1、1,第七章 进给系统的机械传动结构,包括引导和支承执行部件的导轨、丝杠螺母副、齿轮齿条副、蜗杆蜗轮副、齿轮或齿链副及其支承部件等。设计和选用机械传动结构时，必须考虑以下问题：(1) 减少摩擦阻力 如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) 提高传动精度和刚度、消除传动间隙 传动精度和刚度主要取决于丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副及其支承结构的刚度。传动间隙主要来自传动齿轮副、蜗杆副、丝杠螺母副等。(3) 减小运动惯量 传动元件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有影响。在满足部件强度和刚度的前提下，尽可能减小执行部件的惯量。,7.1 概 述,2,7.2 传动齿轮副,一、设计
2、传动齿轮副应考虑的问题,进给系统采用齿轮传动装置，是为了使丝杠、工作台的惯量在系统中占有较小的比重；还可使高转速低转矩的伺服驱动装置的输出变为低转速大扭矩，以适应驱动执行件的需要。在设计齿轮传动装置时，应考虑的问题：1. 应又足够的强度和精度；2. 应综合考虑其速比分配及传动级数对传动件的转动惯量和执行件的转动的影响。增加传动级数，可以减小转动惯量。但级数增加，使传动装置结构复杂，降低了传动效率，增大了噪声；同时也加大了传动间隙和摩擦损失，对伺服系统不利。,3,二、消除传动齿轮间隙的措施,(一) 存在间隙的危害：1. 在开环系统中会造成进给运动的位移值滞后于指令值；反向时，会出现反向死区，影响
3、加工精度。2. 在闭环系统中，由于有反馈作用，滞后量可得到补偿，但反向时会使伺服系统产生振荡而不稳定。,(二) 调整方法1. 刚性调整法刚性调整法是调整后齿侧间隙不能自动补偿的调整法。因此，齿轮的周节公差及齿厚要严格控制，否则影响传动的灵活性。这种调整方法结构比较简单，且有较好的传动刚度。,4,(1) 偏心轴调整法,通过调整偏心套来改变齿轮1和齿轮2之间的中心距，从而消除了齿侧间隙。,5,(2) 轴向垫片调整法,要改变垫片的厚度就能改变齿轮2和齿轮1的轴向相对位置，从而消除了齿侧间隙。,6,2. 柔性调整法,(1)轴向压簧调整法用螺母来调节弹簧的轴向压力，使齿轮1和2的左、右齿面分别与宽斜齿轮
4、齿槽的左右侧面贴紧。弹簧力需调整适当，过松消除不了间隙，过紧则齿轮磨损过快。,该法是调整之后齿侧间隙仍可自动补偿的调整法。一般采用调整压力弹簧的压力来消除齿侧间隙，但这种结构较复杂，轴向尺寸大、传动刚度低，传动平稳性也差。,7,(2)周向压簧调整法,转动螺母调整弹簧的拉力可以使薄片齿轮错位，即两片薄齿轮1、2的左、右齿面分别与宽齿轮齿槽的右、左贴紧，消除了齿侧间隙。,8,7.3 滚珠丝杠螺母副,滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置。,一、 工作原理与特点,在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道，当丝杠旋转时，滚珠
5、在滚道内既自转又沿滚道循环转动。,12月3日,9,滚珠丝杠螺母副特点：1. 摩擦小，效率高，发热少；2. 丝杠螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，提高了传动刚度；3. 运动平稳，不易产生低速爬行现象；4. 磨损小、寿命长、精度保持性好；5. 不能自锁，有可逆性，丝杠立式使用时，应增加制动装置。,二、滚珠丝杠螺母副的循环方式,常用的循环方式有两种：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。,10,1外循环,每一列钢珠转几圈后经插管回珠器返回。插管式回珠器位于螺母之外，称为外循环。,外循环结构制造工艺简单，其滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡
