数控机床第3章数控机床典型结构及部件.ppt

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1、第3章数控机床典型结构及部件,技能目标 了解其结构特点及要求；理解其主传动系统的主轴变速方式，典型主轴部件结构及原理；理解并掌握进给系统中典型部件结构及原理；理解并掌握一般转塔回转刀加及自动换刀机构的组成及工作原理；了解其排屑装置的作用与种类。对数控机床的要求是：精密、完善、稳定、可靠、重复。,普通机床的弱点是：结构刚性不足、抗振性差、滑动面的摩擦阻力大、传动元件中的间隙大等。数控机床具有独特的机械结构，除机床基础外，还有主传动系统、进给系统、工件实现回转定位的装置及附件、自动换刀装置等。3.1 数控机床的结构特点及要求 其特点有：（1）机械传动系统结构简化、传动链缩短。如采用高性能的无级变速

2、主轴及伺服传动系统。（2）机械结构的刚性和抗振较好。如采用动静压轴承的主轴部件、钢板焊接结构支承件等。（3）传动元件其效率、刚度、精度等方面较优良。如采用滚,珠丝杆螺母副、静压蜗杆副、塑料滑动导轨、滚动导轨、静压导轨等。（4）大大提高生产率，改善劳动条件。如采用多主轴、多刀架结构、刀具及工件的自动夹紧装置、自动换刀装置、自动排屑、自动润滑冷却装置等。（5）加工精度高及其稳定，产品质量可靠。如采取了减小机床热变形措施。数控机床机械结构基本要求如表3.1所示。刚度是指结构在一定频率下承受抵抗变形的能力。静刚度是指结构在静载荷下抵抗变形的能力，用变形多少来衡量。动刚度是指结构在动载荷下抵抗变形的能力

3、，用固有频率来衡量。,1、,2、,3、,a,b,a,b,a,b,c,d,e,1,2,3,4,5,3.2 数控机床主传动系统,数控机床主传动系统包括主轴电机、主传动系统和主轴组件。主轴运动是成形运动之一，其精度决定了零件的精度；而数控机床又是高效率的机床，所以，主轴系统要有较大的调速范围并能实现无级调速；较高的精度和刚度、传动平稳、噪声低；低温升，小的热变形；良好的静刚度和抗振性。3.2.1 主轴变速方式 数控机床一般采用直流或交流主轴伺服电机实现主轴无级变速。目前交流主轴电机及交流变频驱动装置应用较为广泛。1、带有变速齿轮的主传动 图3.1（a）所示，是大、中型数控机床较常采用的配置方,式。通

4、过少数几对齿轮的传动，扩大变速范围，确保低速扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。其滑移齿轮的移位多采用液压拔叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。,2、通过带传动的主传动 图31（b）所示，一般用于转速较高、变速范围不大的小型数控机床上。电动机本身的调整就能满足要求，不用齿变速，,还可避免齿轮传动所引起的振动和噪声。它常用于高速低扭矩特性的主轴，常采用多楔带和同步齿形带。1）多楔带 又称复合三角带，如图3.2所示，其楔角为40。优点：（1）强力层中有多根钢丝绳或涤纶绳，较小伸长率、较大的抗拉强度和抗弯疲劳强度，主要承担传递负载。,（2）运转时振动小、发热少、运转平稳重量小，可在40m/s的线速度下使

5、用。（3）接触好，负载分布均匀，瞬时超载不会打滑，其传动功率比V带大20%30%，可满足高速、大转矩和不打滑的要求。（4）安装时需要较大的张紧力，主轴和电机须承受较大的径向负载。按齿距分3种规格：J型为2.4mm，L型为4.8mm，M型为9.5mm。2）同步齿形带 综合带、链传动优点的新型的一种传动带，分梯形齿和圆弧齿两种，如图3.2（b）所示，其结构和传动如图3.3所示。,同步齿形带是通过带工作面上的齿与带轮圆周上的齿相互嵌合，而进行无滑动的啮合传动。带内采用了加载后无弹性伸长的材料做强力层，以保持带的节距不变，可使主、从动带轮进行无相对滑动的同步传动。其优点：（1）传动效率高，可达98%以

6、上。（2）无滑动，传动比准确。（3）传动平稳，无噪声。（4）使用范围广，速度可达50m/s速比可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦。,（5）维修保养方便，不需要润滑。（6）安装中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。3、用两个电机分别驱动主轴 它是综合以上两种方法的混合传动。其具有以上两种的性能，如图3.1（c）所示。高速时，由一个电机通过带传动；低速时，由另一个电机通过齿轮变速传动，起到降速和扩大变速范围的作用，恒功率增大，满足了低速大转矩，两个电机，有点浪费。,4、调速电机直接驱动主轴传动 图3.1（d）所示，由调速电机直接驱动的主轴传动。其结构如图3.4所示。简化了主轴箱体和主轴

