第四章 数控机床主传动系统

第4章数控机床的机械结构4.3

数控机床的主传动系统主传动的基本要求和变速方式主轴的联接形式

主轴部件的支承电主轴与高速主轴系统主轴部件的结构下页上页返回图库

1、定义、功用、组成定义：

主运动系统：指驱动主轴运动的系统。主轴：指带动刀具和工件旋转，产生切削运动且消耗功率最大的运动轴。功用：传递动力：传递切削加工所需要的动力传递运动：传递切削加工所需要的运动运动控制：控制主运动的大小方向开停组成：动力源：电机传动系统：定比传动机构、变速装置运动控制装置:离合器、制动器等执行件：主轴数控机床的主传动系统及主轴部件4.3.1

数控机床主传动系统的特点与普通机床相比较，数控机床的主传动系统具有如下特点：(1)采用直流或交流主轴电动机现代数控机床的主传动电动机已不再采用普通的交流异步电动机或传统的直流调速电动机，一般采用直流或交流主轴电动机。这种电动机调速范围广，可实现无级调速，因此主轴箱结构简化。

（2）转速高、功率大、变速范围广

数控机床适应性强，适合加工单件、小批量和形状复杂工件，为了适应各种不同材料的加工以及各种不同的加工方法，数控机床的主传动系统要有较宽的转速范围及相应的输出力矩，一般＞100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。同时，数控机床还应能够进行大功率切削和高速切削，以实现高效率加工。

（3）主轴变速迅速可靠

数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于数控机床主传动系统采用了可实现无级调速的电动机，机械变档一般又采用液压缸推动滑移齿轮实现，因此变速稳定可靠。（4）主轴部件性能好

主轴部件直接装夹刀具对工件进行切削加工，对加工质量及刀具寿命有很大影响，并且在加工过程中不进行人工调整，因此主轴部件必须具有良好的回转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性、耐磨性。4.3.1主传动的基本要求和变速方式下页上页返回图库数控机床和普通机床一样，主传动系统也必须通过变速，才能使主轴获得不同的传递，以适应不同的加工要求，并且，在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的转矩，满足切削的需要。

对主传动的要求1)足够的转速范围2)足够的功率和扭矩。各零部件应具有足够的精度、强度、刚度和抗振性、噪声低、运行平稳3)为了降低噪声、减轻发热、减少振动，主传动系统应简化结构，减少传动件。4)在加工中心上，还必须具有安装道具和刀具交换所需要的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。5)为了扩大机床的功能，实现对C轴（主轴回转角度）的控制，主轴还需安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制。调速范围宽调速范围：有恒扭矩、恒功率调速范围之分。现在，数控机床的主轴的调速范围一般在：100～10000，且能无级调速。要求恒功率调速范围尽可能大，以便在尽可能低的速度下，利用其全功率。变速范围负载波动时，速度应稳定。性能要求高

电机过载能力强。要求有较长时间（1~30min）和较大倍数的过载能力在断续负载下，电机转速波动要小。

速度响应要快，升降速时间要短。

电机温升低，振动和噪音小。

可靠性高，寿命长，维护容易。

体积小，重量轻，与机床联接容易。4.3.1主传动的基本要求和变速方式主传动的变速方式主传动的无极变速通常有以下三种方法：1)采用交流主轴驱动系统实现无级变速传动，在早期的数控机床或大型数控机床（主轴功率超过100KW）上，也有采用直流主轴驱动系统的情况。2)在经济性、普及性数控机床上，为了降低成本，可以采用变频带变频电动机或普通交流电动机实现无级变速的方式。3)在高速加工机床上，广泛使用主轴和电动机一体化的新颖功能部件---电主轴。电主轴的电动机转子和主轴一体，无须任何传动件，可以使主轴达到每分钟数万转，甚至十几万转的高速。不管采用任何形式，数控机床的主传动系统结构都要比普通机床简单得多。2.变频器—交流电机—

机械变速—主轴部件

这种配置的结构简单、安装调试方便，且在传动上能满足转速与转矩的输出要求，但其调速范围及特性相对于交、直流主轴电机系统而言要差一些。主要用于经济型或中低档数控机床上。

3.交、直主轴电机

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主轴部件这种配置形式同上面一样，但电机是性能更好交直流主轴电机，其变速范围宽，最高转速可达8000r/min，且控制功能丰富，可满足中高档数控机床的控制要求4.电主轴

