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1、Word修改版机床安装与调试课件数控机床进给传动链组件之一 联轴器作为数控机床进给驱动机构，目前有下述几种常见连接形式： 电机与滚珠丝杠直连（目前广泛用于各类数控机床） 电机与同步带轮相连接， 同步带轮连接滚珠丝杠。（早 期数控机床） 电机与蜗杆连接，蜗杆通过蜗轮副带动工作 台回转。（用于转台驱动）当采用连接形式和时，电机作为主动轴，而滚珠丝杠和蜗杆轴作为被动 轴，如何将主动轴上的扭矩精准的传递到被动轴上？目前数控机床广泛采用“弹 性联轴器”。所谓联轴器就是用来连接不同机构中的两根轴（主动轴和被动轴）使之共同 旋转以传递扭矩的机械零件。联轴器可分为刚性的、和弹性的。 刚性的又可分固定式（套筒联

2、轴器、凸缘联轴器等）可移式（齿轮联轴器、十字滑块联轴器及万向联轴器等）刚性联轴器的特点：刚性联轴器不具有补偿被联两轴线相对偏移的能力，也 不具有缓冲减震性能；但结构简单，价格便宜。只有在载荷平稳，转速稳定，能 保证被联轴线相对偏移极小的情况下，才可选用刚性联轴器。弹性联轴器的特点：有很好的缓冲性、减震性，承载力适中，更重要的是弹 性联轴器能够允许主动轴和被动轴之间存在一定的安装误差。 角度误差 平行度误差间隙误差弹性联轴器根据结构不同分为： 波纹管式联轴器特点：具有超强纠偏性。 顺、逆时针回 转特性完全相同，可耐高温、免维护。适用于小扭矩传动时，零回转间隙。 梅花联轴器特点：工作稳定可靠，具有

3、良好的减振、 缓冲性能，具有较大的轴向、径向和角 向补偿能力，高强度聚氨酯弹性元件耐 磨耐油，承载能力大，使用寿命长。适用于中等扭矩传动时的连接 膜片联轴器特点：承载能力大，适用范围广，传递 扭矩范围可达 30-8100000N.m 使用寿 命长，工作温度范围大 ( 最高可达 +280)，可在腐蚀介质中工作构简单， 易于加工制造，没有磨损件，不需润滑， 易于维修，震动小、无噪声。靠膜片的 弹性变形来补偿所联两轴的相对位移。其适用于中等以上扭矩传动时，传动精 度高，可靠性高，可高温下运转。 齿形联轴器内齿和外齿啮合，其适用于大扭矩传动 时。联轴器的连接键槽联轴器与轴相连时，又可分为不同连接形 式

4、。主要有：1.键连接传动扭矩大，结构简单，成本低，空间尺 寸小，但高速旋转时，其动平衡不好。键连接工作原理与普通机械设备键连接 相同锁紧 螺丝2.夹紧式连接结构简单，成本低，空间尺寸小。但锁紧 力不够时，会造成连轴器与轴之间轴向打滑。卡紧连接是通过两端的紧固螺丝，将“开 口”闭合，增大卡持力矩。压 紧 Z1型胀 环3.胀环连接传动力矩大，对相关加工尺寸 要求高，结构复杂，联轴器体积大。账环夹紧工作原理为：通过端 盖锁紧，当压紧端盖时，同时压紧 了胀环，胀环分内圈和外圈，形状 是成锥形的，所以当有压紧力时， 它的内圈会压紧在轴上，外圈压紧 在联轴器套筒上。这样完成了轴与 联轴器的连接。 力十字滑

5、块式联轴器 当传递小扭矩时，通常采用十字滑块联轴器，十字滑块联轴器结构简单，体积小，安装容易。同时能够允许一定的轴线安装误差。目前 FANUC 脉冲编码器常采用十字滑块连接。 联轴器的常见故障： 弹性联接器弹性联接器是数控机床广泛采用的联轴器，它能补偿因同轴度及垂直度误差 引起的“干涉”现象。在结构允许的条件下，大部分数控机床的伺服进给系统都采 用弹性联接器结构。但弹性联接器装配时很难把握锥套是否锁紧，如果锥形套胀 开后摩擦力不足，就使丝杠轴头与电机轴头之间产生相对滑移扭转，造成数控机 床工作运行中，被加工零件的尺寸呈现有规律的逐渐变化（由小变大或大变小）， 每次的变化值基本上是恒定的。如果调

