數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)

1、第七章 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)第一節(jié) 概 述數(shù)控機(jī)床是高精度和高生產(chǎn)率的自動(dòng)化機(jī)床，其加工過程中的動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)部件的 坐標(biāo)位置及輔助功能，都是通過數(shù)字信息自動(dòng)控制的，操作者在加工過程中無法干預(yù)，不 能像在普通機(jī)床上加工零件那樣，對機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)和裝配的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行人為補(bǔ)償，所 以數(shù)控機(jī)床幾乎在任何方面均要求比普通機(jī)床設(shè)計(jì)得更為完善，制造得更為精密。為滿足 高精度、高效率、高自動(dòng)化程度的要求，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已形成自己的獨(dú)立體系，在 這一結(jié)構(gòu)的完善過程中，數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)及元件。與普通機(jī)床相比， 數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)有許多特點(diǎn)。在主傳動(dòng)系統(tǒng)方面，具有以下特點(diǎn)：1目前數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)電

2、機(jī)已不再采用普通的交流異步電機(jī)或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電 機(jī)，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電機(jī)和直流調(diào)速電機(jī)所代替。2轉(zhuǎn)速高，功率大。它能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大功率切削和高速切削，實(shí)現(xiàn)高效率加工。3變速范圍大。數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，一般Rn> 100,以保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，從而獲得最正確的生產(chǎn)率、加工精度和外表質(zhì)量。4主軸速度的變換迅速可靠。 數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的， 因此變速 機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。由于直流和交流主軸電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能夠 方便地實(shí)現(xiàn)寬范圍的無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。在進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)方面，具有

3、以下特點(diǎn)：1 盡量采用低摩擦的傳動(dòng)副。如采用靜壓導(dǎo)軌、 滾動(dòng)導(dǎo)滾和滾珠絲杠等， 以減小摩 擦力。2選用最正確的降速比， 以到達(dá)提高機(jī)床分辨率， 使工作臺盡可能大地加速以到達(dá)跟 蹤指令、系統(tǒng)折算到驅(qū)動(dòng)軸上的慣量盡量小的要求。3 縮短傳動(dòng)鏈以及用預(yù)緊的方法提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度。如采用大扭矩寬調(diào)速的直流 電機(jī)與絲杠直接相連應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)絲杠副，絲杠支承設(shè)計(jì)成兩端軸向固 定的、并可預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等方法來提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度。4盡量消除傳動(dòng)間隙， 減小反向死區(qū)誤差。 如采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié) 如用加錐銷 固定的聯(lián)軸套、 用鍵加頂絲緊固的聯(lián)軸套以及用無扭轉(zhuǎn)間隙的撓性聯(lián)軸器等 ，采用有消除 間隙措施的

4、傳動(dòng)副等。第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)、對主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求1具有更大的調(diào)速范圍， 并能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。 數(shù)控機(jī)床為了保證加工時(shí)能選用合理的 切削用量，從而獲得最高的生產(chǎn)率、加工精度和外表質(zhì)量，必須具有更大的調(diào)速范圍。對 于自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床，為了適應(yīng)各種工序和各種加工材料的需要，主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍還 應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。2有較高的精度和剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主傳動(dòng)系 統(tǒng)具有較高的精度密切相關(guān)。為此，要提高傳動(dòng)件的制造精度與剛度，齒輪齒面應(yīng)高頻感 應(yīng)加熱淬火以增加耐磨性；最后一級采用斜齒輪傳動(dòng)，使傳動(dòng)平穩(wěn)；采用精度高的軸承及 合理的支承跨距等，以提高主軸組件的剛性。3良好的抗振

5、性和熱穩(wěn)定性。 數(shù)控機(jī)床在加工時(shí)， 可能由于斷續(xù)切削、 加工余量不均 勻、運(yùn)動(dòng)部件不平衡以及切削過程中的自振等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸 產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度和外表粗糙度，嚴(yán)重時(shí)可能破壞刀具或主傳動(dòng)系統(tǒng)中的零件，使 其無法工作。主傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生熱變形，降低傳動(dòng)效率，破壞零部 件之間的相對位置精度和運(yùn)動(dòng)精度， 造成加工誤差。 為此， 主軸組件要有較高的固有頻率， 實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡，保持適宜的配合間隙并進(jìn)行循環(huán)潤滑等。二、主傳動(dòng)的變速方式1具有變速齒輪的主傳動(dòng)這是大、 中型數(shù)控機(jī)床采用較多的一種變速方式。 通過幾對齒輪降速， 增大輸出扭矩， 以滿足主軸輸出扭矩特性的要求

6、，見圖 7-1 所示。一局部小型數(shù)控機(jī)床也采用此種傳動(dòng)方 式以獲得強(qiáng)力切削時(shí)所需要的扭矩。圖 7-1 XK5040 型數(shù)控立式銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)圖在帶有齒輪變速的主傳動(dòng)系統(tǒng)中，液壓撥叉和電磁離合器是兩種常用的變速操縱方 法。1 圖 7-2 是三位液壓撥叉的作用原理圖。通過改變不同的通油方式可以使三聯(lián)齒輪 獲得三個(gè)不同的變速位置。這套機(jī)構(gòu)除了液壓缸和活塞桿之外，還增加了套筒4。當(dāng)液壓缸 1 通壓力油而液壓缸 5 排油卸壓時(shí)圖 7-2a ，活塞桿 2 帶動(dòng)撥叉 3 使三聯(lián)齒輪移到左 端。當(dāng)液壓缸 5通壓力油而液壓缸 1排油卸壓時(shí)圖 7-2b ，活塞桿 2和套筒 4 一起向右 移動(dòng)，在套筒 4碰到液壓缸

7、 5 的端部之后，活塞桿 2繼續(xù)右移到極限位置，此時(shí)三聯(lián)齒輪 被撥叉 3 移到右端。當(dāng)壓力油同時(shí)進(jìn)入左右兩缸時(shí)圖 7-2c ，由于活塞桿 2 的兩端直徑 不同，使活塞桿向左移動(dòng)。在設(shè)計(jì)活塞桿 2 和套筒 4 的截面面積時(shí)，應(yīng)使油壓作用在套筒 4 的圓環(huán)上向右的推力大于活塞桿 2 向左的推力，因而套筒 4 仍然壓在液壓缸 5 的右端， 使活塞桿 2 緊靠在套筒 4 的右端，此時(shí)，撥叉和三聯(lián)齒輪被限制在中間位置。圖 7-2 三位液壓撥叉作用原理圖1 、 5- 液壓缸 2- 活塞桿 3- 撥叉 4- 套筒液壓撥叉變速必須在主軸停車之后才能進(jìn)行，但停車時(shí)撥動(dòng)滑移齒輪嚙合又可能出現(xiàn) “頂齒現(xiàn)象。在 XK

8、5040 型數(shù)控立銑中需按“點(diǎn)動(dòng)按鈕使主電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)沖動(dòng)接通，在其 它自動(dòng)變速的數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，通常增設(shè)一臺微電機(jī)，它在撥叉移動(dòng)滑移齒輪的同 時(shí)帶動(dòng)各傳動(dòng)齒輪作低速回轉(zhuǎn)，這樣，滑移齒輪便能順利嚙合。液壓撥叉變速是一種有效 的方法，但它增加了數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且必須將數(shù)控裝置送來的信號先轉(zhuǎn)換 成電磁閥的機(jī)械動(dòng)作， 然后再將壓力油分配到相應(yīng)的液壓缸， 因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)， 帶來了更多的不可靠因素。(2) 電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運(yùn)動(dòng)的元件，由于它便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作， 并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動(dòng)裝置中常用的操縱元件。電磁離合器用 于數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)，能簡

