数控机床技术(第六章数控机床的进给传动系统)

1、数数控控技技术术 河北理工大学机械工程学院 工程训练中心 张好强v6.1 对进给传动系统的基本要求对进给传动系统的基本要求v6.2 数控机床进给传动系统的基本形式数控机床进给传动系统的基本形式v6.3 进进给传动系统齿轮传动间隙消除方法给传动系统齿轮传动间隙消除方法第六章数控机床的进给传动系统第六章第六章 数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动系统 数控机床进给运动是以保证刀具与工件相对位数控机床进给运动是以保证刀具与工件相对位置关系为目的。数控机床的机械传动装置是进给传置关系为目的。数控机床的机械传动装置是进给传动系统的重要组成部分，其作用是将伺服电机的旋动系统的重要组成部分，其作用是将伺

2、服电机的旋转运动转变为执行件的直线运动或旋转运动。其主转运动转变为执行件的直线运动或旋转运动。其主要包括要包括减速装置、运动转换装置和导向元件减速装置、运动转换装置和导向元件等。等。 在数控机床中，进给运动是数字控制系统的直在数控机床中，进给运动是数字控制系统的直接控制对象。无论是开环还是闭环伺服进给系统，接控制对象。无论是开环还是闭环伺服进给系统，工件的加工精度均要受到进给运动的传动精度、灵工件的加工精度均要受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。敏度和稳定性的影响。 第六章数控机床的进给传动系统6.1 对进给传动系统的基本要求对进给传动系统的基本要求 1 1提高传动部件的刚度提高传动

3、部件的刚度 传动部件刚度不足，会使传动部件产生弹性变形，影传动部件刚度不足，会使传动部件产生弹性变形，影响系统的定位精度、动态稳定性和响应的快速性。加大滚响系统的定位精度、动态稳定性和响应的快速性。加大滚珠丝杠的直径，对滚珠丝杠副、支承部件进行预紧，对滚珠丝杠的直径，对滚珠丝杠副、支承部件进行预紧，对滚珠丝杠进行预拉伸等，都可以提高传动系统刚度。珠丝杠进行预拉伸等，都可以提高传动系统刚度。2 2减小传动部件的惯量减小传动部件的惯量 若驱动电动机已确定，传动部件的惯量就直接决定进若驱动电动机已确定，传动部件的惯量就直接决定进给系统的加速度，是影响进给系统快速性的主要因素。特给系统的加速度，是影响

4、进给系统快速性的主要因素。特别是在高速加工的数控机床上，由于对进给系统的加速度别是在高速加工的数控机床上，由于对进给系统的加速度要求高，因此在满足系统强度和刚度的前提下，应尽可能要求高，因此在满足系统强度和刚度的前提下，应尽可能减小零部件的质量、直径，以降低惯量，提高快速性。减小零部件的质量、直径，以降低惯量，提高快速性。 第六章数控机床的进给传动系统3 3减小传动部件的间隙减小传动部件的间隙 在开环、半闭环进给系统中，传动部件的间隙直接影在开环、半闭环进给系统中，传动部件的间隙直接影响进给系统的定位精度，在闭环系统中，它是系统的主要响进给系统的定位精度，在闭环系统中，它是系统的主要非线性环节

5、，影响系统的稳定性。常用的消除传动部件间非线性环节，影响系统的稳定性。常用的消除传动部件间隙的措施是对齿轮副、丝杠副、联轴器、蜗轮蜗杆副以及隙的措施是对齿轮副、丝杠副、联轴器、蜗轮蜗杆副以及支承部件进行预紧或消除间隙。但是，值得注意的是，采支承部件进行预紧或消除间隙。但是，值得注意的是，采取这些措施后可能会增加摩擦阻力及降低机械部件的使用取这些措施后可能会增加摩擦阻力及降低机械部件的使用寿命，因此必须综合考虑各种因素，使间隙减小到合理范寿命，因此必须综合考虑各种因素，使间隙减小到合理范围。围。第六章数控机床的进给传动系统4 4减小系统的摩擦阻力减小系统的摩擦阻力 进给系统的摩擦阻力一方面会降低