6、整机床快速进给速度后，这个变化量也会 起变化，此时 CNC 系统并不报警，因为电动机转动是正常的，编码器的反馈也 是正常的。一旦机床出现这种情况，单纯靠拧紧两端螺钉的方法不一定奏效。解 决方法是设法锁紧联轴器的弹性锥形套，若锥形套过松，可将锥形套轴向切开一 条缝，拧紧两端的螺钉后，就能彻底消除故障。 刚性联轴器刚性联轴器目前主要采用联轴套加锥销的联接方法，而且大多进给电机轴上 都备有平键。这种连接，经过一段时间使用，圆锥销开始松动，键槽侧面间隙逐 渐增大，有时甚至引起锥销脱落，造成零件加工尺寸不稳定。解决的方法有两种： 采用特制的小头带螺纹的圆锥销，用螺母加弹性垫圈锁紧，防止圆锥销 因快速转换

7、而引起的松动。该方法能很好地解决圆锥销松动的问题，同时也减轻 了平键所承受的扭矩。当然，这种方法因圆锥销小头有螺母，必须确保联轴器有 一定的回转空间。 采用两只一大一小的弹性销取代圆锥销连接，这种方法虽然没有圆锥销 的连接方法精度高，但能很好地解决圆锥销松动问题，弹性销具有一定的弹性， 能分解部分平键承受的扭矩，而且结构紧凑，装配也十分方便。经在维修中应用， 效果很好。但装配时要注意，大小弹性销要求互成 180装配，否则会影响零件 加工的精度。数控机床的进给机构，采用伺服电机或步进电机与滚珠丝杠连接，一般采用 联轴器直连、齿形同步带连接或运用齿轮相连。在许多场合，因结构上的限制，特别是采用了伺

8、服电机或混合式步进电机后，联轴器直连便成为电机与滚珠丝杠 最为常见的连接方法。由于数控机床进给速度较快，如快进、快退的速度有时高达 20m/min 以上， 在整个加工过程中正反转换频繁。联轴器承受的瞬间冲击较大，容易引起联轴器 松动和扭转，随使用时间的增长,其松动和扭转的情况加剧。在实际加工时，主 要表现为各方向运动正常、编码器反馈也正常、系统无报警，而运动值却始终无 法与指令值相符合，加工误差值越来越大，甚至造成加工的零件报废。出现这种 情况时，建议检查一下联轴器。联轴器英语词汇Coupling 联轴器 Torque 力矩 Transmission 传递Torque transmission

9、 力矩传递 Damping 抑制，阻尼 Vibrations 震荡Damping of torsion vibrations 抑制扭矩震荡Compensation 补偿Misalignments 不重合Axial misalignments 轴线不重合Compensation for axial, radial and angular shaft misalignments 补偿轴向、径向和角 度方向的误差（不重合度）Axial plug-in 轴插入easy assembly 安装容易 maintenance free 免维护 Flexible 弹性的、柔性的 Elastic 弹性的Back

10、lash 反向间隙 Backlash-free 无反向间隙 Prestress 预加应力Easy blind assembly 便于盲装，非常容易安装。 Integrated clamping system 综合卡紧装置 Flange connect 法兰连接feather keyway according to DIN 6885 标准键了连接，遵循 DIN 6885 标准。Finish bore according to ISO fit H7 联轴器孔精镗遵循 ISO 标准 H7数控机床进给传动链组件之二滚珠丝杠副滚珠丝杠作为数控机床进给传动链中的重要组成部分，在整个传动链中起着将旋转运动转