7、的结构，刚度高，但输出扭矩小，,电机发热影响主轴精度。一种新式内装电机主轴，即主轴与电机转子合为一体。其优点：主轴组件结构紧凑、重量和惯性小，可提高启动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声。缺点是：电机产生的热量影响主轴 精度，因此，温度控制和冷却 是使用内装电机主轴的关键问 题。图3.5为立式加工中心主轴 组件，最高转速可达 50000r/min。,3.2.2 主轴部件,主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴支承、安装在主轴上的传动零件等。其质量直接影响加工质量。1、主轴端部的结构形状,主轴端部功能：用于安装刀具或夹持工件的夹具。设计要求：应能保证定位准确、安装可靠、联结牢固、装卸方便、

8、能传递足够的转矩。其主轴端部的结构形状己标准化，如图3.6所示。图3.6（a）所示，其卡盘靠前端短圆锥和凸缘端面定位，用拔销传递扭矩。主轴为空心，前端有莫氏锥度孔，用以安装顶 尖或心轴。,前端短圆锥凸缘端面,图3.6（b）所示为铣、镗类机床的主轴端部结构，其铣、镗刀或刀杆靠前端7：24的锥孔定位，并用拉杆从主轴后端拉紧，而且由前端的端面键传递转矩。,图3.6（c）所示为外圆磨床砂轮主轴端部结构；图3.6（d）所示为内圆磨床砂轮主轴端部结构；图3.6（e）所示为钻床与普通镗杆端部结构，刀杆或刀具由莫氏锥孔定位，用锥孔后端1个扁孔传递转矩，第2个扁孔用以拆卸刀具。数控镗床上采用图3.6（b）所示结

9、构。,2、主轴部件的支承 主轴带着刀具或夹具在支承中进行回转运动，应能传递切削转矩承受切削抗力，并要保证必要的旋转精度。所以主轴的支承多数采用滚动轴承，对于精度要求特别高的则采用动压或静压滑动轴承来支承。下面介绍主轴部件所用滚动轴承：（1）主轴部件常用滚动轴承的类型,图3.7（a）所示为锥孔双列圆柱滚子轴承，内圈为1：12的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴向移动时，内圈胀大可以调整滚道的间隙。滚子数目多，并两列交错排列，因而承载能力大，刚性好，转速高。它的内、外圈壁厚较薄，所以要求主轴轴颈与主轴箱孔有较高的精度。该轴承只能承受径向载荷。,图3.7（b）所示为双列推力角接触球轴承，接触角为60，球径小，

10、数目多，能承受双向轴向载荷。磨薄中间隔套，可调整间隙或预紧，轴向刚度较高，允许转速高。该轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用做主轴的前支承，其外圈外径为负偏差，只承受轴向载荷。,图3.7（c）所示，为双列圆锥滚子轴承，它有 一个公用外圈和两个内圈，由外圈凸肩在箱体 上轴向定位，箱体孔镗成通孔。磨薄中间隔套 可以调整间隙或预紧，两列滚子的数目相差一 个，能使振动频率不一致，改善轴承的动态性。能同时承受径向和轴向载荷，用于主轴的前支承。图3.7（d）所示为带凸肩的双列 圆柱滚子轴承，与图（c）相似，可 用做主轴前支承。滚子呈空心，保持架为整体结构，充满滚子之间的间隙，润滑、冷却性能好。空心滚子受冲击载

11、荷可产生微小变形，这样能增大接触面积并有吸振和缓冲作用。,图3.7（e）所示为带预紧弹簧的圆锥滚子轴 承，弹簧数目1620根，均匀增减弹簧可以 改变预加载荷的大小。（2）滚动轴承的精度 其精度等级有高级E，精密级D，特精级C和 超精级B。前支承的精度一般比后支承高一级，也可用相同的精度等级。普通精度的机床通 常前支承用C、D级，后支承用D、E级。特高精度的机床前后支承均用B级精度。（3）主轴滚动轴承的配置 图3.8（a）所示，能使主轴获得较大的径向和轴向刚度，可满足较强力切削要求，普遍应用于各类数控机床的主轴，如数控车床、数控铣床的主轴。见图3.8（a）。,图3.8（b）所示，其配置刚度小于图

12、38（a），但提高了主轴转速，可适应主轴要求较高转速的数控机床。如立式、卧式加工中心机床广泛应用。为提高主轴刚度，前支承可配置4个或更多，后支承配置两个。见图3.8（b）。,图3.8（c）所示，能使主轴承受较重载荷（尤其是较强的动载荷），径向和轴向刚度高，安装和调整性好。但限制了主轴最高转速和精度，适应于中等精度、低速与重载的数控机床。见图3.8（c）。,为提高主轴组件的刚度，常采用三支承。尤其跨距较大，第三支承为辅助支承，可选后支承或中间支承为辅助支承，常采用深沟球轴承。,液体静压轴承和动压轴承主要应用于主轴高转速、高回转精度场合，如精密、超精密数控机床主轴，数控磨床主轴。空气静压轴承，主轴