6、珠现象，噪声也较大。,11,钢珠从A点走向B点、C点、D点然后经返向回珠器4从螺纹的顶上回到A点。螺纹每一圈形成一个钢珠的循环闭路。回珠器处于螺母之内，称为内循环。,2. 内循环,其结构紧凑，定位可靠，刚性好，返回滚道短，不易发生滚珠堵塞；缺点是结构复杂，制造较困难，不能用于多头螺纹。,12,三、滚珠丝杠螺母副的预紧方法,预紧方法有三种，基本原理都是使两个螺母产生轴向位移，以消除它们之间的间隙和施加预紧力。,滚珠丝杠螺母预紧的目的消除反向间隙、提高其刚度。,13,1. 垫片调整法,通过改变垫片的厚度，使螺母产生轴向位移。这种结构简单可靠、刚性好，但调整较费时间，且不能在工作中随意调整。,14,
7、2. 螺母调整法,用两个锁紧螺母l，2能使螺母相对丝杠作轴向移动。这种结构既紧凑，工作又可靠、调整也方便，故应用较广。但调整位移量和预紧力不易精确控制。,15,3. 齿差调整法,当两齿同向各转过一个齿时，则左螺母相对于右螺母转过1m。,16,四、滚珠丝杠螺母副的选用,目前我国滚珠丝杠螺母副的精度标准为四级：普通级P、标准级B、精密级J和超精密级C。普通数控机床可选用标准级B，精密数控机床可选精密级J或超精密级C。,在设计和选用滚珠丝杠螺母副时，首先要确定螺距t、名义直径D0、滚珠直径d0等主要参数。D0愈大，丝杠承载能力和刚度愈大。为了满足传动刚度和稳定性的要求，通常D0应大于丝杠长度的1/3
8、01/35，根据D0值选取尽量较大的螺距t。滚珠直径d0对承载能力有直接影响，应尽可能取较大的数值。一般d0 0.6t，其最后尺寸按滚珠标准选用。,17,(四) 滚珠丝杠螺母副的支承形式和制动方式,1. 支承形式,(1) 一端装止推轴承,这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杠，如数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直坐标中。,18,( 2) 一端装止推轴承，另一端装向心球轴承,滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定，另一自由端装向心球轴承。为了减少丝杠热变形的影响，止推轴承的安装位置应远离热源(如液压马达)及丝杠上的常用段。,19,(3) 两端装止推轴承,将止推轴承装在滚珠丝杠的
9、两端，并施加预紧拉力，有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长较为敏感。,20,(4) 两端装止推轴承及向心袖轴承,为了提高刚度，丝杠两端采用双重支承，如止推轴承和向心球轴承，并施加预紧拉力。这种结构方式可使丝杠的热变形转化为止推轴承的预紧力，但设计时要注意提高止推轴承的承载能力和支架刚度。,21,2. 制动方式,滚珠丝杠螺母副传动效率很高，但不能自锁，用在垂直传动或水平放置的高速大惯量传动中，必须装有制动装置。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。滚珠丝杠必须采用润滑油或锂基油脂进行润滑，同时要采用防尘密封装置。如用接触式或非接触密封圈，螺旋式弹簧钢
10、带，或折叠式塑性人造革防护罩，以防尘土及硬性杂质进入丝杠。,22,7.4 导轨一、对导轨的基本要求,导轨的功用概括为起导向和支承作用，在设计导轨时应考虑以下问题： 1. 有一定的导向精度 导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线性(对直线运动导轨)或真圆性(对圆运动导轨)及它与有关基面之间的相互位置的准确性。2. 有良好的精度保持性 精度保持性是指导轨能否长期保持原始精度，丧失精度保持性的主要因素是由于导轨的磨损、导轨的结构形式及支承件材料的稳定性有关。数控机床常采用滚动导轨，静压导轨或塑料导轨。,23,3. 有足够的刚度 导轨的刚度主要决定于其类型、结构形式和尺寸大小点轨与床身的联接方式
