第3章金属切削机床

1、 进给传动系实现机床的进给运动和辅助运动。进给传动系实现机床的进给运动和辅助运动。 进给传动系一般由动力源、变速机构、换向机构、运动分配机构、过进给传动系一般由动力源、变速机构、换向机构、运动分配机构、过载保险机构、运动转换机构和执行件等组成。载保险机构、运动转换机构和执行件等组成。动力源变速机构换向机构运动分配 机构过载保险 机构过载保险 机构.运动转换 机构运动转换 机构执行件执行件.定比传动 机构动力源运动转换 机构执行件执行件运动转换 机构动力源定比传动 机构伺服电动机齿轮、同步带传动等丝杠螺母传动机构等工作台.坐标轴一坐标轴N 进给传动可以采用单独电动机作为动力源，便于缩短传动链，实

2、现几进给传动可以采用单独电动机作为动力源，便于缩短传动链，实现几个方向的进给运动和机床自动化；也可以与主传动共用一个动力源，便于个方向的进给运动和机床自动化；也可以与主传动共用一个动力源，便于保证主传动和进给运动之间的严格传动比关系，适用于内联传动链，如车保证主传动和进给运动之间的严格传动比关系，适用于内联传动链，如车床、齿轮加工机床等。床、齿轮加工机床等。 进给传动系的变速机构是用来改变进给量大小。常用的有交换齿轮变进给传动系的变速机构是用来改变进给量大小。常用的有交换齿轮变速、滑移齿轮变速、齿轮离合器变速、机械无级变速和伺服电动机变速等。速、滑移齿轮变速、齿轮离合器变速、机械无级变速和伺服

3、电动机变速等。若几个进给运动共用一个变速机构，应将变速机构放置在运动分配机构前若几个进给运动共用一个变速机构，应将变速机构放置在运动分配机构前面。面。 换向机构有两种：一种是进给电动机换向，换向方便，但换向次数不换向机构有两种：一种是进给电动机换向，换向方便，但换向次数不能太频繁。另一种是用齿轮换向能太频繁。另一种是用齿轮换向( (圆柱齿轮或锥齿轮圆柱齿轮或锥齿轮) )，换向可靠，广泛用，换向可靠，广泛用在各种机床中。在各种机床中。 运动分配机构用来转换传动路线，常采用离合器。运动分配机构用来转换传动路线，常采用离合器。 过载保险机构作用是过载时自动断开进给运动，过载排除后自动接通。过载保险机

4、构作用是过载时自动断开进给运动，过载排除后自动接通。常用的有牙嵌和片式安全离合器、脱落蜗杆等。常用的有牙嵌和片式安全离合器、脱落蜗杆等。 运动转换机构用来变换运动的类型运动转换机构用来变换运动的类型( (回转运动变直线运动回转运动变直线运动) )，有齿轮齿，有齿轮齿条、蜗杆蜗条、丝杠螺母等。数控机床和精密机床采用滚珠丝杠和螺母机条、蜗杆蜗条、丝杠螺母等。数控机床和精密机床采用滚珠丝杠和螺母机构，无间隙、传动精度高和平稳。构，无间隙、传动精度高和平稳。 数控机床的进给运动是数字控制的对象，也称进给伺服系统。按坐标数控机床的进给运动是数字控制的对象，也称进给伺服系统。按坐标轴构成单元，有几个坐标轴

5、就有几个单元。坐标轴的进给运动采用无级轴构成单元，有几个坐标轴就有几个单元。坐标轴的进给运动采用无级调速的伺服驱动方式，伺服电机的动力和运动只需经过由最多一两级齿调速的伺服驱动方式，伺服电机的动力和运动只需经过由最多一两级齿轮或同步带传动副和滚珠丝杠螺母副或齿轮齿条副或蜗杆蜗条副组成的轮或同步带传动副和滚珠丝杠螺母副或齿轮齿条副或蜗杆蜗条副组成的传动系统传动给工作台等运动执行部件。传动系统传动给工作台等运动执行部件。动 力 源变 速 机 构换 向 机 构运 动 分 配 机 构过 载 保 险 机 构过 载 保 险 机 构.运 动 转 换 机 构运 动 转 换 机 构执 行 件执 行 件.定 比

6、传 动 机 构动 力 源运 动 转 换 机 构执 行 件执 行 件运 动 转 换 机 构动 力 源定 比 传 动 机 构伺 服 电 动 机齿 轮 、 同 步 带 传 动 等丝 杠 螺 母 传 动 机 构 等工 作 台.坐 标 轴 一坐 标 轴N 由于伺服电机及其控由于伺服电机及其控制单元性能的提高，许制单元性能的提高，许多数控机床的进给传动多数控机床的进给传动系统去掉了降速齿轮副，系统去掉了降速齿轮副，直接将伺服电机与滚珠直接将伺服电机与滚珠丝杠连接。丝杠连接。l l）具有足够的静刚度和动刚度。）具有足够的静刚度和动刚度。 2 2）具有良好的快速响应性，做低速进给运动或微量进给时不爬行，运）具

