数控技术基础-

数控机床进给系统中的滚珠丝杠与导轨——数控技术基础

数控机床滚珠丝杠螺母副传动2

数控机床导轨3主要内容

数控机床进给传动系统概述1数控机床进给传动系统概述数控机床进给系统：

数控机床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作。伺服进给系统是根据数控系统传来的指令信息，进行放大以后控制执行部件的运动，不仅控制进给运动的速度，同时还要精确控制刀具相对于工件的移动位置和轨迹。传动系统对数控机床的影响：

传动系统的刚度和惯量，影响进给系统的稳定性和灵敏度。传动部件的精度与传动系统的非线性，影响系统的位置精度和轮廓加工精度，在闭环系统中还影响系统的稳定性。数控机床进给传动系统概述数控机床对进给传动系统的要求：减少摩擦阻力与运动惯量1高的传动精度、定位精度和宽的进给调速范围2响应速度要快、无间隙传动3稳定性好、寿命长及使用维护方便4数控机床进给传动系统概述数控机床进给传动系统的基本结构进给传动系统组成传动机构——传动齿轮或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、轴承执行件——工作台数控机床进给传动系统概述数控车床的进给传动系统简图数控机床滚珠丝杠螺母副传动数控机床滚珠丝杠螺母副传动工作原理：

滚珠丝杠螺母副的结构原理示意图如图4-14所示。在丝杠3和螺母1上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道a，将几圈螺旋滚道的两端连接起来，构成封闭的循环滚道，并在滚道内将装满滚珠2。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母(或丝杠)轴向移动。数控机床滚珠丝杠螺母副传动滚珠丝杠螺母副特点：滚珠丝杠螺母副具有传动效率高达85%～96%，约为一般滑动丝杠副的2～4倍；启动时无颤振，低速时无爬行；静、动摩擦系统几乎相等；寿命长，磨损小、精度保持性好；可预紧消隙，提高系统的刚度。数控机床滚珠丝杠螺母副传动滚珠丝杠螺母副的结构：1-丝杠2-螺母3-滚珠4-回珠管5反向器数控机床滚珠丝杠螺母副传动滚珠丝杠螺母副的循环方式：1滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环2始终与丝杠保持接触的称内循环数控机床滚珠丝杠螺母副传动外循环滚珠在循环过程中回珠时与丝杠脱离接触的结构；采用弧形铜管形成滚珠返回通道，由弯管的端部引导滚珠；其工作圈数是2.5圈或3.5圈，1～2列。丝杆数控机床滚珠丝杠螺母副传动数控机床滚珠丝杠螺母副传动内循环

滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的结构。采用圆柱凸键反向器实现滚珠循环，反向器嵌入螺母内。工作圈数是3列。1-丝杠2-螺母3-滚珠4-反向器数控机床滚珠丝杠螺母副传动数控机床滚珠丝杠螺母副传动滚珠丝杠螺母副间隙的调整为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度，必须消除滚珠丝杠螺母副轴向间隙。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，使两上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，用这种方发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矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。数控机床滚珠丝杠螺母副传动滚珠丝杠螺母副间隙的调整双螺母消隙垫片调隙式螺纹调隙式齿差调隙式单螺母消隙单螺母变位螺距预加负荷单螺母螺钉预紧滚珠丝杠螺母副间隙的调整分类：数控机床滚珠丝杠螺母副传动（1）垫片调隙式

如图4-18所示，调整垫片厚度使左右两螺母产生轴向位移，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数控机床滚珠丝杠螺母副传动（2)螺纹调隙式如图4—19所示，螺母1的外端有凸缘，螺母7外端有螺纹，调整时只要旋动圆螺母6，即可消除轴向间隙，并可达到产生预紧力的目的数控机床滚珠丝杠螺母副传动（3)齿差调隙式

