轴向移动。,2.特点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1/41/3。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。,进给传动系统,4.3数控机床用丝杠传动副,3.滚珠的循环方式（1）外循环外循环是滚珠在循
11、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。,进给传动系统,4.3数控机床用丝杠传动副,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,以和丝杠始终保持接触与否确定是外或内循环！,滚珠每一循环闭路称列，外循环每列有1.5、2.5、3.5圈等，一般一个螺母一列。,外循环结构和制造工艺简单，使用较广泛，其缺点是滚道接缝处不平滑，平稳性不佳易卡珠。,（2）内循环内循环采用反向器实现滚珠循环。,进给传动系统,4.3数控机床用丝杠传动副,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,内循环每个螺母有2、3、4、5列等，每列只有1圈。,内循环
12、结构紧凑、定位可靠、刚性好，不易磨损，返回滚道短不易卡珠且摩擦损失小，缺点是结构复杂、制造困难。,4.3.2轴向间隙的消除和预紧 轴向间隙是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母间的最大轴向窜动，除结构本身的游隙外，还包括施加轴向载荷后的弹性变形。预加载荷以能有效地减少游隙及受力弹性变形所带来的轴向位移为度，过大则增加摩擦阻力降低传动效率及精度保持性。,进给传动系统,4.3数控机床用丝杠传动副,4.3.3滚珠丝杠的安装,进给传动系统,4.3数控机床用丝杠传动副,图4-18滚珠丝杠安装（一）,进给传动系统,4.3数控机床用丝杠传动副,图4-18滚珠丝杠安装（二）,进给传动系统,4.3数控机床用丝杠
13、传动副,图4-18滚珠丝杠安装（三）,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，可采用双轮错齿调整法，分别与齿条齿槽左、右侧贴紧，而消除齿侧隙。,进给传动系统,4.4齿轮齿条副与双导程蜗杆副传动,进给传动系统,4.4齿轮齿条副与双导程蜗杆副传动,图4-22双齿轮消除间隙原理,图422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
14、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。,进给传动系统,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,当驱动负载大时，采用径向加载法消除间隙。如图423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。,4.4.2双导程蜗杆副传动
15、1.双导程蜗杆副的特点 1）啮合间隙可调整得很精确，根据实际经验，侧隙调整可以小到0.010.015mm。2）普通蜗杆副是以蜗杆沿蜗轮径向移动来调整啮合侧隙，因而改变了传动副的中心距，从啮合原理角度看，这是很不合理的。3）双导程蜗杆副使用修磨调整环来控制沿蜗杆轴向调整量，调整准确，方便可靠；而普通蜗杆副的径向调整量较难掌握，调整时也容易产生蜗杆轴线歪斜。,进给传动系统,4.4齿轮齿条副与双导程蜗杆副传动,4）双导程蜗杆副的蜗杆支承直接安置在支座上，只需保证支承中心线与蜗轮中截面重合，中心距公差可略微放宽，装配时，用调整环来获得合适的啮合侧隙，这是普通蜗杆副无法办到的。5）双导程螺杆副不足之处是
16、制造困难。,进给传动系统,4.4齿轮齿条副与双导程蜗杆副传动,2.双导程蜗杆副的工作原理 双导程蜗杆与普通蜗杆的区别是双导程蜗杆齿的左右两侧面具有不同导程，同一侧是相同的，因此双导程蜗杆的齿厚从一端向另一端均匀地逐渐增厚或减薄。轴向移动蜗杆可消除或调整啮合间隙。,进给传动系统,4.4齿轮齿条副与双导程蜗杆副传动,图4-26双导程蜗杆齿形,进给传动系统,4.4齿轮齿条副与双导程蜗杆副传动,图4-27数控回转工作台1轴承2蜗杆3轴承 4压块5螺钉6螺母7调整套8蜗轮,4.6.1对数控机床导轨的要求1.导向精度高2.高、低速平稳性好3.耐磨性好及寿命长 导轨的耐磨性决定了导轨的精度保持性，动导轨沿支
