数控机床进给系统的机械元件

9.2.1 对进给传动机械部分的要求

数控机床的进给系统是伺服系统的主要组成部分，其功能是将伺服电动机的旋转运动转变为执行部件的直线运动或回转运动。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受进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。因此，对数控机床进给系统的机械部分有如下要求：

（1）传动精度和刚度要高 传动精度是指伺服系统的输入量与驱动装置实际位移量的精确程度。从机械方面考虑，进给系统的传动精度和刚度主要取决于传动间隙、传动装置及其支承结构的精度和刚度。因此，进给系统广泛采用精密的滚珠丝杠螺旋副，采取施加预紧力或其他消除间隙的措施，和提高各个零件的精度、刚度以及对丝杠螺母副、支承部件施加预紧力来提高传动精度和刚度。

（2）高的灵敏度 灵敏度即动态响应特性，是指系统的响应时问以及驱动装置的加速能力。在数控机床的进给系统中，普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、减摩滑动导轨、滚动导轨及静压导轨来减小运动件间的摩擦阻力和动、静摩擦力之差，从而提高系统的灵敏度。

（3）稳定性好 系统的稳定性是指系统在起动状态或受外界干扰作用下，经过几次衰减振荡后，能迅速地稳定在新的或原来的平衡状态的能力。稳定性与系统的惯性、刚性、阻尼等有关。进给系统中每个零件的惯量对伺服系统的起动和制动特性都有直接影响，特别是高速运动的零件，在满足强度和刚度的前提下，应尽可能减小执行部件的质量，减小旋转零件的直径和质量，合理地配置各元件，以减小运动部件的惯量。数控机床的进给系统要有适度阻尼，阻尼虽然会降低系统的灵敏度，但可增加系统的稳定性，适度的阻尼可保证运动部件抗干扰的能力。

9.2.2 滚珠丝杠螺母副的结构

滚珠丝杠螺母副是数控机床理想的将回转运动转换为直线运动的传动装置，它的结构特点是，在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦。工作原理如图9-9所示。在丝杠和螺母上都加工有半圆弧形的螺旋槽，把它们套装在一起便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道，将螺旋滚道的两端连接在一起构成封闭的循环滚道，在滚道内装满滚珠。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，迫使螺母（或丝杠）轴向移动。

图9-9 滚珠丝杠副的工作原理

滚珠丝杠螺母副的优点是，传动效率高，传动效率η=0.92～0.96，所需传动转矩小；磨损小，寿命长，精度保持性好；灵敏度高，传动平稳，不易产生爬行；丝杠和螺母之间可通过预紧和间隙消除措施提高轴向刚度和反向精度；运动具有可逆性，不仅可将旋转运动变成直线运动，也可将直线运动变成旋转运动。缺点是，制造工艺复杂，成本高；在垂直安装时不能自锁，需附加制动机构。常用的制动方法有超越离合器、电磁摩擦离合器或者使用具有制动装置的伺服驱动电机。

滚珠丝杠螺母副的结构与滚珠的循环方式有关，滚珠的循环方式分为外循环和内循环两种。滚珠在返回过程中与丝杠脱离接触的为外循环；滚珠在循环过程中与丝杠始终接触的为内循环。

（1）外循环滚珠丝杠副 根据滚珠循环时的返回方式不同，外循环滚珠丝杠副又分为插管式和螺旋槽式两种，如图9-10所示。外循环插管式用弯管作为返回管道，这种形式结构工艺性好，但管道突出螺母体外，径向尺寸较大。外循环螺旋槽式是在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道。这种形式的结构比插管式的结构径向尺寸小，但制造较为复杂。

（2）内循环滚珠丝杠副 如图9-10（c）所示。在螺母的侧孔中装有圆柱凸键反向器，反向器上铣有S形回珠槽，将相邻螺纹滚道连接起来，滚珠从螺纹滚道进入反向器，借助反向器迫使滚珠越过丝杠牙顶进入相邻滚道，实现循环。一般一个螺母上装有2～4个反向器，反向器沿螺母圆周均布。这种结构径向尺寸紧凑，刚性好，且不易磨损，因返程滚道短，不易发生滚珠堵塞，摩擦损失小。但反向器结构复杂，制造困难，且不能用于多头螺纹传动。

图9-10 滚珠丝杠螺母副的结构

9.2.3 滚珠丝杠副轴向间隙的调整

滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。用预紧方法消除间隙时应注意，预加载荷要能够有效地减少弹性变形所带来的轴向位移，但预紧力不宜过大，过大的预紧载荷将增加摩擦力，使传动效率降低，缩短丝杠的使用寿命。所以，一般需要经过多次调整才能保证机床在适当的轴向载荷下既消除了间隙又能灵活转动。常用的消除轴向间隙的方法有以下几种：

（1）双螺母垫片调隙式 如图9-11所示，螺母1和螺母2之间放入一调整垫片3，调整垫片厚度使左右两螺母产生方向相反的位移，使两个螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上，即可消除间隙和产生预紧力。这种方法结构简单，刚性好，但调整不便，滚道有磨损时不能随时消除间隙和预紧，调整精度不高，仅适用于一般精度的数控机床。

