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机械制造装备设计 主讲 杨建军 第三章进给传动系统设计 3 1进给传动系统的作用与特点一 进给传动的作用1 作用单独或与主运动一起形成成形运动 2 特点1 传动速度低 受力小 消耗功率小 2 对传动链的转接要求较多 3 载荷特点恒扭矩常见的几种输出轴扭矩计算方法 丝杠螺母副机构丝杠上的计算转矩Q 牵引力t 丝杠导程 螺母副传动效率 3 1进给传动系统的作用与特点 齿轮齿条机构D 小齿轮分度圆直径 齿轮齿条副传动效率 任意中间轴上的计算转矩Mnj 计算轴上的转矩Mn 最后输出轴上的转矩ij 自计算轴到最后轴的传动比 j 自计算轴到最后轴的传动效率 3 1进给传动系统的作用与特点 4 进给传动系统的计算转速进给与快速运动合用一套传动链 以快速运动最大速度为准进给方向摩擦力大于切削分力 以最大进给速度为准大型 精密机床进给方向切削分力大于摩擦力 以最大切削分力时的中型机床最高进给速度的1 2 1 33 类型1 机械传动机构2 液压传动机构3 步进伺服传动机构 3 1进给传动系统的作用与特点 数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置有 滚珠丝杠副静压蜗杆一蜗母条副预加载荷双齿轮齿条副直线电动机 3 1进给传动系统的作用与特点 二 进给传动系统的组成1 传统进给传动系统组成动力源 变速装置 定比传动机构 开停 制动和换向装置 操纵机构 润滑与密封装置 箱体等 2 数控伺服进给传动系统的组成伺服电机 丝杠螺母副或蜗杆蜗轮副 反馈装置或一级减速增力机构 3 1进给传动系统的作用与特点 二 进给传动系统的组成2 数控伺服进给传动系统的组成驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统机械传动部件和执行元件组成机械传动系统检测元件与反馈电路组成检测装置 亦称检测系统 3 1进给传动系统的作用与特点 三 对伺服系统的要求1 传统精度高定位精度 0 001 0 0001调速精度 调速控制中具有较强的抗负载能力 即 动静态精度均较高2 高稳定性3 高响应性4 调速范围宽5 低速大扭矩 3 1进给传动系统的作用与特点 分级进给传动系统的运动设计与主传动的设计方法相同 无级数控伺服传动系统 开环系统 半闭环 闭环 常用半闭环 3 2进给传动系统的运动设计 3 2进给传动系统的运动设计 3 2进给传动系统的运动设计 3 2进给传动系统的运动设计 一 电动机步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机 直线电机二 滚珠丝杠结构及参数动静摩擦系数几乎一样0 01 0 003一 滚珠丝杠的结构与原理由丝杠 螺母 滚珠 反向器组成 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 滚珠丝杠螺母副的特点是 1 传动效率高 摩擦损失小 滚珠丝杠副的传动效率刀 0 92 0 96 比常规的丝杠螺母副提高3 4倍 因此 功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的1 4 1 3 2 给予适当预紧 可消除丝杠和螺母的螺纹间隙 反向时就可以消除空程死区 定位精度高 刚度好 3 运动平稳 无爬行现象 传动精度高 4 有可逆性 可以从旋转运动转换为直线运动 也可以从直线运动转换为旋转运动 丝杠和螺母都可以作为主动件 3 3进给传动系统的结构设计 滚珠丝杠螺母副的特点是 5 磨损小 使用寿命长 6 制造工艺复杂 滚珠丝杠个螺母等元件的加工精度要求高 表面粗糙度要求值也小 故制造成本高 7 不能自锁特别是对于垂直丝杠 由于自重惯力的作用 数控机床下降时当传动切断后 不能立即停止运动 故常需添加制动装置 分类 1 按滚珠循环方式内循环 外循环 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 反向器形式 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 2 按精度定位滚珠丝杠 P 