数控机床进给系统.docx

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数控机床进给系统

数控机创进给系统

数控机床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作。

伺服进给系统的作用是根据数控系统传来的指令信息，进行放大以后控制执行部件的运动，不仅控制进给运动的速度，同时还要精确控制刀具相对于工件的移动位置和轨迹。

因此，数控机床进给系统，尤其是轮廓控制系统，必须对进给运动的位置和运动的速度两方面同时实现自动控制。

数控机床进给系统的设计要求除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。

一个典型的数控机床闭环控制的进给系统组成：

位置比较、放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件等几部分。

机械传动装置：

是指将驱动源旋运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、丝杠螺母副等中间传动机构。

第一节概述

一、数控机床对进给传动系统的要求

1．减少摩擦阻力：

在数控机床进给系统中，普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副，滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。

2．减少运动惯量

3．高的传动精度与定位精度设计中，通过在进给传动链中加入减速齿轮，以减小脉冲当量（即伺服系统接收一个指令脉冲驱动工作台移动的距离），预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙等办法，可达到提高传动精度和定位精度的目的。

4．宽的进给调速范围：

伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围，以适应各工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，工作进给速度范围可达3～6000mm／min（调速范围1：

2000）。

5．响应速度要快：

所谓快响应特性是指进给系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度，即跟踪指令信号的响应要快；定位速度和轮廓切削进给速度要满足要求；工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象

6．无间隙传动：

进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个传动链的各传动副中，直接影响数控机床的加工精度。

因此，应尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。

设计中可采用消除间隙的联轴节及有消除间隙措施的传动副等方法。

7．稳定性好、寿命长：

稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本的条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。

所谓进给系统的寿命，主要指其保持数控机床传动精度和定位精度的时间长短，即各传动部件保持其原来制造精度的能力。

8．使用维护方便

二、联轴器

联轴器是用来连接进给机构的两根轴使之一起回转，以传递转矩和运动的一种装置。

机器运转时，被连接的两轴不能分离，只有停车后，将联轴器拆开，两轴才能脱开。

联轴器的类型：

有液压式、电磁式和机械式；而机械式联轴器是应用最广泛的一种，它借助于机械构件相互间的机械作用力来传递转矩，

1．套筒联轴器

2．凸缘联轴器

3．挠性联轴器：

在大转矩宽调速直流电转机及传递转矩较大的步进电动机的传动机构中，与丝杠之间可采用直接连接的方式，这不仅可简化结构、减少噪声，而且对减少间隙、提高传动刚度也大有好处

安全联轴器的作用是在进给过程中当进给力过大或滑板移动过载时，为了避免整个运动传动机构的零件损坏，安全联轴器动作，终止运动的传递。

在正常情况下，运动由联轴器传递到滚珠丝杠上，当出现过载时，滚珠丝杠上的转矩增大，这时通过安全联轴器端面上的三角齿传递的转矩也随之增加，以致使端面三角齿处的轴向力超过弹簧的压力，于是便将联轴器的右半部分推开，这时联接的左半部分和中间环节继续旋转，而右半部分却不能被带动，所以在两者之间产生打滑现象。

机床许用的最大进给力取决于弹簧的弹力。

拧动弹簧的调整螺母可以调整弹簧的弹力。

在机床上采用了无触点磁传感器监测安全联轴器的右半部分的工作状况。

当右半部分产生滑移时，传感器产生过载报警信号，通过机床可编程序控制器使进给系统制动，并将此状态信号送到数控装置，由数控装置发出报警指标

第二节齿轮传动副

一、齿轮传动副的任务、要求及设计内容

齿轮传动装置主要由齿轮传动副组成，其任务是传递伺服电动机输出的转矩和转速，并使伺服电动机与负载（工作台）之间的转矩和转速负载惯量相匹配，使伺服电动机的高速低转矩输出变为负载所要求的低速转矩。

在开环系统中还可计算所需的脉冲当量。

对传动装置总的要求是传动精度高、稳定性好和灵敏度高（或响应速度快），在设计齿轮传动装置时，也应从有利于提高这三个指标来提出设计要求。

对于开环控制而言，传动误差直接影响数控设备的工作精度，因而应尽可能的缩短传动链、消除传动间隙，以提高传动精度和刚度。

对于闭环控制系统，齿轮传动装置完全在伺服回路中，给系统增加了惯性环节，其性能参数将直接影响整个系统的稳定性。

无论是开环还是闭环控制，齿轮传动装置都将影响整个系统的灵敏度（响应速度），从这个角度考虑应注意减少摩擦、减少转动惯量，以提高传动装置的加速度。

二、消除间隙的齿轮传动结构

在数控设备的进给驱动系统中，考虑到惯量、转矩或脉冲当量的要求，有时要在电动机到丝杠之间加入齿轮传动副，而齿轮等传动副存在的间隙，会使进给运动反向滞后于指令信号，造成反向死区而影响其传动精度和系统的稳定性。

