数控机床进给系统的机械传动结构.

1、第八章 数控机床的进给传动系统 机械设备数控技术 本章主要内容 l对数控机床进给系统机械结构的要求 l齿轮传动副 l滚珠丝杆螺母副 l数控机床的回转工作台 l数控机床分度工作台 一、对数控机床进给系统 机械结构的要求 1高传动刚度 l进给传动系统的高传动刚度主要取决于丝杆螺母 副(直线运动)或蜗轮蜗杆副(回转运动)及其支承 部件的刚度。刚度不足与摩擦阻力一起会导致工 作台产生爬行现象以及造成反向死区，影响传动 准确性。 l提高传动刚度的有效途径 缩短传动链 合理选择丝杆尺寸 对丝杆螺母副及支承部件等预紧 2高谐振 l为提高进给系统的抗振性，应使机械构件具有高 的固有频率和合适的阻尼，一般要求机械传动系 统的固有频率应高于伺服驱动系统固有频率的2 3倍。 3低摩擦 l进给传动系统要求运动平稳，定位准确，快速响 应特性好，必须减小运动件的摩擦阻力和动、静 摩擦系数之差，在进给传动系统中现普遍采用滚 珠丝杆螺母副。 4低惯量 l进给系统由于经常需进行起动、停止、变速或反 向，若机械传动装置惯量大，会增大负载并使系 统动态性能变差。因此在满足强度与刚度的前提 下，应尽可能减小运动部件的重量以及

2、各传动元 件的尺寸，以提高传动部件对指令的快速响应能 力。 5无间隙 l机械间隙是造成进给系统反向死区的另一主要原 因，因此对传动链的各个环节，包括：齿轮副、 丝杆螺母副、联轴器及其支承部件等均应采用消 除间隙的结构措施。 二、齿轮传动副 引言 l数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副来 达到一定的降速比和转矩的要求。一对啮合的齿 轮，总应有一定的齿侧间隙才能正常地工作。 l齿侧间隙会造成进给系统的反向动作落后于数控 系统指令要求，形成跟随误差甚至是轮廓误差。 l对闭环系统来说，齿侧间隙也会影响系统的稳定 性。因此，齿轮传动副常采用各种消除侧隙的措 施，以尽量减小齿轮侧隙。数控机床上常用的调 整齿侧间隙的方法针对不同类型的齿轮传动副有 不同的方法。 齿侧间隙消除方法 l圆柱齿轮传动消除齿侧间隙方法 l斜齿轮传动消除齿侧间隙方法 1圆柱齿轮传动消除间隙（1） l偏心轴套调整法 如图所示，齿轮装在电动机 轴上，调整偏心轴套可以改变齿轮和之间 的中心距，从而消除齿侧间隙。 偏心套消隙图例 1-齿轮 2-偏心套 3-齿轮 1圆柱齿轮传动消除间隙（2） l锥度齿轮调整法 如图所示将一对齿轮和的

3、 轮齿沿齿宽方向制成小锥度，使齿厚在齿轮的轴 向稍有变化。调整时改变垫片的厚度就能改变 齿轮和的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙 。 锥度齿轮消隙法图例 1圆柱齿轮传动消除间隙（3） l双片齿轮错齿调整法 图示是双片齿轮周向可调 弹簧错齿消隙结构。两个相同齿数的薄片齿轮1 和2与另个宽齿轮啮合，两薄片齿轮可相对回 转。在两个薄片齿轮1和2的端面均匀分布着四 个螺孔，分别装上凸耳3和8。齿轮1的端面还有 另外四个通孔，凸耳可以在其中穿过，弹簧4的 两端分别钩在凸耳3和调节螺钉7上。通过螺母5 调节弹簧4的拉力，调节完后用螺母6锁紧。弹 簧的拉力使薄片齿轮错位，即两个薄齿轮的左右 齿面分别贴在宽齿轮齿槽的左右齿面上，从而消 除了齿侧间隙。 1圆柱齿轮传动消除间隙（4） l双片齿轮错齿调整法 图示为另一种双片齿轮周 向弹簧错齿消隙结构，两片薄齿轮1和2套装一 起，每片齿轮各开有两条周向通槽，在齿轮的端 面上装有短柱3，用来安装弹簧4。装配时使弹 簧4具有足够的拉力，使两个薄齿轮的左右面分 别与宽齿轮的左右面贴紧，以消除齿侧间隙。 双齿错齿可调弹簧式消隙法图例 1 2 薄片齿轮 3 8 凸耳 4