9、化變速機(jī)構(gòu)，通過假設(shè)干個(gè)安裝在各傳動(dòng)軸上的離合器的吸合和 別離的不同組合來改變齒輪的傳動(dòng)路線，實(shí)現(xiàn)主軸的變速。圖7-3所示為THK6380型自動(dòng)換刀數(shù)控銃鏜床的主傳動(dòng)系統(tǒng)圖，該機(jī)床采用雙速電機(jī) 和六個(gè)電磁離合器完成 18 級變速。圖 7-3 THK6380 型自動(dòng)換刀數(shù)控銑鏜床的主傳動(dòng)系統(tǒng)圖2通過帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)通常選用同步齒形帶或多楔帶傳動(dòng)，這種傳動(dòng)方式多見于數(shù)控車床，它可防止齒輪傳 動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)和噪聲。圖7-4是TND360型數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)， 主電動(dòng)機(jī)一端經(jīng)同步齒形帶 (m= 3.183mm) 拖動(dòng)主軸箱內(nèi)的軸I,另一端帶動(dòng)測速發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)速度反應(yīng)。主軸I上有一雙聯(lián)滑移齒輪，經(jīng)84/6

10、0使主軸得到8003150r/min的高速段，經(jīng)29/86使主軸得到7760r/min的低速 段。主電動(dòng)機(jī)為德國西門子公司的產(chǎn)品,額定轉(zhuǎn)速為 2000r/min ,最高轉(zhuǎn)速為 4000r/min , 最低轉(zhuǎn)速為 35r/min 。額定轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速之間為調(diào)磁調(diào)速,恒功率；最低轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn) 速之間為調(diào)壓調(diào)速,恒扭矩?；讫X輪變速采用液壓缸操縱。圖 7-4 TND360 型數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)3由調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng) 這種主傳動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸,即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直接裝在主軸上,因而大大簡 化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu),有效地提高了主軸部件的剛度,但主軸輸出扭矩小,電機(jī)發(fā) 熱對主軸的精度影響較大

11、。如圖 7-5 所示。圖 7-5 用磁力軸承的高速主軸部件1-刀具系統(tǒng) 2 、 9-捕捉軸承 3 、8- 傳感器 4 、 7-徑向軸承 5- 軸向推力軸承6- 高頻電機(jī) 10- 冷卻水管路 11- 氣 - 液壓力放大器 近年來，出現(xiàn)了一種新式的內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸，即主軸與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體。其優(yōu)點(diǎn) 是主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動(dòng)、停止的響應(yīng)特性，并利于控制振動(dòng) 和噪聲。缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量亦使主軸產(chǎn)生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使 用內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸的關(guān)鍵問題。日本研制的立式加工中心主軸組件，其內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn) 速可達(dá) 20000r/min 。三、主軸箱與主軸組件1主軸箱對于

12、一般數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床加工中心來說，由于采用了電動(dòng)機(jī)無級變 速，減少了機(jī)械變速裝置， 因此， 主軸箱的結(jié)構(gòu)較普通機(jī)床簡化， 但主軸箱材料要求較高， 一般用HT250或HT300,制造與裝配精度也較普通機(jī)床要高。對于數(shù)控落地銑鏜床來說，主軸箱結(jié)構(gòu)比擬復(fù)雜，主軸箱可沿立柱上的垂直導(dǎo)軌作上 下移動(dòng)，主軸可在主軸箱內(nèi)作軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，除此以外，大型落地銑鏜床的主軸箱結(jié)構(gòu)還 有攜帶主軸的部件作前后進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的功能，它的進(jìn)給方向與主軸的軸向進(jìn)給方向相同。此 類機(jī)床的主軸箱結(jié)構(gòu)通常有兩種方案，即滑枕式和主軸箱移動(dòng)式。1滑枕式 數(shù)控落地銑鏜床有圓形滑枕、方形或矩形滑枕以及棱形或八角形滑枕。滑枕內(nèi)裝有銑 軸

13、和鏜軸，除鏜軸可實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給外，滑枕自身也可作沿鏜軸軸線方向的進(jìn)給，且兩者可 以疊加。滑枕進(jìn)給傳動(dòng)的齒輪和電動(dòng)機(jī)是與滑枕別離的，通過花鍵軸或其它系統(tǒng)將運(yùn)動(dòng)傳 給滑枕以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。1圓形滑枕 圓形滑枕又稱套筒式滑枕，這種圓形斷面的滑枕和主軸箱孔的制造工 藝簡便，使用中便于接近工件加工部位。但其斷面面積小，抗扭慣性矩較小，且很難安裝 附件，磨損后修復(fù)調(diào)整困難，因而現(xiàn)已很少采用。2矩形或方形滑枕 滑枕斷面形狀為矩形，其移動(dòng)的導(dǎo)軌面是其外外表的四個(gè)直角 面， 如圖 7-6 所示。 這種形式的滑枕， 有比擬好的接近工件性能， 其滑枕行程可做得較長， 端面有附件安裝部位，工藝適應(yīng)性較強(qiáng)，磨損后易于調(diào)整。

14、抗扭斷面慣性矩比同樣規(guī)格的 圓形滑枕大。這種滑枕國內(nèi)外均有采用，尤以長方形滑枕采用較多。圖 7-6 數(shù)控落地銑鏜床的矩形滑枕3棱形、八角形滑枕 棱形、八角形滑枕的斷面工藝性較差。與矩形或方形滑枕比 較，在同等斷面面積的情況下，雖然高度較大，但寬度較窄，如圖 7-7 ，這對安裝附件不 利，而且在滑枕外表使用靜壓導(dǎo)軌時(shí)，靜壓面小，主軸在工作過程中抗振能力較差，受力 后主軸中心位移大。圖 7-7a滑枕外形棱形滑枕b 滑枕截面2 主軸箱移動(dòng)式這種結(jié)構(gòu)又有兩種型式，一種是主軸箱移動(dòng)式，另一種是滑枕主軸箱移動(dòng)式。1主軸箱移動(dòng)式 主軸箱內(nèi)裝有銑軸和鏜軸，鏜軸實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給，主軸箱箱體在滑 板上可作沿鏜軸軸線方

15、向的進(jìn)給。箱體作為移動(dòng)體，其斷面尺寸遠(yuǎn)比同規(guī)格滑枕式銑鏜床 大得多。這種主軸箱端面可以安裝各種大型附件，使其工藝適應(yīng)性增加，擴(kuò)大了功能。缺 點(diǎn)是接近工件性能差，箱體移動(dòng)時(shí)對平衡補(bǔ)償系統(tǒng)的要求高，主軸箱熱變形后產(chǎn)生的主軸 中心偏移大。2滑枕主軸箱移動(dòng)式 這種形式的銑鏜床，其本質(zhì)仍屬于主軸箱移動(dòng)式，只不過是 把大斷面的主軸箱移動(dòng)體尺寸做成同等主軸直徑的滑枕式而已。這種主軸箱結(jié)構(gòu)，銑軸和 鏜軸及其傳動(dòng)和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)都裝在滑枕內(nèi)，鏜軸實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給，滑枕在主軸箱內(nèi)作沿鏜 軸軸線方向的進(jìn)給。滑枕斷面尺寸比同規(guī)格的主軸箱移動(dòng)式的主軸箱小，但比滑枕移動(dòng)式 的大。其斷面尺寸足可以安裝各種附件。 這種結(jié)構(gòu)型式不僅

