第4章数控机床的进给传动系统

1、数控机床结构及维修数控机床结构及维修第四章数控机床的进给传动系统 天津工程师范学院天津工程师范学院12/28/20211数控机床结构及维修数控机床结构及维修第四章数控机床的进给传动系统 4.1 概述 4.2 滚珠丝杠螺母副 4.3 导轨滑块副 4.4 静压蜗杆蜗轮条传动 4.5 直线电动机传动 4.6 进给传动系统常见故障诊断及维修12/28/20212 为确保数控机床进给系统的传动精度和工作平为确保数控机床进给系统的传动精度和工作平稳性等，对机械传动装置提出如下要求稳性等，对机械传动装置提出如下要求： (1) 减少摩擦阻力；减少摩擦阻力； (2) 减少运动惯量；减少运动惯量； (3) 高的传

2、动精度与定位精度；高的传动精度与定位精度； (4) 宽的进给调速范围；宽的进给调速范围； (5) 无间隙传动；无间隙传动； (6) 响应速度要快响应速度要快; (7) 稳定性好、寿命长稳定性好、寿命长; (8) 使用维护方便。使用维护方便。4.1 概述概述12/28/202134.2 4.2 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副一、滚珠丝杠螺母副概述一、滚珠丝杠螺母副概述 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副（简称滚珠丝杠副）是一（简称滚珠丝杠副）是一种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间传动元件种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间传动元件的丝杠副，是直线运动与回转运动能相互转换的丝杠副，是直线运动与回转运动能相互转换

3、的传动装置。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既的传动装置。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母(或丝或丝杠杠)轴向移动。轴向移动。 与传统丝杠相比，滚珠丝杠螺母副具有高与传统丝杠相比，滚珠丝杠螺母副具有高传动精度、高效率、高刚度、可预紧、运动平传动精度、高效率、高刚度、可预紧、运动平稳、寿命长、低噪音等优点。稳、寿命长、低噪音等优点。12/28/20214二、滚珠丝杠副的循环方式二、滚珠丝杠副的循环方式 常用的循环方式有常用的循环方式有外循环与内循环外循环与内循环两种。两种。（1 1）外循环）外循环 滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的滚珠

4、在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环。称为外循环。（2 2）内循环）内循环 滚珠在循环过程中，始终与丝杠保持接触滚珠在循环过程中，始终与丝杠保持接触的称为内循环的称为内循环 12/28/20215三、滚珠丝杠副的预紧三、滚珠丝杠副的预紧 滚珠丝杠副预紧的目的是为了消除丝杠与滚珠丝杠副预紧的目的是为了消除丝杠与螺母之间的间隙和施加预紧力，以保证滚珠丝螺母之间的间隙和施加预紧力，以保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度。杠反向传动精度和轴向刚度。 在数控机床进给系统中使用的滚珠丝杠螺在数控机床进给系统中使用的滚珠丝杠螺母副的预紧方法有修磨垫片厚度、锁紧双螺母母副的预紧方法有修磨垫片厚度、锁紧双螺

5、母消隙、齿差式调整方法等。广泛采用的是双螺消隙、齿差式调整方法等。广泛采用的是双螺母结构消隙。母结构消隙。 12/28/20216（1 1）修磨垫片消隙式修磨垫片消隙式 通过调整垫片厚度使左右两螺母产生轴通过调整垫片厚度使左右两螺母产生轴向位移，即可消除丝杠螺母间的间隙并产生预向位移，即可消除丝杠螺母间的间隙并产生预紧力。紧力。（2 2）锁紧双螺母消隙式锁紧双螺母消隙式 用两个锁紧螺母调整丝杠螺母的预紧量。用两个锁紧螺母调整丝杠螺母的预紧量。 12/28/20217（3 3）齿差消隙式齿差消隙式 在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与紧固在螺母座两端的内

