第2章 数控机床进给系统3-4

2023/1/1412.3CNC机床进给系统2.3.1数控机床对进给系统的要求

1.进给传动系统的作用和要求

接受数控系统发出的进给脉冲，经放大和转换后驱动执行元件实现预期的成形运动。

进给传动系统承担了数控机床各直线坐标轴和回转坐标轴的定位，以及切削进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性，它直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精度。

1）作用2023/1/1422）要求

为此，数控机床的进给传动系统必须满足下列要求：（1）减少运动部件的摩擦阻力小；

（2）提高传动精度和刚度；

（3）运动部件惯量小；3）方法与措施（1）变滑动丝杠为滚珠丝杠；

（2）使用滚动导轨、贴塑导轨、静压导轨；

（3）减少传动间隙，对丝杠、支承进行预紧；（4）传动件结构合理化，减少尺寸，降低惯量；

2023/1/1432.进给传动系统的基本形式直线和圆周进给运动两类。直线进给运动实现方法：滚珠丝杠螺母副、齿轮齿条副、直线电机；圆周进给运动实现方法：齿轮副、蜗轮蜗杆副；2）根据驱动电机又分为：

(1)步进电机伺服进给系统；

(2)直流电机伺服进给系统；

(3)交流电机伺服进给系统；

(4)直线电机伺服进给系统；1）按进给运动分：2023/1/144

(1)有较高的工作精度；(2)响应速度快；

(3)调速范围宽； (4)稳定性好；

(5)可靠性高；3.进给传动的组成部件及其要求(1)运动部件；(如工作台、导轨、横梁、立柱等)(2)伺服电动机； (3)检测元件；(4)联轴节； (5)丝杠轴承；(6)滚珠丝杠螺母副(或齿轮齿条副)；(7)减速机构(齿轮副和带轮)；1）进给传动系统的主要机电部件有：2）对进给传动部件的要求：2023/1/1453）半闭环进给伺服传动系统组成（图1）2023/1/1463）半闭环进给伺服传动系统组成（图2）滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副2023/1/147伺服电机支承轴承丝杠滚珠丝杠螺母3）半闭环进给伺服传动系统组成（图3）2023/1/1484.进给直线电机结构简介1）特点：(1)完全取消旋转运动变为直线运动的转换；(2)机械传动机构大大简化，实现“零传动”；(3)进给速度大，可达100m/min，10m/s2；(4)进给系统精度高、刚度大、响应快、稳定性好；(5)电动机cos

低，抗干扰要求高，需要防磁和散热措施。2023/1/1492）直线电机结构：1－光栅2－转子3－定子2023/1/14104－床身6－转子

12－导轨14－定子2）直线电机结构：定子线圈转子线圈2023/1/1411工作台床身直线电机结构2023/1/1412工作台床身直线电机结构2023/1/14132.3.2滚珠丝杠螺母副作用：将回转运动转换为直线运动；

用途：各类中小型数控机床的直线进给；丝杠螺母双螺母2023/1/1414滚珠丝杠螺母副2023/1/14151)摩擦力小，传动效率高（0.9～0.96）；2)传动灵敏，运动平稳，低速时无爬行；3)磨损小，精度保持性好，寿命长；4)经预紧可消除轴向间隙，无反向空行程，轴向刚度高；1.滚珠丝杠螺母副的传动特点

传动有可逆性，不能实现自锁，立式时需要制动装置和超程保护；6)制造工艺复杂，成本高；7)尺寸不能太大，不适应于长行程和大型机床；2023/1/1416按螺旋滚道法向截面形状分:

单圆弧型和双圆弧型按滚珠循环方式分:

内循环式和外循环式按消除轴向间隙和调整预紧方式分:垫片预紧式、螺纹预紧式和齿差预紧式按用途分:定位滚珠丝杠副(P类)、传动滚珠丝杠副(T类)2.滚珠丝杠螺母副的结构及其特点数控机床进给运动采用P类。2023/1/1417