13、转速每分钟可达几万转，并有非常高的回转精度。（4）主轴滚动轴承的预紧 轴承预紧是指使轴承滚道预先承受一定的载荷，不仅能消除间隙而且还使滚动体与滚道之间发生一定的变形，从而使接触面积增大，轴承受力时变形减少，抵抗变形能力增大。合理选择预紧量及进行预紧目的：提高主轴部件的旋转精度、刚度和抗振性。并且使用一段时间后也需进行调整。因此，对主轴轴承的预紧调整结构装置的设计应方便预紧和调整。其方式有：,轴承内圈移动。如图39所示，此方法适用于锥孔双列圆柱滚子轴承。用拧紧螺母通过套筒推动内圈在锥形轴颈上进行轴向移动，使内圈变形胀大，在滚道上产生过盈，从而达到预紧的目的。,调整螺母,套筒,修磨座为外圈窄边相对

14、安装时，可采取修磨轴承外圈的窄边，如图3.10所示。,修磨外圈窄边,F,修磨外圈窄边,F,F,F,将两个厚度不同的隔套放在两轴承内、外圈之间，同样将两轴承轴向相对压紧，而使滚道之间产生预紧，如图3.11所示。,3、主轴的进给功能 车削中心主传动系统中，增加了主轴的进给功能。即主轴C轴坐标功能，以实现主轴定向停车和圆周进给，并在数控装置控制下实现C轴、Z轴插补和C轴、X轴插补。如图312所示为主轴的C轴功能的示意图。,3.3 数控机床进给传动系统,其机电部件主要有伺服电机、检测元件、联轴节、减速机构（齿轮副和带轮）、滚珠丝杆螺母副（或齿轮齿条副）、丝杆轴承、运动部件（工作台、主轴箱、滑座、横梁和

15、立柱等）。由于滚珠丝杆、伺服电机及其控制单元的性能提高，很多数控机床已去掉了减速机构，而使伺服电机直接驱动滚珠丝杆，因而其系统结构简单，减少了产生误差的环节及转动惯量，使伺服特性亦有改善。其次还有一个最重要的元件导轨。3.3.1 数控机床对进给系统的要求 确保数控机床进给系统传动精度和工作平稳，为此：1、减小摩擦阻力,广泛采用滚珠丝杆螺母副、滚动导轨、塑料导轨和静压导轨。以减小摩擦阻力，消除低速进给爬行现象，提高整个伺服进给系统的稳定性。2、减小各运动零件的惯量 在满足传动强度和刚度的前提下，尽可能使各零件的结构、配置合理，减小旋转零件的直径和质量。以减小运动部件的惯量对进给系统的起动、制动特

16、性，特别是高速运转的直接影响。3、高的传动精度与定位精度 确保各零件的加工精度及装配精度；对滚珠丝杆、轴承进行预紧，消除传动件的间隙；加入减速齿轮传动副等措施来提高进给精度和支承刚度，以达到高的传动精度与定位精度。,4、响应速度要快 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。通过使工作台及其传动机构的刚度、间隙、摩擦及转动惯量尽可能达到最佳值，以提高伺服进给系统的快速响应性，来提高机床的加工效率和加工精度

17、。5、使用维护方便 数控机床属高精度自动控制机床，适用于单件、中小批量,高精度及复杂的零件加工。其开机率较高，因此进给系统的结构设计应便于维修和保养，最大减少维修工作量，以提高机床的利用率。3.3.2 联轴器 其驱动系统中，伺服电机轴、传动轴和滚珠丝杆之间的传动联结只有确保无间隙，才能保证传动精度，准确执行脉冲指令，而不丢掉脉冲。联结方式有3种：直联式、齿轮减速式、同步带式 图3.13所示为直联式，它是通过挠性联轴器把伺服电,机和滚珠丝杆采用无键联结结构联结起来。其联结原理见59页。该联轴器中锥环7是这种无键、无隙直联式的关键元件。被称为膜片弹性联轴器，应用于加工中心进给驱动系统，其特点是：可

18、简化结构、减小噪声、消除间隙、提高传动刚度。图314为齿轮减速式联轴器,该种联结方式主要用于因结构上的原因不能直接联或因负载力矩大，需要放大伺服电机输出转矩的地方。但应特别注意齿轮精度和啮合间隙对传动精度的影响。同步带式与齿轮减速式的使用条件基本相同，其 成本低、噪声低，优于齿轮减速式。3.3.3 消除间隙的齿轮传动结构 在进给驱动系统中，考虑到惯量、转矩或脉冲当量的要求，有时要在电机到丝杆之间加入齿轮传动副，而齿轮传动副存在的间隙，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平稳性。为此，须消除齿轮传动副的间隙。1、直齿圆柱齿轮传动副（1）偏心套调整法,图3.15所示

19、，通过调整偏心套2，改变两齿轮的中心距，从而消除齿侧间隙。,（2）锥度齿轮调整法图3.16所示，改变垫片3的厚度能调整两齿轮的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。,以上方法特点，结构简单、能传递较大转矩、传动刚度较好。但齿侧间隙调整后不能补偿，称刚性调整法。,（3）双片齿轮错齿调整法,图3.17（a）所示为双片齿轮周向可调弹簧错齿消隙结构。两个相同齿数的薄片齿轮1和2与另一个宽齿轮啮合，两薄片齿轮可相对回转。,图3.17（b）所示为另一种双片齿轮周向弹簧错齿消隙结构,双片齿轮错齿法调整间隙，旋动时，正反方向分别只有一片齿轮承受转矩，承载能力受到限制，并有弹簧拉力，要足以能克服最大拉力，否则起不到消