6、齿圈相啮合，其分别与紧固在螺母座两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为和，并相差一个齿。调整时，先取齿数分别为和，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于螺母座同方向转下内齿圈，让两个螺母相对于螺母座同方向转动一个齿（则螺母动一个齿（则螺母1 1沿轴向移动，螺母沿轴向移动，螺母2 2移动），移动），然后插上内齿轮，再将内齿轮紧固，则两个螺然后插上内齿轮，再将内齿轮紧固，则两个螺母便产生相对轴向位移，位移量为（为丝杠导母便产生相对轴向位移，位移量为（为丝杠导程）。程）。 12/28/20218四、滚珠丝杠副的应用四、滚珠丝杠副的应用 （一）滚珠丝杠副的支承（一）滚珠丝杠副的支承 常见安装方

7、式有以下四种情况常见安装方式有以下四种情况: :(1)(1)固定固定自由自由 适用于低转速，中精度，短轴向适用于低转速，中精度，短轴向丝杠。丝杠。(2)(2)支承支承支承支承 适用于中等转速，中精度。适用于中等转速，中精度。(3)(3)固定固定支承支承 适用于中等转速、高精度。适用于中等转速、高精度。(4)(4)固定固定固定固定 适用于高转速、高精度。适用于高转速、高精度。 12/28/20219（二）滚珠丝杠副的选择方法（二）滚珠丝杠副的选择方法 选用要点：选用要点： 应该根据机床的精度要求来选用滚珠丝杠应该根据机床的精度要求来选用滚珠丝杠副的精度，根据机床的载荷来选定丝杠的直径，副的精度，

8、根据机床的载荷来选定丝杠的直径，并且要验算丝杠扭转刚度、压曲刚度、临界转并且要验算丝杠扭转刚度、压曲刚度、临界转速与工作寿命等。速与工作寿命等。 精度等级的选择：精度等级的选择： 滚珠丝杠副的精度将直接影响数控机床各滚珠丝杠副的精度将直接影响数控机床各坐标轴的定位精度。普通精度的数控机床，一坐标轴的定位精度。普通精度的数控机床，一般可选用般可选用D D级，精密级数控机床选用级，精密级数控机床选用C C级精度的级精度的滚珠丝杠副。滚珠丝杠副。 12/28/202110（三）滚珠丝杠副的验算（三）滚珠丝杠副的验算 （1 1）刚度验算）刚度验算 刚度验算就是校验丝杠在额定轴向刚度验算就是校验丝杠在额

9、定轴向( (扭转扭转) )载荷作用下，执行件的失动量。载荷作用下，执行件的失动量。 （2 2）临界转速验算）临界转速验算 应校核丝杠轴的转速与丝杠自身的自振频应校核丝杠轴的转速与丝杠自身的自振频率是否接近，如果很接近，会导致强迫共振，率是否接近，如果很接近，会导致强迫共振，影响机床正常工作。应根据有关计算公式进行影响机床正常工作。应根据有关计算公式进行的校核。的校核。（3 3）寿命验算）寿命验算 滚珠丝杠副的寿命，主要是指疲劳寿命。滚珠丝杠副的寿命，主要是指疲劳寿命。 12/28/202111（四）制动装置（四）制动装置 目前常见的有机械式和电气式两种。电气目前常见的有机械式和电气式两种。电气

10、方式制动是采用电磁制动器，而且这种制动器方式制动是采用电磁制动器，而且这种制动器就做在电机内部。就做在电机内部。 FANUCFANUC公司伺服电机带制动器的公司伺服电机带制动器的示意图示意图。机床工作时，在制动器线圈机床工作时，在制动器线圈7 7电磁力的作用下，电磁力的作用下，使齿轮使齿轮8 8与内齿轮与内齿轮9 9脱开，弹簧受压缩，当停机脱开，弹簧受压缩，当停机或停电时，电磁铁失电，在弹簧恢复力作用下，或停电时，电磁铁失电，在弹簧恢复力作用下，齿轮齿轮8 8、9 9啮合，齿轮啮合，齿轮9 9与电机端盖为一体，故与电机端盖为一体，故与电机轴联接的丝杠得到制动，这种电磁制动与电机轴联接的丝杠得到