滚道半径R稍大于滚珠半径rb

，接触角β随初始间隙和轴向载荷大小而变化。当β增大后，轴向刚度、传动效率随之增大。为保证β=45˚，必须严格控制径向间隙。为消除轴向间隙，必须采用双螺母结构。(1)单圆弧型2023/1/1418

滚道由半径R稍大于滚珠半径rb的对称双圆弧组成。理论上轴向和径向间隙为零，接触角β=45˚是恒定的。消除轴向间隙和调整预紧，不仅可以采用双螺母结构，也可以采用增大滚珠直径的单螺母结构。

(2)双圆弧型2023/1/1419反向器反向器(3)内循环滚珠螺母结构特点：滚珠在循环过程中始终与丝杠接触，易卡珠2023/1/1420(4)外循环滚珠螺母结构特点：滚珠经回珠管外滚道作循环，有部分时间与 丝杠脱离接触。插管式回珠管插管式回珠管丝杠滚珠螺母回珠管2023/1/1421

钢珠每一个循环闭路称为列；每一个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数；

内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈；外循环每列有1.5圈，2.5圈，3.5圈等几种，剩下的半圈作回珠用。

(5)丝杠螺母结构特点：2023/1/14223.滚珠丝杠螺母副的预紧和间隙的调整

轴向间隙：通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动量。除了结构本身所有的游隙之外，还包括施加轴向载荷后产生弹性变形所造成的轴向窜动量

1)原则：

预加载荷能有效减小弹性变形带来的轴向位移为限度。

预紧是指配合在过盈的条件下工作，把弹性变形量控制在最小限度

2023/1/14232)方法：单螺母预紧：采用微量过盈配合(常用加大滚珠直径、夹紧螺母处理)、变导程螺母等方法。

加大滚珠直径螺母夹紧变导程螺母螺母滚珠丝杠螺栓2023/1/1424

消隙方法比较灵活，维护简单，但预紧时，必须注意：

a)螺母预紧力也不宜过大、过小；

b)应该特别注意减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙。

双螺母预紧：双螺母预紧常用有以下三种方法： 垫片调隙式； 螺纹调隙式； 齿差调隙式。2023/1/1425通过调整垫片的厚度使左、右螺母产生轴向位移，就可达到消除间隙和产生预紧力的作用简单、刚性好、装卸方便、可靠调整困难，调整精度不高(1)双螺母垫片预紧方式2023/1/1426用键限制螺母在螺母座内的转动。调整时，拧动圆螺母将螺母沿轴向移动一定距离，在消除间隙之后用圆螺母将其锁紧。简单紧凑，调整方便，但调整精度较差，且易于松动(2)双螺母螺纹预紧方式2023/1/1427(3)双螺母齿差预紧方式

螺母1和2的凸缘上各制有一个圆柱外齿轮，两个齿轮的齿数相差一个齿，两个内齿圈3和4与外齿轮齿数分别相同，并用预紧螺钉和销钉固定在螺母座的两端。

2023/1/1428(3)双螺母齿差预紧方式

调整时先将内齿圈取下，根据间隙的大小调整两个螺母1、2分别向相同的方向转过一个或多个齿，使两个螺母在轴向移近了相应的距离达到调整间隙和预紧的目地。

2023/1/14294.滚珠丝杠螺母副的主要参数及代号2023/1/1430(1)公称直径dm

即滚珠丝杠的名义直径。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是滚珠丝杠螺母副的特征尺寸。名义直径与承载能力有直接关系，dm越大，承载能力和刚度越大2023/1/1431(2)公称导程公称导程是丝杠相对于螺母旋转一圈时，螺母上基准点的轴向位移。导程的大小是根据机床的加工精度要求确定的。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。

2023/1/1432(3)精度等级滚珠丝杠螺母副按其使用范围及要求分为7个精度等级，1级精度最高，其余依次逐级递减。数控机床和精密机械可选用2、3级精度。

(4)滚珠丝杠螺母副代号的标注采用汉语拼音字母、数字及汉字结合标注法，如图；特征代号如表。2023/1/14332023/1/14342023/1/14352023/1/1436例如:CDM6012-3.5-P4C---表示外循环插管式D---表示垫片预紧M---表示回珠管埋入式公称直径：60mm导程：12mm螺纹旋向：右旋负荷钢球圈数：3.5圈精度等级：4级定位滚珠丝杠。

