铣床工作台的总体设计

数控铣床进给传动系统机械结构与工作原理

数控铣床进给传动系统机械结构

数控机床的进给传动是由伺服电机经过由进给传动系统将动力传递给工作台等运动部件，通常进给传动系统是由一至两级齿轮副或带轮副和滚珠丝杠螺母副或齿轮齿条副或蜗杆蜗条副所组成。传动系统的齿轮副或带轮副的主要作用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，还匹配所需的脉冲当量作用。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系统去掉了降速齿轮副，直接将伺服电机与滚珠丝杠连接来驱动工作台，直线运动采用滚动导轨，从而保证运动的精度和动作的灵敏度[8]。

由于数控机床的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，必须考虑以下几方面问题：

①减少运动件的摩擦阻力。机械传动结构的摩擦阻力，主要来自丝杠螺母副和导轨。在数控机床进给系统中，为了减小摩擦阻力，消除低速进给爬行现象，提高整个进给系统稳定性，广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及滑动导轨和液体静压导轨等。

②提高传动精度和刚度。进给传动系统的传动精度和刚度，与丝杠螺母副及其支承结构的刚度有密切的关系。因此，首先要保证各个零件的加工精度，特别是提高滚珠丝杠螺母副的传动精度然后对滚珠丝杠和轴承进行预紧等措施来提高进给精度和刚度。

③减少各运动零件的惯量。传动元件的惯量对进给系统的启动和制动特性都有影响，尤其是高速运转的零件，其惯量的影响更大。

④系统要有适度阻尼。阻尼会降低进给伺服系统的快速响应特性，但又可增加系统的稳定性，当刚度不足时，运动件之间的运动阻尼对降低工作台爬行，提高系统稳定性起了重要作用。

⑤稳定性好、寿命长。稳定性是伺服进给系统能正常工作的基本条件，应能保证系统在低速进给时不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。稳定性与系统的惯性、刚性、阻尼及增益等有关。而进给系统的寿命，主要指保持数控机床传动精度和定位精度时间的长短，即各传动部件保持其原制造精度的能力，故应合理选择各传动件的材料、热处理方法及加工工艺，并采用适宜的润滑方式和防护措施，以延长寿命。

⑥使用维护方便。数控机床进给系统的结构设计应便于维护和保养，应最大限度地减少维修工作量，以提高数控机床的利用率。

几个关键元件的结构与作用

联轴器

用于连接伺服电机与滚珠丝杠，把伺服电机所产生的转矩直接传递到滚珠丝杠上。 134256

7

8

图2.1 膜片弹性联轴器

1—压圈；2—联轴器； 3,5—球面垫圈；4—柔性片；6—锥环； 7—电动机；8—滚珠丝杠

数控机床上常用无键弹性环联轴节和套简式联轴节，其中弹性环联轴节具有定心

好、承载能力强、没有集中源、装拆方便、密封和保护性好等优点，得到广泛应用。

用得最普遍的是直联式，它是通过挠性联轴节，把伺服电机和滚珠丝杠联通接起来，图中2.1所示“锥环”是无隙直联方式的关键元件[4]。

滚珠丝杠螺母副

滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置[1]。

(1)工作原理与特点

滚珠丝杠螺母副的结构原理示意图如图2.2所示，在丝杠3和螺母1上部有半圆弧形的螺旋槽，当将它们套装在—起时便构成滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道b，a与c为滚珠在螺母上的进出口，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。由于滚珠螺母副中是滚动摩擦，它具有以下特点：

①传动效率高，摩擦损失小

滚珠丝杠副的传动效率η＝0.91～0.96，而一般的常规（滑动)丝枉螺母副η＝

0.20～0.40。故滚珠丝杠副的传动效率比常规丝杠螺母副提高丁3～4倍。因此，功率消耗只相当十常规丝杠螺母副的1／4～1／3。

②给予适当的预紧，可消除丝杠和螺母螺纹间隙

适当预紧后的滚珠丝杠副，可消除螺纹间隙，这样反向时就可以没有空程死区，反向定位精度高；与常规丝杠螺母副相比有较高的轴向刚度。

③运动平稳，无爬行现象，传动精度高

滚珠丝杠副基本是滚动摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小几乎与运动速度完全无关。这样就可以保证运动的平稳性而不易出现爬行现象，故传动精度高。

④可逆性

由于滚珠丝杠副摩擦损失小，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，即丝杠和螺母都可作为主部件，也可作为从动件。

⑤磨损小，使用寿命长

因为滚动摩擦的摩擦系数小，磨损亦小，故寿命长。

⑥制造工艺复杂

滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值要求低，例如丝杠和螺母上的螺旋槽滚道，一般都要求磨削成型，故制造成本高。

⑦不能自锁

特别是垂直安装的丝杠，由于自身质量的惯性力的作用，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故常需要添加制动装置。

图2.2 1-螺母2-滚珠3-丝杠

(2)滚珠丝杠螺母副的循环方式

常用的循环方式有两种：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称内循环。

外循环外循环的回珠器有螺旋槽式和插管式两种。图3所示为常用的一种外循环方式，这种结构是在螺母体上轴向相隔数个螺距处钻两个孔与螺旋槽相切，作为滚珠的进口与出口。再在螺母的外表面上铣出回珠槽并沟通两孔。另外在螺母内进出口处各装一挡珠器，并在螺母外表面装一套简，这样便构成封闭的循环滚道。外循环结构制造工艺简单，使用较广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响该滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，噪声也较大。

内循环内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种型式。图2.3 (a)所示为圆柱凸键反向器，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽2。反向