16、具有主軸箱移動(dòng)式的傳動(dòng)鏈短、 輸出功率大及制造方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有滑枕式的接近工件方便靈活的優(yōu)點(diǎn)。克服了主 軸箱體移動(dòng)式的具有危險(xiǎn)斷面和主軸中心受熱變形后位移大等缺點(diǎn)。2主軸組件 數(shù)控機(jī)床主軸組件的精度、剛度和熱變形對加工質(zhì)量有著直接的影響，由于數(shù)控機(jī)床 在加工過程中不進(jìn)行人工調(diào)整，這些影響就更為嚴(yán)重。1主軸軸承的配置形式目前主軸軸承的配置形式主要有三種，如圖 7-8 所示。圖 7-8 數(shù)控機(jī)床主軸軸承配置形式1前支承采用雙列圓柱滾子軸承和雙列60o 角接觸球軸承組合，后支承采用成對角接觸球軸承圖 7-8a 。此種配置形式使主軸的綜合剛度大幅度提高，可以滿足強(qiáng)力切削的 要求，因此普遍應(yīng)用于各

17、類數(shù)控機(jī)床的主軸中。2采用高精度雙列角接觸球軸承圖 7-8b 。角接觸球軸承具有良好的高速性能，主 軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá) 4000r/min ，但它的承載能力小，因而適用于高速、輕載和精密的數(shù)控機(jī) 床主軸。在加工中心的主軸中，為了提高承載能力，有時(shí)應(yīng)用 3個(gè)或 4 個(gè)角接觸球軸承組 合的前支承，并用隔套實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。3采用雙列和單列圓錐軸承 圖 7-8c 。這種軸承徑向和軸向剛度高， 能承受重載荷， 尤其能承受較強(qiáng)的動(dòng)載荷，安裝與調(diào)整性能好。但這種軸承配置限制了主軸的最高轉(zhuǎn)速和 精度，因此適用于中等精度、低速與重載的數(shù)控機(jī)床主軸。隨著材料工業(yè)的開展，在數(shù)控機(jī)床主軸中有使用陶瓷滾珠軸承的趨勢。這種軸承的特

18、 點(diǎn)是：滾珠重量輕，離心力小，動(dòng)摩擦力矩?。灰驕厣鸬臒崤蛎浶。怪鬏S的預(yù)緊力 穩(wěn)定；彈性變形量小，剛度高，壽命長。缺點(diǎn)是本錢較高。在主軸的結(jié)構(gòu)上，要處理好卡盤或刀具的裝夾、主軸的卸荷、主軸軸承的定位和間隙 的調(diào)整、主軸組件的潤滑和密封以及工藝上的一系列問題。為了盡可能減少主軸組件溫升 引起的熱變形對機(jī)床工作精度的影響， 通常利用潤滑油的循環(huán)系統(tǒng)把主軸組件的熱量帶走， 使主軸組件和箱體保持恒定的溫度。在某些數(shù)控銑鏜床上采用專用的制冷裝置，比擬理想 地實(shí)現(xiàn)了溫度控制。近年來，某些數(shù)控機(jī)床的主軸軸承采用高級油脂潤滑，每加一次油脂 可以使用 710 年，簡化了結(jié)構(gòu)，降低了本錢且維護(hù)保養(yǎng)簡單。但需防

19、止?jié)櫥秃陀椭?合，通常采用迷宮式密封方式。對于數(shù)控車床主軸，因?yàn)樵谒膬啥税惭b著動(dòng)力卡盤和夾緊液壓缸，主軸剛度必須進(jìn) 一步提高，并應(yīng)設(shè)計(jì)合理的聯(lián)結(jié)端，以改善動(dòng)力卡盤與主軸端部的聯(lián)接剛度。2主軸內(nèi)刀具的自動(dòng)夾緊和切屑去除裝置 在帶有刀庫的自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床中，為實(shí)現(xiàn)刀具在主軸上的自動(dòng)裝卸，其主軸必須設(shè) 計(jì)有刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)。自動(dòng)換刀立式銑鏜床主軸的刀具夾緊機(jī)構(gòu)如圖 7-9 所示。刀夾 1 以錐度為 7:24 的錐柄在主軸 3 前端的錐孔中定位， 并通過擰緊在錐柄尾部的拉釘 2 拉緊 在錐孔中。夾緊刀夾時(shí)，液壓缸上腔接通回油，彈簧 11 推活塞 6上移，處于圖示位置，拉 桿 4 在碟形彈簧 5

20、 作用下向上移動(dòng)； 由于此時(shí)裝在拉桿前端徑向孔中的鋼球12 ，進(jìn)入主軸孔中直徑較小的d2處，見圖7-9b，被迫徑向收攏而卡進(jìn)拉釘2的環(huán)形凹槽內(nèi)，因而刀桿被拉桿拉緊， 依靠摩擦力緊固在主軸上。 切削扭矩那么由端面鍵 13 傳遞。換刀前需將刀夾松 開時(shí)，壓力油進(jìn)入液壓缸上腔，活塞 6推動(dòng)拉桿 4 向下移動(dòng)，碟形彈簧被壓縮；當(dāng)鋼球 12 隨拉桿一起下移至進(jìn)入主軸孔直徑較大的dj處時(shí)，它就不再能約束拉釘?shù)念^部，緊接著拉桿前端內(nèi)孔的臺肩端面 a碰到拉釘，把刀夾頂松。此時(shí)行程開關(guān)10發(fā)出信號，換刀機(jī)械手 隨即將刀夾取下。與此同時(shí)，壓縮空氣由管接頭 9 經(jīng)活塞和拉桿的中心通孔吹入主軸裝刀 孔內(nèi)，把切屑或臟物

21、去除干凈，以保證刀具的安裝精度。機(jī)械手把新刀裝上主軸后，液壓 缸 7 接通回油，碟形彈簧又拉緊刀夾。刀夾拉緊后，行程開關(guān)8 發(fā)出信號。圖 7-9 自動(dòng)換刀數(shù)控立式銑鏜床主軸部件 JCS-018 1- 刀夾 2- 拉釘 3- 主軸 4- 拉桿 5- 碟形彈簧 6- 活塞 7- 液壓缸8、10- 行程開關(guān) 9- 壓縮空氣管接頭 11- 彈簧 12 鋼球 13- 端面鍵自動(dòng)去除主軸孔中切屑和灰塵是換刀操作中的一個(gè)不容無視的問題。如果在主軸錐孔 中掉進(jìn)了切屑或其它污物，在拉緊刀桿時(shí)，主軸錐孔外表和刀桿的錐柄就會被劃傷，甚至 使刀桿發(fā)生偏斜，破壞了刀具的正確定位，影響加工零件的精度，甚至使零件報(bào)廢。為了

22、 保持主軸錐孔的清潔，常用壓縮空氣吹屑。圖 7-9 的活塞 6 的中心鉆有壓縮空氣通道，當(dāng) 活塞向左移動(dòng)時(shí)，壓縮空氣經(jīng)拉桿 4 吹出，將主軸錐孔清理干凈。噴氣頭中的噴氣小孔要 有合理的噴射角度，并均勻分布，以提高其吹屑效果。3主軸準(zhǔn)停裝置在自動(dòng)換刀數(shù)控銑鏜床上，切削扭矩通常是通過刀桿的端面鍵來傳遞的，因此在每一 次自動(dòng)裝卸刀桿時(shí)，都必須使刀柄上的鍵槽對準(zhǔn)主軸上的端面鍵，這就要求主軸具有準(zhǔn)確 周向定位的功能。在加工精密坐標(biāo)孔時(shí)，由于每次都能在主軸固定的圓周位置上裝刀，就 能保證刀尖與主軸相對位置的一致性，從而提高孔徑的正確性，這是主軸準(zhǔn)停裝置帶來的 另一個(gè)好處。圖 7-9 采用的是電氣控制的主軸