2023/1/14375.滚珠丝杠螺母副的安装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。

1)支承轴承组合向心球轴承＋圆锥滚子轴承；双向推力角接触球轴承(丝杠专用)＋角接触球轴承；60°角接触轴承(丝杠专用)＋圆锥滚子轴承；

2023/1/1438滚珠丝杠专用轴承60°角接触轴承滚针/推力圆柱滚子轴承2023/1/1439

图a所示是一端固定一端自由的支承形式。其特点：是结构简单，轴向刚度低，适用于短丝杠及垂直布置丝杠。一般用于数控机床的调整环节和升降台式数控铣床的垂直坐标轴2)支承固定方式2023/1/1440图a一端固定一端自由的支承形式

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图b所示是一端固定一端游动的支承形式，丝杠轴向刚度与图a形式相同，丝杠受热后有膨胀伸长的余地，需保证螺母与两支承同轴。这种形式的配置结构较复杂，工艺较困难，适用于较长丝杠或卧式丝杠

2023/1/1442图b一端固定一端游动的支承形式

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图c所示是两端固定的支承形式，丝杠的轴向刚度约为一端固定形式的4倍，可预拉伸，这样既可对滚珠丝杠施加预紧力，又可使丝杠受热变形得到补偿，保持恒定预紧力，但结构工艺都较复杂适用于长丝杠。2023/1/1444图c两端固定的支承形式

2023/1/14453)滚珠丝杠螺母副与电动机的联接(1)联轴器直接联接优点：具有最大的刚度；本身无间隙，传动精度高；结构简单；适用中小型及高速CNC。2023/1/1446挠性联轴器1－压圈2－联轴套3－柔性片4－球面垫5－锥环2023/1/1447(2)齿轮联接特点：可变速传动，转矩可调，机电匹配性好，布置灵活；但噪声大，摩擦增加，传动有间隙，闭环易振荡，传动效率降低。2023/1/1448(3)同步齿形带联接；

同步带传动装置2023/1/1449同步带结构带背强力层带齿2023/1/1450

同步齿形带传动是综合了带、链传动优点的新型传动方式。具有：

(1)传动效率高，可达98％以上。

(2)无滑动，传动比准确。

(3)传动平稳，噪声小。

(4)使用范围较广，速度可达50m／s，速比可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦。

(5)维修保养方便，不需要润滑。

(6)安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高同步带传动特点：2023/1/14511）防护通常滚珠丝杠副可用防尘密封圈和防护套密封；密封圈有接触式和非接触式两种，装在滚珠螺母的两端。防护套可防止尘土及杂质进入滚珠丝杠，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。

6.滚珠丝杠螺母副的防护与润滑2）润滑常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂润滑一般在安装过程中放进滚珠螺母的滚道内，定期润滑；润滑油润滑要经常通过注油孔注油。

2023/1/1452钢带缠卷丝杠防护2023/1/1453允许间隙存在(如垂直运动)时，可选用具有单圆弧型螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；如果必须有预紧，并在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具备良好的防尘条件，只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构7．滚珠丝杠螺母副结构、尺寸的确定和选择步骤公称直径应根据轴向最大工作载荷，按滚珠丝杠副的尺寸系列选择。在允许的情况下螺纹长度要尽量短。导程(或螺距)应按承载能力、传动精度及传动速度选取。(1)最大的工作载荷。(2)最大动载荷。对于静态或低速运转的滚珠丝杠，还需考虑最大静载荷是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷。(3)刚度的验算。(4)压杆稳定性核算。2023/1/1454

导轨是进给系统的重要环节，是机床结构要素之一。机床的加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量。2.3.3机床导轨

