数控进给传动系统.doc

进给传动系统进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件的最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性有关。因此，在设计传动结构，选用传动零件时应充分注意减小摩擦阻力，提高传动精度和刚度，消除传动间隙和减小运动惯量。 数控机床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轮或带轮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。传动系统的齿轮副或带轮副的作用主要是通过降速来匹配进给系统的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。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，直接将伺服电机与滚珠丝杠连接。滚珠丝杠螺母副或齿轮齿条副或蜗杆蜗条副的作用是实现旋转到直线的运动形式的转换。 一、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新型传动装置。图 5-38 是滚珠丝杠螺母副的原理图。在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时形成了螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则沿着滚道滚动，螺母螺旋槽的两端用回珠管连接起来，使滚珠能作周而复始的循环运动，管道的两端还起着挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。图 5-38 滚珠丝杠螺母副的原理图 由于滚珠丝杠具有传动效率高、运动平稳、寿命高以及可以预紧 ( 以消除间隙，并提高系统刚度 ) 等特点，除了大型数控机床因移动距离大而采用齿条或蜗条外，各类中、小型数控机床的直线运动进给系统普遍采用滚珠丝杠。 数控机床进给系统所用的滚珠丝杠必须具有可靠的轴向间隙消除结构、合理的安装结构和有效的防护装置。 1 轴向间隙的消除 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。除了结构本身的游隙之外，在施加轴向载荷之后，轴向间隙还包括弹性变形所造成的窜动。 通过预紧方法消除滚珠丝杠副间隙时应考虑以下情况：预加载荷能够有效地减小弹性变形所带来的轴向位移，但过大的预加载荷将增加摩擦阻力，降低传动效率，并使寿命大为缩短。所以，一般要经过几次调整才能保证机床在最大轴向载荷下，既消除了间隙，又能灵活运转。 除少数用微量过盈滚珠的单螺母结构消除间隙外，常用双螺母结构消除间隙。 图 5-39 是双螺母齿差调隙式结构，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，而且齿数差为 1 ，两个内齿圈的齿数与外齿轮的齿数相同，并用螺钉和销钉固定在螺母座的两端，调整时先将内齿圈取出，根据间隙的大小使两个螺母分别在相同方向转过一个齿或几个齿，使螺母在轴向彼此移近 ( 或移开 ) 相应的距离。图 5-39 双螺母齿差调隙式结构 间隙消除量 可以用以下简单公式计算： (5-18) 式中， n 两螺母在同一方向转过的齿数； t 滚珠丝杆的导程； 齿轮的齿数。 虽然齿差调隙式的结构较为复杂，但调整方便，并可以通过简单的计算获得精确的调整量，它是目前应用较广的一种结构。 图 5-40 是双螺母垫片调隙式结构，其螺母本身的结构和单螺母相同，它通过修磨垫片的厚度来调整轴向间隙。这种调整方法具有结构简单、刚性好和装拆方便等优点，但它很难在一次修磨中调整完毕，调整的精度也不如齿差调隙式好。 图 5-41 是双螺母螺纹调隙式结构，它用平键限制了螺母在螺母座内的转动。调整时，只要拧动圆螺母就能将滚珠螺母沿轴向移动一定距离，在消除间隙之后将其锁紧。这种调整方法具有结构简单、调整方便等优点，但调整精度较差。图 5-40 双螺母垫片调隙式结构 图 5-41 双螺母螺纹调隙式结构 2 滚珠丝杠的安装 数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度之外，滚珠丝杠正确的安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座、丝杠端部的轴承及其支承加工的不精确性和它们在受力之后的过量变形，都会对进给系统的传动刚度带来影响。因此，螺母座的孔与螺母之间必须保持良好的配合，并应保证孔对端面的垂直度，在螺母座上应当增加适当的筋板，并加大螺母座和机床结合部件的接触面积，以提高螺母座的局部刚度和接触刚度。