11、制动，这种电磁制动器装在电机壳内，与电机形成一体化的结构。器装在电机壳内，与电机形成一体化的结构。 12/28/202112（五）滚珠丝杠副的润滑及防护装置（五）滚珠丝杠副的润滑及防护装置 润滑方式主要有以下两种：润滑脂、润滑润滑方式主要有以下两种：润滑脂、润滑油。润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积油。润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的的1/31/3，某些生产厂家在装配时螺母内部已加，某些生产厂家在装配时螺母内部已加注润滑脂。而润滑油的给油量随行程、润滑油注润滑脂。而润滑油的给油量随行程、润滑油的种类、使用条件等的不同而不同。的种类、使用条件等的不同而不同。 12/28/202113五、

12、滚珠丝杠副的发展趋势五、滚珠丝杠副的发展趋势 高速加工用的进给滚珠丝杠要采取改进措高速加工用的进给滚珠丝杠要采取改进措施，如加大丝杠的导程和增加螺纹的头数，前施，如加大丝杠的导程和增加螺纹的头数，前者为提高丝杠每转的进给量者为提高丝杠每转的进给量( (即进给速度即进给速度) )，后，后者则为弥补丝杠导程增大后所带来的轴向刚度者则为弥补丝杠导程增大后所带来的轴向刚度和承载能力的下降和承载能力的下降; ;将实心丝杠改为空心的将实心丝杠改为空心的; ;改改进回珠器和滚道的设计制造质量，使滚珠的循进回珠器和滚道的设计制造质量，使滚珠的循环更流畅，摩擦损耗更少环更流畅，摩擦损耗更少 ; ;采用滚珠丝杠固

13、定采用滚珠丝杠固定 等等. . 12/28/202114一、数控机床对导轨滑块副的要求一、数控机床对导轨滑块副的要求 (1)(1)导向精度高导向精度高 (2)(2)耐磨性好耐磨性好 (3)(3)刚度大刚度大 (4)(4)良好的磨擦特性良好的磨擦特性 4.3 4.3 导轨滑块副导轨滑块副12/28/202115二、导轨副的分类二、导轨副的分类 导轨副按接触面的摩擦性质可以分为滑动导轨副按接触面的摩擦性质可以分为滑动导轨、静压导轨和滚动导轨。导轨、静压导轨和滚动导轨。 (1) (1) 滑动导轨滑动导轨 特点特点: :摩擦特性好、耐磨性好、运动平稳、摩擦特性好、耐磨性好、运动平稳、工艺性好、速度较低

14、工艺性好、速度较低. . 滑动导轨分为金属对金属的一般类型的导滑动导轨分为金属对金属的一般类型的导轨和金属对塑料的塑料导轨两类。轨和金属对塑料的塑料导轨两类。 12/28/2021162 2、静压导轨、静压导轨 液体静压导轨指压力油通过节流器进入两液体静压导轨指压力油通过节流器进入两相对运动的导轨面，所形成的油膜使两导轨面相对运动的导轨面，所形成的油膜使两导轨面分开，保证导轨面在液体摩擦状态下工作。分开，保证导轨面在液体摩擦状态下工作。3 3、滚动导轨滚动导轨 摩擦系数小、运动轻便、位移精度和定位摩擦系数小、运动轻便、位移精度和定位精度高、耐磨性好、抗震性较差、结构复杂、精度高、耐磨性好、抗震

15、性较差、结构复杂、防护要求较高。防护要求较高。 12/28/202117三、滚动导轨的结构三、滚动导轨的结构 (1) (1) 滚动导轨的结构滚动导轨的结构 滚动直线导轨副为四方向等载荷带球保持滚动直线导轨副为四方向等载荷带球保持器型滚动直线导轨，是较常见的一种导轨副。器型滚动直线导轨，是较常见的一种导轨副。图中图中1 1是支承导轨，上面装有滑块是支承导轨，上面装有滑块8 8，在滑块，在滑块8 8中装有中装有4 4组滚珠，在支承导轨和滑块间的直线组滚珠，在支承导轨和滑块间的直线滚道内滚动。当滚珠滚道内滚动。当滚珠3 3滚动到滑块的端面时，滚动到滑块的端面时，经挡板经挡板6 6由回珠孔返回另一端，