6、传动效率，产生发进给系统的摩擦阻力一方面会降低传动效率，产生发热；另一方面，它还直接影响系统的快速性。此外，由于热；另一方面，它还直接影响系统的快速性。此外，由于摩擦力的存在，动、静摩擦系数的变化，将导致传动部件摩擦力的存在，动、静摩擦系数的变化，将导致传动部件弹性变形，产生非线性的摩擦死区，影响系统的定位精度弹性变形，产生非线性的摩擦死区，影响系统的定位精度和闭环系统的动态稳定性。采用滚珠丝杠副、静压丝杠副、和闭环系统的动态稳定性。采用滚珠丝杠副、静压丝杠副、直线滚动导轨、静压导轨和塑料导轨等高效执行部件，可直线滚动导轨、静压导轨和塑料导轨等高效执行部件，可以减少系统的摩擦阻力，提高运动精度

7、，避免低速爬行。以减少系统的摩擦阻力，提高运动精度，避免低速爬行。 第六章数控机床的进给传动系统 6.2 6.2 数控机床进给传动系统的基本形式数控机床进给传动系统的基本形式 数控机床的进给运动可以分为数控机床的进给运动可以分为直线运动和圆周运动直线运动和圆周运动两大类。直线进给运动包括机床的基本坐标轴（两大类。直线进给运动包括机床的基本坐标轴（X X、Y Y、Z Z轴）以及与基本坐标轴平行的坐标轴（轴）以及与基本坐标轴平行的坐标轴（U U、V V、W W等）的运等）的运动；圆周进给运动是指绕动；圆周进给运动是指绕X X、Y Y、Z Z回转的坐标轴运动。回转的坐标轴运动。 实现直线进给运动主要

8、有三种形式：实现直线进给运动主要有三种形式： 1 1丝杠副：丝杠副：丝杠副通常为滚珠丝杠或静压丝杠，将丝杠副通常为滚珠丝杠或静压丝杠，将伺服电机的旋转运动变为直线运动。伺服电机的旋转运动变为直线运动。 2 2齿轮齿条副：齿轮齿条副：通过齿轮齿条副将伺服电机的旋转通过齿轮齿条副将伺服电机的旋转运动变成直线运动。运动变成直线运动。 3 3直线电动机：直线电动机：直接采用直线电动机进行驱动。直接采用直线电动机进行驱动。 实现圆周运动除少数情况直接使用齿轮副外，一般实现圆周运动除少数情况直接使用齿轮副外，一般都采用蜗轮蜗杆副。都采用蜗轮蜗杆副。第六章数控机床的进给传动系统 一、滚珠丝杠副一、滚珠丝杠副

9、 中小型数控机床中，滚珠丝杠副是减少运动部件摩擦中小型数控机床中，滚珠丝杠副是减少运动部件摩擦阻力和动静摩擦力之差最普遍采用的结构。阻力和动静摩擦力之差最普遍采用的结构。1 1滚珠丝杠副工作原理及特点滚珠丝杠副工作原理及特点 （1 1）滚珠丝杠副的工）滚珠丝杠副的工作原理作原理 滚珠丝杠副是回转滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互转运动与直线运动相互转换的新型传动装置，是换的新型传动装置，是在丝杠和螺母之间以滚在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动珠为滚动体的螺旋传动元件。元件。第六章数控机床的进给传动系统 （2 2）滚珠丝杠副的特点）滚珠丝杠副的特点 1 1）传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率

10、高达）传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率高达9292-96-96，是普通梯形丝杠的，是普通梯形丝杠的3-43-4倍，功率消耗减少倍，功率消耗减少2/3-3/42/3-3/4。 2 2）灵敏度高、传动平稳。）灵敏度高、传动平稳。 3 3）定位精度高、传动刚度高。）定位精度高、传动刚度高。 4 4）不能自锁、有可逆性。）不能自锁、有可逆性。 5 5）制造成本高。）制造成本高。 第六章数控机床的进给传动系统 （3 3）滚珠丝杠副的循环方式）滚珠丝杠副的循环方式 常用的循环方式有两种：滚珠在循环返回过程常用的循环方式有两种：滚珠在循环返回过程中，与丝杠滚道脱离接触的称为中，与丝杠滚道脱离接触的称为外循环