电主轴又称内装式主轴电机，即主轴与电机转子合为一体，其优点是主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高启动、停止的响应特性，利于控制振动和噪声。转速高，目前最高可达200000r/min。其缺点是电机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴，因此，主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是内装式电机主轴的关键问题

车床用电主轴铣床用电主轴电主轴：主轴与电机制成一体，使主轴驱动机构简化。电主轴组成：空心轴转子、带绕组的定子、速度检测元件。空心轴转子，既是电机的转子，也是主轴。主轴电机直接驱动定子转子数控机床的主传动系统电主轴结构结构轴壳：通常将轴承座孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电动机定子，必须开放一端。大型或特种电主轴，为方便制造、节省材料，可将轴壳两端均设计成开放型。转轴：成品转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高。且必须对转轴进行严格的动平衡。

轴承：高速精密轴承。具有高速性能好、动载荷承载能力高、润滑性能好、发热量小等优点。定子与转子：定子由具有高磁导率的优质矽钢片叠压而成，叠压成型的定子内腔带有冲制嵌线槽。定子通过一个冷却套固装在电主轴的壳体上。转子由转子铁心、鼠笼、转轴三部分组成。位于前后轴承之间，用热压装配法与主轴产生过盈配合，用由过盈力传递扭矩。电主轴制造商：国外：德国GMN公司；瑞士FISCHER公司、IBAG公司；国内：洛阳轴承研究所

发热问题的解决热源：内置电动机的发热和主轴轴承的发热。可用循环切削液冷却。电主轴内置电动机的发热与散热高速主轴单元的油-水冷却系统电主轴数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统电主轴适合小孔钻削Electrospindle,MotorSpindle,MotorizedSpindle,HighFrequencyspindle,DirectDriveSpindle电主轴，主轴单元4.3.2主轴的联接形式用辅助机械变速机构联结定传动比的联接方式采用电主轴

常用联接形式下页上页返回图库4.3.2主轴的联接形式用辅助机械变速机构联结下页上页返回图库在大、中型数控机床上，为了使主轴在低速时获得大转矩和扩大恒功率调速范围，通常在使用无级变速传动的基础上，在增加两级或三级辅助机械变速机构作为补充。通过分段变速方式，确保低速时的大扭矩，扩大恒功率调速范围，满足机床重切削时对扭矩的要求。辅助机械变速机构的结构、原理和普通机床相同，可以通过电磁离合器、液压或气动带动滑移齿轮等方式实现。辅助变速的动作控制，可以通过数控系统的“自动传动级变换”功能自动实现。辅助机械变速机构的变速比应根据实际机床的参数进行选择，并尽可能保持功率曲线的连续。4.3.2主轴的联接形式定传动比的联接方式下页上页返回图库在小型数控机床上，主电动机和主轴一般采用定传动比的联结形式，或是主电动机和主轴直接连接的形式。在使用定传动比传动时，为了降低噪声与振动，通常采用V带和同步皮带传动。电动机和主轴直接连接的形式，可以大大简化主轴传动系统的结构，有效提高主轴刚度和可靠性。但是，其主轴的输出转矩、功率、恒功率调速范围决定于主电动机本身。另外，主电动机的发热对主轴的精度有一定的影响。4.3.3主轴部件的支承锥孔双列圆柱滚子轴承双列推力角接触球轴承双列圆锥滚子轴承带凸肩的双列圆锥滚子轴承

常用主轴轴承下页上页返回图库主轴部件是数控机床的关键部件之一，它直接影响机床的加工质量。主轴部件包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。

p153图10主轴常用的几种滚动轴承滚动轴承的精度有E级(高级)、D级(精密级)、C级(特精级)、B级(超精级)四种等级。前轴承的精度一般比后轴承高一个精度等级。数控机床前支承通常采用B、C级精度的轴承,后支承则常采用C、D级。三、主轴组件主轴组件包括主轴、主轴轴承、传动零件等。