9-11 双螺母垫片调隙式

1、2-螺母　 3-调整垫片　 4-滚珠丝杠

图9-12 双螺母螺纹调隙式

1-滚珠丝杠　 2、5-左、右螺母　 3-螺母座　 4-平键　 6-垫片　 7、8-圆螺母

（2）双螺母螺纹调隙式 如图9-12所示，螺母2外端有凸缘，螺母5右端加工有螺纹，用两个圆螺母7、8把垫片6压在螺母座3上，左右两螺母通过平键4和螺母座3连接，使两螺母在螺母座3内可以轴向相对滑移但不能相对转动。调整时，拧紧圆螺母7使螺母5向右滑动，就改变了两螺母的间距，即可消除间隙并产生预紧力，然后用螺母8锁紧。这种调整方法结构简单紧凑，工作可靠，调整方便，应用较广，但调整预紧量不能控制。

（3）双螺母齿差调隙式 如图9-13所示，在左螺母1的凸缘上加工有齿数为z1的圆柱外齿轮，在右螺母2的凸缘上加工有齿数为z2的圆柱外齿轮，z1与z2分别与紧固在螺母座4两端的内齿圈与相啮合，使左、右两螺母不能转动。z1与z2相差一个齿数。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于螺母座同方向都转动一个齿或几个齿，然后再插入内齿圈与并紧固在螺母座上，则两个螺母便产生角位移，使两个螺母轴向间距改变，实现消除间隙和预紧。设滚珠丝杠的导程为P，两个螺母相对于螺母座同方向转动一个齿后，其轴向位移量

图9-13 双螺母齿差调隙式

1、2-左右螺母　 3-滚珠丝杠　 4-螺母座

例如，z1=99，z2=100，滚珠丝杠的导程P=10mm时，则S=10／9 900≈0.001（mm），若间隙量为0.003m，则相应的两螺母沿同方向转过3个齿即可消除间隙。齿差调隙式的结构较为复杂，尺寸较大，但是调整方便，可获得精确的调整量，预紧可靠不会松动，适用于高精度传动。

（4）单螺母调隙式 单螺母结构如图9-14所示。螺母3在专业生产工厂完成精磨之后，沿径向开一窄槽2，通过内六角调整螺钉1实现间隙的调整和预紧。单螺母结构不仅具有很好的性能价格比，而且间隙的调整和预紧极为方便。

图9-14 单螺母调隙式

1-内六角调整螺钉　 2-窄槽　 3-螺母　 4-滚珠丝杠　 5-润滑油口

9.2.4 传动齿轮副齿侧间隙的消除

在步进电机和小惯量伺服电机进给系统中，由于机床惯量大，必须要用齿轮传动。当数控机床的进给方向改变时，传动齿轮的齿侧间隙会造成指令脉冲丢失，并产生反向死区从而影响加工精度，因此必须采取措施消除齿轮传动时的间隙。齿侧间隙的消除主要有刚性调整法和柔性调整法两种。

（1）刚性调整法 刚性调整法是指调整后齿侧间隙不能自动补偿的调整方法，对齿轮的周节公差及齿厚要严格控制，否则会影响传动的灵活性。常见的有以下几种方法。

①偏心套调整法：如图9-15所示，电动机1通过偏心套2装到箱体3上，转动偏心套使主动齿轮z1轴线的位置上下改变，而从动齿轮z2轴线位置固定不变，所以通过转动偏心套2就可调节两啮合齿轮的中心距A，从而消除齿侧间隙。

图9-15 偏心套调整法

②轴向垫片调整法：如图9-16（a）所示，用轴向垫片消除直齿圆柱齿轮传动间隙。两个啮合着的齿轮1和2的节圆直径沿齿宽方向制成略带锥度的形式，使其齿厚沿轴线方向逐渐变厚。调整间隙时，改变调整垫片3的厚度，使两齿轮在轴向上相对移动，从而消除齿侧间隙。如图9-16（b）所示，用轴向垫片消除斜齿圆柱齿轮的传动间隙。两薄斜齿轮3和4的齿形拼装在一起加工，装配时在两薄片齿轮间装入一定厚度的垫片2，使它的螺旋线错开，这样两薄片齿轮分别与宽齿轮1的左、右齿面贴紧，消除了间隙。垫片2的厚度t与齿侧间隙Δ的关系可用下式表示t=Δcosβ。这种调整方法结构比较简单，具有较好的传动刚度。

图9-16 轴向垫片调整法

1、2-小锥度齿轮　 3-调整垫片　 4-宽斜齿轮　 5、6-薄斜齿轮

（2）柔性调整法 柔性调整法是指调整之后齿侧间隙仍可自动补偿的调整法。这种方法一般都采用调整压力弹簧的压力来消除齿侧间隙，并在齿轮的齿厚和周节有变化的情况下，也能保持无间隙啮合。

