第4章数控机床的进给传动系统

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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
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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。
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。
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4.4 静压蜗杆—蜗轮条传动
一、传动原理
静压蜗杆—蜗轮齿条是一种精密传动副，用 于将回转运动转变为直线位移。
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4.5 直线电动机传动
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永 磁(同步)式和感应(异步)式两种。
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一、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，也
危险轴向载荷（容许轴向载荷）
（d）
固定
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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
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滑动导轨
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滚动导轨
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45° 45°
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。
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2、静压导轨
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分 开，保证导轨面在液体摩擦状态下工作。
3、滚动导轨
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、防 护要求较高。
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滚珠丝杠螺母副
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外循环回流方式
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内循环回流方式
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螺母
Fm
垫片
丝杠
Fm
伸张预紧
垫片结构消隙
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1
23 4
56 7
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
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螺母2
螺母座 螺母1
内齿圈
齿差调隙式
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固定
危险转速（临界转速）
危险轴向载荷（容许轴向载荷）
自由
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支承
危险转速（临界转速）
危险轴向载荷（容许轴向载荷）
支承
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固定
危险转速（临界转速）
危险轴向载荷（容许轴向载荷）
支承
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固定
危险转速（临界转速）
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。
可以是推斥力。
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二、直线电动机的特点
1、优点 （1） 高速响应 （2） 精度 （3） 动刚度高 （4） 速度快、加减速过程短 （5） 行程长度不受限制 （6） 运动噪音低 （7） 效率高
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2、缺点
(1)效率低、功耗大、结构尺寸和自重相对较大;
(2)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,特别是在垂直轴 进给系统应用中；
Lh
L103 2nl60
式中 l ——行程长度（m）
—n —每分钟往复次数
如已选定滚动导轨的型号，即已知C，可据 此计算预期寿命；如给定预期寿命，可由Lh计 算L，再计算额定动载荷C，据此选定导轨的型 号。
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五、滚动导轨的安装、预紧
滚动直线导轨副的安装固定方式主要有螺栓 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 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 向。
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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。
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（二）滚珠丝杠副的选择方法
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。
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三、滚动导轨的结构
(1) 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器
型滚动直线导轨，是较常见的一种导轨副。图 中1是支承导轨，上面装有滑块8，在滑块8中 装有4组滚珠，在支承导轨和滑块间的直线滚 道内滚动。当滚珠3滚动到滑块的端面时，经 挡板6由回珠孔返回另一端，从而循环工作。 其中4为保持架，2为侧面密封垫。密封垫5是 用来防止灰尘进入导轨。9为润滑油嘴，可从 此注入润滑油。滚珠3之间用保持器7分开，滚 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。
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（四）制动装置
目前常见的有机械式和电气式两种。电气方 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。
FANUC公司伺服电机带制动器的示意图。 机床工作时，在制动器线圈7电磁力的作用下， 使齿轮8与内齿轮9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， 齿轮8、9啮合，齿轮9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 器装在电机壳内，与电机形成一体化的结构。
7-精滤油器 8-压力表 9-压力继电器 10-节流器
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。
流体静压蜗杆蜗轮齿条的工作原理图中油腔 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， 经过蜗杆螺纹内的毛细管节流器，分别进入蜗 杆—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 力降为零，流回油箱。
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（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、润滑油。 润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的 1/3，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、润滑油的 种类、使用条件等的不同而不同。
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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(即进给速度)，后者则 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;将实心丝杠改为空心的;改进回 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 ;采用滚珠丝杠固定 等.
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。
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（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。
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二、传动方案
蜗杆—蜗轮齿条机构常用的传动方案有以下两 种：
（1）蜗杆箱固定，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 进给驱动机构中。
（2）蜗轮齿条固定，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长度。 这种方案常用于桥式镗铣床桥架进给驱动机 构中。
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5 67
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源自文库
45°
45°
直线滚动导轨
保持器
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螺钉固定
工作台 床体
工作台
压板固定
工作台 床体 工作台
定位销固定
床体
楔形块定位
滚动直线导轨副的安装固定方式
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床体
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蜗杆-蜗轮齿条传动机构 1-蜗轮 2-蜗杆齿条
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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
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（三）滚珠丝杠副的验算
（1）刚度验算
刚度验算就是校验丝杠在额定轴向(扭转)载 荷作用下，执行件的失动量。
（2）临界转速验算
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，影 响机床正常工作。应根据有关计算公式进行的 校核。
（3）寿命验算
滚珠丝杠副的寿命，主要是指疲劳寿命。
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四、滚动导轨的载荷、寿命计算
（一）载荷计算 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）、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，以及切削阻 力作用等。
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（二）寿命计算 滚动直线导轨副的寿命计算公式为：
(3)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;
(4)磁铁(或线圈)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 磁铁吸引金属颗粒的问题；
(5)工作过程温升高，要求强冷却。
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4.6 进给传动系统常见故障诊断及维修
例举了丝杠、导轨在使用过程中常见的的故 障、故障原因及维修方法。
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4.3 导轨滑块副
一、数控机床对导轨滑块副的要求
(1)导向精度高 (2)耐磨性好 (3)刚度大 (4)良好的磨擦特性
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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、静压导轨和滚动导轨。 (1) 滑动导轨
特点:摩擦特性好、耐磨性好、运动平稳、工 艺性好、速度较低.
第四章数控机床 的进给传动系统
天津工程师范学院
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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
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4.1 概述
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（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）。
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。
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4.2 滚珠丝杠螺母副
L50 fhftfcfa
3 C
fw F
L—额定寿命（km） C—额定动载荷
F—工作载荷
—f 硬h 度系数
f t—温度系数 f a—精度系数
—接f c 触系数 —载f w 荷系数
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滚动导轨块寿命计算的公式为：
10
L100 fhft fcfa C 3 fw F
如果寿命以h计算，