20、除作用，该法称为柔性调,整法，适用于负荷不大的传动装置。只要装配好，齿侧间隙自动消除（补偿），可始终保持无间隙啮合。2、斜齿圆柱齿轮传动副（1）轴向垫片调整法 图3.18所示为斜齿轮垫片调整法，其原理与错齿调整法相同。其垫片厚度t与齿侧间隙的关系为：t=cot（为螺旋角）该结构的齿轮承载能力较小，且不能自动补偿消除间隙。（2）轴向压簧调整法 图3.19所示为斜齿轮轴向压簧,错齿消隙结构。其原理与轴向垫片调整法相同，所不同的是利用齿轮右端弹簧压力使两个薄片齿轮的左右齿轮面分别与宽齿轮的左右齿面贴紧，以消除齿侧间隙。（a）图采用压簧，（b）图采用碟形弹簧。,弹簧压力大小调整合适，压力过大会加快齿轮

21、磨损，压力过小起不到消隙作用。该结构齿轮间隙能自动消除，始终保持无间隙啮合，只适用于负载较小的场合，且结构轴向尺寸较大。4、锥齿轮传动副 锥齿轮同圆柱齿轮一样，可用上述类似的方法来消除齿侧间隙。3.3.4 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。1、工作原理与特点,滚珠丝杠螺母副（简称滚珠丝杆副）是一种在丝杆与螺母间装有滚珠作为中间元件的丝杆副，其结构原理如图3.20所示。丝杠和螺母上都有半圆弧形螺旋槽，当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，将几圈螺旋滚道的两端连接起来，就构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内

22、既自转又沿滚道循环转动，因而迫螺母（丝杠）轴向移动。滚珠丝杠副的特点：（1）传动效率高，摩擦损失小。效率=0.920.96，比普通丝杠螺母副高34倍，其功率相当于普通1/41/3。,（2）定位精度高，刚度好。给予适当预紧，可消除其间隙及反向空程死区。（3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。（4）有可逆性，可从旋转运动转换为直线运动，反之也可以，即丝杠和螺母都可作为主动件。（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高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。（7）不能自锁。特别是垂直丝杠，自重惯力大，下降时当传动停止，不能立即停止运动，故常需要附加制动装置。2、滚珠丝

23、杠螺母副的循环方式 外循环是指滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的循环。内循环是指滚珠始终与丝杠保持接触的循环。,（1）外循环 图3.21（a）所示端盖式，在螺母上加工一纵向孔，为滚珠的回程通道，螺母两端盖板上开有滚珠的回程口，滚珠由此进入回程管，形式循环。图3.21（b）所示是螺旋槽式，在螺母外圆上铣一螺旋槽，并在螺母内装上挡珠器，挡珠器的舌部切断螺旋滚道，迫使滚珠流向螺旋槽的孔中而完成循环。,图3.21（c）所示是插管式，用一弯管代替螺旋槽，弯管两端插在与螺纹滚道相切的两个孔内，用弯管的端部引导滚珠进入弯管，完成循环。外循环结构制造工艺简单，应用广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚

24、珠滚动平稳性，甚至卡珠，噪声也大。（2）内循环 其采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种形式。,图3.22（a）所示为圆柱凸键反向器，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键定位，以保证对准螺纹滚道方向。图322（b）所示为扁圆镶块反向器，反向器为一半圆头平键形镶块，嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽，用镶块的外廓定位。相比，后者尺寸较小，但切槽加工精度要求较高。,图3.22（c）所示为反向器上铣S形回珠槽的圆柱凸键式反向器，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24个反向器，反向器沿螺母圆周等分布置

25、。优点是径向尺寸紧凑，刚性好，返回滚道短，摩擦损失小，但加工困难。,3、螺旋滚道型面 螺旋滚道型面（即滚道法向截形）的形状有以下几种：（1）单圆弧型面如图3.23（a）所示。滚道半径rn稍大于滚珠半径rw，2rn=（1.041.1）Dw。对单圆弧型面的螺纹滚道，接触角是随轴向负荷F的大小而变化的。当F=0时，=0；承载后，随F的增大，也增大。的大小由接触变形的大小决定。增大后，传动效率Ed、轴向刚度Rc以及承载能力随之增大。,（2）双圆弧型面如图3.23（b）所示，滚珠与滚道只在内相切的两点接触，接触角不变。两圆弧交接处有一小空隙，可容纳脏物，有利于滚珠流动。应用较广泛。（3）矩形滚道型面如图