①轴压弹簧调整法：如图9-17所示。其中图9-17（a）为两个啮合着的锥齿轮1和2，其中在装锥齿轮1的传动轴5上装有压簧3，锥齿轮1在弹簧力的作用下可稍做轴向移动，从而消除间隙。弹簧力的大小由螺母4调整。图9-17（b）为用碟形弹簧调整直齿圆柱齿轮的啮合间隙。

图9-17 轴压弹簧调整法

1、2-锥齿轮　 3-弹簧　 4-螺母　 5-传动轴　 6-垫片　 7-碟形弹簧　 8、9-薄斜齿轮　 10-宽斜齿轮

②周向弹簧调整法：如图9-18（a）所示用周向弹簧调整直齿圆柱齿轮的齿侧间隙。两个齿数相等的薄片齿轮1和2与另一宽齿轮啮合，齿轮1空套在齿轮2上，可以相对转动。每个齿轮端面分别均匀装有四个螺纹凸耳3和8，齿轮2的端面有4个通孔，凸耳8可以从中穿过，弹簧4分别勾在调节螺钉7和凸耳3上。旋转螺母5和6可以调整弹簧4的拉力，弹簧的拉力可以使薄片齿轮错位，即两片薄齿轮的左、右齿面分别与宽齿轮轮齿齿槽的左、右贴紧，从而消除齿侧间隙。如图9-18（b）所示用周向弹簧调整圆锥齿轮的齿侧间隙。将一对啮合的锥齿轮中的一个齿轮做成大小两片1和2，在大片上制有3个圆弧槽，在小片上制有3个凸爪6，凸爪6伸入大片的圆弧槽中。弹簧4的一端顶在凸爪6上，另一端顶在镶块3上。为了安装方便，用螺钉5将大小片齿圈相对固定，安装完毕后再将螺钉卸去，利用弹簧力使大小片锥齿轮稍微错开，消除间隙。

图9-18 周向弹簧调整法

1、2-薄片齿轮　 3、8-螺纹凸耳　 4-弹簧　 5、6-螺母　 7-调节螺钉　 9-大锥齿轮外圈　 10-大锥齿轮内圈　 11-镶块　 12-弹簧　 13-螺钉　 14-凸爪

9.2.4 回转工作台

数控机床的进给运动，除了沿X、Y、Z坐标的直线进给运动外，还可以有绕X、Y、Z轴的圆周进给运动，这可以用回转工作台实现。此外，还利用分度或回转工作台来改变工件相对于主轴的位置，以便分别加工工件各个表面。数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。

9.2.4.1 分度工作台

分度工作台只能分度。它是按照数控系统的指令，在需要分度时将工作台连同工件回转一定的角度；有时也可采用手动分度。分度工作台一般只能回转规定的度数，如45°、60°或90°等。分度工作台按定位机构的不同，可分为多齿盘式和定位销式两种。多齿盘式分度工作台是目前用得较多的一种精密的分度定位机构，可与数控机床做成整体的，也可以作为附件使用。

多齿盘式分度工作台主要由工作台面、底座夹紧油缸、分度油缸及多齿盘等零件组成，图9-19所示多齿盘分度工作台结构。当需要分度时，液压缸8的下腔进压力油，活塞5抬起工作台，上多齿盘4离开下多齿盘9，而当上多齿盘上到顶时，压下一行程开关，发出开始分度信号。此时伺服电动机启动，经过蜗轮副1和小轴端的小齿轮3，带动上多齿盘4的大齿轮，按规定分度角度回转，转到位以后，发出下降信号，液压缸8的上腔进压力油，工作台下降，上下多齿盘再度啮合，达到准确分度。此时另一行程开关被压下，发出分度完毕信号，机床即可开始加工。

多齿盘分度盘的特点是，分度精度高，精度保持性好；重复定位精度性高；刚性好，承载能力强；能自动定心；分度机构和驱动机构可以分离。多齿分度盘可实现的最小分度角度α=360°／z。z为多齿盘的齿数。

图9-19 多齿盘分度工作台

1-蜗轮副　 2-角接触球轴承　 3-小齿轮　 4-上多齿盘　 5-活塞　 6-向心滚针轴承　 7-止推滚针轴承　 8-液压缸　 9-下多齿盘　 10-密封圈　 11-塑料导轨板　 12-推力球轴承

9.2.4.2 数控回转工作台

图9-20 数控回转工作台

1-锁紧液压缸　 2-角度位置反馈元件　 3-蜗杆蜗轮副

数控回转工作台简称数控转台，不仅能实现任意角度分度，并且在切削过程中能够回转，其结构如图9-20所示。泄去锁紧液压缸1上腔的压力油，即可处于松开状态，此时由伺服电动机驱动蜗杆蜗轮副3带动工作台回转，而分度角度位置则由角度位置反馈元件2反馈给数控装置。反馈元件通常为圆感应同步器和圆光栅。数控转台的蜗杆传动，采用单头双导程蜗杆传动或采用双蜗杆传动。双导程蜗杆左、右齿面的导程不等，因而齿厚逐渐增加。改变蜗杆的轴向位置，即可改变啮合间隙，实现无间隙传动。