23、準(zhǔn)停裝置，這種裝置利用裝在主軸上的磁性傳感器作 為位置反應(yīng)部件，由它輸出信號，使主軸準(zhǔn)確停止在規(guī)定位置上，它不需要機(jī)械部件，可 靠性好，準(zhǔn)停時(shí)間短，只需要簡單的強(qiáng)電順序控制，且有高的精度和剛性。這種主軸準(zhǔn)停 裝置的工作原理如圖 7-10 所示。在傳動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)的多楔帶輪 1 的端面上裝有一個(gè)厚墊片 4， 墊片上又裝有一個(gè)體積很小的永久磁鐵3。在主軸箱箱體的對應(yīng)于主軸準(zhǔn)停的位置上，裝有磁傳感器 2。當(dāng)機(jī)床需要停車換刀時(shí)，數(shù)控裝置發(fā)出主軸停轉(zhuǎn)指令，主軸電動(dòng)機(jī)立即降 速，在主軸 5 以最低轉(zhuǎn)速慢轉(zhuǎn)很少幾轉(zhuǎn)后，永久磁鐵 3對準(zhǔn)磁傳感器 2 時(shí)，后者發(fā)出準(zhǔn)停 信號。此信號經(jīng)放大后，由定向電路控制主軸電動(dòng)機(jī)

24、準(zhǔn)確地停止在規(guī)定的周向位置上。圖 7-10 電氣控制的主軸準(zhǔn)停裝置1- 多楔帶輪 2- 磁傳感器 3- 永久磁鐵 4- 墊片 5- 主軸第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)一、數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的要求為確保數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性等，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，提出 如下要求。1 高的傳動(dòng)精度與定位精度數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)精度和定位精度對零件的加工精度起著關(guān)鍵性的作用， 對采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制系統(tǒng)尤其如此。無論對點(diǎn)位、直線控制系統(tǒng)，還是輪廓 控制系統(tǒng)，傳動(dòng)精度和定位精度都是表征數(shù)控機(jī)床性能的主要指標(biāo)。設(shè)計(jì)中，通過在進(jìn)給 傳動(dòng)鏈中參加減速齒輪，以減小脈沖當(dāng)量，預(yù)緊傳動(dòng)滾珠絲杠

25、，消除齒輪、蝸輪等傳動(dòng)件 的間隙等方法，可到達(dá)提高傳動(dòng)精度和定位精度的目的。由此可見，機(jī)床本身的精度，尤 其是伺服傳動(dòng)鏈和伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度，是影響工作精度的主要因素。2寬的進(jìn)給調(diào)速范圍伺服進(jìn)給系統(tǒng)在承當(dāng)全部工作負(fù)載的條件下， 應(yīng)具有很寬的調(diào)速范圍， 以適應(yīng)各種工件 材料、尺寸和刀具等變化的需要，工作進(jìn)給速度范圍可達(dá)36000mm/mi n。為了完成精密定位，伺服系統(tǒng)的低速趨近速度達(dá)0.1mm/min ;為了縮短輔助時(shí)間，提高加工效率，快速移動(dòng)速度應(yīng)高達(dá) 15m/min。在多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床上，合成速度維持常數(shù)，是保證外表粗 糙度要求的重要條件;為保證較高的輪廓精度，各坐標(biāo)方向的運(yùn)動(dòng)速度也要

26、配適宜當(dāng);這 是對數(shù)控系統(tǒng)和伺服進(jìn)給系統(tǒng)提出的共同要求。3 響應(yīng)速度要快 所謂快速響應(yīng)特性是指進(jìn)給系統(tǒng)對指令輸入信號的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速 程度，即跟蹤指令信號的響應(yīng)要快;定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度要滿足要求;工作臺應(yīng) 能在規(guī)定的速度范圍內(nèi)靈敏而精確地跟蹤指令，進(jìn)行單步或連續(xù)移動(dòng)，在運(yùn)行時(shí)不出現(xiàn)丟 步或多步現(xiàn)象。進(jìn)給系統(tǒng)響應(yīng)速度的大小不僅影響機(jī)床的加工效率，而且影響加工精度。 設(shè)計(jì)中應(yīng)使機(jī)床工作臺及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度、 間隙、 摩擦以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡可能到達(dá)最正確值， 以提高進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性。4 無間隙傳動(dòng) 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)間隙一般指反向間隙，即反向死區(qū)誤差，它存在于整個(gè)傳動(dòng)鏈的各傳 動(dòng)

27、副中， 直接影響數(shù)控機(jī)床的加工精度; 因此， 應(yīng)盡量消除傳動(dòng)間隙， 減小反向死區(qū)誤差。 設(shè)計(jì)中可采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié)及有消除間隙措施的傳動(dòng)副等方法。5 穩(wěn)定性好、壽命長 穩(wěn)定性是伺服進(jìn)給系統(tǒng)能夠正常工作的最根本的條件，特別是在低速進(jìn)給情況下不產(chǎn) 生爬行，并能適應(yīng)外加負(fù)載的變化而不發(fā)生共振。穩(wěn)定性與系統(tǒng)的慣性、剛性、阻尼及增 益等都有關(guān)系，適中選擇各項(xiàng)參數(shù)，并能到達(dá)最正確的工作性能，是伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。 所謂進(jìn)給系統(tǒng)的壽命，主要指其保持?jǐn)?shù)控機(jī)床傳動(dòng)精度和定位精度的時(shí)間長短，及各傳動(dòng) 部件保持其原來制造精度的能力。設(shè)計(jì)中各傳動(dòng)部件應(yīng)選擇適宜的材料及合理的加工工藝 與熱處理方法，對于滾珠絲杠和傳動(dòng)

28、齒輪，必須具有一定的耐磨性和適宜的潤滑方式，以 延長其壽命。6使用維護(hù)方便 數(shù)控機(jī)床屬高精度自動(dòng)控制機(jī)床，主要用于單件、中小批量、高精度及復(fù)雜件的生產(chǎn) 加工，機(jī)床的開機(jī)率相應(yīng)就高，因此，進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)便于維護(hù)和保養(yǎng)，最大限度 地減小維修工作量，以提高機(jī)床的利用率。二、進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 數(shù)控機(jī)床中，無論是開環(huán)還是閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)，為了到達(dá)前述提出的要求，機(jī)械傳 動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采用低摩擦的傳動(dòng)副，如滾珠絲杠等，以減小摩擦力;通過選用最 佳降速比來降低慣量;采用預(yù)緊的方法來提高傳動(dòng)剛度;采用消隙的方法來減小反向死區(qū)2差等o下面從機(jī)械傳動(dòng)的角度對數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的主要傳動(dòng)裝置進(jìn)行扼要介紹。1減

29、速機(jī)構(gòu)1齒輪傳動(dòng)裝置齒輪傳動(dòng)是應(yīng)用非常廣泛的一種機(jī)械傳動(dòng)，各種機(jī)床中傳動(dòng)裝置幾乎都離不開齒輪傳 動(dòng)。在數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中采用齒輪傳動(dòng)裝置的目的有兩個(gè)，一是將高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的 伺服電機(jī)如步進(jìn)電機(jī)、直流或交流伺服電機(jī)等的輸出，改變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的執(zhí)行件 的輸出；另一是使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在系統(tǒng)中占有較小的比重。此外，對開環(huán) 系統(tǒng)還可以保證所要求的精度。1速比確實(shí)定開環(huán)系統(tǒng)在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)中如圖 7-11，步進(jìn)電機(jī)至絲杠間設(shè)有齒輪傳動(dòng)裝置，其速比決定于系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量、步進(jìn)電機(jī)步矩角及滾珠絲杠導(dǎo)程，其運(yùn)動(dòng)平 衡方程式為：所以其速比可計(jì)算如下：iL =3 mm、360 :1 P&quo