1、主轴轴承一般采用滚动轴承①轴承类型（a）

锥孔双列圆柱滚子轴承：内圈为1：12的锥孔，当内圈沿锥形轴轴向移动时，内圈胀大，可以调整滚道间隙。滚子与内外圈线性接触，承载能力大，刚性好。允许极限转速较高。对箱体孔、主轴颈的加工精度要求高，且只能承受径向载荷。（b）双列推力向心球轴承，接触角为60°。球径小、数量多，允许转速高，轴向刚度较高，能承受双向轴向载荷。该种轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承。（c）双列圆锥滚子轴承。这种轴承的特点是内、外列滚子数量相差一个，能使振动频率不一致，因此，可以改善轴承的动态性能。轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷，通常用作主轴的前支承。（d）带凸肩的双列圆锥滚子轴承。结构和图（c）相似，特点是滚子被做成空心，故能进行有效润滑和冷却；此外，还能在承受冲击载荷时产生微小变形，增加接触面积，起到有效吸振和缓冲作用。（e）高速电主轴轴承：随着速度的提高，轴承的温度升高，离心力增加,振动和噪声增大，寿命降低。可采用磁浮轴承、液体动静压轴承、陶瓷球轴承三种形式。磁浮轴承的高速性能好、精度高，容易实现诊断和在线监控，但电磁测控系统过于复杂。液体动静压轴承综合了液体静压轴承和液体动压轴承的优点，但这种轴承必须根据具体机床专门进行设计，单独生产，标准化程度低，维护保养也困难。应用最多是混合陶瓷球轴承，即滚动体使用热压或热等静压Si3N4陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈。滚动体采用氮化硅陶瓷球的原因：①质量轻，相当于钢球的40%，因而离心力下降；②弹性模量高，为钢球的1.5倍，因而主轴和轴承的刚度、临界转速提高。③线膨胀系数低，约为钢球的25%；④硬度高，1600-1700HV.为钢球的2.5倍；⑤陶瓷与金属不产生咬合。

②轴承配置：（a）后端定位：推力轴承布置在后支承两侧，并承受双向轴向载荷。优点：简化主轴端部结构，缺点：主轴热膨胀，向前端伸长或横向弯曲，影响精度。（b）前后两端定位：推力轴承布置在前、后支承的两外侧，轴向载荷分别由前后支承承受。轴向间隙一般由后端调整。在主轴受热伸长时，会改变支承的轴向、径向间隙，影响加工精度。设计时应考虑对主轴的自动预紧。(c)(d)均采用前端定位，推力轴承布置在前支承，轴向载荷由前支承承受。优点是结构刚度较高；主轴受热伸长，不会影响加工精度。图(c)的推力轴承安装在前支承两侧，会增加主轴的悬伸长度，对提高刚度不利。图(d)推力轴承均布置在前支承内侧，主轴的悬伸长度小，刚度大。但前支承结构较复杂，一般用于高速精密数控机床。常见形式:特点（a）前支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承。这种配置形式使主轴的综合刚度得到大幅度提高，可以满足强力切削的要求，所以目前各类数控机床的主轴普遍采用这种配置形式。（b）前文承采用高精度双列向心推力球轴承和角接触球轴承组合。这种配置方式具有较好的高速性能，主轴最高转速达4000r／min，但是轴承的承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。（c）前后支承采用双列圆维波子轴承和圆锥滚子轴承。这种轴承径向轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较大的动载荷，安装与调整性能好。但是这种轴承配置方式限制了抽的最高转速和精度，所以仅适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。4.3.3主轴部件的支承锥孔双列圆柱滚子轴承双列推力角接触球轴承双列圆锥滚子轴承带凸肩的双列圆锥滚子轴承

常用主轴轴承下页上页返回图库主轴部件是数控机床的关键部件之一，它直接影响机床的加工质量。主轴部件包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。图9主轴常用的几种滚动轴承滚动轴承的精度有E级(高级)、D级(精密级)、C级(特精级)、B级(超精级)四种等级。前轴承的精度一般比后轴承高一个精度等级。数控机床前支承通常采用B、C级精度的轴承,后支承则常采用C、D级。4.3.3主轴部件的支承采用后端定位,推力轴承布置在后支承的两侧,轴向载荷由后支承承受。采用前、后两端定位,推力轴承布置在前、后支承的两外侧,轴向载荷由前支承承受,轴向间隙由后端调整。采用前端定位,推力轴承布置在前支承,轴向载荷由前支承承受。轴承的配置

合理配置轴承,可以提高主轴精度,降低温升,简化支承结构。在数控机床上配制轴承时,前后轴承都应能承受径向载荷,支承间的距离要选择合理,并根据机床的实际情况配制轴向力的轴承。