7、有良好的快速响应性，做低速进给运动或微量进给时不爬行，运动平稳，灵敏度高。动平稳，灵敏度高。 3 3）抗振性好，不会因摩擦自振而引起传动件的抖动或齿轮传动的冲击）抗振性好，不会因摩擦自振而引起传动件的抖动或齿轮传动的冲击噪声。噪声。 4 4）具有足够宽的调速范围，保证实现所要求的进给量（进给范围、数）具有足够宽的调速范围，保证实现所要求的进给量（进给范围、数列），以适应不同的加工材料，使用不同刀具，满足不同的零件加工要求，列），以适应不同的加工材料，使用不同刀具，满足不同的零件加工要求，能传动较大的转矩。能传动较大的转矩。 5 5）进给系统的传动精度和定位精度要高。）进给系统的传动精度和定位精

8、度要高。 6 6）结构简单，加工和装配工艺性好。调整维修方便，操纵轻便灵活。）结构简单，加工和装配工艺性好。调整维修方便，操纵轻便灵活。 不同类型的机床实现进给运动的传动类型不同。主要有机械进给传不同类型的机床实现进给运动的传动类型不同。主要有机械进给传动，液压进给传动，电伺服进给传动等。机械进给传动系虽然结构较复动，液压进给传动，电伺服进给传动等。机械进给传动系虽然结构较复杂，制造及装配工作量较大，但由于工作可靠，便于检查和维修，仍有杂，制造及装配工作量较大，但由于工作可靠，便于检查和维修，仍有很多机床采用。很多机床采用。 切削加工中，当进给量较大时，一般采用较小的背吃刀量；当背吃切削加工中

9、，当进给量较大时，一般采用较小的背吃刀量；当背吃刀量较大时，多采用较小的进给量。所以，在各种不同进给量的情况下，刀量较大时，多采用较小的进给量。所以，在各种不同进给量的情况下，产生的切削力大致相同，进给力是切削力在进给方向的分力，也大致相产生的切削力大致相同，进给力是切削力在进给方向的分力，也大致相同。所以进给传动与主传动不同，驱动进给运动的传动件不是恒功率传同。所以进给传动与主传动不同，驱动进给运动的传动件不是恒功率传动，而是在恒转矩传动。动，而是在恒转矩传动。 因为进给系统是恒转矩传动，在各种进给速度下，末端输出轴上受的因为进给系统是恒转矩传动，在各种进给速度下，末端输出轴上受的转矩是相同

10、的，设是转矩是相同的，设是T T末末。进给传动系中各传动件所受的转矩可由下式算。进给传动系中各传动件所受的转矩可由下式算出出 传动件至末端输出轴的传动比越大，传动件承受的转矩越大。进给传传动件至末端输出轴的传动比越大，传动件承受的转矩越大。进给传动系转速图的设计刚巧与主传动系相反，是前疏后密的，即采用扩大顺序动系转速图的设计刚巧与主传动系相反，是前疏后密的，即采用扩大顺序与传动顺序不一致的结构式，如：与传动顺序不一致的结构式，如：Z=16=2Z=16=28 82 24 42 22 22 21 1 。这样可以使进。这样可以使进给系内更多的传动件至末端输出轴的传动比较小，承受的转矩也较小，从给系内

11、更多的传动件至末端输出轴的传动比较小，承受的转矩也较小，从而减小各中间轴和传动件的尺寸。而减小各中间轴和传动件的尺寸。 进给传动系速度低，受力小，消耗功率小，齿轮模数较小，进给传动进给传动系速度低，受力小，消耗功率小，齿轮模数较小，进给传动系变速组变速范围可取系变速组变速范围可取1/51/5u u进进2.82.8，变速范围，变速范围R Rn n1414。为缩短进给传动。为缩短进给传动链，减小进给箱的受力，提高进给传动精度和稳定性，末端常采用降速很链，减小进给箱的受力，提高进给传动精度和稳定性，末端常采用降速很大的传动机构，如蜗杆蜗轮、丝杠螺母、行星机构等。大的传动机构，如蜗杆蜗轮、丝杠螺母、行