26、3.23（c），型面制造容易，但承载能力低，只能承受轴向载荷，适用于要求不高的传动中。,4、滚珠丝杠螺母副间隙的调整 滚珠丝杠的传动间隙是指轴向间隙。其数值是指丝杠和螺母无相对转动时，二者之间的最大轴向窜动量。除了结构本身的游隙之外，还包括施加轴向载荷后所产生的弹性变形所造成的轴向窜动量。因轴向间隙，当丝杠反向转动时，将产生空回误差，从而影响传动精度和轴向刚度。通常采用预加载荷（预紧）来避免弹性变形所带来的轴向间隙，保证反向传动精度和轴向刚度。但过大的预加载荷会增大摩擦阻力，降低传动效率，缩短使用寿命。调整时需经多次，确保既消除间隙又转动灵活。（1）双螺母消隙 1）垫片调整法如图3.24所示。

27、调整垫片厚度使左、右螺母产生轴向位移，即可消除间隙和产生预紧力。此法结构简单、,刚性好，但调整不方便，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。2）螺纹调整式如图3.25所示。螺母1的外端有凸缘，螺母7外端有螺纹，施转圆螺母6即可消除轴向间隙，还可产生预紧力。,3）齿差调隙式如图3.26所示。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，齿数为Z1和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旋转一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量S=（1/Z1-1/Z2）Pn。该法能精确调整预紧量，调整方便、可靠，但结构尺寸较大，

28、多用于高精度的传动。,（2）单螺母消隙 1）单螺母变位螺距预加负荷。如图3.27所示，它是在滚珠螺母体内的两列循环珠链之间，使内螺母滚道在轴向产生一个L0的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位实现预紧。该法结构简单、但负荷量须预先设定且不能改变。,2）单螺母螺钉预紧。如图3.28所示，是在螺母径向开一槽，通过内六角调整螺钉实现间隙的调整和预紧。该专利技术成功地解决了开槽后滚珠在螺母中良好的通过性。单螺母结构具有很好的性能价格比，间隙的调整和预紧极为方便。,3）滚珠丝杠螺母副预紧。为了保证其传动精度及刚度，消除传动间隙外，还要求预紧。预紧力计算公式：Fv=1/3Fmax 式中，Fmax为轴向最大

29、工作载荷。以上所述各调整方法，都能对螺母副进行预紧，其调整时需注意预紧力。5、滚珠丝杠的支承与制动（1）支承方式 滚珠丝杠主要承受轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重，因此滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高，其选择合理的支承结构并正确安装十分重要，支承结构如表3.2所示。,滚珠丝杠专用轴承，其结构如图3.29所示。其特点是增大了接触角为60，增加了滚珠数目并相应减小滚珠直径。比一般的轴承轴向刚度提高了两倍以上，使用极为方便。（2）制动方式 垂直传动，为防止自重下降，须设计制动装置，图330所示为数控卧式镗床主轴箱 进给丝杠制动装置 示意图。工作时，电磁铁通电，离合 器脱开；停车，步 进电机与电

30、磁铁断 电，离合器在弹簧 作用而起制动。,6、滚珠丝杠的预拉伸 滚珠丝杠工作时会发热，其温度高于床身。丝杠的热膨胀将使导程加大，影响定位精度。为了补偿热膨胀，可将丝杠预拉伸。预拉伸量略大于热膨胀量。发热后，热膨胀量抵消了部分预拉伸量，使丝杠内的拉应力下降，但长度却没有变化。凡需进行预拉伸的丝杠在制造时应使其目标行程（螺纹部分在常温下的长度）等于公称行程（螺纹部分长度的理论长度等于公称导程乘以丝杠上的螺纹圈数）减去预拉伸量。拉伸后恢复公称行程值。减去的量称为“行程补偿值”。,7、滚珠丝杠副的参数 如图3.31所示，其参数有以下7项：,（1）公称直径d0 是指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚

31、珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝杠副的特征尺寸。,d0越大，承载能力和刚度越大，推荐d0应大于其长度的1/30。数控机床常用的进给丝杠的d0为3080mm。（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L0 丝杠相对于螺母旋转2时，螺母上基准点轴向位移。（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）滚珠工作圈数I 试验表明，在每一个循环回路中，各圈滚珠所承受的轴向负载是不均匀的，第一圈滚珠承受总负载的50%左右，第二圈约30%，第三圈约20%。因此，滚珠丝杠副中的每个循环回路的滚珠工作圈数取为

32、i=2.53.5圈，工作圈数大于3.5无实际意义。（6）滚珠总数N 一般不超过150个，若超过最大值，则流动不畅易堵塞；若太少，每个滚珠的负载加大，引起较大的弹性变形。（7）其他参数 丝杠螺纹大径d、小径d1、螺纹全长L。螺母螺纹大径D、小径D1。滚道圆弧偏心距e、滚道圆弧半径R等参数。,8、滚珠丝杠副的精度等级与标注（1）滚珠丝杠副的精度等级 按JB3162.21991滚珠丝杠副的验收技术条件规定，其精度分为1，2，3，4，5，8和10共7个等级，1级精度最高，依次递减。根据不同的应用场合，又分为定位型（P类）和传动型（T类）。数控机床进给系统用的是定位型滚珠丝杠副，精度等级采用14级。（2