11、，导轨材料和表面加工质量等。数控机床常采用加大导轨截面积的尺寸，或在主导轨外添加辅助导轨来提高刚度。4. 有良好的摩擦特性 导轨的摩擦系数要小，而且动、静摩擦系数应尽量接近，以减小摩擦阻力和导轨热变形，使运动轻便平稳，低速无爬行，这对数控机床特别重要。5. 导轨结构工艺性要好，便于制造和装配，便于检验、调整和维修，有合理的导轨防护和润滑措施等。,24,二、滚动导轨,滚动导轨就是在导轨工作面间安装滚动件，变滑动摩擦为滚动摩擦。其优点是摩擦系数小、摩擦发热小、运动灵活、精度保持性好、低速运动平稳。缺点是滚动导轨结构复杂，制造成本高，抗震性差。滚动导轨常用的滚动体有滚珠、滚柱、滚针，特点是：滚珠导轨
12、的承载能力小，刚度低，适用于运动部件重量不大，切削力和颠覆力矩都较小的机床。滚柱导轨的承载能力和刚度都比滚珠导轨大，适用于载荷较大的机床。滚针导轨的特点是滚针尺寸小，结构紧凑，适用于导轨尺寸受到限制的机床。,25,1. 滚动导轨块,(一) 工作原理,滚动导轨块的特点是刚度高、承载能力大、便于装拆。,26,2. 直线滚动导轨,导轨条安装在床身上，滑块连同工作台沿导轨条作直线运动；滑块中有四组滚珠，在导轨条和滑块的直线滚道内滚动。当滚珠滚到滑块的端点(图b为左端)，就经端面挡板和滑块中的回珠孔回到另一端，经另一端面挡块再进入循环。四组滚珠各有自己的回珠孔；分别处于滑块的四角。,27,(二) 配置与
13、固定,直线滚动导轨副包括导轨条和滑块两部分。导轨条通常为两根，装在支承件上，见图下图。每根导轨条上有两个滑块，固定在移动件上。如移动件较长，也可在一根导轨条上装3个或3个以上的滑块。如移动件较宽，也可用3根或3根以上的导轨条。,28,上图两条导轨条中，一条为基准导轨(右导轨)，上有基准面A。它的滑块上有基准面B。另一条为从动导轨(左导轨)。装配时，将基准导轨的基准面A靠在支承件的定位面上，用螺钉1顶靠后固定。滑块则顶靠在移动件的定位面上。,29,(三) 精度和预紧,直线运动滚动支承的精度分为1、2、3、4、5、6级。数控机床应采用1或2级。不同精度和规格的导轨支承，对安装基面均有相应的形位公差
14、要求。设计时应注意查样本手册。,1. 精度,2. 预紧,导轨支承的工作间隙，直接影响它的运动精度、承载能力和刚度。间隙分为普通间隙和负间隙(过盈，即预紧)两类，在负间隙中又有轻预紧和中预紧两种情况。,(1) 普通间隙通常用于对精度无要求和要求尽量减小滑块移动阻力的场合，如辅助导轨，机械手等；(2) 轻预紧用于精度要求较高但载荷较轻的场合，例如磨床的进给导轨和工业机器人等；,30,(3) 中预紧用于对精度和刚度均要求较高具有冲击、振动和进行重切削的场合，例如加工中心、数控机床、磨床的砂轮架导轨等。,31,图d中按规定要求用力矩扳手扭紧，中间螺钉按要求施力，两端的略轻些为中间施力的90效果较好。,
15、32,三、静压导轨,静压导轨的滑动面之间开有油腔，将有一定压力的油通过节流器输入油腔，形成压力油膜，浮起运动部件，使导轨工作表面处于纯液体摩擦，不产生磨损。(一）特点其优点是：(1) 精度保持性好；(2) 摩擦系数也极低(0.0005)，驱动功率大大降低；(3) 其运动不受速度和负载的限制，低速无爬行，承载能力大，刚度好；(4) 油液有吸振作用，抗振性好，导轨摩擦发热也小。其缺点是结构复杂，要有供油系统，油的清洁度要求高。,33,(二) 工作原理由于承载的要求不同，静压导轨分为开式和闭式两种。开式静压导轨的工作原理，如图7-19(a)所示。,34,开式静压导轨只能承受垂直方向的负载，承受颠覆力
