数控机床的进给传动系统培训课程

17.12.20221第四章数控机床的进给传动系统

天津工程师范学院17.12.20222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17.12.20223

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：

(1)减少摩擦阻力；

(2)减少运动惯量；

(3)高的传动精度与定位精度；

(4)宽的进给调速范围；

(5)无间隙传动；

(6)响应速度要快;(7)稳定性好、寿命长;(8)使用维护方便。4.1

概述17.12.202244.2滚珠丝杠螺母副

一、滚珠丝杠螺母副概述

滚珠丝杠螺母副（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的丝杠副，是直线运动与回转运动能相互转换的传动装置。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(或丝杠)轴向移动。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、运动平稳、寿命长、低噪音等优点。17.12.20225二、滚珠丝杠副的循环方式

常用的循环方式有外循环与内循环两种。（1）外循环滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环。（2）内循环滚珠在循环过程中，始终与丝杠保持接触的称为内循环

17.12.20226三、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。

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、锁紧双螺母消隙、齿差式调整方法等。广泛采用的是双螺母结构消隙。17.12.20227（1）修磨垫片消隙式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紧力。（2）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。

17.12.20228（3）齿差消隙式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齿圈相啮合，其齿数分别为和，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动一个齿（则螺母1沿轴向移动，螺母2移动），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（为丝杠导程）。

17.12.20229四、滚珠丝杠副的应用

（一）滚珠丝杠副的支承

常见安装方式有以下四种情况:(1)固定—自由适用于低转速，中精度，短轴向丝杠。(2)支承—支承适用于中等转速，中精度。(3)固定—支承适用于中等转速、高精度。(4)固定—固定适用于高转速、高精度。

17.12.202210（二）滚珠丝杠副的选择方法

选用要点：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，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。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坐标轴的定位精度。普通精度的数控机床，一般可选用D级，精密级数控机床选用C级精度的滚珠丝杠副。

12.12.202211（三）滚珠珠丝杠副的的验算（1）刚度验算算刚度验算就就是校验丝丝杠在额定定轴向(扭转)载荷作用下下，执行件件的失动量量。（2）临界转速速验算应校核丝杠杠轴的转速速与丝杠自自身的自振振频率是否否接近，如如果很接近近，会导致致强迫共振振，影响机机床正常工工作。应根根据有关计计算公式进进行的校核核。（3）寿命验算算滚珠丝杠副副的寿命，，主要是指指疲劳寿命命。12.12.202212（四）制动动装置目前常见的的有机械式式和电气式式两种。电电气方式制制动是采用用电磁制动动器，而且且这种制动动器就做在在电机内部部。FANUC公司伺服电电机带制动动器的示意意图。机床床工作时，，在制动器器线圈7电磁力的作作用下，使使齿轮8与内齿轮9脱开，弹簧簧受压缩，，当停机或或停电时，，电磁铁失失电，在弹弹簧恢复力力作用下，，齿轮8、9啮合，齿轮轮9与电机端盖盖为一体，，故与电机机轴联接的的丝杠得到到制动，这这种电磁制制动器装在在电机壳内内，与电机机形成一体体化的结构构。12.12.202213（五）滚滚珠丝杠杠副的润润滑及防防护装置置润滑方式式主要有有以下两两种：润润滑脂、、润滑油油。润滑滑脂的给给脂量一一般是螺螺母内部部空间容容积的1/3，某些生生产厂家家在装配配时螺母母内部已已加注润润滑脂。。而润滑滑油的给给油量随随行程、、润滑油油的种类类、使用用条件等等的不同同而不同同。12.12.202214五、滚珠珠丝杠副副的发展展趋势高速加工工用的进进给滚珠珠丝杠要要采取改改进措施施，如加加大丝杠杠的导程程和增加加螺纹的的头数，，前者为为提高丝丝杠每转转的进给给量(即进给速速度)，后者则则为弥补补丝杠导导程增大大后所带带来的轴轴向刚度度和承载载能力的的下降;将实心丝丝杠改为为空心的的;改进回珠珠器和滚滚道的设设计制造造质量，，使滚珠珠的循环环更流畅畅，摩擦擦损耗更更少;采用滚珠珠丝杠固固定等等.12.12.202215一、数控控机床对对导轨滑滑块副的的要求(1)导向精度度高(2)耐磨性好好(3)刚度大(4)良好的磨磨擦特性性4.3导轨滑块块副12.12.202216二、导轨轨副的分分类导轨副按按接触面面的摩擦擦性质可可以分为为滑动导导轨、静静压导轨轨和滚动动导轨。。(1)滑动导轨轨特点:摩擦特性性好、耐耐磨性好好、运动动平稳、、工艺性性好、速速度较低低.滑动导轨轨分为金金属对金金属的一一般类型型的导轨轨和金属属对塑料料的塑料料导轨两两类。12.12.2022172、静压导导轨液体静压压导轨指指压力油油通过节节流器进进入两相相对运动动的导轨轨面，所所形成的的油膜使使两导轨轨面分开开，保证证导轨面面在液体体摩擦状状态下工工作。3、滚动导导轨摩擦系数数小、运运动轻便便、位移移精度和和定位精精度高、、耐磨性性好、抗抗震性较较差、结结构复杂杂、防护护要求较较高。12.12.202218三、滚动动导轨的的结构(1)滚动导轨轨的结构构滚动直线线导轨副副为四方方向等载载荷带球球保持器器型滚动动直线导导轨，是是较常见见的一种种导轨副副。图中中1是支承导导轨，上上面装有有滑块8，在滑块块8中装有4组滚珠，，在支承承导轨和和滑块间间的直线线滚道内内滚动。。当滚珠珠3滚动到滑滑块的端端面时，，经挡板板6由回珠孔孔返回另另一端，，从而循循环工作作。其中中4为保持架架，2为侧面密密封垫。。密封垫垫5是用来防防止灰尘尘进入导导轨。9为润滑油油嘴，可可从此注注入润滑滑油。滚滚珠3之间用保保持器7分开，滚滚珠之间间不发生生碰撞，，降低了了导轨副副中在运运动中产产生的噪噪音，称称之为低低噪音型型滚动直直线导轨轨。12.12.202219四、滚动动导轨的的载荷、、寿命计计算（一）载载荷计算算滚动导轨轨所承受受的载荷荷，受到到很多因因素的影影响，如如配置形形式（水水平、垂垂直或斜斜置等））、移动动的重心心和受力力点的位位置、移移动导轨轨牵引力力的作用用点、起起动及停停止时的的惯性力力，以及及切削阻阻力作用用等。12.12.202220（二）寿寿命计算算滚动直线线导轨副副的寿命命计算公公式为：：L—额定寿命（km）C—额定动载荷F—工作载荷—硬度系数—温度系数—接触系数