11、化为直线运动的重要作用。作为数控机床的进 给驱动（不同于主轴传 动），一般情况是伺服电 机通过联轴器将动力直 接传递给滚珠丝杠，丝杠 旋转带动丝杠螺母横向 移动，也有的进给机构是 将动力传递给丝杠螺母， 丝杠螺母旋转推动丝杠 前后移动，完成将旋转运 动转化为直线运动这一 过程。 数控机床常用丝杠参见 图 s-1图 s-1 数控机床用滚珠丝杠1. 滚珠丝杠的特点： 那么数控机床为什么不象普通机床那样使用梯形丝杠呢？我们通过对两种丝杠的比较，自然会得出结论。 图 s-2 滚珠丝杠结构 图 s-3 梯形丝杠结构通过上图 s-2 我们可以看出，滚珠丝杠副丝杠与丝杠螺母之间是滚动 摩擦，靠一连续的滚珠在

12、滚道中产生相对运动，摩擦系数非常小，可达到=0.003，在实际应用中由于滚珠丝杠是滚动摩擦，所以动态响应快，易于控制， 精度高。而从图 s-3 中我们得知，梯形丝杠是依靠丝母与丝杠之间的油膜产生相对滑 动工作的，从机械原理上讲，滑动摩擦的两物体之间必然会有间隙，包括渐开线 齿轮、齿轮齿条等，所以梯形丝杠传递力矩时，摩擦力比滚珠丝杠大，间隙比滚 珠丝杠大。从两种不同丝杠的结构特点，不难看出滚珠丝杠的优势和特点： 滚珠丝杠螺母副是一种低摩擦，高精度，高效率的机构。它的机构效率（=0.92-0.96）比梯形丝杠（= 0.20-0.40）高 3-4 倍。滚珠丝杠螺母副的动（静）摩擦系数基本相等，配以滚

13、动导轨，启动力矩很小，运动极灵敏，低速时不会出 现爬行。另外，滚珠丝杠生产过程中，在滚道和珠子之间施加预紧力，可以消除间隙， 所以滚珠丝杠可以达到无间隙配合。基于这些特点数控机床广泛采用滚珠丝杠， 并配合伺服电机达到高的动态响应和高定位精度。2. 滚珠丝杠的结构与预紧 滚珠丝杠的内部结构如下图 s-4 所示 图 s-4 内循环滚珠丝杠图 s-5 外循环滚珠丝杠滚珠丝杠从循环形式上可分为：内循环式和外循环式，参见图 s-4 和图 s-5。滚珠丝杠从螺母预紧形式上可分为：单螺母和双螺母，参见图 s-7。 内循环式滚珠丝杠结构尺寸小，但是由于循环器受尺寸所限，滚珠循环及散热条件差，制约了丝杠高速旋转

14、。外循环式滚珠丝杠循环器有局部在丝母外，散热好，但安装尺寸较大。 单螺母丝杠副的预紧力是在出 厂时完成的，基本上是“一次性 的”，也就是说进入使用阶段后 很难再调整了。图 s-6 单螺母内部预紧而双螺母丝杠副的预紧力虽然在出厂时已经调好，但是进入使用环节后，特 别是使用一段时间需要调整丝杠副间隙时，可以通过增减调整垫的厚度，进行再 次的预紧。 图 s-7 双螺母结构滚珠丝杠作为高精度进给驱动机构，为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴 向间隙。其双螺母滚珠丝杠副消除间隙的方法是，利用两个螺母的相对轴向位移， 使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。参见下图 s-8图 s

15、-7 双螺母结构调整预紧力其它常见的双螺母调整结构又有下述几种形式：常用的双螺母丝杆间隙的 调整方法有：1. 垫片调隙式结构；参见图 s-8 （A），原理是通过增加 垫片厚度，使两个螺母在相对的方向上产生轴向力，克 服间隙，增加预紧力。2. 螺母调隙式结构；参见图 s-8 （B），原理同上，只是 调整的手段不是垫片，而是 两个锁紧螺母。3. 齿差调隙式结构；参见图 s-8 （C）。其原理是通过在 两个螺母的凸缘上各制有 圆柱外齿轮，分别与固紧在 套筒两端的内齿圈相啮合， 其齿数分别为 Z1、Z2，并相 差一个齿。调整时，先取下 内齿圈，让两个螺母相对于 套筒同方向都转动一个齿， 然后再插入内齿