11、外循环；而在整个；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循环过程中，滚珠始终与丝杠各表面保持接触的称为为内循环内循环。 外循环滚珠丝杠副按滚珠循环时的返回方式主外循环滚珠丝杠副按滚珠循环时的返回方式主要有要有插管式和螺旋槽式插管式和螺旋槽式。 第六章数控机床的进给传动系统 第六章数控机床的进给传动系统 第六章数控机床的进给传动系统 2 2滚珠丝杠副轴向间隙的调整滚珠丝杠副轴向间隙的调整 滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。消除间隙的滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。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方法常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚

12、珠分别贴紧在螺旋滚道的移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧，消除轴向间隙两个相反的侧面上。用这种方法预紧，消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力过大会使空载力时，应注意预紧力不宜过大，预紧力过大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。此外，矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。此外，还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。 常用的双螺母丝杠消除间隙方法如下：常用的双螺母丝杠消除间隙方法如下： （l l）垫片调隙式）垫片调隙式 （2 2）螺纹调隙式）螺纹调隙式 （3 3）齿差调隙式）齿差调隙式 第六章

13、数控机床的进给传动系统 第六章数控机床的进给传动系统3 3滚珠丝杠的支承滚珠丝杠的支承 滚珠丝杠主要承受轴向载荷，它的径向载荷主要滚珠丝杠主要承受轴向载荷，它的径向载荷主要是卧式丝杠的自重。滚珠丝杠两端常用支承形式如图是卧式丝杠的自重。滚珠丝杠两端常用支承形式如图所示。所示。 第六章数控机床的进给传动系统 为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承也是十分为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承也是十分重要的。目前，中小型数控机床多采用接触角为重要的。目前，中小型数控机床多采用接触角为6060的双向的双向推力角接触球轴承，如图所示。这种轴承比一般轴承的轴向推力角接触球轴承，如图所示。这种轴承

14、比一般轴承的轴向刚度提高两倍以上，与圆锥滚子、圆柱轴承相比，启动力矩刚度提高两倍以上，与圆锥滚子、圆柱轴承相比，启动力矩小，使用极为方便。装配时，只要用螺母和端盖将内、外环小，使用极为方便。装配时，只要用螺母和端盖将内、外环压紧，就能获得出厂时已经调整好的预紧力。压紧，就能获得出厂时已经调整好的预紧力。 第六章数控机床的进给传动系统4 4滚珠丝杠副的密封与润滑滚珠丝杠副的密封与润滑 （1 1）密封）密封 通常，滚珠丝杠副可用通常，滚珠丝杠副可用防尘密封圈和防护套防尘密封圈和防护套密封。密封。 密封圈有密封圈有接触式和不接触式接触式和不接触式两种，装在滚珠螺母的两端。两种，装在滚珠螺母的两端。

15、防护套可防止尘土及杂质进入滚珠丝杠。对于暴露在外面防护套可防止尘土及杂质进入滚珠丝杠。对于暴露在外面的丝杠一般采用螺旋钢带、伸缩套筒、锥形套管以及折叠式防的丝杠一般采用螺旋钢带、伸缩套筒、锥形套管以及折叠式防护罩。这些防护罩一端连接在滚珠螺母的端面，另一端固定在护罩。这些防护罩一端连接在滚珠螺母的端面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。近年来，还出现了一种钢带缠卷式丝杠滚珠丝杠的支承座上。近年来，还出现了一种钢带缠卷式丝杠防护装置。防护装置。 （2 2）润滑）润滑 常用润滑剂有常用润滑剂有润滑油和润滑脂润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在安装两类。润滑脂一般在安装过程中放进滚珠螺母的滚道内，定期补充

16、。使用润滑油时应注过程中放进滚珠螺母的滚道内，定期补充。使用润滑油时应注意要经常通过注油孔注油。意要经常通过注油孔注油。 第六章数控机床的进给传动系统5 5滚珠丝杠的参数、标记方法及选择滚珠丝杠的参数、标记方法及选择 滚珠丝杠副的参数如图所示。滚珠丝杠副的参数如图所示。 第六章数控机床的进给传动系统（1 1）公称直径）公称直径d d0 0 公称直径是滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络公称直径是滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝杠副的特性尺寸。滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝杠副的特性尺寸。（2 2）基本导程）基本导程P Ph h 基本导程是丝杠相对于螺母旋转基本