12、星机构等。 有时执行件运动极为微量，如每次进给量小于有时执行件运动极为微量，如每次进给量小于22m m，或进给速度小，或进给速度小于于10mm/min10mm/min，会发生严重的爬行现象，需要采用微量进给机构来消除爬，会发生严重的爬行现象，需要采用微量进给机构来消除爬行。行。 微量进给机构有自动和手动两类。自动微微量进给机构有自动和手动两类。自动微量进给机构采用各种驱动元件使进给自动地量进给机构采用各种驱动元件使进给自动地进行；手动微量进给机构主要用于微量调整进行；手动微量进给机构主要用于微量调整精密机床的一些部件，如坐标镗床的工作台、精密机床的一些部件，如坐标镗床的工作台、数控机床的刀具尺

13、寸补偿等。数控机床的刀具尺寸补偿等。常用的微量进给机构中最小进给量大于常用的微量进给机构中最小进给量大于11m m 的机构有蜗杆传动、丝杠螺母、齿轮齿条传的机构有蜗杆传动、丝杠螺母、齿轮齿条传动等，适用于进给行程大、进给量、进给速动等，适用于进给行程大、进给量、进给速度变化范围宽的机床；小于度变化范围宽的机床；小于1 1 m m 的进给机的进给机构有弹性力传动、磁致伸缩传动、电致伸缩构有弹性力传动、磁致伸缩传动、电致伸缩传动、热应力传动、或它们的组合等。都是传动、热应力传动、或它们的组合等。都是利用材料的物理性能实现微量进给。利用材料的物理性能实现微量进给。 步进电动机又称脉冲电动机，是将电脉

14、冲信号变换成步进电动机又称脉冲电动机，是将电脉冲信号变换成角位移（或线位移）的一种机电式数模转换器。对应数控装置输出的一个角位移（或线位移）的一种机电式数模转换器。对应数控装置输出的一个电脉冲信号（经过控制与驱动电路）电动机轴就转过一定的角度，称为步电脉冲信号（经过控制与驱动电路）电动机轴就转过一定的角度，称为步距角，是重要参数，一般用距角，是重要参数，一般用表示。角位移与脉冲个数成正比，转速与脉表示。角位移与脉冲个数成正比，转速与脉冲的频率成正比。冲的频率成正比。 优点是：转速可以在很宽的范围内调节；改变绕组通电的顺序，可以优点是：转速可以在很宽的范围内调节；改变绕组通电的顺序，可以控制电动

15、机的正转或反转；控制电动机的正转或反转； 没有累积误差、结构简单、使用、维修方便、没有累积误差、结构简单、使用、维修方便、制造成本低。适用于中、小型机床和速度精度要求不高的地方。制造成本低。适用于中、小型机床和速度精度要求不高的地方。 缺点是：效率较低，发热大，有时会缺点是：效率较低，发热大，有时会“失步失步”。常用的直流伺服电动机有小惯量直流电动机和大常用的直流伺服电动机有小惯量直流电动机和大惯量直流电动机。惯量直流电动机。 小惯量直流电动机转子直径较小，轴向尺寸大，长径比约为小惯量直流电动机转子直径较小，轴向尺寸大，长径比约为5 5 ，优点，优点转动惯量小，响应时间快；缺点是额定转矩较小，

16、必须与齿轮降速装置相转动惯量小，响应时间快；缺点是额定转矩较小，必须与齿轮降速装置相匹配。常用于高速轻载的小型数控机床中。匹配。常用于高速轻载的小型数控机床中。 大惯量直流电动机，又称宽调速直流电动机，有电励磁和永久磁铁励大惯量直流电动机，又称宽调速直流电动机，有电励磁和永久磁铁励磁两种。进给伺服驱动主要采用永磁型，它能在较大过载转矩下长期工作，磁两种。进给伺服驱动主要采用永磁型，它能在较大过载转矩下长期工作，能直接与丝杠相连而不需要中间传动装置，在低速下平稳地运转，输出转能直接与丝杠相连而不需要中间传动装置，在低速下平稳地运转，输出转矩大。可以内装测速发电机，及加装旋转变压器和制动器。能获得

17、优良低矩大。可以内装测速发电机，及加装旋转变压器和制动器。能获得优良低速刚度和动态性能。电动机频率高、定位精度好、调整简单、工作平稳。速刚度和动态性能。电动机频率高、定位精度好、调整简单、工作平稳。缺点是有电刷，转子温度高、转动惯量大、时间响应较慢。缺点是有电刷，转子温度高、转动惯量大、时间响应较慢。 交流伺服电动机主要有异步交流伺服电动机和永磁交流伺服电动机主要有异步交流伺服电动机和永磁同步交流伺服电动机，在进同步交流伺服电动机，在进 直线伺服电动机工作原理同旋转电动机相似，可以看成是将旋转型伺直线伺服电动机工作原理同旋转电动机相似，可以看成是将旋转型伺服电动机沿径向剖开，向两边拉开展平后演