4、 弹簧 5 螺母 6 锁紧螺母 7 调节螺钉 双齿错齿周向弹簧式消隙法图例 1 2 薄片齿轮 3 短柱 4 弹簧 l 圆柱齿轮传动消除间隙的方法 （1）偏心轴套调整法 （2）锥度齿轮调整法 （3）双片齿轮错齿调整法 2斜齿轮传动消除间隙（1） l基本思想 斜齿轮传动消除侧隙的方法与直齿圆柱 齿轮传动中双片薄齿轮消除间隙的思路相似，也 是用两个薄片齿轮和一个宽齿轮啮合，只是通过 不同的方法使两个薄片齿轮沿轴向移动合适的距 离后，相当于两薄片斜齿圆柱齿轮的螺旋线错开 了一定的角度。两个齿轮与宽齿轮啮合时分别负 责不同的方向（正向和反向），起到消除侧隙的 作用。 2斜齿轮传动消除间隙（2） l轴向垫片调整法 如图所示是斜齿轮垫片错齿消 隙结构。宽齿轮4同时与两个相同薄片齿轮1和2 啮合，薄片齿轮由平键和轴联接，互相不能相对 回转。斜齿轮1和2的齿形拼装后一起加工，并 与键槽保持确定的相对位置。装配时在两薄齿轮 之间装入厚度为的垫片3，使薄片齿轮1、2的 螺旋线产生错位，其左右两齿面分别与宽齿轮4 的齿贴紧，消除齿侧间隙。 斜齿轮轴向垫片消隙图例 1 2 薄片齿轮 3 垫片 4 宽齿轮 2斜齿

5、轮传动消除间隙（3） l轴向压簧调整法 如图所示是斜齿轮轴向压簧错 齿消除间隙结构。该结构消隙原理与轴向垫片调 整法相似，所不同的是利用齿轮2右面的弹簧压 力使两个薄片齿轮产生相对轴向位移，从而它们 的左、右齿面分别与宽齿轮的左右齿面贴紧，以 消除齿侧间隙。图a采用的是压簧，图b采用的 是碟形弹簧。 斜齿轮轴向压簧消隙法图例 a 轴向压簧法b 蝶形弹簧法 问题：比较两种斜齿轮消隙法的优缺点 轴向垫片调整法轴向压簧调整法 三、滚珠丝杆螺母副 工作原理和特点（1） l滚珠丝杆螺母副由于在丝杆和螺母之间放入了滚 珠，使丝杆与螺母间变为滚动摩擦，因而大大地 减小了摩擦阻力，提高了传动效率。图示为滚珠 丝杆副的结构示意图。丝杆和螺母上均制有 圆弧型面的螺旋槽，将它们装在一起便形成了螺 旋滚道，滚珠在其间既自转又循环滚动。 滚珠丝杠螺母副结构图例 1-丝杠 2-滚道 3-螺母 4-滚珠 滚珠丝杠螺母副的优点 l传动效率高，摩擦损失小 滚珠丝杆螺母副的传 动效率0.920.96，可实现高速运动。 l运动平稳无爬行 由于摩擦阻力小，动、静摩擦 系数之差极小，故运动平稳，不易出现爬行现象 。 l传动精度

6、高，反向时无空程 滚珠丝杆副经预紧 后，可消除轴向间隙。 l磨损小 精度保持性好，使用寿命长。 l具有运动的可逆性 可以将旋转运动转换成直线 运动，也可将直线运动转换成旋转运动，即丝杆 和螺母均可作主动件或从动件。 滚珠丝杠螺母副的缺点 l由于结构复杂，丝杆和螺母等元件的加工精度和 表面质量要求高，故制造成本高。 l由于不能自锁，特别是垂直安装的滚珠丝杆传动 ，会因部件的自重而自动下降。当部件向下运动 且切断动力源时，由于部件的自重和惯性，不能 立即停止运动。因此必须增加制动装置。 结论： 由于其优点显著，虽成本较高，仍被广 泛应用在数控机床上。 2结构类型（1） l外循环 滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面上的螺 旋槽或插管返回丝杆螺母间重新进入循环。 图示为常见的外循环结构形式。在螺母外圆上 装有螺旋形的插管口，其两端插入滚珠螺母工作始 末两端孔中，以引导滚珠通过插管，形成滚珠的多 圈循环链。 结构简单，工艺性好，承载能力较高，但径向 尺寸较大。应用最广，也可用于重载传动系统。 外循环式滚珠丝杠结构图例 2结构类型（2） l内循环 靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚 珠成单圈循