如图4-20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和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s=(1/Z1-1/Z2)Pn。例如:Z1=80，Z2=81，滚珠丝杠的导程为=6mm时，s=6/6480≈0.001mm，这种调整方法能精确调整预紧量，调整方便、可靠，但结构尺寸较大，多用于高精度的传动。数控机床滚珠丝杠螺母副传动滚珠丝杠螺母副的支承方式一端推力轴承结构一端止推轴承，另一端向心球轴承结构两端止推轴承结构两端止推轴承及向心球轴承结构数控机床滚珠丝杠螺母副传动

近来出现一种滚珠丝杠专用轴承，其结构如图4-24所示。这是一种能够承受很大轴向力的特殊角接触球轴承，与一般角接触球轴承相比，接触角增大到60°，增加了滚珠的数目并相应减小滚珠的直径。这种新结构的轴承比一般轴承的轴向刚度提高两倍以上，使用极为方便。产品成对出售，而且在出厂时已经选配好内外环的厚度，装配调试时只要用螺母和端盖将内环和外环压紧，就能获得出厂时已经调整好的预紧力。使用极为方便。

数控机床滚珠丝杠螺母副传动滚珠丝杠螺母副的制动由于滚珠丝杠副的传动效率高，无自锁作用(特别是滚珠丝杠处于垂直传动时)，为防止因自重下降，故必须装有制动装置。数控机床滚珠丝杠螺母副传动

图4-25为数控卧式镗床主轴箱进给丝杠制动装置示意图。机床工作时，电磁铁通电，使摩擦离合器脱开。运动由步进电动机经减速齿轮传给。丝杠，使主轴箱上下移动。当加工完毕，或中间停车时，步进电动机和电磁铁同时断电，借压力弹簧作用合上摩擦离合器，使丝杠不能转动，主轴箱便不会下落。

数控机床滚珠丝杠螺母副传动滚珠丝杠螺母副的润滑与密封：毛毡圈密封。毛毡圈的厚度为螺距的2～3倍，而且内孔做成螺纹的形状，紧密地包住丝杠，并装入螺母或套筒两端的槽孔内。耐油橡皮或尼龙材料密封。为了避免密封圈增加滚珠丝杠副的摩擦阻力矩。可采用由硬质塑料制成的非接触式迷宫密封圈，内孔做成与丝杠螺纹滚道相反的形状，并留有一定间隙。（1）滚珠丝杠螺母副密封数控机床滚珠丝杠螺母副传动润滑油。润滑油通过注油孔注油。润滑脂。一般在安装过程中放进滚珠螺母的滚道内，为定期润滑。（2）滚珠丝杠螺母副常用的润滑

良好的润滑可提高耐磨性及传动效率，从而保持传动精度，延长使用寿命。数控机床导轨数控机床导轨导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨道运动。在导轨副中，运动的一方叫做动导轨，不动的一方叫做支承导轨。动导轨相对于支承导轨的运动，通常是直线运动或回转运动。数控机床导轨数控机床导轨的要求：要求其在高速进给时不发生振动，低速进给时不出现爬行；灵活性高，耐磨性好；

可在重载荷下长期连续工作；

精度保持性好。数控机床导轨数控机床导轨的分类：导轨运动轨迹工作性质受力情况摩擦性质直线运动导轨圆运动导轨主运动导轨进给运动导轨调整导轨开式导轨闭式导轨滑动导轨滚动导轨数控机床导轨常用数控机床导轨：（一）常用导轨的形状1.直线运动滑动导轨的截面形状如图3-51所示，常用的有矩形、三角形、燕尾形及圆形截面。各个平面所起的作用也各不相同。在矩形和三角形导轨中，M面主要起支承作用，N面是保证政绩移动精度的导向面，J面是防止运动部件招起的压板面；在燕尾形导轨中，M面起导向和压板作用，J面起支承作用。根据支随导轨的凸凹状态，又可分为凸形和凹形两类导轨。凸形需要有良好的润滑条件。凹形容易存油，但也容易积存切屑和尘粒，因此适用于具有良好防护的环境。矩形导轨也称为平导轨；而三角形导轨，在凸形时可称为山形导轨；在凹形时，称为V形导轨。数控机床导轨数控机床导轨（1）矩形导轨