16、从而循环工作。由回珠孔返回另一端，从而循环工作。其中其中4 4为保持架，为保持架，2 2为侧面密封垫。密封垫为侧面密封垫。密封垫5 5是是用来防止灰尘进入导轨。用来防止灰尘进入导轨。9 9为润滑油嘴，可从为润滑油嘴，可从此注入润滑油。滚珠此注入润滑油。滚珠3 3之间用保持器之间用保持器7 7分开，滚分开，滚珠之间不发生碰撞，降低了导轨副中在运动中珠之间不发生碰撞，降低了导轨副中在运动中产生的噪音，称之为低噪音型滚动直线导轨。产生的噪音，称之为低噪音型滚动直线导轨。12/28/202118四、滚动导轨的载荷、寿命计算四、滚动导轨的载荷、寿命计算 （一）载荷计算（一）载荷计算 滚动导轨所承受的载荷

17、，受到很多因素的滚动导轨所承受的载荷，受到很多因素的影响，如配置形式（水平、垂直或斜置等）、影响，如配置形式（水平、垂直或斜置等）、移动的重心和受力点的位置、移动导轨牵引力移动的重心和受力点的位置、移动导轨牵引力的作用点、起动及停止时的惯性力，以及切削的作用点、起动及停止时的惯性力，以及切削阻力作用等。阻力作用等。 12/28/202119（二）寿命计算（二）寿命计算滚动直线导轨副的寿命计算公式为：滚动直线导轨副的寿命计算公式为：350h tc awf f f fCfFL LL额定寿命（额定寿命（kmkm） CC额定动载荷额定动载荷FF工作载荷工作载荷 硬度系数硬度系数 温度系数温度系数 接触

18、系数接触系数 精度系数精度系数 载荷系数载荷系数hftfcfafwf12/28/202120 滚动导轨块寿命计算的公式为：滚动导轨块寿命计算的公式为： 如果寿命以如果寿命以h h计算，计算，式中式中 行程长度（行程长度（m m） 每分钟往复次数每分钟往复次数 如已选定滚动导轨的型号，即已知如已选定滚动导轨的型号，即已知C C，可，可据此计算预期寿命；如给定预期寿命，可由据此计算预期寿命；如给定预期寿命，可由LhLh计算计算L L，再计算额定动载荷，再计算额定动载荷C C，据此选定导轨的，据此选定导轨的型号。型号。 103100htcawf f f fCfFL 310260LhnlLln12/2

19、8/202121五、滚动导轨的安装、预紧五、滚动导轨的安装、预紧 滚动直线导轨副的滚动直线导轨副的安装固定方式安装固定方式主要有螺主要有螺栓固定、压板固定、定位销固定和斜楔块固定。栓固定、压板固定、定位销固定和斜楔块固定。在实际使用中，通常是两根导轨成队使用，其在实际使用中，通常是两根导轨成队使用，其中一条为基准导轨，通过对基准导轨的正确安中一条为基准导轨，通过对基准导轨的正确安装，以保证运动部件相对于支承元件的正确导装，以保证运动部件相对于支承元件的正确导向。向。 预紧是为了提高滚动导轨的刚度。预紧可预紧是为了提高滚动导轨的刚度。预紧可提高接触刚度和消除间隙；在立式导轨上，预提高接触刚度和消