因此，为了提高进给系统的传动精度，必须消除齿轮副的间隙。

1．直齿圆柱齿轮传动副

（1）偏心套调整法

（2）锥度齿轮调整法

（3）双片齿轮错齿调整法

2．斜齿圆柱齿轮传动副

（1）轴向垫片调整法

（2）轴向压簧调整法

3．锥齿轮传动副

（1）轴向压簧调整法

（2）周向弹簧调整法

第三节数控机床用丝杠传动副

数控机床的进给运动链中，将旋转运动转换为直线运动的方法很多，采用丝杠螺母副是常用的方法之一。

本节只介绍滚珠丝杠螺母副和静压丝杠螺母副。

一、滚珠丝杠螺母副

滚珠丝杠副的特点是：

1）传动效率高，摩擦损失小。

滚珠丝杠副的传动效率，=0.92—0．96，比常规的丝杠螺母副提高3～4倍。

因此，功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的1／4～1／3。

2）给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好。

3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。

4）有可逆性，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，即丝杠和螺母都可以作为主动件。

5）磨损小，使用寿命长。

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，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。

7）不能自锁。

特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故常需添加制动装置。

2．滚珠丝杠螺母副的循环方式

常用的循环方式有外循环与内循环两种。

滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称内循环。

3.螺旋滚道型面

（1）单圆弧型面

（2）双圆弧型面

（3）矩形滚道型面

4．滚珠丝杠螺母副间隙的调整

为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度，必须消除滚珠丝杠螺母副轴向间隙。

消除间隙的方法常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两上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，用这种方发预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大。

预紧力过大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。

（1）双螺母消隙常用的双螺母丝杠消除间隙方法有：

1）垫片调隙式。

2）螺纹调隙式3）齿差调隙式。

（2）单螺母消隙

1）单螺母变位螺距预加负荷2）单螺母螺钉预紧。

（3）滚珠丝杠螺母副预紧对于滚珠丝杠螺母副，为保证传动精度及刚度，除消除传动间隙外，还要求预紧。

预紧力计算公式为:

Fv=1/3Fmax

式中,Fmax为轴向最大工作载荷。

5．滚珠丝杠的支承与制动

（1）支承方式

1）一端装推力轴承2）一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承3）两端装推力轴承4）两端装推力轴承及深沟球轴承

（2）制动方式由于滚珠丝杠副的传动效率高，无自锁作用（特别是滚珠丝杠处于垂直传动时），为防止因自重下降，故必须装有制动装置。

其他制动方式有：

1）用具有刹车作甩的制动电动机。

2）在传动链中配置逆转效率低的高减速比系统，如齿轮、蜗杆减速器等。

此法靠摩擦损失达到制动目的，故不经济。

3）采用超越离合器。

7．滚珠丝杠副的参数

（1）公称直径

（2）导程L丝杠相对螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。

（3）基本导程丝杠相对于螺母旋转2时，螺母上的基准点轴向位移。

（4）接触角在螺纹滚道法向剖面内，滚珠球心与滚道接触点的连线和螺纹轴线的垂直线间的夹角，理想接触角等于=45°。

（5）滚珠直径

（6）滚珠的工作圈数I

（7）滚珠的总数N

（8）其他参数除了上述参数外，滚珠丝杠副还有丝杠螺纹大径d、寸丝杠螺纹小径，螺纹全长L、螺母咏纹大径D、螺母螺纹小径、滚道圆弧偏心距e、滚道圆弧半径R等参数。

8．滚珠丝杠副的标注与精度

（1）滚珠丝杠副的标注方法

螺纹旋向为右旋者不标，为左旋者标记代号为“LH”。

P类为定位滚珠丝杠副，即通过旋转角度和导程控制轴向位移量的串珠丝杠副；

T类为传动滚珠丝杠副，它是与旋转角度无关，用于传递动力的滚珠丝杠副。

CDM5010—3—P3表示为外循环插管式，双螺母垫片预紧，导珠管埋入式的滚珠丝杠副，公称直径为50mm，基本导程为10mm，螺纹旋向为右旋，负荷总圈数3圈，精度等级为3级。