16、矩的能力差。闭式静压导轨能承受较大的颠覆力矩，导轨刚度也较高，其工作原理如图下所示。,静压导轨主要用于精密机床的进给运动和低速运动导轨。,35,四、导轨的润滑与防护,（一）导轨的润滑,1. 润滑的目的、要求与方式,润滑的目的是为了降低摩擦力、减少磨损、降低温度和防止生锈。润滑要求供给导轨清洁的润滑油。油量可以调节。尽量采取自动和强制润滑。润滑元件要可靠。要有安全装置。例如静压导轨在未形成油膜之前不能开车和润滑不正常有报警信号等。导轨的润滑方式有：人工定期向导轨面浇油、在运动部件上装油杯使油沿油孔流或滴向导轨面、在运动部件上装润滑电磁泵等。,36,2润滑油的选择导轨常用的润滑剂有润滑油和润滑脂，
17、滑动导轨用润滑油。滚动导轨支承多用润滑脂润滑。它的优点是不会泄漏，不需经常加油；缺点是尘屑进入后易磨损导轨，因此对防护要求较高。易被污染又难以防护的地方，可用润滑油润滑。,(二) 导轨的防护防止或减少导轨副磨损的重要方法之一，就是对导轨进行防护。据统计，有可靠防护装置的导轨，比外露导轨的磨损量可减少60左右。常用的防护方式有以下几种：,37,1刮板式,图a的耐热能力好，但只能排除较大的硬粒。图b除可去除细小的尘屑之外，还具有良好的吸油能力。图c是的耐热能力好、防护能力强并有良好的润滑性。虽结构稍复杂，应用仍很多。,38,2伸缩式,图a软式皮腔式防护装置，一般用皮革、帆布或人造革制成，结构简单，
18、可用于高速导轨。缺点是不耐热。这种防护装置多用于磨床和精密机床，如导轨磨床等。但不能用于车床铣床等有红热切屑的机床。,39,图b层式的各层盖板均由钢板制成，耐热性好，强度高、刚性好，使用寿命长。该防护装置多用于大型和精密机床，如龙门式机床、数控机床和坐标镗床等。,五、提高导轨耐磨性的措施从设计角度提高耐磨性的基本思路是：尽量争取无磨损；在无法避免磨损时尽量争取少磨损、均匀磨损以及磨损后能够补偿，以便提高使用期限。,(一) 争取无磨损磨损的原因是配合面在一定的压强作用下直接接触并作相对运动。因此不磨损的条件是配合面在作相对运动时不直接接触，接触时则无相对运动。其办法之一是使润滑剂把摩擦面完全分隔
19、开。如静压导轨、静压轴承或其它的静压副。,40,(二) 争取少磨损争取无磨损只能在少数和特殊情况下才能做到。多数情况只能争取少磨损以延长工作期限。,1降低压强采用加大导轨的接触面和减轻负荷的办法来降低压强。提高导轨面的直线度和细化表面粗糙度，均可增加实际接触面积。采用卸荷导轨是减轻导轨负荷，降低压强的好办法。,2改变摩擦性质用滚动副代替滑动副，可以减少磨损。在滑动摩擦副中保证充分润滑避免出现干摩擦或半干摩擦，也可降低磨损。,41,3正确选择摩擦副的材料和热处理适当选择摩擦副的材料和热处理可提高抗磨损的能力。例如，支承导轨淬硬，动导轨表面贴塑料软带。4加强防护加强防护，可避免灰尘、切屑、砂轮屑等
20、进入摩擦副，是提高导轨耐磨性的有效措施。,(三) 争取均匀磨损磨损是否均匀对零部件的工作期限影响很大。例如床身导轨，如果磨损是均匀的，对机床加工精度一般影响不大，而且可以补偿。磨损不均匀的原因主要有两个：在摩擦面上压强分布不均；各个部分的使用机会不同。争取均匀磨损有如下措施：,42,1. 力求使摩擦面上压强均匀分布，例如导轨的形状和尺寸要尽可能对集中载荷对称；2. 尽量减小扭转力矩和倾覆力矩；保证工作台、溜板等支承件有足够的刚度；3. 摩擦副中全长上使用机会不均的那一件硬度应高些，例如车床床身导轨的硬度应比床鞍导轨硬度高。,(四) 磨损后应能补偿磨损量磨损后间隙变大了，设计时应考虑在构造上能补偿这个间隙。补偿方法可以是自动的连续补偿，也可以是定期的人工补偿。自动连续补偿可以靠自重，例如三角形导轨。定期的人工补偿，如矩形和燕尾形导轨靠调整镶条，闭式导轨还要调整压板等。,