17、承导轨面长期运行会引起不均匀磨损破坏导轨的导向精度从而影响加工精度。导轨的磨损形式：（1）硬粒磨损（2）咬合和热焊（3）疲劳和压溃,进给传动系统,4.5数控机床导轨,导轨面间存在着的坚硬微粒、由外界或润滑油带入的切屑或磨粒以及微观不平的摩擦面上的高峰，在运动过程中均会在导轨面产生机械的相互切割和锉削作用面，而使导轨面上产生沟痕和划伤，进而使导轨面受到破坏。,导轨面覆盖着氧化膜(约0.025m)及气体、蒸汽或液体的吸附膜(约0.025m),这些薄膜由于导轨面上局部比压或剪切力过高而排除时，裸露的金属表面因摩擦热而使分子运动加快，在分子力作用下就会产生分子间的相互吸引和渗透而吸附在一起，导致冷焊（
18、咬合）。如果导轨面摩擦热使金属表面温度达到熔点引起局部焊接，导致热焊而相对运动又将焊点拉开造成撕裂性破坏。,导轨面由于过载或接触应力不均匀而使导轨表面产生弹性变形，反复进行多次，就会形成疲劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂和剥落而出现凹坑，这种现象叫压溃。,4.足够的刚度 导轨的刚度表示导轨在承受动、静载荷下抵抗变形的能力，若刚度不足，会直接影响相对运动部件的相对位置精度和导向精度，还会使导轨面上的比压分布不均，加重导轨变形。5.结构简单、工艺性好 结构设计时需考虑到制造工艺性、装配工艺性和维修方便程度。,进给传动系统,4.5数控机床导轨,4.6.2导轨的技术要求（1）导轨的精度要求不管是V-平型
19、还是平-平型，滑动导轨面的平面度公差通常取0.010.015mm，长度方向直线度公差通常取为0.0050.01mm；侧导向面的直线度公差为0.010.015mm，侧导向面之间的平行度公差为0.010.015mm，侧导向面对导轨底面的垂直度公差为0.0050.01mm。（2）导轨的热处理数控机床的开动率普遍都很高，这就要求导轨具有较高的耐磨性，为此导轨大多需淬火处理。导轨的淬火形式有中频淬火、超音频淬火、火焰淬火等，其中以前两种为主。铸铁导轨超音频淬火，硬度50-55HRC，磨削后深度1.0-1.5mm；镶钢导轨中频淬火或渗氮，硬度58-62HRC，深度0.5mm。,进给传动系统,4.5数控机床
20、导轨,4.6.3 导轨特点和适用范围1）滚动导轨 为提高数控机床移动部件的运动精度和定位精度，数控机床广泛采用滚动导轨。（1）滚动导轨块 标准导轨块构成数控机床滚动导轨可用于中等负载导轨支承上，与之相配的床身导轨一般用镶钢淬火导轨。,进给传动系统,4.5数控机床导轨,使用时导轨块安装在运动部件上，当运动部件移动时，滚柱3在支承部件的导轨面与本体6间滚动，同时绕本体6循环滚动。为保证良好刚性，需作预紧。,图4-42滚动导轨块1防护板2端盖3滚柱4导向片5保持器6本体,进给传动系统,4.5数控机床导轨,（2）直线滚动导轨 无间隙，已做预紧。直线滚动导轨由导轨体1、滑块7、滚珠4、保持器3、端盖6等
21、组成，使用时，导轨固定在床身上（不运动），滑块固定在运动部件上，当滑块沿导轨体移动时，滚珠在导轨体和滑块间的圆弧直槽内滚动，并通过端盖内滚道从工作负荷区运动到非负荷区再回到负荷区形成循环，从而将移动变成滚珠的滚动。,进给传动系统,4.5数控机床导轨,图4-43直线滚动导轨的外形和结构1导轨体2侧面密封垫3保持器4滚珠 5端部密封垫 6端盖7滑块8润滑油杯,2）静压导轨 静压导轨是指在导轨滑动面间开有油槽通以一定压力的液压油形成压力油膜将运动部件浮起，使导轨工作面处于纯液体摩擦，无磨损精度保持性好，摩擦系数低，所需驱动功率小，运动不受速度和负载限制，低速无爬行承载能力大刚性好，油液有吸振作用，抗振性好，摩擦发热小，但结构复杂，要具备液压系统且对油液的清洁度要求高。一般用在重型机床。,进给传动系统,4.5数控机床导轨,3）滑动导轨 如果机床加工时经常受到变化的切削力作用或当传动装置存在间隙或刚性不足时，过小的摩擦阻力反易引起机床振动此时可选用滑动导轨副以改善系统的阻尼特性。为提高滑动导轨耐磨性，延长使用寿命可淬火处理，为进一步减少导轨磨损的提高运动性能可使用塑料滑动导轨，即在与床身导轨相配的滑座导轨上粘接上静动摩擦系数基本相同，耐磨、吸振的塑料软带或在定动导轨间采用注塑的方法制成塑料导轨。,进给传动系统,4.5数控机床导轨,