30、t; r|-t1 LaL360) a式中 m步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)所需脈沖數(shù)mH 丄卄由來口 IH p FT c/ H汞 >rh、.a- 步進(jìn)電機(jī)步距角0/脈沖；s -脈沖當(dāng)量mm脈沖;L -滾珠絲杠的導(dǎo)程mr因?yàn)殚_環(huán)系統(tǒng)執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)位移決定于脈沖數(shù)目，故算出的速比不能隨意更改。圖7-11開環(huán)系統(tǒng)絲杠傳動(dòng) 閉環(huán)系統(tǒng)對于閉環(huán)系統(tǒng)，執(zhí)行件的位置決定于反應(yīng)檢測裝置，與運(yùn)動(dòng)速度無直接關(guān)系，其速比主要是由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩與機(jī)床要求的進(jìn)給速度或負(fù)載轉(zhuǎn)矩 決定的，所以可對它進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。電動(dòng)機(jī)至絲杠間的速比運(yùn)動(dòng)平衡方程式如下：niL =vvinL式中 n伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，n = 60 f r / mi

31、n；f脈沖頻率次/S ；v 工作臺在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n時(shí)的移動(dòng)速度v = 60 f mm/min。其余符號同前。當(dāng)負(fù)載和絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量中所占比重不大時(shí)，齒輪速比可取上面算出的數(shù) 值，即降速不必過多，這樣不僅可以簡化伺服傳動(dòng)鏈，且可降低伺服放大器的增益。當(dāng)主 要考慮靜態(tài)精度或低平滑跟蹤時(shí)，可選降速多一些，這樣，可以減小電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量，并且減少負(fù)載慣量對穩(wěn)態(tài)差異的影響。2嚙合對數(shù)及各級速比確實(shí)定在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)至絲杠的總降速比一定的情況下，假設(shè)嚙合對數(shù)及各級速比選擇不當(dāng)，將 會增加折算到電機(jī)軸上的總慣量，從而增大電機(jī)的時(shí)間常數(shù)，并增大要求的驅(qū)動(dòng)扭矩。因 此應(yīng)按最小慣量的要求來選擇齒輪嚙

32、合對數(shù)及各級降速比，使其具有良好的動(dòng)態(tài)性能。圖7-12兩對齒輪降速傳動(dòng)圖7-12所示為機(jī)械傳動(dòng)裝置中的兩對齒輪降速后，將運(yùn)動(dòng)傳到絲杠的示意圖。第一對齒輪的降速比為ii，第二對齒輪的降速比為i2，其中ii及i2均大于1。假定小齒輪 a、C 直徑相同，大齒輪 B、D為實(shí)心齒輪。這兩對齒輪折算到電動(dòng)機(jī)軸的總慣量為：Ja羽當(dāng)iiiiJ D.2 2ii i24J Ai2.2 2ii i2.2 ii2二 Ja(1ii4IJAiiJA . 2ii2丄L)iiii式中i 總降速比，可,2。=0,可得最小慣量的條件:6 2 2ii -ii -2i -0將i =iii2代入，得兩對齒輪間滿足最小慣量要求的降速比關(guān)

33、系式:42i2=寧立仁1不同嚙合對數(shù)時(shí)，亦可相應(yīng)的得到各級滿足最小慣量要求的降速比關(guān)系式，如假設(shè)為三 級傳動(dòng)，那么可按上述方法求得三級傳動(dòng)比為：i2 = i二 Ja(1ii/ 2i3 = i2 /12i - iii 23計(jì)算出各級齒輪降速比后，還應(yīng)進(jìn)行機(jī)械進(jìn)給裝置的慣量驗(yàn)算。對開環(huán)系統(tǒng)，機(jī)械傳動(dòng)裝置折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)加速要求的允許值。對閉環(huán)系統(tǒng)， 除滿足加速要求外，機(jī)械傳動(dòng)裝置折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)與伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣 量合理匹配，如果電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量遠(yuǎn)小于機(jī)械進(jìn)給裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸上，那么機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要決定于負(fù)載特性，此時(shí)運(yùn)動(dòng)部件包括工件不

34、同質(zhì)量的 各坐標(biāo)的動(dòng)態(tài)特性將有所不同，使系統(tǒng)不易調(diào)整。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)推薦伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量Jm與機(jī)械進(jìn)給裝置折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jl相匹配的合理關(guān)系為：4 J M設(shè)電動(dòng)機(jī)經(jīng)一對齒輪傳動(dòng)絲杠時(shí)，假設(shè)Ji為小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J2為大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Js為絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， W為工作臺重力，齒輪副降速比i i >1, L為絲杠螺距，那么J2JsWL2Jl 7 .22.2s.2».2iigi2 兀2JsWL2JJi Jii2 兮 =22 :igi2 兀Tmax 應(yīng)機(jī)械伺服進(jìn)給系統(tǒng)選用的伺服電機(jī)，當(dāng)工作臺為最大進(jìn)給速度時(shí)，其最大轉(zhuǎn)矩 滿足機(jī)床工作臺的加速度要求。假設(shè)a max為伺服

35、電機(jī)能到達(dá)的最大加速度，常取：a max-22 2一般要求 a = 2 5m/s ,那么 a max> 4 10 m/s。10%),那么:iL.=Tmaxa max .J 2 :式中J伺服進(jìn)給系統(tǒng)折算到絲杠上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,當(dāng)一對降速齒輪傳動(dòng)時(shí)， 那么有:AlZ當(dāng)伺服電機(jī)主要用于慣量加速，忽略切削力及摩擦力作用其值一般僅占224W L 2J 二 JMiJii - Jii Js ()g 2 n(2) 同步齒形帶傳動(dòng)同步齒形帶傳動(dòng)，是一種新型的帶傳動(dòng)，如圖7-13所示，它利用齒形帶的齒形與帶輪的輪齒依次相嚙合傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，因而兼有帶傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，即無 相對滑動(dòng)，平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確

36、，傳動(dòng)精度高，而且齒形帶的強(qiáng)度高，厚度小，重量輕，故可 用于高速傳動(dòng)；齒型帶無需特別張緊，故作用在軸和軸承等上的載荷小，傳動(dòng)效率高，在 數(shù)控機(jī)床上亦有應(yīng)用。圖7-13 同步齒形帶傳動(dòng)2 滾珠絲杠螺母副機(jī)構(gòu)(1)滾珠絲杠副的工作原理及特點(diǎn)滾珠絲杠副是一種新型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾 珠作為中間傳動(dòng)件，以減少摩擦，如圖7-14所示。圖中絲杠和螺母上都磨有圓弧形的螺旋槽，這兩個(gè)圓弧形的螺旋槽對合起來就形成螺旋線滾道，在滾道內(nèi)裝有滾珠。當(dāng)絲杠回轉(zhuǎn) 時(shí)，滾珠相對于螺母上的滾道滾動(dòng)，因此絲杠與螺母之間根本上為滾動(dòng)摩擦。為了防止?jié)L 珠從螺母中滾出來，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引

37、導(dǎo)裝置，使?jié)L珠能循環(huán)流動(dòng)。圖7-14滾珠絲杠螺母滾珠絲杠副的特點(diǎn)是：1) 傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率n = 0.920.96，比常規(guī)的絲杠螺母副提高34倍。因此，功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)的絲杠螺母副的1/41/3。2) 給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空行程死區(qū)， 定位精度高，剛度好。3) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高。4 )運(yùn)動(dòng)具有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件。5) 磨損小，使用壽命長。6) 制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，外表粗糙度也要求高， 故制造本錢高