下页上页返回图库图10几种常见的轴承配置形式4.3.4电主轴与高速主轴系统下页上页返回图库在高速加工机床上,大多数使用电动机转子和主轴一体的电主轴,可以使主轴达到每分钟数万转、甚至十几万转的高速,主轴传动系统的结构更简单、刚性更好。电主轴最早应用于磨床上,随着高速加工机床的发展,电主轴以其卓越的高速性能,被广泛用于其他数控机床。虽然电主轴外形各不相同,但其实质都是一只转子中空的电动机(如图11所示)。外壳有进行强制冷却的水槽,中空套筒用于直接安装各种机床主轴。从而取消了从主电动机到主轴之间一切中间的机械传动环节(如传动带、齿轮、离合器等),实现了主电动机与机床主轴的一体化,使机床的主传动系统实现了所谓的“零传动”。4.3.4电主轴与高速主轴系统机械结构最为简单,传动惯量小,因而快速响应性好,能实现极高的速度、加(减)速度和定角度的快速准停(C轴控制)。通过采用交流变频调速或磁场矢量控制的交流主轴驱动装置,输出功率大,调速范围宽,并有比较理想的转矩—功率特性。可以实现了主轴部件的单元化。电主轴可独立做成标准功能部件,并由专业厂进行系列化生产；机床生产厂只需根据用户的不同要求进行选用,可很方便的组成各种性能的高速机床,符合现代机床设计模块化的发展方向。电主轴的主要特点

下页上页返回图库主轴部件采用电主轴的传动方式有以下特点:4.3.4电主轴与高速主轴系统主电动机置于主轴前、后轴承之间。这种方式的优点是:主轴单元的轴向尺寸较短,主轴刚度高,出力大,较适用于中、大型高速加工中心,目前大多数加工中心都采用这种结构形式。主电动机置于主轴后轴承之后,即主轴箱和主电动机作轴向的同轴布置(有的用联轴器)。这种布局方式有利于减小电主轴前端的径向尺寸,电动机的散热条件也较好。但整个主轴单元的轴向尺寸较大,常用于小型高速数控机床,尤其适用于模具型腔的高速精密加工。

电主轴的安装形式

根据主电动机和主轴轴承相对位置的不同,高速电主轴有两种安装形式:下页上页返回图库4.3.4电主轴与高速主轴系统电主轴的发热及其解决方法

下页上页返回图库与一般的主轴部件不同,电主轴最突出的问题之一是内藏式高速主电动机的发热。由于主电动机旁边就是主轴轴承,电动机的发热会直接降低轴承的工作精度。如果主电动机的散热问题解决不好,就会影响机床工作的可靠性。为此,电主轴一般都采用外循环油一水冷却系统进行冷却。即:在主电动机定子的外面加工有带螺旋槽的铝质外套(图11),机床工作时,冷却水不断在该螺旋槽中流动,从而把主电动机的热量及时、迅速地带走。为了进一步降低主轴轴承的温升,轴承一般都采用油一气润滑系统。4.3.4电主轴与高速主轴系统电主轴的动平衡设计下页上页返回图库电主轴的最高转速一般在10000r/min以上,甚至高达60000～100000r/min,主轴运转部分微小的不平衡量,都会引起巨大的离心力,造成机床的振动,影响加工精度和表面质量,因此必须对电主轴进行严格的动平衡。采用电主轴后,主轴和主轴上的零件都要经过十分精密的加工、装配和调校,一般要使主轴组件动平衡精度达到0.4级以上的水平。在设计电主轴时,必须严格遵守结构对称性原则,键连接和螺纹连接在电主轴上被禁止使用。4.3.4电主轴与高速主轴系统提高轴承尺寸公差及旋转精度。

采用角接触球轴承取代圆柱滚子轴承和推力球轴承。

应减小径向截面尺寸,以减小系统的体积,并有利于系统的热传导。应尽量采用小而多的滚动体,提高轴系的动刚度。采用高强度、轻质保持架,选择合理的引导方式,。尽量采用配对轴承,以保证轴承的旋转精度与刚度。高速主轴系统的轴承配置要求

下页上页返回图库随着机床主轴高速化的发展,在主轴传动代替传统机械传动后,为适应高速传动,并使轴承可实现高速旋转,且温升低、刚性好,它对机床用轴承提出了更为严格的要求,这些要求概括起来有以下几点:4.3.5主轴部件的结构主轴和电动机间采用的是传动带联接的定传动比传动方式采用电主轴两种卧式车床的主轴部件结构