—精度系数—载荷系数12.12.202221滚动导轨轨块寿命命计算的的公式为为：如果寿命命以h计算，式中——行程长度度（m）——每分钟往往复次数数如已选定定滚动导导轨的型型号，即即已知C，可据此此计算预预期寿命命；如给给定预期期寿命，，可由Lh计算L，再计算算额定动动载荷C，据此选选定导轨轨的型号号。12.12.202222五、滚动动导轨的的安装、、预紧滚动直线线导轨副副的安装装固定方方式主要要有螺栓栓固定、、压板固固定、定定位销固固定和斜斜楔块固固定。在在实际使使用中，，通常是是两根导导轨成队队使用，，其中一一条为基基准导轨轨，通过过对基准准导轨的的正确安安装，以以保证运运动部件件相对于于支承元元件的正正确导向向。预紧是为为了提高高滚动导导轨的刚刚度。预预紧可提提高接触触刚度和和消除间间隙；在在立式导导轨上，，预紧可可防止滚滚动体脱脱落和歪歪斜。常常见的预预紧方式式有采用用过盈配配合和调调整法两两种。12.12.202223一、传动动原理静压蜗杆杆—蜗轮齿条条是一种种精密传传动副，，用于将将回转运运动转变变为直线线位移。。4.4静压蜗杆杆—蜗轮条传传动12.12.202224流体静压压蜗杆蜗蜗轮齿条条机构是是在蜗杆杆和蜗轮轮齿条的的啮合面面间注入入一层高高刚度的的吸振油油膜使两两啮合面面间成为为液体摩摩擦。这这层油膜膜不但从从根本上上解决了了传动副副的磨损损问题，，而且减减小了传传动件的的制造误误差对传传动精度度的影响响，从而而起到平平均误差差的作用用。流体静压压蜗杆蜗蜗轮齿条条的工作作原理图图中油腔腔开在蜗蜗轮上，，用毛细细管节流流的定压压供油方方式给该该机构提提供压力力油。从从液压泵泵输出的的压力油油，经过过蜗杆螺螺纹内的的毛细管管节流器器，分别别进入蜗蜗杆—蜗轮齿条条的两侧侧面油腔腔内，然然后经过过啮合面面之间的的间隙，，再进入入齿顶与与齿根的的间隙，，压力降降为零，，流回油油箱。12.12.202225二、传动动方案蜗杆—蜗轮齿条条机构常常用的传传动方案案有以下下两种：：（1）蜗杆箱箱固定，，蜗轮齿齿条固定定在运动动件上。。这种传传动方案案用于龙龙门式铣铣床的移移动工作作台进给给驱动机机构中。。（2）蜗轮齿齿条固定定，蜗杆杆箱固定定在运动动件上。。这样行行程长度度可大大大超过运运动部件件的长度度。这种种方案常常用于桥桥式镗铣铣床桥架架进给驱驱动机构构中。12.12.202226直线电动动机可以以分为步步进直线线电动机机、直流流直线电电动机和和交流直直线电动动机三大大类。在在机床上上主要使使用交流流直线电电动机。。在励磁方方式上，，交流直直线电动动机可以以分为永永磁(同步)式和感应应(异步)式两种。。4.5直线电动动机传动动12.12.202227一、、直直线线电电动动机机的的工工作作原原理理直线线电电动动机机的的工工作作原原理理与与旋旋转转电电动动机机没没有有本本质质区区别别，，可可将将其其视视为为旋旋转转电电动动机机沿沿圆圆周周方方向向拉拉伸伸展展平平的的产产物物，，对对应应于于旋旋转转电电动动机机的的定定子子部部分分，，称称为为直直线线电电动动机机的的初初级级；；对对应应于于旋旋转转电电动动机机的的转转子子部部分分，，称称为为直直线线电电动动机机的的次次级级。。当当多多相相交交变变电电流流通通过过多多相相对对称称绕绕组组时时，，就就会会在在直直线线电电动动机机初初级级和和次次级级之之间间的的气气隙隙中中产产生生一一个个行行波波磁磁场场，，从从而而使使初初级级和和次次级级之之间间相相对对移移动动。。