18、变而成，如图示。原来的定服电动机沿径向剖开，向两边拉开展平后演变而成，如图示。原来的定子演变成直线伺服电动机的初级，原来的转子演变成直线伺服电动机的子演变成直线伺服电动机的初级，原来的转子演变成直线伺服电动机的次级。原来的旋转磁场变成了平磁场。初级和次级长短是不一样的。次级。原来的旋转磁场变成了平磁场。初级和次级长短是不一样的。原来的定子演变成直线伺服电动机的初级，原来的转子演变成直线伺服原来的定子演变成直线伺服电动机的初级，原来的转子演变成直线伺服电动机的次级。原来的旋转磁场变成了平磁场。在磁路构造上，直线伺电动机的次级。原来的旋转磁场变成了平磁场。在磁路构造上，直线伺服电动机一般做成双边型

19、，磁场对称，不存在单边磁拉力，在磁场中受服电动机一般做成双边型，磁场对称，不存在单边磁拉力，在磁场中受到的总推力可较大。到的总推力可较大。 为使初级和次级之间能够在一定移动范围内作相对直线运动，直线伺为使初级和次级之间能够在一定移动范围内作相对直线运动，直线伺服电动机的初级和次级长短是不一样的。服电动机的初级和次级长短是不一样的。 可以是短的可以是短的次级移动，长的次级移动，长的初级固定，如图初级固定，如图a a所示；也可以所示；也可以是短的初级固定，是短的初级固定，长的次级移动，长的次级移动，如图如图b b所示。所示。同步式是在直线伺服电动机的定件（如床身）上，在全行程沿直线方同步式是在直线

20、伺服电动机的定件（如床身）上，在全行程沿直线方向上一块接一块地装上永久磁铁（次级）；在直线伺服电动机的动件（如向上一块接一块地装上永久磁铁（次级）；在直线伺服电动机的动件（如工作台）下部的全长上，对应地一块接一块安装上含铁心的通电绕组（初工作台）下部的全长上，对应地一块接一块安装上含铁心的通电绕组（初级）。级）。 感应式与同步式的区别是在定件上用不通电的绕组替代同步式的永久感应式与同步式的区别是在定件上用不通电的绕组替代同步式的永久磁铁，且每个绕组中每一匝均是短路的。直线伺服电动机通电后，在定件磁铁，且每个绕组中每一匝均是短路的。直线伺服电动机通电后，在定件和动件之间的间隙中产生一个大的行波磁

21、场，依靠磁力，推动动件（工作和动件之间的间隙中产生一个大的行波磁场，依靠磁力，推动动件（工作台）做直线运动。台）做直线运动。 对于开环系统，传动副的设计主要是由机床所要求的脉冲当量与所选对于开环系统，传动副的设计主要是由机床所要求的脉冲当量与所选用的步进电动机的步距角决定。降速比为用的步进电动机的步距角决定。降速比为传动副为齿轮传动时，要消除其传动间隙。消除齿轮传动间隙有刚性传动副为齿轮传动时，要消除其传动间隙。消除齿轮传动间隙有刚性调整法和柔性调整法：调整法和柔性调整法： 刚性调整法是调整后的齿侧间隙不能自动进行补偿，如偏心轴套调整刚性调整法是调整后的齿侧间隙不能自动进行补偿，如偏心轴套调整

22、法、变齿厚调整法、斜齿轮轴向垫片调整法等。特点是结构简单，传动刚法、变齿厚调整法、斜齿轮轴向垫片调整法等。特点是结构简单，传动刚度较高。要求严格控制齿轮齿厚及齿距公差，否则将影响运动的灵活性。度较高。要求严格控制齿轮齿厚及齿距公差，否则将影响运动的灵活性。 柔性柔性调整法是指调整后的齿调整法是指调整后的齿侧间隙可以自动进行补偿，结侧间隙可以自动进行补偿，结构比较复杂，传动刚度低些，构比较复杂，传动刚度低些，会影响传动的平稳性。主要有会影响传动的平稳性。主要有双片直齿轮错齿调整法，薄片双片直齿轮错齿调整法，薄片斜齿轮轴向压簧调整法，双齿斜齿轮轴向压簧调整法，双齿轮弹簧调整法等。轮弹簧调整法等。 图示为图示为双片直齿轮错齿调整双片直齿轮错齿调整法。法。 滚珠丝杠的支承方式有三种，滚珠丝杠的支承方式有三种，如图示。如图示。 丝杠传动的综合拉压刚度主要由丝杠的拉压刚度，支承刚度和螺母刚丝杠传动的