38、。7) 不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于自重慣力的作用，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后， 不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需添加制動(dòng)裝置。(2)滾珠絲杠副的參數(shù)滾珠絲杠副的參數(shù)有見圖 7-15 ：圖 7-15 滾珠絲杠螺母副根本參數(shù)a滾珠絲杠副軸向剖面圖 b 滾珠絲杠副法向剖面圖名義直徑do：滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態(tài)時(shí)包絡(luò)滾珠球心的圓柱直徑，它是滾 珠絲杠副的特征尺寸。導(dǎo)程L：絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)任意弧度時(shí)，螺母上基準(zhǔn)點(diǎn)的軸向位移。根本導(dǎo)程Lo：絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn) 2 n弧度時(shí)，螺母上基準(zhǔn)點(diǎn)的軸向位移。接觸角3 :在螺紋滾道法向剖面內(nèi)，滾珠球心與滾道接觸點(diǎn)的連線和螺紋軸線的垂直 線間的夾角，理想接觸角 3等于

39、450。此外還有絲杠螺紋大徑 d、絲杠螺紋小徑 di、螺紋全長I、滾珠直徑db、螺母螺紋大 徑D螺母螺紋小徑 D、滾道圓弧偏心距 e以及滾道圓弧半徑 R等參數(shù)。導(dǎo)程的大小是根據(jù)機(jī)床的加工精度要求確定的。精度要求高時(shí)，應(yīng)將導(dǎo)程取小些，這 樣在一定的軸向力作用下，絲杠上的摩擦阻力較小。為了使?jié)L珠絲杠副具有一定的承載能 力，滾珠直徑db不能太小。導(dǎo)程取小了，就勢必將滾珠直徑db取小，滾珠絲杠副的承載能力亦隨之減小。假設(shè)絲杠副的名義直徑do不變，導(dǎo)程小，那么螺旋升角 入也小，傳動(dòng)效率n也變小。因此導(dǎo)程的數(shù)值在滿足機(jī)床加工精度的條件下，應(yīng)盡可能取大些。名義直徑do與承載能力直接有關(guān)，有的資料推薦滾珠絲杠

40、副的名義直徑do應(yīng)大于絲杠工作長度的 1/3o 。數(shù)控機(jī)床常用的進(jìn)給絲杠，名義直徑do= $ 30 $ 80mm滾珠直徑db應(yīng)根據(jù)軸承廠提供的尺寸選用。滾珠直徑db大，那么承載能力也大，但在導(dǎo)程已確定的情況下，滾珠直徑 db受到絲杠相鄰兩螺紋間的凸起局部寬度所限制。在一般情 況下，滾珠直徑 db 0.6L。設(shè)滾珠的工作圈數(shù)為 j和滾珠總數(shù)為 N,由試驗(yàn)結(jié)果可知，在每一個(gè)循環(huán)回路中，各圈滾珠所受的軸向負(fù)載不均勻。第一圈滾珠承受總負(fù)載的 50%左右，第二圈約承受30%第三圈約為20%因此，滾珠絲杠副中的每個(gè)循環(huán)回路的滾珠工作圈數(shù)取為j =2.53.5圈，工作圈數(shù)大于 3.5 無實(shí)際意義。滾珠的總數(shù)

41、N,有關(guān)資料介紹不要超過 150個(gè)。假設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)超過規(guī)定的最大值，那么 因流通不暢容易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。假設(shè)出現(xiàn)此種情況，可從單回路式改為雙回路式或加大滾珠 絲杠的名義直徑do或加大滾珠直徑 db來解決。反之，假設(shè)工作滾珠的總數(shù)N太少，將使得每個(gè)滾珠的負(fù)載加大，引起過大的彈性變形。3滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)和軸向間隙的調(diào)整方法 各種不同結(jié)構(gòu)的滾珠絲杠副，其主要區(qū)別是在螺紋滾道型面的形狀、滾珠循環(huán)方式及軸向間隙的調(diào)整和預(yù)加負(fù)載的方法等三個(gè)方面。1螺紋滾道型面的形狀及其主要尺寸 螺紋滾道型面的形狀有多種，國內(nèi)投產(chǎn)的僅有單圓弧型面和雙圓弧型面兩種。在圖7-16中，滾珠與滾道型面接觸點(diǎn)法線與絲杠軸線的垂直線間之

42、夾角稱為接觸角3。圖 7-16 滾珠絲杠副螺紋滾道型面的截形a單圓弧 b 雙圓弧 單圓弧型面。如圖7-16a,通常滾道半徑 R稍大于滾珠半徑rb,可取R= 1.04 1.11 rb。對于單圓弧型面的圓弧滾道，接觸角 3是隨軸向負(fù)荷F的大小而變化。當(dāng) F=0時(shí)，3 =0。承載后， 隨 F 的增大 3 也增大， 3 的大小由接觸變形的大小決定。 當(dāng)接觸角 3 增大后， 傳動(dòng)效率n、軸向剛度J以及承載能力隨之增大。 雙圓弧型面。如圖7-16b ,當(dāng)偏心e決定后，只在滾珠直徑db滾道內(nèi)相切的兩點(diǎn)接 觸，接觸角 3 不變。兩圓弧交接處有一小空隙，可容納一些臟物，這對滾珠的流動(dòng)有利。從有利于提高傳動(dòng)效率

43、n和承載能力及流動(dòng)暢通等要求出發(fā)，接觸角 3應(yīng)選大些，但3過 大，將使得制造較難磨滾道型面 ，建議取3 = 45 0，螺紋滾道的圓弧半徑 R=1.04 rb或 R=1.11 rb。偏心距 e = Rrb sin45° = 0.707 FUb。2滾珠循環(huán)方式目前國內(nèi)外生產(chǎn)的滾珠絲杠副，可分為內(nèi)循環(huán)及外循環(huán)兩類。圖7-17 所示為外循環(huán)螺旋槽式滾珠絲杠副，在螺母的外圓上銑有螺旋槽，并在螺母內(nèi)部裝上擋珠器，擋珠器的 舌部切斷螺紋滾道， 迫使?jié)L珠流入通向螺旋槽的孔中而完成循環(huán)。 圖 7-18 所示為內(nèi)循環(huán)滾 珠絲杠副，在螺母外側(cè)孔中裝有接通相鄰滾道的反向器，以迫使?jié)L珠翻越絲杠的齒頂而進(jìn) 入相

44、鄰滾道。 通常在一個(gè)螺母上裝有三個(gè)反向器 即采用三列的結(jié)構(gòu) ，這三個(gè)反向器彼此 沿螺母圓周相互錯(cuò)開 120o，軸向間隔為4/37/3p p為螺距；有的裝兩個(gè)反向器即采 用雙列結(jié)構(gòu)，反向器錯(cuò)開180°，軸向間隔為3/2 p。圖 7-17 外循環(huán)滾珠絲杠圖 7-18 內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠由于滾珠在進(jìn)入和離開循環(huán)反向裝置時(shí)容易產(chǎn)生較大的阻力，而且滾珠在反向通道中 的運(yùn)動(dòng)多屬前珠推后珠的滑移運(yùn)動(dòng)，很少有“滾動(dòng) ，因此滾珠在反向裝置中的摩擦力矩 M 反在整個(gè)滾珠絲杠的摩擦力矩 Mt 中所占比重較大，而不同的循環(huán)反向裝置由于回珠通道的運(yùn)動(dòng)軌跡不同，以及曲率半徑的差異，因而M反/M的比值不同，表 7-1