对导轨的要求：

1）高的导向精度；

2）良好的精度保持性；

3）足够的刚度和良好的摩擦特性；

4）灵敏度高、寿命长。2023/1/14551、导轨的组成与导向原理1）导轨的组成和作用作用：支承和引导运动部件沿一定的直线或圆周轨道移动。

运动导轨支承导轨组成：支承导轨、运动导轨。与支承件连成一体固定不动的导轨为支承导轨。与运动部件连成一体的导轨为运动导轨。

2）导向原理限制运动部件的五个自由度，使其具有单方向的导向性。2023/1/14561)滑动导轨具有摩擦特性好、耐磨性好、运动平稳、工艺性好、速度较低等特点。分为：普通滑动导轨---金属与金属相摩擦，摩擦系数大，一般在普通机床上塑料滑动导轨---塑料与金属相摩擦，导轨的滑动性好，在数控机床上广泛采用

按运动轨迹分：直线运动导轨和圆周运动导轨按摩擦特性分：滑动导轨、滚动导轨和静压导轨2、导轨的分类2023/1/14573)静压导轨具有摩擦系数极小、承载大，刚性好，吸震不爬行，但需专门的供压装置等特点。根据介质的不同可分为：

液压导轨和气压导轨

2)滚动导轨

具有摩擦系数小、运动轻便、低速不易爬行、定位精度高、耐磨性好、抗震性较差、结构复杂、防护要求较高等特点。直线导轨分为：直线滚动导轨和滚动导轨块2023/1/14583、滑动导轨矩形导轨：承载能力大，制造简单，水平方向和垂直方向上的位置精度互不相关。侧面间隙不能自动补偿，必须设置间隙调整机构

1)滑动导轨的结构2023/1/1459滑动导轨2023/1/1460三角形导轨：三角形截面，有两个导向面，同时控制垂直方向和水平方向的导向精度。这种导轨在载荷的作用下能自行补偿而消除间隙，导向精度较其他导轨高。

3、滑动导轨1)滑动导轨的结构2023/1/14613、滑动导轨1)滑动导轨的结构燕尾槽导轨：这种滑动导轨的高度值最小，能承受颠覆力矩，摩擦阻力也较大。2023/1/14623、滑动导轨1)滑动导轨的结构圆柱形导轨：这种滑动导轨制造容易，磨损后调整间隙较困难。

凹形导轨容易存油，但也易积尘屑，适用于防护良好的环境。凸形导轨对润滑条件要求高。2023/1/1463数控机床上滑动导轨的形状组合主要为：三角形一矩形式；矩形一矩形式2)滑动导轨的材料导轨材料主要有：铸铁、钢、塑料以及有色金属。常采用的塑料导轨有注塑导轨和贴塑导轨两种，塑料导轨的特点：(1)刚度好；(2)动、静摩擦系数差值小；(3)耐磨性好，抗振性好；(4)低速无爬行；(5)寿命长，为普通铸铁导轨的8—10倍。2023/1/1464塑料导轨的粘接3)塑料导轨的应用2023/1/1465塑料软带2023/1/14664、滚动导轨

滚动导轨是在导轨工作面之间安排滚动件，使两导轨面之间形成滚动摩擦，具有低速运动平稳性好，移动精度和定位精度高的特点。

滚动导轨的抗振性比滑动导轨差，结构复杂，对脏物也较为敏感，需要良好的防护1)直线滚动导轨副

直线滚动导轨又称单元直线滚动导轨，它主要由导轨体、滑块、滚珠、保持架、端盖等组成。导轨体固定在不动部件上，滑块固定在运动部件上。2023/1/14672023/1/1468直线滚动导轨的结构2023/1/14692023/1/14702023/1/1471直线滚动导轨2023/1/1472直线滚动导轨2023/1/1473

直线滚动导轨除导向外还能承受颠覆力矩，它具有制造精度高，可高速运行，并能长时间保持高精度的优点。通过预加负载可提高其刚性，且具有自调的能力，安装基面的许用误差大。

2)滚动导轨块用滚动体进行循环运动，滚动体为滚珠或滚柱，承载能力和刚度都比直线滚动导轨高，但摩擦系数略大。它多用于中等载荷的导轨2023/1/14742023/1/1475滚动导轨块在MC上的应用2023/1/14763)滚动导轨的预紧与固定