下页上页返回图库机床主轴部件的结构根据不同的机床有较大的差别4、主轴部件动画4.4

数控机床的进给传动系统数控机床对进给传动系统的基本要求数控机床进给传动系统的基本形式

直线电动机与高速进给单元滚珠丝杠螺母副的原理滚珠丝杠螺母副的支承滚珠丝杠螺母副与电动机的联接下页上页返回图库一、数控机床进给传动系统的特点低摩擦传动副。如采用静压导轨、滚动导轨和滚珠丝杠等，以减小摩擦力。选用最佳的降速比，以达到提高机床分辨率，使工作台尽可能大地加速以达到跟踪指令、系统折算到驱动轴上的惯量尽量小的要求。缩短传动链以及用预紧的方法提高传动系统的刚度。如采用大转矩宽调速的直流电动机与丝杠直接相连应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副，丝杠支承设计成两端轴向固定的、并可预拉伸的结构等办法来提高传动系统的刚度。无间隙传动，消除反向死区误差。如采用消除间隙的联轴器，采用有消除间隙措施的传动副等。数控机床的进给传动系统二、进给传动机构1、类型直线进给运动：通过丝杠螺母副（通常为滚珠丝杠或静压丝杠），将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。通过齿轮、齿条副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。直接采用直线电动机进行驱动。圆周进给运动：除少数情况直接使用齿轮副外，一般都采用蜗轮蜗杆副。2、减速机构通过降速来匹配进给系统的转动惯量和获得要求的输出机械特性，对开环系统，还起匹配所需的脉冲当量的作用。一般采用齿轮机构或同步齿形带传动。近年来，由于伺服电机及其控制单元性能的提高，许多数控机床的进给传动系统去掉了降速齿轮副，直接将伺服电动机与滚珠丝杠连接。

1.进给传动系统作用进给传动系统是将伺服电机的旋转运动转变为执行部件的直线运动或回转运动。

进给系统组成:伺服电机及检测元件、传动机构、运动变换机构、导向机构、执行件

常用的传动机构:一到两级传动齿轮和同步带；

运动变换机构:丝杠螺母副、蜗杆蜗轮副、齿轮齿条副等；

导向机构:滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、轴承等

8.4数控机床进给传动系统

8.4数控机床进给传动系统4.4.1

对进给传动系统的要求1、进给传动系统作用

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运动。2、传统进给传动系统与数控伺服进给系统的区别传统进给传动系统：多采用一个电机，执行件之间采用大量的齿轮传动，以实现内外传动链的各种传动比要求。故传动链很长，结构相当复杂数控伺服进给系统：每一个运动都由单独的伺服电机驱动，传动链大大缩短，传动件大大减少，有利于减少传动误差，提高传动精度4.4.1数控机床对进给系统的基本要求下页上页返回图库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，提出如下要求。

1)减小系统的摩擦阻力

2)提高传动部件的刚度和精度。

3)减小传动部件的惯量。

4)稳定性好，寿命长

3、对进给传动系统的要求减少运动件的摩擦阻力提高机床进给系统的快速响应性能和运动精度，减少爬行现象响应性能：是进给伺服系统动态性能的指标，反映了系统的跟踪精度运动精度：是机床的主要零、部件在以工作状态的速度运动时的精度爬行现象：低速时运动不平衡的现象称为爬行现象机床爬行现象一般发生在低速度、重载荷的运动情况下当主动件1作匀速运动时，被动件3往往会出现明显的速度不均匀，产生跳跃式的时停时走的运动状态，或时快时慢现象提高传动精度和刚度措施1保证部件加工精度措施2在传动链中加入减速齿轮—减小脉冲当量，提高传动精度措施3预紧支撑丝杠的轴承—消除齿轮、蜗轮传动件间隙措施4预紧消除滚珠丝杠螺母副的轴向传动间隙3、对进给传动系统的要求减小各运动零部件的惯量稳定性好，寿命长稳定性好：保证低速时不产生爬行，外负载变化时不发生振动寿命：是指数控机床保持传动精度和定位精度时间的长短，即保持原制造精度的能力(车)滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副8.4数控机床进给传动系统滚珠丝杠螺母副+滑动导轨8.4数控机床进给传动系统按丝杠与螺母的摩擦性质分：滑动丝杠螺母副：主要用于旧机床的数控化改造、经济型数控机床等；滚珠丝杠螺母副：广泛用于中、高档数控机床；静压丝杠螺母副：主要用于高精度数控机床、重型机床。8.4数控机床进给传动系统4.4.4滚珠丝杠螺母副的原理下页上页返回图库滚珠丝杠螺母副的结构原理滚珠丝杠副是一种新型的传动机构，它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动件，以减少摩擦。图中丝杠和螺母上都磨有圆弧形的螺旋槽，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线滚道，在滚道内装有滚珠。当丝杠回转时，滚珠相对于螺母上的滚道滚动，因此丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动。4.4.4滚珠丝杠螺母副的原理下页上页返回图库滚珠丝杠螺母副的结构原理