（2）滚珠丝杠螺母副的精度

（3）滚珠丝杠的结构类型

（5）滚珠丝杠副的选择方法

①承载能力选择；②丝杠稳定性核算；③对于低速运转的滚珠丝杠，无需计算最大动载荷值，而只考虑其最大静负载是否充分大于最大工作负载；④刚度的验算。

。

二、静压丝杠螺母副机构

（1）静压丝杠的主要优点

1）摩擦因数小；2）因油膜层具有一定的刚度，故可大大减小反向时的传动间隙。

3）油膜层可以吸振4）油膜层介于丝杠螺纹和螺母螺纹之间，5）承载能力与供油压力成正比

（2）静压丝杠的不足之处

1）对原无液压系统的机床2）有时需考虑必要的安全措施

按油腔开在螺纹面上的形式和节流控制方式的不同，目前机床上采用的静压丝杠有以下三种：

1）在螺纹面中径上开一条连通的螺旋沟槽油腔。

2）在螺纹面每侧中径上开3～4个油腔，每个油腔用一个节流器控制称为分散阻尼节流。

3）在螺纹面每侧中径上开3～4个油腔，

按节流形式不同，目前机床上采用的静压丝杠有以下两种：

1）毛细管节流式（属于固定节流）。

2）薄膜双面反馈式（属于可变节流）

第四节齿轮齿条副与双导程蜗杆副传动

一、齿轮齿条传动

二、双导程蜗杆蜗轮副

数控机床上当要实现回转进给运动或大降速比的传动要求时，常采用蜗杆蜗轮副。

蜗杆蜗轮副的啮合侧隙对传动、定位精度影响很大，因此，消除其侧隙就成为设计中的关键问题。

为了消除传动侧隙，可采用双导程蜗杆蜗轮。

1．双导程蜗杆蜗轮副的特点

双导程蜗杆蜗轮副在具有回转进给运动或分度运动的数控机床上应用广泛，是因为其具有突出优点：

1）啮合间隙可调整得很小，

2）普通蜗轮副是以蜗杆沿蜗轮作径向移动来调整啮合侧隙，

3）双导程蜗杆是用修磨调整环来控制调整量

4）双导程蜗轮副的蜗杆支承直接做在支座上

第五节静压蜗杆——蜗轮条与直线电动机传动

一、静压蜗杆——蜗轮条传动

特点

静压蜗杆蜗轮条传动由于既有纯液摩擦的特点，又有蜗杆蜗轮条机构的特点，因此特别适合在重型机床的进给传动系统上应用。

其优点是：

1）摩擦阻力小，起动摩擦因数小于0．0005，功率消耗少，传动效率高，可达0．94—0．98，在很低的速度下运动也很平稳。

2）使用寿命长。

齿面不直接接触，不宜摩损，能长期保持精度。

3）抗振性能好。

油腔内的压力油层有良好的吸振能力。

4）有足够的轴向刚度。

5）蜗轮条能无限接长，因此，运动部件的行程可以很长，不像滚珠丝杠受结构的限制。

二、直线电动机系统

在常规的机床进给系统中，仍一直采用“旋转电动机+滚珠丝杠”的传动体系

在常规的机床进给系统中，仍一直采用“旋转电动机+滚珠丝杠”的传动体系

2．使用直线电动机的高速机加工系统

1）使用直线伺服电动机

2）直线电动机上装配全数字伺服系统

3）直线电动机系统在动力传动中由于没有低效率的中介传动部件而能达到高效率，

4）直线电动机驱动系统由于无机械零件相互接触

5）由于直线电动机的动件（初级）已和机床的工作台合二为一，

第六节机床导轨

一、对导轨的要求

1．导向精度高

2．耐磨性好及寿命长

导轨的磨损形式可综合为以下三种：

（1）硬粒磨损

（2）咬合和热焊（3）疲劳和压溃

3.足够的刚度

4．低速运动的平稳性

5．工艺性好

二、导轨的技术要求

（1）导轨的精度要求

（2）导轨的热处理

三、导轨的基本类型及特点

1．常用导轨的形状

（1）直线滑动导轨的截面形状

1）矩形导轨。

2）三角形导轨。

3）燕尾形导轨。

4）圆柱形导轨。

（2）直线导轨的组合

1）双三角形导轨。

2）双矩形导轨。

3）三角形—平导轨组合。

4）三角形—矩形导轨组合。

5）平—平-三角形导轨组合。

从上所述可知，各种导轨的特点各不相同，因此选择使用时应掌握以下原则：

1）要求导轨有较大的刚度和承载能力时，

2）要求导向精度高的机床采用三角形导轨

3）矩形、圆形导轨工艺性好，制造、检验都方便

4）要求结构紧凑、高度小及调整方便的机床

（3）圆运动导轨

2．塑料导轨

（1）塑料导轨软带的类型及特点

1）摩擦因数低而稳定比铸铁导轨副低一个数量级。

2）动、静摩擦因数相近运动平稳性和爬行性能较铸铁导轨副好。

3）吸收振动。

具有良好的阻尼性。

优于接触刚度较低的滚动导轨和易漂浮的静压导轨。

4）耐磨性好。

有自身润滑作用，无润滑油也能工作。

灰尘磨粒的嵌人性好。

5）化学稳定性好。

耐磨、耐低温，耐强酸、强碱、强氧化剂及各种有机溶剂。

6）维护修理方便。

软带耐磨，损坏后更换容易。

7）经济性好。

结构简单，成本低，约为滚动导轨成本的1／20，为三层复合材料DU导轨成本的1／4。

（2）Turcite-B塑料软带的工作特性

1）贴塑导轨的摩擦特性。

2）贴塑导轨的pv值。

3）贴塑导轨的承载能力

4）贴塑导轨的其他性能。

（3）塑料软带的应用及粘贴工艺

1）金属导轨面加工。

2）软带切割成形及清洗。

3）粘接及加工。

3．动压导轨

4．静压导轨

5．滚动导轨

任意选择法主要有三种编码方式：

（1）刀具编码方式

（2）刀座编码方式

（3）编码附件方式

一、刀库的类型

刀具轴线与鼓盘轴线不平行的鼓式刀库

刀具轴线与鼓盘轴线夹角为直角的刀库

2．链式刀库

3．格子盒式刀库