经过预紧的导轨刚度提高达到三倍。主要采用过盈配合和调整元件两种。预紧不应过大，否则会显著增加牵引力。1、2-调整元件预紧3－偏心销2023/1/1477直线滚动导轨组的固定2023/1/14785、液体静压导轨

简称静压导轨，它在两个相对运动的导轨面间通入压力油，使运动件浮起，导轨的工作面完全处于纯液体摩擦下。1)特点：

1)导轨工作面摩擦系数极低(f=0.0005)；

2)导轨运动不受限制，低速无爬行；

3)吸振，承载能力大、刚性好；

4)摩擦发热小，导轨温升小。2)缺点：

1)结构复杂，需要一套液压系统，成本高；

2)油膜厚度难以保持恒定不变；

3)主要用于大型、重型数控机床上。2023/1/14793)静压导轨分类:(1)按形式可分为:

开式和闭式两种，数控机床常用闭式。

(2)按供油方式分： 恒压(即定压)供油； 恒流(即定量)供油；

对于闭式液体静压导轨，其导轨的各个方向导轨面上均开有油腔，所以闭式导轨具有承受各方向载荷的能力，且其导轨保持平衡性较好。2023/1/1480(3)开式静压导轨工作原理2023/1/14816、导轨的润滑与防护导轨润滑的目的:

减少摩擦阻力和摩擦磨损，避免低速爬行，降低高速时的温升。一般常用压力循环润滑和定时定量润滑两种方式。数控机床上滑动导轨的润滑主要采用压力润滑。

导轨的防护是防止或减少导轨副磨损，延长导轨寿命的重要方法之一。防护装置有刮板式、卷帘式和伸缩式等。数控机床上大多采用伸缩式防护罩。

2023/1/14822023/1/14832023/1/14842.4进给传动间隙消除1）齿轮传动齿侧间隙；2）键联接传动间隙；3）丝杠螺母副轴向间隙；4）导轨副传动间隙；5）蜗轮蜗杆副传动间隙；6）齿轮齿条副传动间隙；1.进给传动间隙常见形式2.4.1进给传动间隙消除的重要性2023/1/14852.进给传动间隙消除的重要性1）防止开环系统中实际位移值滞后于指令值或丢失指令脉冲；2）防止进给运动方向改变时的反向运动死区；3）提高传动精度和闭环系统稳定性；2023/1/14862.4.2齿轮传动间隙的消除刚性调整法：调整之后齿侧间隙不能自动补偿的调整方法。特点：有较高的传动刚度，结构简单。如：偏心轴套调整法、轴向垫片调整法柔性调整法：调整之后齿侧间隙可以自动补偿 的调整方法。特点：始终无间隙啮合，但传动刚度低，结构复杂。如：轴向压簧调整法、周向拉簧调整法、浮动齿轮弹簧消隙。双传动链消隙机构：承载大，用于大型CNC2023/1/14871)偏心轴套调整只能补偿齿厚误差与中心距误差引起的齿侧间隙；不能补偿偏心误差引起的齿侧间隙。1.直齿圆柱齿轮传动间隙的调整偏心轴套2023/1/14882)轴向垫片调整调整两齿轮在轴向的相对位置即可达到消除齿侧间隙的目的。适用于分度圆带有小锥度直齿轮，轴向齿厚有微变。2023/1/14893）双齿错齿调整即周向拉簧调整法，不宜传递大扭矩，对齿轮的齿厚和齿距要求较低，可始终保持啮合无间隙，尤其适用于检测装置

2023/1/14902斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除1）轴向垫片调整2023/1/1491

这种结构具有轴向尺寸过大，结构不紧凑，但可以自动补偿间隙的特点，多用于负载小，要求自动补偿间隙的场合。

2）轴向压簧调整

2023/1/14923.锥齿轮传动间隙的消除轴向压簧调整

2023/1/14934.齿轮齿条双传动链消隙机构2023/1/14942.4.3套筒联接传动间隙的消除1.键联接和无键联接2023/1/14952.套筒式联轴器2023/1/14962.4.4数控车床进给传动系统典型结构2、CK6163横向进给