滚珠丝杠的不正确安装以及支承结构的刚度不足，还会使滚珠丝杠的使用寿命大为下降。 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。国内目前主要采用两种组合方式。一种是把向心轴承和圆锥轴承组合使用，其结构虽简单，但轴向刚度不足。另一种是把推力轴承或角接触球轴承和向心轴承组合使用，其轴向刚度有了提高，但增大了轴承的摩擦阻力和发热，而且增加了轴承支架的结构尺寸。国外出现了一种滚珠丝杠专用轴承，其结构如图 5-42 所示。这是一种能够承受很大轴向力的特殊角接触滚珠轴承，与一般角接触滚珠 第五章 数控机床的结构与传动 轴承相比，接触角增大到 60 ，增加了滚珠的数目并相应减小了滚珠的直径。这种新结构的轴承比一般轴承的轴向刚度提高两倍以上，而且使用极为方便。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。 图 5-42 滚珠丝杠专用轴承 在支承的配置方面，对于行程小的短丝杠可以采用悬臂的单支承结构。当滚珠丝杠较长，为了防止热变形所造成丝杠伸长的影响，希望一端的轴承同时承受轴向力和径向力，而另一端的轴承只承受径向力，并能够作微量的轴向浮动。由于数控机床经常要连续工作很长时间，因而应特别重视摩擦热的影响。目前也有一种两端都用止推轴承固定的结构，在它的一端装有碟形弹簧和调整螺母，这样既能对滚珠丝杠施加预紧力，又能在补偿丝杠的热变形后保持近乎不变的预紧力。 用在垂直升降传动或水平放置的高速大惯量传动中，由于滚珠丝杠不具有自锁性，当外界动力消失后，执行部件可在重力和惯性力作用下继续运动，因此通常在无动力状态下需要锁紧，其锁紧装置可以由超越离合器和电磁摩擦离合器等零件组成。 3 滚珠丝杠的防护 滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动零件一样，只要避免磨料微粒及化学活性物质进入，就可以认为这些元件几乎是在不产生磨损的情况下工作的。但如在滚道上落人了 脏物 ，或使用肮脏的润滑油，不仅会妨碍滚珠的正常运动，而且使磨损急剧增加。对于制造误差和预紧变形量以微米计的滚珠丝杠传动副来说，这种磨损就特别敏感。因此有效地防护、密封和保持润滑油的 清洁就 显得十分必要。 通常采用毛毡圈对螺母进行密封，毛毡圈厚度为螺距的 23 倍，而且内孔做成螺纹的形状，使之紧密地包住丝杠，并装入螺母或套筒两端的槽孔内。密封圈除了采用柔软的毛毡之数控技术外，还可以采用耐油橡皮或尼龙材料。由于密封圈和丝杠直接接触，因此防尘效果较好，但也增加了滚珠丝杠副的摩擦阻力矩。为了避免这种摩擦阻力矩，可以采用由较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。 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塑料或人造革等形式的防护罩，以防止尘埃和磨粒粘附到丝杠表面。这几种防护罩与导轨的防护罩有相似之处，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。 年来出现一种 钢带缠卷式 丝杠防护装置，其原理如图 5-43 所示。防护装置和螺母一起固定在拖板上，整个装置由支承滚子 1 、张紧轮 2 和钢带 3 等零件组成。钢带的两端分别 图 5-43 钢带缠卷式 丝杠防护装置 1 支承滚子； 2 张紧轮； 3 钢带 固定在丝杠的外圆表面。防护装置中的钢带绕过支承滚子，并靠弹簧和张紧轮将钢带张紧。当丝杠旋转时，拖板 ( 或工作台 ) 相对丝杠作轴向移动，丝杠一端的钢带按丝杠的螺距被放开，而另一端则以同样的螺距将钢带 缠 卷在丝杠上。由于钢带的宽度正好等于丝杠的螺距，因此螺纹槽被严密地封住。还因为钢带的正、反两面始终不接触，钢带外表面粘附的 脏物 就不会被带到内表面上，使内表面保持清洁。 二、静压蜗杆 蜗条副 和齿轮齿条副 大型数控机床不宜采用丝杠传动，因长丝杠制造困难，且容易弯曲下垂，影响传动精度；同时轴向刚度与扭转刚度也难提高。如加大丝杠直径，因转动惯量增大，伺服系统的动态特性不易保证，故常用静压蜗杆 蜗条副 和齿轮 齿条副 传动。 1 静压蜗杆 蜗 条副 静压蜗杆 蜗条副 的工作原理与静压丝杠 螺母副 相同， 蜗 条实质上相当于长螺母的一部分， 第五章 数控机床的结构与传动 蜗杆相当于一根短丝杠。这种传动机构，压力 油必须 从蜗杆进入静压油腔，而蜗杆是旋转的且与 蜗 条的接触区只有 120 左右，但压力油只能进入接触区，所以必须解决蜗杆的配油问题。 静压蜗杆 蜗条配油 原理如图 5-44 所示。油腔 g 设置在 蜗 条齿的两侧， 其张角 为 ，压 图 5-44 静压蜗杆 蜗条配油 原理图1 、 3 蜗杆； 2 蜗 条； 4 配油盘 ； 5 卡紧件 力油 经配油盘 4 的油孔。 