45、列出了國產(chǎn)滾珠絲杠副的幾種不同循環(huán)反向方式的比擬。表7-1國產(chǎn)滾珠絲杠副不同循環(huán)方式的比擬循環(huán)方式內(nèi)循環(huán)外循環(huán)浮動(dòng)式固定式插管式螺旋槽式JB-3162.1-82 部標(biāo)代號FGCL含義在整個(gè)循環(huán)過程中，滾珠始終與絲杠螺紋的各滾 切外表滾切和接觸滾珠循環(huán)反向時(shí)，離開絲杠螺紋滾道，在螺母體 內(nèi)或體外循環(huán)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)循環(huán)滾珠鏈最短，螺母外徑比外循環(huán)小，結(jié)構(gòu)緊 湊，反向裝置剛性好，壽命長，扁圓型反向器的 軸向尺寸短，制造工藝復(fù)雜循環(huán)滾珠鏈較長，軸向排列緊湊，承載能力較高， 徑向尺寸較大M反/M t最小M反/Mt不大M反/Mt較小M反/Mt較大具有較好的摩擦特性， 預(yù)緊力矩為固定反向 器的1/31/4。在

46、預(yù)緊 時(shí)，預(yù)緊力矩M上升平 緩制造裝配工藝性不佳， 摩擦特性次于F型，優(yōu) 于L型結(jié)構(gòu)簡單，工藝性優(yōu) 良，適合成批生產(chǎn)?；?珠管可設(shè)計(jì)、制造成較 理想的運(yùn)動(dòng)通道在螺母體上的回珠螺 旋槽與回珠孔不易準(zhǔn) 確平滑連接，拐彎處曲 率變化較大，滾珠運(yùn)動(dòng) 不平穩(wěn)。擋珠機(jī)構(gòu)剛性 差，易磨損適用場合各種咼靈敏、咼剛度的 精密進(jìn)給定位系統(tǒng)。重 載荷、多頭螺紋、大導(dǎo) 程不宜采用各種咼靈敏、咼剛度的 精密進(jìn)給定位系統(tǒng)。重 載荷、多頭螺紋、大導(dǎo) 程不宜采用重載荷傳動(dòng)，高速驅(qū)動(dòng) 及精密定位系統(tǒng)。在大 導(dǎo)程、小導(dǎo)程、多頭螺 紋中顯示出獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)一般工程機(jī)械、機(jī)床。 在高剛度傳動(dòng)和高速 運(yùn)轉(zhuǎn)的場合不宜采用備注是內(nèi)循環(huán)產(chǎn)品中有發(fā)

47、 展前途的結(jié)構(gòu)正逐漸被F型取代是目前應(yīng)用最廣泛的 結(jié)構(gòu)3滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和施加預(yù)緊力的方法滾珠絲杠副除了對本身單一方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)精度有要求外，對其軸向間隙也有嚴(yán)格的 要求，以保證反向傳動(dòng)精度。滾珠絲杠副的軸向間隙，是負(fù)載在滾珠與滾道型面接觸點(diǎn)的 彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。因此要把軸向間隙完全消除相當(dāng)困 難。通常采用雙螺母預(yù)緊的方法，把彈性變形量控制在最小限度內(nèi)。目前制造的外循環(huán)單 螺母的軸向間隙達(dá) 0.05mm,而雙螺母經(jīng)加預(yù)緊力后根本上能消除軸向間隙。應(yīng)用這一方法來消除軸向間隙時(shí)需注意以下兩點(diǎn)： 通過預(yù)緊力產(chǎn)生預(yù)拉變形以減少彈性變形所引起的位移時(shí)，該預(yù)緊力不能過

48、大， 否那么會引起驅(qū)動(dòng)力矩增大、傳動(dòng)效率降低和使用壽命縮短。 要特別注意減小絲杠安裝局部和驅(qū)動(dòng)局部的間隙。常用的雙螺母消除軸向間隙的結(jié)構(gòu)型式有以下三種。a墊片調(diào)隙式圖7-19通常用螺釘來連接滾珠絲杠兩個(gè)螺母的凸緣，并在凸緣間 加墊片。調(diào)整墊片的厚度使螺母產(chǎn)生軸向位移，以到達(dá)消除間隙和產(chǎn)生預(yù)拉緊力的目的。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是構(gòu)造簡單、可靠性好、剛度高以及裝卸方便。但調(diào)整費(fèi)時(shí)，并且在 工作中不能隨意調(diào)整，除非更換厚度不同的墊片。圖7-19雙螺母墊片調(diào)隙式結(jié)構(gòu)1、2-單螺母3-螺母座4-調(diào)整墊片圖7-20雙螺母螺紋調(diào)隙式結(jié)構(gòu)1、2-單螺母3-平鍵4-調(diào)整螺母b螺紋調(diào)隙式圖 7-20 其中一個(gè)螺母的外端有

49、凸緣而另一個(gè)螺母的外端沒有凸緣 而制有螺紋，它伸出套筒外，并用兩個(gè)圓螺母固定著。旋轉(zhuǎn)圓螺母時(shí)，即可消除間隙，并 產(chǎn)生預(yù)拉緊力，調(diào)整好后再用另一個(gè)圓螺母把它鎖緊。c齒差調(diào)隙式圖7-21 在兩個(gè)螺母的凸緣上各制有圓柱齒輪，兩者齒數(shù)相差一個(gè)齒，并裝入內(nèi)齒圈中，內(nèi)齒圈用螺釘或定位銷固定在套筒上。調(diào)整時(shí)，先取下兩端的內(nèi)齒圈，當(dāng)兩個(gè)滾珠螺母相對于套筒同方向轉(zhuǎn)動(dòng)相同齒數(shù)時(shí)，一個(gè)滾珠螺母對另一個(gè)滾珠螺母 產(chǎn)生相對角位移，從而使?jié)L珠螺母對于滾珠絲杠的螺旋滾道相對移動(dòng)，到達(dá)消除間隙并施 加預(yù)緊力的目的。圖7-21雙螺母齒差調(diào)隙式結(jié)構(gòu)1、2-單螺母3、4-內(nèi)齒圈除了上述三種雙螺母加預(yù)緊力的方式外，還有單螺母變導(dǎo)程自

50、預(yù)緊及單螺母鋼球過盈預(yù)緊方式。各種預(yù)緊方式的特點(diǎn)及適用場合見表7-2表7-2國產(chǎn)滾珠絲杠副預(yù)加負(fù)荷方式及其特點(diǎn)預(yù)加負(fù)荷方式雙螺母齒差預(yù)緊雙螺母墊片預(yù)緊雙螺母螺紋預(yù)緊單螺母變導(dǎo)程自預(yù)緊單螺母鋼珠過盈預(yù)緊JB3162.1-82部標(biāo)代號CDLB螺母受力方式拉伸式拉伸式壓縮式拉伸式外壓縮 式內(nèi)拉伸式十AL 壓縮式一AL結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)0.002mm以下精密微調(diào)，預(yù)緊 可靠不會松弛，調(diào) 整預(yù)緊力較方便結(jié)構(gòu)簡單，剛性高， 預(yù)緊可靠及不易松 弛。使用中不便隨 時(shí)調(diào)整預(yù)緊力預(yù)緊力調(diào)整方便， 使用中可隨時(shí)調(diào) 整。不能定量微調(diào) 螺母，軸向尺寸長結(jié)構(gòu)最簡單，尺寸最 緊湊，防止了雙螺母 形位誤差的影響，使 用中不能隨時(shí)