如图3-51（a）所示，易加工制造承载能力较大，安装调整方便。M面起支承兼导向作用，起主要导向作用的N面磨损后不能自动补偿间隙，需要有间隙调整装置。它适用于载荷大且导向精度要求不高的机床。（2）三角形导轨

如图3-51（b）所示，三角形导轨有两个导向面，同时控制了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，自行补偿消除间隙，导向精度较其他导轨高。（3）燕尾槽导轨

如图3-51（c）所示，这是闭式导轨中接触面最少的一种结构，磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整。能承受颠覆力矩，摩擦阻力较大，多用于高度小的多层移动部件。数控机床导轨（4）圆柱形导轨

如图3-51（d）所示，这种导轨刚度高，易制造，外径可磨削，内孔可珩磨达到精密配合。但磨损后间隙调整困难。它适用于受轴向载荷的场合，如压力机、珩磨机、攻螺纹机和机械手等。数控机床导轨2.直线导轨的组合

机床上一般都采用两条导轨来随载荷和导向。重型机床承载大，常采用3~4条导轨。导轨的组合形式取决于受载大小、导向精度、工艺性、润滑和防护等因素。觉的导轨组合形式如图3-52所示。（1）双三角形导轨

如图3-52（a）所示为双V形导轨，导轨面同时起支承和导向作用。磨损后能自动补偿，导向精度高。但装配时要对四个导轨面进行刮研，其难度很大。由于超定位，所以制造、检验和维修都困难，它适用于精度要求高的机床，如坐标镗床、丝杠车床。（2）双矩形导轨

如图3-52（b）所示，这种导轨加工制造，承载能力大，但导向精度差。侧导向面需设调整镶条，还需设置压板，呈闭式导轨。常用于普通精度的机床。数控机床导轨（3）三角形——平导轨组合

如图3-52（c）所示V形——平导轨组合不需用镶条调整间隙，导轨精度高，加工装配较方便，温度变化也不会改变导轨面的接触情况，但热变形会使移动部件水平依稀，两条导轨磨损也不一样，因而对位置精度有影响，通常用于磨床、精密镗床。（4）三角形——矩形导轨组合

如图3-52（d）所示为卧式车床的导轨，三角导轨作主要导向面。矩形导轨面承载能力大，易加工制造，刚度高，应用普遍。数控机床导轨（5）平——平——三角形导轨组合

龙门铣床工作台宽度大于3000mm时，为使工作台中间挠度不致过大，可用三根导轨的组合。如图3-52（e）所示为重型龙门刨床工作台导轨，三角形导轨主要起导向作用，平导轨主要起承载作用。

从上述可知，各咱导轨的特点各不相同，因此选择使用时应掌握以下原则。①要求导轨有圈套的刚度和承载能力时，用矩形导轨，中小型机床导轨采用山形和矩形组合，而重型机床则采用双矩形导轨。②要求导向精度高的机床采用三角形导轨，三角形导轨工作面同时起承载和导向作用，磨损后能自动补偿间隙，导向精度高。数控机床导轨目前数控机床使用的导轨主要有三种：塑料滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。1.塑料滑动导轨

为了提高数控机床的定位精度和运动平稳性，现在在数控机床上已广泛采用塑料滑动导轨。数控机床导轨（1）塑料滑动导轨的类型①贴塑导轨。近年来国内外已研制了数十种塑料基体的复合材料用于机床导轨，其中比较引人注目的为应用较广的填充PTEE软带材料。由于这类导轨软带采用黏接方法，国内习惯上称为贴塑导轨。如图3-53所示。②注塑导轨。以环氧树脂和二硫化钼为基体，加入增塑剂，混合成液关或膏关塑料的方法，国内习惯上称为涂塑导轨或注塑导轨。如图3-54所示。数控机床导轨（2）塑料滑动导轨的特点