17、导程是丝杠相对于螺母旋转22弧度时，螺母上弧度时，螺母上的基准点的轴向位移。的基准点的轴向位移。（3 3）接触角）接触角 接触角是滚珠与滚道在接触点处的公法线与螺纹轴线接触角是滚珠与滚道在接触点处的公法线与螺纹轴线的垂直线间的夹角，理想接触角为的垂直线间的夹角，理想接触角为=45=45。 此外，还有丝杠螺纹大径此外，还有丝杠螺纹大径d d、丝杠螺纹小径、丝杠螺纹小径d d1 1、螺纹、螺纹全长全长l l，滚珠直径，滚珠直径d db b、螺母螺纹大径、螺母螺纹大径D D、螺母螺纹小径、螺母螺纹小径D D1 1、滚、滚道圆弧半径道圆弧半径R R等参数。等参数。 第六章数控机床的进给传动系统 导程的

18、大小根据机床的加工精度要求确定。精导程的大小根据机床的加工精度要求确定。精度要求高时，应将导程取小些，可减小丝杠上的摩擦度要求高时，应将导程取小些，可减小丝杠上的摩擦阻力。但导程取小后，势必将滚珠直径阻力。但导程取小后，势必将滚珠直径d db b取小，使滚取小，使滚珠丝杠副的承载能力降低。若丝杠副的公称直径珠丝杠副的承载能力降低。若丝杠副的公称直径d d0 0不不变，导程小，则螺旋升角也小，传动效率变，导程小，则螺旋升角也小，传动效率也变小。也变小。因此，在满足机床加工精度的条件下导程应尽可能取因此，在满足机床加工精度的条件下导程应尽可能取大些。大些。 公称直径与承载能力直接有关，有的资料推荐

19、公称直径与承载能力直接有关，有的资料推荐滚珠丝杠副的公称直径应大于丝杠工作长度的滚珠丝杠副的公称直径应大于丝杠工作长度的1/301/30。数控机床常用的进给丝杠，公称直径数控机床常用的进给丝杠，公称直径2080mm2080mm。 第六章数控机床的进给传动系统 根据国家标准根据国家标准GB/T17587.1-1998GB/T17587.1-1998规定，滚珠丝杠副的型号根规定，滚珠丝杠副的型号根据其公称直径、公称导程、螺纹长度、类型、标准公差等级、据其公称直径、公称导程、螺纹长度、类型、标准公差等级、螺纹旋向等特征，采用汉语拼音字母，数字及汉字结合的方式螺纹旋向等特征，采用汉语拼音字母，数字及汉

20、字结合的方式按下图所示的格式编写。按下图所示的格式编写。 第六章数控机床的进给传动系统 P P型型滚珠丝杠副的功用是滚珠丝杠副的功用是定位；定位；T T型型滚珠丝杠副的滚珠丝杠副的功用是功用是传动。传动。 滚珠丝杠副滚珠丝杠副采用采用七个标准公差等级，七个标准公差等级，即即1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、7 7和和1010。一般情况下，标准公差等级一般情况下，标准公差等级1 1、2 2、3 3、4 4和和5 5的滚珠丝杠副采用预紧形式，而的滚珠丝杠副采用预紧形式，而7 7和和1010采用非预紧采用非预紧形式。形式。 在滚珠丝杠的精度等级中在滚珠丝杠的精度等级中1 1级最高，依次递减。一

21、级最高，依次递减。一般动力传动可选用般动力传动可选用4 4、5 5、7 7级精度，数控机床和精密机级精度，数控机床和精密机械可选用械可选用2 2、3 3级精度，精密仪器仪表机床、螺纹磨床级精度，精密仪器仪表机床、螺纹磨床可选用可选用1 1、2 2级精度。级精度。 第六章数控机床的进给传动系统二、静压丝杠副二、静压丝杠副 静压丝杠副是通过油压在丝杠和螺母的接触面之静压丝杠副是通过油压在丝杠和螺母的接触面之间，产生一层保持一定厚度且具有一定刚度的压力油间，产生一层保持一定厚度且具有一定刚度的压力油膜，使丝杠和螺母之间由边界摩擦变为液体摩擦。当膜，使丝杠和螺母之间由边界摩擦变为液体摩擦。当丝杠转动时