类传动滚珠丝杠 T 类精度等级 1 2 3 4 5 7 107级 1级最高旧标准 C D E F G H6级 C级最高数控机床进给传动选P类 精度主要是P1 P2 3 3进给传动系统的结构设计 滚珠丝杠副的四大考核指标 2 弧度内行程变动量V2 P 任意300行程内变动量V300P 有效行程内行程变动量Vup 有效行程内平均行程偏差eP V300P测量 以有效行程上任意300长内行程的变动量V300来表示P1 V300 6 mP2 V300 8 m 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 二 滚珠丝杠螺母副的间隙和预紧量的调整反向间隙死区因为丝杠 滚珠和螺母之间存在一定的间隙 在反转时 在一定的角度内 尽管丝杠转动 但是螺母还要等间隙消除 受力一侧的 以后才能带动工作台运动 这个间隙就是反向间隙 反映在丝杠的旋转角度上 3 3进给传动系统的结构设计 消除反向间隙的措施采用双螺母机构 单螺母增大滚珠直径 单螺母采用变位导程 3 3进给传动系统的结构设计 双螺母机构 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 常见的双螺母消除反射间隙的方法1 螺纹式 3 3进给传动系统的结构设计 2 垫片式 3 3进给传动系统的结构设计 3 齿差式齿数差 z2 z1 1 3 3进给传动系统的结构设计 Z1转过1个齿 则螺母1移动了Z2同向转过1个齿 则螺母1相对螺母2移动了 3 3进给传动系统的结构设计 双螺母预紧的预紧量确定原则根据接触变形刚度理论分析 计算证明 F 3F0 2 83 且预紧后轴向刚度提高为2倍 3 3进给传动系统的结构设计 三 滚珠丝杠的主要技术参数1 名义直径 公称直径 d0滚珠中心轨迹圆的直径 与承载能力有关 一般取 d0 20 100 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 2 基本导程 公称导程 Ph0根据机床脉冲指令要求和负载情况来选择Ph0 允许Dw 滚珠直径 承载能力 若d0确定 螺旋升角 一般 取2 常取3 5 在3 5 以下 螺旋升角会显著地影响传动效率 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 3 滚珠直径 wPh0确定后 w过大则使丝杠的螺纹抗剪 抗弯能力下降 一般取 w 0 6Ph0 通过单螺母副增大 w预紧 公差要求 d0 20 50 0 001d0 50 100 0 0084 滚珠的工作圈数j和工作滚珠总数N实验表明 第一圈承载30 45 第5 10圈总共承担10 一般取j 2 5 3 5 N 50 3 3进给传动系统的结构设计 5 列数K为保证滚珠滚动通畅 圈数j不宜过大 通过增加列数K来提高承载能力 6 其它结构特征1 螺母是否带发兰F有的无发兰 发兰孔可为光孔 沉孔 螺纹 发兰形状可削单边 削双边 2 防尘结构3 丝杠全长及螺纹长度 3 3进给传动系统的结构设计 7 滚珠丝杠副编号规则 3 3进给传动系统的结构设计 三 滚珠丝杠副的设计1 滚珠丝杠的支承形式压杆失稳经济性数控车床横向丝杠 垂向驱动丝杠的支承精度要求不高 但较长的丝杠的支承仅用于轴向力较小的仪表 打印机等丝杠的支承机床丝杠的主要支承形式采用丝杠固定 螺母旋转的传动方式 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 2 滚珠丝杠的预拉伸 问题 h P 定位精度 措施 制造时 Ph Ph0 安装时 拉伸为Ph0 以抵消热变形膨胀引起的伸长量 丝杠在受热膨胀时 仅所受拉力减小而总长不变 L l L t mm l 线膨胀系数 钢的 l 11 10 6L 丝杠长度 t丝杠的温升 C 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 3 滚珠丝杠的刚度Ks 丝杠本身的刚度 kb 轴承轴向刚度 Kc 滚珠与丝杠螺母滚道的接触刚度 kR 折合到丝杠上的伺服系统刚度 Kt 联轴节刚度 kk 滚珠丝杠副的扭转刚度 Kh 螺母座轴承座的刚度 3 3进给传动系统的结构设计 前三项最主要 Ks又占总量的1 3 1 