目前国内外生产的滚珠丝杠副，可分为内循环及外循环两类。外循环螺旋槽式滚珠丝杠副，在螺母的外圆上铣有螺旋槽，并在螺母内部装上挡珠器，挡珠器的舌部切断螺纹滚道，迫使滚珠流入通向螺旋槽的孔中而完成循环。内循环滚珠丝杠副，在螺母外侧孔中装有接通相邻滚道的反向器，以迫使滚珠翻越丝杠的齿顶而进入相邻滚道。

4.4.4滚珠丝杠螺母副的原理下页上页返回图库滚珠丝杠螺母副的预紧常用的双螺母消除轴向间隙的结构型式有以下三种

垫片调隙式螺纹调隙式齿差调隙式单螺母变导程自预紧及单螺母钢球过盈预紧方式。各种预紧方式的特点及适用场合见表2-24.4.5滚珠丝杠螺母副的支承下页上页返回图库滚珠丝杠螺母副的支承形式滚珠丝杠螺母副的支承轴承

螺母座、丝杠的轴承及其支架等刚性不足，将严重地影响滚珠丝杠副的传动刚度。因此，螺母座应有加强肋，以减少受力后的变形，螺母座与床身的接触面积宜大，其连接螺钉的刚度也应高，定位销要紧密配合，不能松动。滚珠丝杠常用推力轴承支承，以提高轴向刚度（当滚珠丝杠的轴向负载很小时，也可用深沟球轴承支承）滚珠丝杠的支承方式有以下几种

一端装推力轴承一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承两端装推力轴承两端装推力轴承及深沟球轴承4.4.6滚珠丝杠螺母副与电动机的联接下页上页返回图库滚珠丝杠螺母副与驱动电机的联接形式主要有以下三种

联轴器直接联接通过齿轮联接通过同步齿形带联接

5.3.2滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，它是利用螺旋面的升角使旋转运动变为直线运动，是数控机床的丝杠螺母副最常见的一种形式。它的结构特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠，作为中间传动元件，以减少摩擦。工作原理如图5-15所示。在丝杠和螺母1上都加工有半圆弧形的螺旋槽，把它们套装在一起边形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道b，将螺旋滚道的两端连接在一起构成封闭的循环滚道，在滚道内装满滚珠。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自传又沿滚道循环转动，从而迫使螺母（或丝杠）轴向移动。

图5-15滚珠丝杠副的原理图

滚珠丝杠螺母副是滚动摩擦，它的特点是：摩擦因数小，传动效率高，所需传动转距小；磨损小，寿命长，精度保持性好；灵敏度高，传动平稳，不易产生爬行；丝杠和螺母之间可通过预紧和间隙消除措施提高轴向刚度和反向精度；运动具有可逆性，既可将旋转运动变成直线运动，又可将直线运动变成旋转运动；制造工艺复杂，成本高；在垂直安装时不能自锁，需附加制动机构，常用的制动方法有超越离合器，电磁摩擦离合器或者使用具有制动装置的伺服驱动电机。

1．滚珠丝杠螺母副的结构滚珠丝杠副滚珠的循环方式分为外循环和内循环两种。滚珠在返回过程中与丝杠脱离接触的为外循环；滚珠在循环过程中与丝杠始终接触的为内循环。循环中的滚珠叫做工作滚珠，工作滚珠所走过的滚道圈数叫工作圈数。外循环常见的有插管式和螺旋槽式。

图5-16(a)为插管式，它用弯管作为返回管道，这种形式结构工艺性好，但管道突出螺母体外，径向尺寸较大。图6-16(b)为螺旋槽式，它是在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道。这种形式的结构比插管式的结构径向尺寸小，但制造较为复杂。图5-16外循环滚珠丝杠(a)插管式(b)螺旋槽式