33、）滚珠丝杠副的标注方法 如图3.32所示。,表3.3滚珠丝杠副预紧方式代号,表3.4滚珠丝杠副中钢球循环方式代号,以下介绍滚珠丝杠副预紧方式代号与钢球循环方式代号。,例如：CDM50103P3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，负荷总圈数为3圈，精度等级为3级。WD30053.51/B左9001000，表示外循环垫片调隙式的双螺母滚珠丝杠螺母副，公称直径为30mm，螺距为5mm，负荷总圈数为3.5圈，单列B级精度，左旋，丝杠的螺纹部分长度为900mm，丝杠总长度为1000mm。9、滚珠丝杠螺母副的维护（1）支承轴

34、承的定期检查（2）滚珠丝杠副的润滑和密封 润滑油为一般机油或90180号透平油或140号主轴油，注入壳体上的油孔进入螺母空间内。润滑脂采用锂基油脂，加在螺纹滚道和安装螺母的壳体内。,（3）滚珠丝杠副常用防尘密封圈和 防护罩 1）密封圈。安装在滚珠螺母的两端，采用接触式的弹性密封圈，系用耐油橡胶或尼龙等材料，其内孔制成与丝杠螺纹滚道相配合的形状。采用非接触式的密封圈（迷宫式密封圈），系用聚乙烯等塑料，其内孔形状与丝杠螺纹滚道相反，并略有间隙。2）防护罩。对于暴露在外的丝杠一般采用螺旋钢带、伸缩套筒、锥形套筒以及折叠式塑料或人造革等形式的防护罩。,3.3.5 静压丝杠螺母副机构 1、工作原理 静压

35、丝杠螺母副（简称静压丝杠，或静压螺母，或静压丝杠副）是在丝杠和螺母的螺旋面之间通入压力油，使其保持一定厚度、一定刚度的压力油膜，当丝杠转动时，即通过油膜推动螺母移动，或进行相反的传动。其之间为纯液体摩擦的传动副，如图3.33所示。油腔在螺旋面两侧，而互不相通，压力油经节流器进入油腔，并从螺,纹根部与端部流出。设供油压力为PH，经节流后压力为P1。当无外载时，两侧隙为 h1=h2，流量相等，压力也相等，即P1=P2。此时，丝杠螺纹处于螺母螺纹的中间平衡状态位置。当丝杠或螺母受到轴向力F作用后，受压一侧的间隙减小，因节流器的作用，油腔压力P2增大；相反一侧间隙增大，而压力P1下降，而形成油膜压力差

36、P=P2-P1，以平衡轴向力F。平衡条件为：F=（P2-P1）ANZ,式中，A是单个油腔在丝杠轴线垂直面内的有效承载面积；N是每扣螺纹单侧油腔数；Z是螺母的有效扣数。油膜压力差力图平衡轴向力，使间隙差减小并保持不变，该调节作用总是自动进行的。2、结构类型 控油腔开在螺纹面上的形式和节流控制方法的不同分：（1）集中阻尼节流式。如图3.34所示，是在螺纹中径上开一条连通的螺旋沟槽油腔，每一侧设一个节流器控制。该式静压丝,杠不能承受径向载荷和颠覆力矩。（2）分散阻尼节流式。如图3.35所示，是在螺纹面每侧中径开34个油腔，每个油腔用一个节流器控制。该式静压丝杠能承受径向载荷和颠覆力矩，但节流器过多，

37、结构复杂，制造和安装困难。（3）分散集中阻尼节流式。如图3.36所示。是在螺纹面每侧中径上开34个油腔，将分布于同侧、同方位上的油腔用一个节流器控制。该式静压丝杠能承受径向载荷和颠覆力矩，,节流器少，制造和安装方便，使用可靠。3、工作特点（1）优点：1）摩擦系数小，仅为0.0005。滚珠丝杠一般为0.0020.005。启动力矩很小，利于保证传动灵敏性，避免爬行，提高和长期保持运动精度。2）油膜层具有一定的刚度，而减小反向时的传动间隙。3）油膜层可以吸振，且由于油液不断地流动，可起一定的冷却作用，利于提高工件加工精度和降低表面粗糙度值。,4）油膜层介入丝杠螺纹和螺母螺纹之间，对丝杠的传动误差能起

38、到“均化”作用，即丝杠传动误差会比其制造误差还小。5）承载能力与供油压力成正比，而与转速无关。（2）缺点：1）对原无液压系统的机床，需增加液压系统，并对液压油洁净度要求较高。2）有时需考虑安全措施，以防供油突然中断时造成不良后果。3.3.6 直线电机传动 1、直线电机系统 直线电机是指可以直接产生直线运动的电动机，可作为进给驱动系统，如图3.37所示。,2、直线电机工作原理简介 直线电机的工作原理与旋转电机基本上相同，视其将旋转电机沿圆周方向拉开展平的产物，如图3.38所示。对应于旋转电机的定子部分为直线电机的初级，对应于旋转电机的转子部分为直线电机的次级。当多相交变电流通入多相对称绕组时，就