a 、 b 、 c 进入油槽 d ，然后经蜗杆 3 的轴向长孔 e 、节流孔 f 入压力 油腔 g ，再经 蜗 条与蜗杆牙侧的缝隙流回油箱。配油盘 4 由卡紧件 5 锁住，以防转动。在 蜗杆周 向 均匀钻有四个 轴向长孔 e ，压力油顺序通过 连续地向油腔供油，不在啮合区内不供油。为了保证油腔的供油不中断，两个轴向长孔内缘之间的张角 。应小于配油槽 d 外 端的张 角 。而配油槽的张角 ，又应小于 蜗 条油腔外 端的张 角 ，这样才得以保证将脱离的孔先切断油源，再离开油腔。我国目前用得最多的为该图所示的双蜗杆单面作用式结构，分别在蜗杆 1 的右侧和蜗杆 3 的左侧通油，调节两蜗杆的轴向相对位置，就可以调节其间隙。 数控技术 2 齿轮齿条副 齿轮齿条传动常用于行程较长的大型机床上，可以得到较大的传动比，还易得到高速直线运动，刚度及机械效率也高；但传动不够平稳，传动精度不够高，而且还不能自锁。 采用齿轮 齿条副 传动时，必须采取措施 消除齿侧间隙 。当传动负载小时，也可采用双片薄齿轮调整法，将两齿轮分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧，从而 消除齿侧间隙 。当传动负载大时，可采用双片厚齿轮传动的结构，图 5-45 是这种消除间隙方法的原理图。进给 运动由轴 2 输入， 该轴上装 有两个螺旋线方向相反的斜齿轮，当在轴 2 上施加轴向力 F 时，能使斜齿轮产生微量的轴向移动。此时，轴 1 和 轴 3 便以相反的方向转过微小的角度，使齿轮 4 和 5 分别与齿条齿槽的左、右侧面贴紧，从而 消除齿侧间隙 。 图 5-45 消除间隙的原理图 1 、 2 、 3 轴； 4 、 5 齿轮 三、进给系统传动齿轮间隙的消除 对于数控机床进给系统中的减速齿轮，除了要求其本身具有很高的运动精度和工作平稳 性以外，还必须尽可能消除配对齿轮之间的传动间隙；否则，在进给系统每次反向之后就会使运动滞后于指令信号，这将对加工精度产生很大影响。所以，对于数控机床的进给系统，必须采用各种方法去减少或消除齿轮传动间隙。 1 刚性调整法 刚性调整法是指调整 之后齿侧间隙 不能自动补偿的调整方法。它要求严格控制齿轮的齿 第五章 数控机床的结构与传动 厚及周节 公差，否则传动的灵活性将受到影响。但用这种方法调整的齿轮传动有较好的传动 刚度，而且结构比较简单。 图 5 46 是最简单的偏心轴套式消除间隙结构。电机 1 是通过偏心轴套 2 装到壳体上，通过转动偏心轴套就能够方便地调整两齿轮的中心距，从而消除 了齿侧间隙 。 图 5 47 是用一个带有锥度的齿轮来消除间隙的结构。在加工齿轮 l 和 2 时，将假想的分度圆柱面改变成带有小锥度的圆锥面，使其齿厚在齿轮的轴向稍有变化 ( 其外形类似于 插齿刀 ) 。装配时，只要改变垫片的厚度就能调整两个齿轮的轴向相对位置，从而消除 了齿侧间隙 。但如增大圆锥面的角度，将会使啮合条件恶化。 图 5-46 偏心轴套式消除间隙结构 图 5-47 带锥度齿轮的消除间隙结构 1 电机； 2 偏心轴套 1 、 2 齿轮； 3 垫片 图 5 48 是斜齿轮消除间隙的结构，厚齿轮 4 同时与两个相同齿数的薄齿轮 1 和 2 啮合，薄齿轮由平键与轴联接，互相不能相对回转。薄齿轮 1 和 2 的齿形拼装在一起加工，并与键槽保持确定的相对位置。加工时， 在两薄齿轮 之间装入已知厚度为 t 的垫片 3 。装配时，将垫片厚度增加或减少 t ，然后再用螺母拧紧。这时两齿轮的螺旋线就产生了错位，其左、右两齿面分别与厚齿轮的齿面贴紧，消除了间隙。垫片厚度的增减量 t 可以用以下公式计算： t = cot 式中， 齿侧间隙 ； 斜齿轮的螺旋角。 垫片的厚度通常是由试测法确定，一般要经过几次修磨才能调整好。这种结构的齿轮承载能力较小，因为在正向或反向旋转时，分别只有一个薄齿轮承受载荷。 2 柔性调整法 柔性调整法是指调整 之后齿侧间隙 可以自动补偿的调整方法。这种调整法在齿轮的齿厚和周节有差异的情况下，仍可始终保持无间隙啮合。但将影响其传动平稳性，而且这种调整法的结构比较复杂，传动刚度低。 图 5-49 是双齿轮错齿式消除间隙结构。两个相同齿数的薄齿轮 1 和 2 与另一个厚齿轮啮合。两个薄齿轮套装在一起，并可作相对回转。每个齿轮的端面 均匀分布着 四个螺孔，分别装上 凸 耳 4 和 8 。齿轮 1 的端面还有另外四个通孔， 凸 耳 8 可以在其中穿过。弹簧 3 的两端分别钩在 凸 耳 4 和调节螺钉 5 上，通过螺母 6 调节弹簧的拉力，调节完毕用螺母 7 锁紧。弹簧的拉力使薄齿轮错位，即两个薄齿轮的左、右齿面分别紧贴在厚齿轮齿槽的左、右齿面上，消除 了齿侧间隙 。由于正向和反向旋转，分别只有一片齿轮承受扭矩，因此承载能力受到了限制。在设计时必须计算弹簧的拉力，使它能够克服最大扭矩，否则