当当然然，，二二者者之之间间也也存存在在下下一一个个垂垂直直力力，，可可以以是是吸吸引引力力，，也也可可以以是是推推斥斥力力。。12.12.202228二、直线电电动机的特特点1、优点（1）高速响响应（2）精度（3）动刚度度高（4）速度快快、加减速速过程短（5）行程长长度不受限限制（6）运动噪噪音低（7）效率高高12.12.2022292、缺点(1)效率低、功功耗大、结结构尺寸和和自重相对对较大;(2)无机械连接接或啮合，，不具自锁锁能力，设设计和使用用中应注意意考虑外加加制动措施施,特别是在垂垂直轴进给给系统应用用中；(3)对运动载荷荷较敏感，，所以当负负荷变化大大时，需要要重新整定定系统;(4)磁铁(或线圈)对电动机部部件的吸力力很大，因因此应注意意选择导轨轨和设计滑滑架结构，，并注意解解决磁铁吸吸引金属颗颗粒的问题题；(5)工作过程温温升高，要要求强冷却却。12.12.202230例举了丝杠杠、导轨在在使用过程程中常见的的的故障、、故障原因因及维修方方法。4.6进给传动系系统常见故故障诊断及及维修12.12.202231滚珠丝杠螺螺母副12.12.202232外循环回流流方式内内循环回流流方式12.12.202233螺母垫片丝杠FmFm伸张预紧垫片结构消消隙12.12.2022341234567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12.12.202235螺母1螺母2螺母座内齿圈齿差调隙式12.12.202236危险转速（临界转速）固定危险轴向载荷（容许轴向载荷）自由12.12.202237支承危险转速（临界转速）危险轴向载荷（容许轴向载荷）支承12.12.202238支承危险转速（临界转速）危险轴向载荷（容许轴向载荷）固定12.12.202239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12.12.202240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12.12.202241滑动导轨12.12.202242滚动导轨12.12.20224312578945°45°45°45°6直线滚动导轨保持器12.12.202244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12.12.202245蜗杆-蜗轮齿条传动机构1-蜗轮2-蜗杆齿条12.12.202246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12.12.202247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12.12.202248进给运动蜗杆箱移动式1-蜗杆2-涡轮齿条3-进给箱4-电动机5-蜗杆箱6-变速齿轮12.12.202249次级初级

旋转电机展平为直线电机的过程（a）旋转电机（b）直线电机12.12.202250故障现象故

障

原

因维

修

方

法滚珠丝杠副噪声丝杠支承轴承的压盖压合情况不好调整轴承压盖，使其压紧轴承端面丝杠支承轴承可能破裂如轴承破损，更换新轴承电动机与丝杠联轴器松动拧紧联轴器，锁紧螺钉丝杠润滑不良改善润滑条件，使润滑油量充足滚珠丝杠副滚珠有破损更换新滚珠滚珠丝杠运动不灵活轴向预加载荷过大调整轴向间隙和预加载荷丝杠与导轨不平行调整