22、通过油膜推动螺母直线移动，反之，螺母丝杠转动时通过油膜推动螺母直线移动，反之，螺母转动也可使丝杠直线移动。转动也可使丝杠直线移动。 第六章数控机床的进给传动系统1 1工作原理工作原理 第六章数控机床的进给传动系统下图所示是静压丝杠副的结构图。下图所示是静压丝杠副的结构图。 第六章数控机床的进给传动系统 螺纹面上油腔的连螺纹面上油腔的连接形式与节流控制方接形式与节流控制方式有两种，如图所示。式有两种，如图所示。图图a a中每扣螺纹每侧中每扣螺纹每侧中径上开中径上开3-43-4个油腔，个油腔，每个油腔用一个节流每个油腔用一个节流器控制，称为器控制，称为分散阻分散阻尼节流尼节流。图。图b b是将分是

23、将分布于同侧、同方位上布于同侧、同方位上的的3-43-4个油腔用一个个油腔用一个节流器控制，称为节流器控制，称为集集中 阻 尼 节 流 。中 阻 尼 节 流 。 第六章数控机床的进给传动系统2 2特点特点 1 1）摩擦系数很小，仅为）摩擦系数很小，仅为0.00050.0005，比滚珠丝杠（摩擦系，比滚珠丝杠（摩擦系数为数为0.002-0.0050.002-0.005）的摩擦损失更小，因此其启动力矩很小，）的摩擦损失更小，因此其启动力矩很小，传动灵敏，避免了爬行。传动灵敏，避免了爬行。 2 2）油膜层可以吸振，提高了运动的平稳性。）油膜层可以吸振，提高了运动的平稳性。 3 3）油液不断流动，有利

24、于散热和减少热变形，提高了机）油液不断流动，有利于散热和减少热变形，提高了机床的加工精度和光洁度。床的加工精度和光洁度。 4 4）油膜层具有一定刚度，减小了反向间隙。）油膜层具有一定刚度，减小了反向间隙。 5 5）油膜层介于螺母与丝杠之间，对丝杠的误差有）油膜层介于螺母与丝杠之间，对丝杠的误差有“均化均化”作用，可使丝杠的传动误差小于丝杠本身的制造误差。作用，可使丝杠的传动误差小于丝杠本身的制造误差。 6 6）承载能力与供油压力成正比，与转速无关。但静压丝）承载能力与供油压力成正比，与转速无关。但静压丝杠副应有一套供油系统，而且对油的清洁度要求高，如果在杠副应有一套供油系统，而且对油的清洁度要

25、求高，如果在运动中供油因故中断，将造成不良后果。运动中供油因故中断，将造成不良后果。 第六章数控机床的进给传动系统三、静压蜗杆三、静压蜗杆蜗轮条副蜗轮条副 大型数控机床不宜采用丝杠传动，常用静压蜗杆大型数控机床不宜采用丝杠传动，常用静压蜗杆蜗轮条副和齿轮蜗轮条副和齿轮齿条副传动。齿条副传动。 第六章数控机床的进给传动系统1 1工作原理工作原理 第六章数控机床的进给传动系统 2 2特点特点 1 1）摩擦阻力小，启动摩擦系数小于）摩擦阻力小，启动摩擦系数小于0.00050.0005，功率消耗少，传动效率高，可达功率消耗少，传动效率高，可达0.94-0.980.94-0.98，在很低，在很低的速度下运动也很平稳。的速度下运动也很平稳。 2 2）使用寿命长。齿面不直接接触，不易磨损，）使用寿命长。齿面不直接接触，不易磨损，能长期保持精度。能长期保持精度。 3 3）抗振性能好油腔内的压力油层有良好的吸）抗振性能好油腔内的压力油层有良好的吸振能力。振能力。 4 4）有足够的轴向刚度。）有足够的轴向刚度。 5 5）蜗轮条能无限接长，因此运动部件的行程）蜗轮条能无限接长，因此运动部件的行程可以很长，不像滚珠丝杠受结构的限制。可以很长，不像滚珠丝杠受结构的限制。 第六章数控机床的进给传动系统四、