7、环，如图所示。反向器的数目与滚 珠圈数相等。 结构紧凑，刚度好，滚珠流通性好，摩擦损 失小，但制造较困难。 适用于高灵敏、高精度的进给系统，不宜 用于重载传动中。 内循环式滚珠丝杠结构图例 3滚珠丝杆副间隙的调整（1） l为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度，必 须消除滚珠丝杆螺母副轴向间隙。 l消除间隙的方法常采用双螺母结构，利用两个螺 母的相对轴向位移，使每个螺母中的滚珠分别接 触丝杆滚道的左右两侧。 用这种方法预紧消除轴向间隙时，预紧力 一般应为最大轴向负载的l/3。当要求不太高时 ，预紧力可小于此值。 3滚珠丝杆副间隙的调整（2） l双螺母垫片式消隙 如图所示，此种形式结构简单可靠、刚度 好，应用最为广泛，在双螺母间加垫片的形式可 由专业生产厂根据用户要求事先调整好预紧力， 使用时装卸非常方便。 双螺母垫片调整法（中间加垫片）图例 双螺母垫片调整法（端部加垫片）图例 3滚珠丝杆副间隙的调整（3） l双螺母螺纹式消隙 如图所示，利用一个螺母上的外螺纹，通过 圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧， 调整好后用另一个圆螺母锁紧，这种结构调整方 便，且可在使用过程中，随时调整，但

8、预紧力大 小不能准确控制。 双螺母螺纹消隙图例 3滚珠丝杆副间隙的调整（4） l齿差式消隙 如图所示，在两个螺母的凸缘上各 制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两端的内齿 圈相啮合，其齿数分别为Z1、Z2，并相差一个齿 。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套 筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则 两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量为： l式中Z1、Z2为齿轮的齿数，Ph为滚珠丝杠的导 程。 齿差式消隙图例 4滚珠丝杆副的支承方式（1） l一端装止推轴承(固定自由式) 如图a所示。这 种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应 于短丝杆。 4滚珠丝杆副的支承方式（2） l一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承(固定 支承式) 如图b所示。滚珠丝杆较长时，一端装 止推轴承固定，另一端由深沟球轴承支承。为了 减少丝杆热变形的影响，止推轴承的安装位置应 远离热源。 4滚珠丝杆副的支承方式（3） l两端装推力轴承（单推单推式或双推单推式 ）如图c所示。这种方式是对丝杠进行预拉伸安装 。这样做的好处是：减少丝杠因自重引起的弯曲 变形；在推力轴承预紧力大于丝杠最大轴向载荷 1/3的条件下，丝杠

9、拉压刚度可提高四倍；丝杠不 会因温升而伸长，从而保持丝杠精度。 4滚珠丝杆副的支承方式（4） 两端装双重止推轴承及深沟球轴承(固定固定式) 如图d所示。为提高刚度，丝杆两端采用双重支 承，如止推轴承和深沟球轴承，并施加预紧拉力 。这种结构方式可使丝杆的热变形转化为止推轴 承的预紧力。 滚珠丝杠副支承方式图例 四、数控机床的回转工作台 1回转工作台工作特点 l数控机床的圆周进给由回转工作台完成，称之为 数控机床的第四轴，回转工作台可以与、 三个坐标轴联动，从而加工出各种曲面和曲线 等复杂的形状。回转工作台对于自动换刀多工序 的加工中心是必备的部件。 l数控回转工作台主要用于数控镗床和铣床，其外 形和通用机床分度工作台相似，但它的驱动是伺 服系统的驱动方式。 数控回转工作台图例 2回转工作台的锁紧与松开 l当工作台静止时，必须处于锁紧状态。为此，在 蜗轮底部的辐射方向装有对夹紧瓦和，并 在底座上均布着同样数量的小液压缸。当小 液压缸的上腔接通压力油时，活塞便压向钢球 8，撑开夹紧瓦，并夹紧蜗轮。 l在工作台需要回转时，先使小液压缸的上腔接通 回油路，在弹簧的作用下，钢球抬起，夹紧 瓦将蜗轮松开。 3回转工作台的圆周进给运动 l工作台的回转运动通过电液脉冲马达，经齿轮减 速，由蜗杆传给蜗轮。为了消除蜗杆副的传 动间隙，采用了双螺距渐厚蜗杆，通过移动蜗杆 的轴向位置来调整间隙。这种蜗杆的左右两侧面 具有不同螺距，因此蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚 。但由于同一侧的螺距是相同的，所以仍然可保 持正常的啮合。 五、数控机床分度工作台 分度工作台特点 l分度工作台只能完成分度运动，不能实现圆 周进给。分度工作台的分度只限于某些特定 的角度。 l定销式分度工作台的定位分度主要靠工作台 的定位销和定位孔实现，分度的角度取决于 定位孔在圆周上的分布数量。 定销式分度工作台图例 2分度工作台基本组成 l工作部分 分度工作台（1）、矩形工作台（ 10）、上底座（21） l定位部分 定位销（7）、定位孔衬套（6）、 马蹄形环行槽等。 l夹紧部分 锁紧液压缸（8）、锁紧液压缸活 塞（11） l顶起部分 中央液压缸（17） l传

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