16、圈，则两个 螺母便产生相对角位移，其 轴向位移量为：式中 Z1、Z2 为齿轮的齿数，Ph 为滚珠丝 杠的导程。（A）（B）（C）图 s-8 双螺母滚珠丝杠预紧力调整但是，目前最常见的调整预紧力结构是图 s-7 中所示的“双螺母加垫”预紧 调整，所以我们在以后的学习中将重点关注这种结构。滚珠丝杠支撑丝杠螺母在受到工作台的轴向力后为什么纹丝不动？前面我们大致了解了滚珠丝杠的工作原理，那么它是怎样具体应用在机床上 呢？我们在这一节进行讨论。首先我们了解一个典型的进给轴传动链，如图 s-9 所示：图 s-9 伺服电机轴 滚珠丝杠 、 联轴节压盖 联轴节轴套 Z1 型涨环 近端支撑轴承 远端支撑轴承从上

17、图我们不难发现，最终支撑滚珠丝杠的是近端支撑轴承和远端支撑 轴承，仔细观察这两组轴承是具有“方向性”的，这两组轴承通过相互的作用， 将轴向力“顶住”，如图中轴承受力延长线所示。所谓的“顶住”，是丝杠轴承巧妙的运用了“角接触轴承（又称向心推力轴 承）”即可以承受径向力，又可以承受轴向力的双向受力特点。内圈作用力 外圈作用力图 s-10如图 s-10 所示，当轴承内档圈和外档圈受到一组相反方向的作用力时，轴 承钢珠承受着一对互为相反的作用力，从静力学的角度上看，当物体静止时，这 一对作用力大小相等，方向相反。作为我们机床丝杠传动，来自工作台的轴向力是作用在轴承的内圈上，如果 我们约束丝杠不窜动，只

18、要在轴承外圈上作用一个方向相反、大小相等的力即可， 这样轴向受力是平衡的。又由于内、外圈之间是滚动摩擦，因而保证了丝杠灵活 的转动。对于数控机床丝杠传动，需要根据不同的情况控制轴承的游隙（钢珠与内外 环之间的间隙），对于低速大扭矩的传动，需要这一游隙是过盈的，即要使钢珠 在滚道内受挤压变形，从配合的角度讲，间隙是负值。而对于高速小一点的负载， 则需要游隙大一点，预留出高速运行后钢珠和内外圈的热膨胀系数。为了实现这一目的，我们往往采用“过定位”的方式，即在轴承的内、外圈 四个点均加上受力点，如图 s-11 所示 内圈图 s-11内圈缩紧螺母图 s-12这样滚珠丝杠就被牢牢的约束住了，这里请同学们

19、注意，轴承游隙调整的过 紧，机床驱动负载加大，轴承很快损坏。轴承游隙调整的过松，间隙过大，丝杠 在轴向窜动比较大，导致机床的定位精度和重复定位精度差。如何将游隙调整到一个精确合理的尺度，是一项比较精细的实践活动，需要 我们既有理论知识，又要有丰富的实践经验。轴承补充知识角接触轴承组合另外，根据机床的结构和要求不同、传动链的受力不同，轴承的组合也不尽 相同，常见的组合如下：双列组合 其中第一个字母表示： DDuplex 双列轴承 其中第二个字母表示： BBack to Back 背对背 FFace to Face 面对面 TTandem 串联 DF双列面对面图 s-13三列组合 其中第一个字母表

20、示： TTriplex 三列轴承 其中第二个字母表示： BBack to Back 背对背 FFace to Face 面对面 TTandem 串联 TBT三列背对背串联图 s-14图 s-15 四列组合 其中第一个字母表示： QQuadruple 四列轴承 其中第二个字母表示： BTBack to Back Tandem 背对背接串联FTFace to Face Tandem面对面接串联TTandem 串联图 s-16那么本节图 -1 中近端轴承组合是什么？请同学们自己表示出来。图 s-17那么本节图 -1 中远端轴承组合是什么？请同学们自己表示出来。图 s-18 图 s-19滚珠丝杠支撑滚