20、除间隙；在立式导轨上，预紧可防止滚动体脱落和歪斜。常见的预紧方式紧可防止滚动体脱落和歪斜。常见的预紧方式有采用过盈配合和调整法两种。有采用过盈配合和调整法两种。12/28/202122一、传动原理一、传动原理 静压蜗杆静压蜗杆蜗轮齿条蜗轮齿条是一种精密传动副，是一种精密传动副，用于将回转运动转变为直线位移。用于将回转运动转变为直线位移。 4.4 4.4 静压蜗杆静压蜗杆蜗轮条传动蜗轮条传动12/28/202123 流体静压蜗杆蜗轮齿条机构是在蜗杆和蜗流体静压蜗杆蜗轮齿条机构是在蜗杆和蜗轮齿条的啮合面间注入一层高刚度的吸振油膜轮齿条的啮合面间注入一层高刚度的吸振油膜使两啮合面间成为液体摩擦。这层

21、油膜不但从使两啮合面间成为液体摩擦。这层油膜不但从根本上解决了传动副的磨损问题，而且减小了根本上解决了传动副的磨损问题，而且减小了传动件的制造误差对传动精度的影响，从而起传动件的制造误差对传动精度的影响，从而起到平均误差的作用。到平均误差的作用。 流体静压蜗杆蜗轮齿条的流体静压蜗杆蜗轮齿条的工作原理图工作原理图中油中油腔开在蜗轮上，用毛细管节流的定压供油方式腔开在蜗轮上，用毛细管节流的定压供油方式给该机构提供压力油。从液压泵输出的压力油，给该机构提供压力油。从液压泵输出的压力油，经过蜗杆螺纹内的毛细管节流器，分别进入蜗经过蜗杆螺纹内的毛细管节流器，分别进入蜗杆杆蜗轮齿条的两侧面油腔内，然后经过

22、啮合蜗轮齿条的两侧面油腔内，然后经过啮合面之间的间隙，再进入齿顶与齿根的间隙，压面之间的间隙，再进入齿顶与齿根的间隙，压力降为零，流回油箱。力降为零，流回油箱。 12/28/202124二、传动方案二、传动方案 蜗杆蜗杆蜗轮齿条机构常用的传动方案有以下蜗轮齿条机构常用的传动方案有以下两种：两种：（1 1）蜗杆箱固定蜗杆箱固定，蜗轮齿条固定在运动件上。，蜗轮齿条固定在运动件上。这种传动方案用于龙门式铣床的移动工作台这种传动方案用于龙门式铣床的移动工作台进给驱动机构中。进给驱动机构中。（2 2）蜗轮齿条固定蜗轮齿条固定，蜗杆箱固定在运动件上。，蜗杆箱固定在运动件上。这样行程长度可大大超过运动部件的

23、长度。这样行程长度可大大超过运动部件的长度。这种方案常用于桥式镗铣床桥架进给驱动机这种方案常用于桥式镗铣床桥架进给驱动机构中。构中。 12/28/202125 直线电动机可以分为步进直线电动机、直直线电动机可以分为步进直线电动机、直流直线电动机和交流直线电动机三大类。在机流直线电动机和交流直线电动机三大类。在机床上主要使用交流直线电动机。床上主要使用交流直线电动机。 在励磁方式上，交流直线电动机可以分为在励磁方式上，交流直线电动机可以分为永磁永磁( (同步同步) )式和感应式和感应( (异步异步) )式两种。式两种。 4.5 4.5 直线电动机传动直线电动机传动12/28/202126一、直线

24、电动机的工作原理一、直线电动机的工作原理 直线电动机的工作原理直线电动机的工作原理与旋转电动机没有与旋转电动机没有本质区别，可将其视为旋转电动机沿圆周方向本质区别，可将其视为旋转电动机沿圆周方向拉伸展平的产物，对应于旋转电动机的定子部拉伸展平的产物，对应于旋转电动机的定子部分，称为直线电动机的初级；对应于旋转电动分，称为直线电动机的初级；对应于旋转电动机的转子部分，称为直线电动机的次级。当多机的转子部分，称为直线电动机的次级。当多相交变电流通过多相对称绕组时，就会在直线相交变电流通过多相对称绕组时，就会在直线电动机初级和次级之间的气隙中产生一个行波电动机初级和次级之间的气隙中产生一个行波磁场，