2有些情况下需对丝杠进行强度 寿命 转速 失稳 载荷等校核 3 3进给传动系统的结构设计 常用轴承 1 接触角为60 的角接触球轴承 常用同向组合 承载能力2个1 63 3个2 16 4个2 64 2 滚针 推力圆柱滚子轴承 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 4 消隙机构和挠性联轴节1 齿轮消隙机构 1 偏心套调整法 3 3进给传动系统的结构设计 O1 O2 2 双薄片齿轮调整法 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 2 双薄片齿轮调整法 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 3 斜齿轮薄片齿调整法 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 4 数控回转座标的消隙双导程蜗杆消隙 3 3进给传动系统的结构设计 3 3进给传动系统的结构设计 2 挠性联轴节 3 3进给传动系统的结构设计 挠性联轴节的特点 在一定程度上降低联接的两轴的同轴度要求 即保证了传动精度 又降低了制造难度降低了成本 锥环涨套的特点 实现无间隙联接 提高传动精度 可在一定范围内实现轴向位置的任意调解 方便装配 在过载情况下 可起到一定的保护作用 3 3进给传动系统的结构设计 四 内联传动链的设计原则传动精度 指机床传动链两末端执行件之间运动的协调性和均匀性 一 误差的来源和传递规律误差主要分两大类 1 传动链中的传动件存在制造 装配误差 2 使用中出现的载荷和温升引起的变形 3 3进给传动系统的结构设计 1 误差的来源各类传动付产生的误差 齿轮副 丝杠螺母副 蜗轮蜗杆副等引起的误差 1 齿轮传动副 1 周节累积误差 t 影响最大 线值误差齿形误差基节误差相邻周节误差主动轮上齿向误差从动轮上 3 3进给传动系统的结构设计 t PP 3 3进给传动系统的结构设计 2 齿圈径向跳动 ej 在压力角 较大时 也会影响传动精度 l ej tg 3 3进给传动系统的结构设计 对于斜齿圆柱齿轮 由于轴向窜动 b 影响传动精度 l b tg 3 3进给传动系统的结构设计 3 齿轮在轴上或轴在轴承中的装配误差 以及轴承的误差 将引起齿轮附加的径向跳动及轴向窜动 其影响与 ej b是一样的 t l转换成角度误差 都会影响传动精度 3 3进给传动系统的结构设计 2 丝杠螺母传动副丝杠的导程误差及轴向窜动 以线值误差形式传递给螺母 梯形螺纹的径向跳动与齿轮的齿圈径向跳动相似 螺母的轴向误差为 l l ej tg 牙形半角 3 3进给传动系统的结构设计 3 蜗杆蜗轮传动副对蜗杆 其误差分析同斜齿轮 对蜗轮 其误差分析同丝杠 4 传动总误差根据概率原理 设总误差按正态分布 则其误差近似取均方根值为 3 3进给传动系统的结构设计 2 误差传递规律 1 误差通过传动链按传动比依次传递到执行件 2 传动件的误差仅反映到执行件上 不仅与该误差大小有关 而且与其到执行件之间的总传动比有关 降速传动时 i1 误差被同比例放大 在结构允许的条件下 把全部降速集中在最后一个或几个传动副 可有效地提高精度 3 3进给传动系统的结构设计 二 提高传动精度的措施1 缩短传动链 2 合理选择传动副类型1 内联传动链中 避免选用传动比不准确的传动副 摩擦传动传动比不准确 其它传动副存在 斜齿轮轴窜 梯形螺纹径跳 多头蜗杆 多头丝杠 以及圆锥齿轮 制造精度低 2 为使传动平稳 应降低斜齿轮螺旋角 梯形螺纹半角 分度蜗轮的压力角等尽量小些 3 3进给传动系统的结构设计 3 合理分配传动副的传动比及精度传动链的各传动比应采用递降原则 靠近高速部分的传动件 可适当降低其精度要求 而靠近执行件的传动件应取较高精度 其它措施 选择较小模数 较多齿数 较小导程 可改善精度 4 提高传动件的制造精度和装配精度5 采用校正装置 3 3进给传动系统的结构设计 5 采用校正装置座标镗床的校正尺 3 3进给传动系统的结构设计 精密蜗轮滚齿机校正误差的校正凸轮 3 3进给传动系统的结构设计 一 伺服系统的刚度 3 4半闭环进给传动系统的精度 3 4半闭环进给传动系统的精度 3 4半闭环进给传动系统的精