塑料导轨与其他导轨相比，具有以下特点：①摩擦因数低而稳定：比铸铁导轨副低一个数量级。②动静摩擦因数相近：运动平稳性和爬行性能较铸铁导轨副好。③吸收振动：具有良好的阻尼性，优于接触刚度较低的滚动导轨和易漂浮的静压导轨。④耐磨性好：有自身润滑作用，无润滑油也能工作，灰尘磨粒的嵌入性好。⑤化学稳定性好：耐磨、耐低温、耐强酸、强碱、强氧化剂及各种有机溶剂。⑥维护修理方便：软带耐磨，损坏后更换容易。⑦经济性好：结构简单，成本低，约为滚动导轨成本的1/20，为三层复合材料DU导轨成本的1/4。数控机床导轨2.滚动导轨（1）滚动导轨的特点

滚动导轨作为滑动摩擦副的一类，其摩擦因数小（μ=0.002~0.005）,动、静摩擦因数很接近，且不受运动速度变化的影响，因而运动轻便灵活，所需驱动功率小；摩擦发热少、磨损小、精度保持性好；低速运动时，不易出现爬行，定位精度高；滚动导轨可以预紧，显著提高了刚度。适用于要求移动部件运动平稳、灵敏，以及实现精密定位的场合在精密机床、数控机床、测量机和测量仪器上得到了广泛的应用。滚动导轨的不足是结构较复杂、制造较困难、成本较高。此外，滚动导轨对脏物较敏感，必须要有良好的防护装置。数控机床导轨（2）滚动导轨的结构形式

滚动导轨可分为开式和闭式两种。开式用于加工过程中载荷变化较小，颠覆力矩较小的场合。当颠覆力矩较大，载荷变化较大时则用闭式，此时采用预加载荷，能消除其间隙，减小工作时的振动，并大大提高了导轨的接触刚度。

滚动导轨的滚动体，可采用滚珠、滚柱、滚针。滚珠导轨的承载能力小、刚度低，适用于运动部件质量不大、切削力和颠覆力矩都较小的机床；滚柱导轨的承载能力和刚度都比滚珠导轨大，适用于载荷较大的机床；滚针导轨的特点是滚针尺寸小、结构紧凑，适用于导轨尺寸受到限制的机床。数控机床导轨3.静压导轨

静压导轨分为开式静压导轨和闭式静压导轨两类。（1）开式静压导轨

压力油经节流器进入导轨的各个油腔，使运动部件浮起，导轨面被油膜隔开，油腔中的油不断地通过封油边而流回油箱。当动导轨受到外载荷作用向下产生一个位移时，导轨间隙变小，增加了回油阻力，使油腔中的油压升高，以平衡外载荷。（2）闭式静压导轨

在上、下导轨面上都开有油腔，可以承受双向外载荷，保证运动部件工作平稳。数控机床导轨

导轨间隙的调整、润滑与防护

导轨面之间的间隙应当调整。如果间隙过小，则摩擦阻力大，导轨磨损加剧。间隙过大，则运动失去准确性和平稳性，失去导向精度。因此，必须保证导轨具有合理的间隙。

1.间隙调整方法

(1)采用压板来调整间隙并承受颠覆力矩

压板用螺钉固定在动导轨上，如图3-60所示为矩形导轨上常用的几种压板装置。常用钳工配合刮研及选用调整垫片、平镶条等机构，使导轨面与支承面之间的间隙均匀，达到规定的接触点数。普通机床压板面每（25X25）mm2面积内为6~12个点。间隙过大，应修磨或刮研B面，如间隙过小或压板与导轨压得太紧，则可刮研或修磨A面。数控机床导轨（2）采用镶条来调