25、从而使初级和次级之间相对移动。当然，磁场，从而使初级和次级之间相对移动。当然，二者之间也存在下一个垂直力，可以是吸引力，二者之间也存在下一个垂直力，可以是吸引力，也可以是推斥力。也可以是推斥力。 12/28/202127二、直线电动机的特点二、直线电动机的特点 1 1、优点、优点（1 1） 高速响应高速响应 （2 2） 精度精度 （3 3） 动刚度高动刚度高 （4 4） 速度快、加减速过程短速度快、加减速过程短（5 5） 行程长度不受限制行程长度不受限制（6 6） 运动噪音低运动噪音低 （7 7） 效率高效率高 12/28/2021282 2、缺点、缺点(1)(1)效率低、功耗大、结构尺寸和自

26、重相对较大效率低、功耗大、结构尺寸和自重相对较大; ;(2)(2)无机械连接或啮合，不具自锁能力，设计和使无机械连接或啮合，不具自锁能力，设计和使用中应注意考虑外加制动措施用中应注意考虑外加制动措施, ,特别是在垂直轴特别是在垂直轴进给系统应用中；进给系统应用中； (3)(3)对运动载荷较敏感，所以当负荷变化大时，需对运动载荷较敏感，所以当负荷变化大时，需要重新整定系统要重新整定系统; ;(4)(4)磁铁磁铁( (或线圈或线圈) )对电动机部件的吸力很大，因此对电动机部件的吸力很大，因此应注意选择导轨和设计滑架结构，并注意解决应注意选择导轨和设计滑架结构，并注意解决磁铁吸引金属颗粒的问题；磁铁

27、吸引金属颗粒的问题；(5)(5)工作过程温升高，要求强冷却。工作过程温升高，要求强冷却。 12/28/202129 例举了例举了丝杠丝杠、导轨导轨在使用过程中常见的的在使用过程中常见的的故障、故障原因及维修方法。故障、故障原因及维修方法。 4.6 4.6 进给传动系统常见故障诊断及维修进给传动系统常见故障诊断及维修12/28/202130滚珠丝杠螺母副12/28/202131 外循环回流方式 内循环回流方式 12/28/202132螺母垫片丝杠FmFm伸张预紧垫片结构消隙 12/28/2021331234567锁紧双螺母消隙式1、7-螺母 2-返向器 3-滚珠 4-丝杠 5-垫圈 6-圆螺母1

28、2/28/202134螺母1螺母2螺母座内齿圈齿差调隙式12/28/202135危险转速（临界转速）固定危险轴向载荷（容许轴向载荷）自由12/28/202136支承危险转速（临界转速）危险轴向载荷（容许轴向载荷）支承12/28/202137 支承危险转速（临界转速）危险轴向载荷（容许轴向载荷）固定12/28/202138危险转速（临界转速）危险轴向载荷（容许轴向载荷）固定（d）固定12/28/202139滚珠丝杠的电气制动图1-旋转变压器 2-测速发电机转子 3-测速发电机定子 4-电刷 5-永久磁铁 6-伺服电机转子 7-电磁线圈 8-外齿轮 9-内齿轮12/28/202140滑动导轨12/

29、28/202141滚动导轨12/28/202142125789454545456直线滚动导轨保持器12/28/202143滚动直线导轨副的安装固定方式 螺钉固定定位销固定工作台工作台工作台工作台床体床体床体床体压板固定楔形块定位12/28/202144蜗杆-蜗轮齿条传动机构1-蜗轮 2-蜗杆齿条12/28/202145蜗杆-涡轮齿条工作原理1-油箱 2-滤油器 3-液压泵 4-电动机 5-溢流阀 6-粗滤油器7-精滤油器 8-压力表 9-压力继电器 10-节流器12/28/202146进给运动蜗杆箱固定式1-蜗轮齿条 2-联轴器 3-进给箱 4-电动机 5-蜗杆12/28/202147进给运动蜗杆箱移动式