21、珠丝杠副的安装形式上面我们仅介绍了一组轴承的约束，实际应用中正如我们图 s-9 所示，丝杠 的近端和远端均有轴承支撑，那么数控机床进给轴常见的丝杠支撑有几种形式 呢？滚珠丝杠副的安装方式最常用的通常有以下几种： 固定自由方式如图 s-20 所示，丝杆一端固定，另一端自由。 固定端轴承同时承受轴向力和径向力，这种支承方式用于行程小的短丝杆或者用于全闭环的机床，因为这种结构的机械定位精度是最不可靠的，特别是对于长/径比大的丝杠（滚珠丝杠相对细长），热变性是很明显的，1.5 米长的丝杠在 冷、热的不同环境下变化 0.050.10 毫米是很正常的。但是由于它的结构简单， 安装调试方便，许多高精度机床仍

22、然采用这种结构，但是必须加装光栅，采用全 闭环反馈，如德国马豪的机床大都采用此结构。1电动机 2弹性联轴器 3轴承 4滚珠丝杆 5滚珠丝杆螺母 图 s-20固定支承方式如图 s-21 所示，丝杆一端固定，另一端支承。 固定端同时承受轴向力和径向力；支承端只承受径向力，而且能作微量的轴向浮动，可以减少或避免因丝杆自重而出现的弯曲，同时丝杆热变形可以自由地向一端伸长。这种结构使用最广泛，目前国内中小型数控车床、立式加工中心等均采用这 种结构。 1电动机 2弹性联轴器 3轴承 4滚珠丝杆 5滚珠丝杆螺母 图 s-21 固定固定方式 如图 s-22 所示 丝杆两端均固定。固定端轴承都可以同时承受轴向力

23、，这种支承方式，可以对丝杆施加适当的预紧力，提高丝杆支承刚度，可以部分补偿丝杆的热变形。对于大型机床，重型机床，以及高精度机床常采用此种方案。图 s-221电动机 2弹性联轴器 3轴承 4滚珠丝杆 5滚珠丝杆螺母但是，这种丝杠的调整比较繁琐，如果两端的预紧力过大，将会导致丝杠最 终的行程比设计行程要长，螺距也要比设计螺距大。如果两端锁母的预紧力不够， 会导致相反的结果，并容易引起机床震荡，精度降低。所以这类丝杠在拆装时一 定要按照原厂商说明书调整，或借助仪器（双频激光测量仪）调整，参见下图s-23。图 s-23图 s-24 进给轴传动链丝杠支撑与预紧滚珠丝杠日常保养间隙消除与润滑双螺母丝杠的工

24、作原理 我们已经在前面叙述，下面我 们简述丝杠间隙调整步骤：首先判断丝杠间隙：如果 丝杠无间隙，有一定的预紧力时，转动丝母时会感觉到有一 定的阻力，似乎有些“阻尼”， 并且全行程均如此，说明丝杠没有间隙，不需要调整。 相反，如果丝杠和丝母之间会很松垮的配合，则说明丝杠丝母之间存在间隙了，就需 要调整了。1. 双螺母滚珠丝杠副的间隙消除：图 s-25键销步骤 1：将丝母上键式定位 销固定螺钉松开，取下定 位销。注意丝母上相隔 180 度有两个键式定位销，均 需要拆卸下来。参见图 s-26步骤 2：将已经分离的前后 螺母反方向旋转，将其完 全松开，取下两个半月板。 参见图 s-26步骤 3：根据丝

25、杠副之间的 空载力矩情况（手感），选 择塞尺与半月板同时插入 两丝杠螺母之间，并将丝 杠螺母锁紧到位。锁紧到 位的标志是键销定位槽对 齐，这是再转动丝杠螺母， 直至手感有些阻力，但同 时键销定位槽又能够对 齐，说明厚度测好。 参见图 s-27图 s-26键槽要对齐图 s-27步骤 4：将两螺母松开，测量半月板和所插入塞尺的总厚度，画图从新制作 半月板，试装。步骤 5：如果厚度适宜，丝杠和丝杠螺母配合良好，安装丝杠螺母上的两个 键销，上紧键销固定螺丝。2. 滚珠丝杠螺母副密封与润滑的日常检查 滚珠丝杠螺母副的密封与润滑的日常检查是我们在操作使用中要注意的问题。对于丝杠螺母的密封，就是要注意检查密