内循环结构如图5-17所示。在螺母的侧孔中装有圆柱凸键反向器，反向器上铣有S形回珠槽，将相邻螺纹滚道联结起来，滚珠从螺纹滚道进入反向器，借助反向器迫使滚珠越过丝杠牙顶进入相邻滚道，实现循环。一般一个螺母上装有2~4个反向器，反向器沿螺母圆周均布。这种结构径向尺寸紧凑，刚性好，且不易磨损，因返程滚道短，不易发生滚珠堵塞，摩擦损失小。但反向器结构复杂，制造困难，且不能用于多头螺纹传动。图5-17内循环滚珠丝杠

2．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。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。为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。用预紧方法消除间隙时应注意，预加载荷能够有效地减少弹性变形所带来的轴向位移，但预紧力不易过大，过大的预紧载荷将增加摩擦力，使传动效率降低，缩短丝杠的使用寿命。所以，一般需要经过多次调整才能保证机床在适当的轴向载荷下既消除了间隙又能灵活转动。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。

常用的双螺母丝杠消除间隙的方法有：（1）垫片调隙式如图5-18所示，在螺母处放入一垫片，调整垫片厚度使左右两个螺母产生方向相反的位移，则两个螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上，即可消除间隙和产生预紧力。这种方法结构简单，刚性好，但调整不便，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧，调整精度不高，仅适用于一般精度的数控机床。图5-18垫片调隙式

（2）螺纹调隙式如图5-19所示，左螺母外端有凸缘，右螺母右端加工有螺纹，用两个圆螺母1、2把垫片压在螺母座上，左右螺母通过平键和螺母座连接，使螺母在螺母座内可以轴向滑移而不能相对转动。调整时，拧紧圆螺母1使右螺母向右滑动，就改变了两螺母的间距，即可消除间隙并产生预紧力，然后用螺母2锁紧。这种调整方法结构简单紧凑，工作可靠，调整方便，应用较广，但调整预紧量不能控制。图5-19螺纹调隙式

（3）齿差调隙式

如图5-20所示，在两个螺母的凸缘上加工有圆柱外齿轮，分别与紧固在套筒两端的内齿圈相啮合，左右螺母不能转动。两螺母凸缘齿轮的齿数分别为Z1和Z2，且相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于螺母座同方向都转动一个齿或多个齿，然后在插入内齿圈并紧固在螺母座上，则两个螺母便产生角位移，使两个螺母轴向间距改变，实现消除隙和预紧。设滚珠丝杠的导程为t,两个螺母相对于螺母座同方向转动一个齿后，其轴向位移量为：图5-20齿差调隙式

例如，Z1=99，Z2=100，滚珠丝杠的导程t=10mm时，则S=10/9900≈0.001mm，若间隙量为0.002mm,则相应的两螺母沿同方向转过两个齿即可消除间隙。齿差调隙式的结构较为复杂，尺寸较大，但是调整方便，可获得精确的调整量，预紧可靠不会松动，适用于高精度传动。

3．滚珠丝杠的支承方式数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠副本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及支承结构的刚度也是非常重要的因素。如为了减少受力后的变形，螺母座应有加强肋，增大螺母座与机床的接触面积，并要联结可靠。由于滚珠丝杠所承受的主要是轴向载荷，它的径向载荷主要是卧式丝杠的自重，常采用高刚度的推力轴承以提高滚珠丝杠的轴向承载能力。常用的滚珠丝杠的支承方式如图5-21所示.丝杠（螺母）旋转，滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使螺母（丝杠）轴向移动，从而实现将旋转运动变换成直线运动。8.4数控机床进给传动系统１．工作原理和特点（1）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１和螺母３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４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

传动效率高，摩擦损失小滚珠丝杆螺母副的传动效率η＝0.92～0.96，可实现高速运动。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。传动精度高，反向时无空程滚珠丝杆副经预紧后，可消除轴向间隙。磨损小精度保持性好，使用寿命长。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。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）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）内循环

靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环，如图所示。反向器２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）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。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）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）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）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：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）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）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）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（4）滚珠丝杠螺母副与驱动电动机的联接①联轴器直接联接优点：具有最大的扭转刚度；传动机构本身无间隙，传动