39、会在直线电动机,初级和次级之间的气隙中产生一个行波磁场，从而使初级和次级之间相对移动。当然，二者之间也存在一个垂直力，可以是吸引力，也可以是推斥力。可分为直流直线电机、步进直线电机和交流直线电机，机床上主要用交流直线电机。结构上分为短次级和短初级两种形式。如图3.39所示。为了减少发热量和降低成本，高速机床上一般采用短初级形式。,在励磁方式上，交流直线电机可分为永磁（同步）式和感应（异步）式两种。永磁式直线电机的次级是一块一块铺设的永久磁钢，其初级是含铁心的三相绕组。感应式直线电机的初级和永磁式直线电机的初级相同，而次级是用自行短路的不馈电栅条来代替永久磁钢。永磁式直线电机在单位面积推力、效率

40、、可控性等方面均优于感应式直线电机，但成本高，工艺复杂，安装、使用和维护不方便。,感应式直线电机在无电时没有磁性，其有利于安装、使用和维护。随着技术的发展，其性能大有提高，目前应用较广泛，受到欢迎。3、使用直线电机的高速机加工系统特点（1）电机、电磁力直接作用于运动体（工作台）上，而不用机械连接，因此无机械滞后或齿节周期误差，精度完全取决于反馈系统的检测精度。（2）直线电机上装配全数字伺服系统，可以达到极好的伺服性能。（3）其在动力传动中由于没有低效率的中介传动部件而达到高效率，可获得很好的动态刚度。（动态刚度是指在脉冲负荷作用下伺服系统保持其位置的能力）。（4）由于无机械零件相互接触，因此无

41、机械磨损。,（5）由于直线电机部件（初级）己和机床的工作台合二为一，因此直线电机进给单元需采用全闭环控制系统。如图3.40所示。,直线电机存在的问题：（1）因无机械连接和啮合，所以垂直轴需外加一个平衡块或制动器。（2）当负荷变化大时，需要重新整定系统。（3）磁铁（或线圈）对电机部件的吸引力很大，因此应注意选择导轨和设计滑架结构，并注意解决磁铁吸引金属颗粒。,滚珠丝杠与直线电机的性能对比如表3.5所示。,3.3.7 机床导轨 导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨道运动。运动的一方称为动导轨，不动的一方称为支承导轨。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。1、对导轨的要求（1）导

42、向精度高。导向精度是指运动导轨沿支承导轨运动时，直线运动导轨的直线性及圆周运动导轨的真圆性，以及导轨同其他运动件之间相互位置的准确性。导轨的几何精度综合反映在静止或低速下的导向精度。直线运动导轨的检验内容为导轨在垂直平面内的直线度、导轨在水平面内的直线度以及两导轨平行度。,圆运动导轨几何精度检验内容与主轴回转精度的检验方法相类似，用导轨回转时端面跳动及径向跳动表示。（2）耐磨性。导轨的耐磨性与导轨的材料、导轨面的摩擦性质、导轨受力情况及两导轨相对运动精度有关。（3）低速运动的平稳性。当运动导轨进行低速运动或微量移动时，应保证导轨运动平稳，不产生爬行现象。（4）结构工艺性。在保证导轨的性能下，设

43、计时应尽量使导轨结构简单、便于制造、调整和维护，力求工艺性好及经济性好。2、数控机床常用的滑动导轨,数控机床常用的滑动导轨的截面形状如图3.41所示。,矩形、三角形导轨中，M支承作用，N保证直线移动精度，J防止运动部件抬起。燕尾形导轨中，M起导向和压板作用，J支承作用。上面为凸形导轨，下面为凹形导轨。,（1）矩形导轨，也称平导轨，如图3.41（a）所示。易加工制造，承载能力较大，安装维修方便。M面支承兼导向，N面主要导向，但磨损后不能补偿间隙，需要增设间隙调整机构。它适应于载荷较大且导向精度要求不高的机床。（2）三角形导轨，如图3.41（b）所示，有二导向面，同时控制了垂直和水平方向的导向精度

44、。在载荷作用下，可以自行补偿消除间隙，导向精度较好。（3）燕尾形导轨，如图3.41（c）所示，是闭式导轨中接触面最少的一种结构，磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整。能承受颠覆力矩，摩擦力较大，多用于高度小的多层移动部件。（4）圆柱形导轨，如图3.41（d）所示，其刚度高，易制造，外径可磨削，内孔可珩磨达到精密配合。但磨损后间隙,调整困难。它适用于受轴向载荷的场合。3、滑动导轨类型及组合形式 导轨按其工作性质分为主运动导和进给运动导轨；按其运动轨迹可分为直线运动和圆周运动导轨；按其受力情况可分为开式和闭式导轨，如图3.42所示；按其摩擦性质可分为滑动和滚动导轨。,数控机床常用的滑动导轨的组合形