26、封圈和防护套，以防止灰尘和杂质进入滚珠丝杠螺母副。 对于丝杠螺母的润滑，如果采用油脂润滑，则应按照机床厂说明书定期注入润滑脂（不同型号的丝杠，使用不同的润滑脂，注油周期不同）。如果使用稀油润滑时则要定期检查注油孔是否畅通，一般是在检修时观察丝 杠上面的油膜即可。这里需要注意的是，当采用稀油润滑时，一般导轨和丝杠采 用的是同一个集中润滑系统，如图 s-28 所示，油路从集中润滑泵定量输出，通 过分配器输送到各轴的导轨及丝杠润滑点。 油泵 油路分配器 润滑点 图 s-28 导轨与丝杠稀油润滑图 s-30 集中润滑泵在数控车床的实装位置补充知识之一润滑泵目前数控机床采用的导轨及丝杠的集中润滑箱主要有

27、两大类： 电控式定量集中润滑泵通过外围 PLC 设备设定“供油时间”和“间 歇时间”，通知油泵电机工作。 该泵结构简单，主要由齿轮泵、溢流阀、 辅助手柄、箱体等组成。溢流阀的作用是控制 泵的工作压力，以保护泵的安全，并具有自动 卸压等功能。供油时间和间歇时间是通过外部 PLC 等 自动化设备直接通知齿轮泵电机的旋转。目前这种油泵使用最广泛。图 s-30这种机械式定量的原理是通 过齿轮泵带动伞齿轮和转 动，力矩通过齿轮传递到凸轮，当齿轮每转一转时，凸轮都会带动活塞杆上下移动一 次，而活塞杆每移动一次就将油 腔中的压力提高，当油腔中的 压力足以推开油路单向阀时， 便开始向系统油路供油。实际上此时仅

28、输出几毫升的 油滴，电机就这样往复不断的旋 转，油一滴一滴的“挤”向系统 油路，而流量的调整可以通过手 柄，锁紧上油腔的空间和溢流 口大小，从而控制流量。参见图 s-31这种集中供油的优点是不占 用外围 PLC 点，但缺点是：结构 复杂，供油量调整不准，另外油 泵电机和整个机械系统不停的运 行，影响使用寿命。 机械式定量集中润滑泵依靠泵体本身的凸轮装置或柱塞装置，依靠 机械的预调量，定期向系统供油。图 s-30补充知识之二滚珠丝杠的应用以及国内外主要品牌通过前面的学习讨论，我们对滚珠丝杠的结构、使用、调整、日常保养有了 一定的基本认识。但是滚珠丝杠这一实用技术并不是首先用于数控机床的，滚珠丝杠

29、最早被成 功的用于早期的飞机制造业：如下图所示：图 s-30 滚珠丝杠用于飞机双翼升降6070 年代之后，被成功的用于数控机床的制造中，但是随着直线电机技术 的成熟和在数控机床中的应用，滚珠丝杠也会渐渐的退出它在数控机床中的重要 地位。 图 s-31 直线电机用于数控机床（滚珠丝杠消失）国外主要丝杠生产品牌滚珠丝杠补充知识相关英语Ball screw 滚珠丝杠Nut 丝杠螺母Ball screw support 丝杠支撑Pitch 螺距 Diameter 直径 Bearing 轴承Contact angle 角接触Bearing with 60 degree contact angle 60 度角接触轴承 Back to back 背对背Face to face 面对面 Tandem 串联，一顺 Axial force 轴向力High grade grease 高级润滑脂Axial rigidity 轴刚性Backlash 反向间隙（丝杠背隙）数控机床进给传动链组件之三数控机床导轨从广义上讲：导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨道运动。在导轨 副中，运动的一方叫做动导轨，不运动的一方叫做支承导轨。动导轨相对于支承 导轨的运动，通常是直线运动或回转运动。 图 d-1 数控机床直线导轨那么针对我们数控机床