51、調(diào)整結(jié)構(gòu)簡單，尺寸緊湊， 不需任何附加預(yù)緊機(jī) 構(gòu)。預(yù)緊力大時(shí)，裝 配困難，使用中不能 隨時(shí)調(diào)整調(diào)整方法當(dāng)需重新調(diào)整預(yù)緊 力時(shí)，脫開差齒圈， 相對于螺母上的齒 在圓周上錯(cuò)位，然 后復(fù)位改變墊片的厚度尺 寸，可使雙螺母重 新獲得所需預(yù)緊力旋轉(zhuǎn)預(yù)緊螺母使雙 螺母產(chǎn)生相對軸向 位移，預(yù)緊后需鎖 緊螺母拆下滾珠螺母，精確 測量原裝鋼珠直徑， 然后根據(jù)預(yù)緊力需 要，重新更換裝入大 假設(shè)干微米的鋼球拆下滾珠螺母，精確 測量原裝鋼珠直徑， 然后根據(jù)預(yù)緊力需 要，重新更換裝入大 假設(shè)干微米的鋼球適用場合要求獲得準(zhǔn)確預(yù)緊 力的精密定位系統(tǒng)高剛度、重載荷的 傳動(dòng)定位系統(tǒng)，目不要求得到準(zhǔn)確地 預(yù)緊力，但希望隨中等載荷

52、對預(yù)緊力要 求不大，又不經(jīng)常調(diào)前用得較普遍時(shí)可調(diào)節(jié)預(yù)緊力大 小的場合節(jié)預(yù)緊力的場合備注我國目前剛開始開展的結(jié)構(gòu)雙圓弧齒形鋼球四點(diǎn) 接觸，摩擦力矩較大(4) 滾珠絲杠副的精度滾珠絲杠副的精度等級為 1、2、3、4、5、7、10級精度，代號分別為1、2、3、4、5、 7、10。其中1級為最高，依次逐級降低。滾珠絲杠副的精度包括各元件的精度和裝配后的綜合精度，其中包括導(dǎo)程誤差、絲杠 大徑對螺紋軸線的徑向圓跳動(dòng)、絲杠和螺母外表粗糙度、有預(yù)加載荷時(shí)螺母安裝端面對絲 杠螺紋軸線的圓跳動(dòng)、有預(yù)加載荷時(shí)螺母安裝直徑對絲杠螺紋軸線的徑向圓跳動(dòng)以及滾珠 絲杠名義直徑尺寸變動(dòng)量等。在開環(huán)數(shù)控機(jī)床和其他精密機(jī)床中，滾

53、珠絲杠的精度直接影響定位精度和隨動(dòng)精度。 對于閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，絲杠的制造誤差使得它在工作時(shí)負(fù)載分布不均勻，從而降低承 載能力和接觸剛度，并使預(yù)緊力和驅(qū)動(dòng)力矩不穩(wěn)定。因此，傳動(dòng)精度始終是滾珠絲杠最重 要的質(zhì)量指標(biāo)。圖7-22當(dāng)方向目標(biāo)值T不等于零時(shí)的導(dǎo)程誤差值a)任意300mm螺紋長度內(nèi)，螺紋全長內(nèi)導(dǎo)程誤差曲線的帶寬b ) 2 n弧度內(nèi)導(dǎo)程誤差滾珠絲杠導(dǎo)程誤差曲線如圖7-22所示?？紤]到滾珠絲杠測量時(shí)是在標(biāo)準(zhǔn)溫度下進(jìn)行的，而實(shí)際工作溫度下會產(chǎn)生一定的溫升熱變形，因而在衡量導(dǎo)程誤差時(shí)需引入一個(gè)目標(biāo) 導(dǎo)程值。例如，設(shè)滾珠絲杠在工作溫度下比測量溫度下在測量長度內(nèi)共伸長為T(mm),那么以此值定為方

54、向目標(biāo)值，以圖7-22a的虛線(目標(biāo)導(dǎo)程 Lt)作為誤差比擬的標(biāo)準(zhǔn)，即假設(shè)實(shí)際導(dǎo)程曲線是虛線時(shí)表示沒有導(dǎo)程誤差。實(shí)際導(dǎo)程La是指制造的實(shí)測導(dǎo)程曲線。用最小二乘法可求得在導(dǎo)程誤差圖上代表實(shí)際導(dǎo)程總傾向的直線一一實(shí)際導(dǎo)程代表線，它允許近似 地用在測量長度內(nèi)實(shí)際導(dǎo)程首尾兩點(diǎn)的連線來代替。導(dǎo)程差異 L是實(shí)際導(dǎo)程相對于理論導(dǎo)程(目標(biāo)導(dǎo)程)的差值，它包括2n弧度內(nèi)的導(dǎo)程誤差 L2n。任意300mm螺紋長度內(nèi)的導(dǎo)程誤差 L300,螺紋全長內(nèi)的導(dǎo)程誤差 L。導(dǎo)程誤差曲線帶寬 Lb是在導(dǎo)程誤差圖上，實(shí)際導(dǎo)程相對于實(shí)際導(dǎo)程代表線的最大正值與最大負(fù)值絕對值之和。(5) 滾珠絲杠副的標(biāo)注方法滾珠絲杠副的型號根據(jù)其結(jié)構(gòu)

55、、規(guī)格、精度和螺紋旋向等特征按以下格式編寫。循環(huán)方式預(yù)緊方式 公稱直徑根本導(dǎo)程負(fù)荷滾珠總?cè)?shù)精度等級螺紋旋向 循環(huán)方式代號見表 7-1，預(yù)緊方式代號見表 7-2。負(fù)荷滾珠總?cè)?shù)為 1.5、 2、2.5、3、 3.5、4、4.5、5 圈，代號分別為 1.5、2、2.5、3、3.5、 4、 4.5 、 5。 螺旋旋向?yàn)樽?、右旋，只?biāo)左旋代號為LH ，右旋不標(biāo)。滾珠螺紋的代號用 GQ表示，標(biāo)注在公稱直徑前，如GQ50 X 8 3例 CTC63 X 103.53.5/2000 X 1600表示為插管突出式外循環(huán) CT，雙螺母齒差預(yù)緊C的滾珠絲杠副，公稱直徑63mm , 根本導(dǎo)程10mm，負(fù)荷滾珠總?cè)?shù)

56、3.5圈，精度等級3.5級，螺紋旋向?yàn)橛倚?，絲杠全長為 2000mm，螺紋長度為 1600mm。圖 7-23 滾珠絲杠副尺寸的標(biāo)注a 滾珠螺母尺寸的標(biāo)注 b 滾珠絲杠尺寸的標(biāo)注滾珠絲杠及螺母零件圖上螺紋尺寸的標(biāo)注方法見圖7-23?！癎Q為滾珠絲杠螺紋的代號，50為公稱直徑$ 50mm, 8表示根本導(dǎo)程為8mm 2為精度等級，左旋螺紋應(yīng)在最后 標(biāo)“ LH'字，右旋不標(biāo)。6滾珠絲杠副在機(jī)床上的安裝方式1 支承方式 螺母座、絲杠的軸承及其支架等剛性缺乏，將嚴(yán)重地影響滾珠絲杠副的傳動(dòng)剛度。因 此，螺母座應(yīng)有加強(qiáng)肋，以減少受力后的變形，螺母座與床身的接觸面積宜大，其連接螺 釘?shù)膭偠纫矐?yīng)高，定位銷要緊密配合，不能松動(dòng)。圖 7-24 滾珠絲杠在機(jī)床上的支承方式a 一端裝推力軸承b 一端裝推力軸承，一端裝深溝球軸承c兩端裝推力軸承d 兩端裝推力軸承及深溝球軸承滾珠絲杠常用推力軸承支承，以