45、式有：三角形矩形（见图3.42）、矩形矩形（见图3.43）。该两种导轨的刚度高，承载能力强，加工、检验和维修方便。为提高低速性能，减少爬行，提高导轨寿命，在动导轨上都贴有塑料带。图3.42（a）为开式，没有压板，不能承受较大的翻转力矩；图3.42（b）为闭式，有压板，可以承受翻转力矩。图3.43（a）为窄导向，工作台由一条导轨的两侧导向；图3.43（b）为宽导向，由两条导轨的内侧导向，两个导向面的距离较大，热膨胀时变形量大，须留较大的侧向间隙，,因而导向性不如窄式好。4、塑料导轨简介（1）贴塑导轨 贴塑导轨是一种金属对塑料的摩擦形式，属滑动摩擦导轨，它是在动导轨的摩擦表面上贴上一层由塑料等其他

46、化学材料组成的塑料薄膜软带，以提高导轨的耐磨性，降低摩擦系数，而支承导轨则是淬火钢导轨。塑料薄膜软带是以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结并做成软带状，其牌号为TSF以及配套用的DJ胶合剂。使用的工艺简单，先将导轨粘贴面做半精加工至表面粗糙度Ra1.63.2m，清洗粘贴面后，用胶合剂粘合，加压固化后，再经精加工即可。如图3.44所示,软带应粘贴在机床导轨副的短导轨面上，圆形导轨软带应粘贴在下导轨面上。贴塑导轨的优点：1）摩擦系数低，在0.030.05范围内，动、静摩擦系数接近，不易产生爬行现象；2）接合面抗咬合磨损能力强，减振性好；3）耐磨性高，与铸铁铸铁摩擦副比可提

47、高12倍；4）化学稳定性好（耐水、耐油）；5）可加工性能好、工艺简单、成本低；,6）当有硬粒落入导轨面上也可挤入塑料内部，避免了磨损和撕伤导轨。（2）注塑导轨 导轨注塑或抗磨涂层的材料是以环氧树脂和二硫化钼为基体，加入增塑剂，混合为膏状的一组分，固化剂为另一组分塑料，其牌号有HNT，称环氧树脂耐磨涂料。使用时可用涂敷工艺或压注成形工艺涂到预先加工成锯齿形的导轨上，涂层厚度为1.52.5mm。导轨注塑工艺简单，在调整好固定导轨和运动导轨间相互位置精度后注入双组分塑料，固化后将定、动导轨分离即成塑料导轨副，被称为“注塑导轨”。其特点是摩擦系数小，在无润滑油的情况下仍有较好的润滑和防爬行的效果，目前

48、在大型和重型机床上应用较多。,5、滚动导轨 滚动导轨的特点：在两导轨工作面之间安装滚动件，使之形成滚动摩擦。其特点是摩擦系数小，且动、静摩擦系数相近，磨损小，润滑容易，低速运动平稳性好，移动精度和定位精度高。但抗振性差，结构复杂，对脏物较为敏感，并需要良好的防护。（1）滚动导轨块,车床滚动导轨,滚动导轨块,它是一种滚动体进行循环运动的滚动导轨。移动部件运动时，滚动体沿封闭轨道进行循环运动。滚动体为滚珠或滚柱。如图3.45所示。,（2）直线滚动导轨 又称单元直线滚动导轨，它除了导向还能承受颠覆力矩，具有制造精度高，可高速运行，并能长时间保持高精度，通过预加负荷可提高刚性，具有自调的能力，安装基面

49、允许误差大。如图3.46所示。,使用时，将导轨体固定在不动部件上，滑块与运动件固定。当滑块沿导轨体移动时，滚珠在导轨体和滑块之间的圆弧直槽内滚动，并通过端盖内的滚道，从工作负荷区到非工作负荷区，再回到工作负荷区，不断循环，从而把滚动体和滑块之间的移动变成了滚珠的滚动。,6、液压导轨 在机床上主要是使用静压导轨。静压导轨是指在两个相对运动的导轨面间通入压力油，使运动件浮起。工作过程中，导轨面上油腔中的油压能随外加负载的变化自动调节，以平衡外加负载，保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态。其特点：摩擦系数极小，为00005、功率消耗少、导轨不会磨损；导轨精度保持性好，寿命长；油膜厚度几乎不受速度的影响

50、，其承载能力大、刚性高、吸,振性良好，导轨运行平稳，既无爬行，也不会产生振动。但结构复杂，对油的洁净度要求极高，成本较高，目前，只用于大型、重型数控机床。静压导分类：按导轨形式分开式和闭式两种。按供油方式分恒压（即定压）和恒流（即定量）两种。闭式静压导轨结构如图347所示，原理同静压轴承。,7、导轨的润滑与防护（1）滑动导轨的润滑 其润滑主要采用压力润滑。一般常用压力循环润滑和定时定量润滑两种方式。常用润滑油：L-AN10、15、32、42、68，精密机床导轨油L-HG68，汽轮机油L-TSA32、46等。（2）导轨的防护 导轨应安装防护罩，以防止切屑、磨粒或切削液散落在导轨上而引起磨损加快、