1、大家好大家好数控机床及应用数控机床及应用玉溪工业财贸学校玉溪工业财贸学校主讲主讲:卢云学卢云学数控车床加工产品数控车床加工产品数控车床加工产品数控车床加工产品数控铣床加工产品数控铣床加工产品数控铣床加工产品数控铣床加工产品数控雕刻机加工产品数控雕刻机加工产品数控雕刻机加工产品数控雕刻机加工产品课程性质：课程任务：1.掌握掌握数控机床的基本原理和基础知识；2.熟悉熟悉数控机床的基本结构和工作机理；3.具备具备数控加工手工编程能力和正确使用数控设备的能力；4.培养培养选用或设计组成数控机床的计算机数控系统的能力。机械设计制造与自动化专业的一门主干主干专业技术课，是一门实践性、综合性实践性、综合性很
2、强的课程。目 录 第一章：数控机床概述 第二章：数控加工工艺分析及编程基础 第三章：插补原理与计算 第四章：数控车床编程 第五章：数控铣床及加工中心编程 第六章：计算机数控系统 第七章：数控机床的机械结构第一章第一章 数数 控控 机机 床床 概概 述述本章要点：本章要点：1.1 1.1 了解数控机床的产生及发展了解数控机床的产生及发展 1.2 1.2 掌握数控机床的组成、工作原理和特点掌握数控机床的组成、工作原理和特点 1.3 1.3 掌握数控机床的分类掌握数控机床的分类 1.1.4 4 了解数控机床的发展趋势了解数控机床的发展趋势1.1 数控机床的产生及发展 1.1.1产生：随着科学技术的发
3、展，机械产品结构越来越合理，随着科学技术的发展，机械产品结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高更新换代频繁，生产类型其性能、精度和效率日趋提高更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应得提出了高精度、高柔性与高度自动械产品的加工相应得提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。数字控制机床就是为了解决单件、小批量、化的要求。数字控制机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。生的。第一章第一章 数数 控控 机机 床床
4、 概概 述述1.1 1.1 数控机床的产生及发展数控机床的产生及发展 第一台数控机床是1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院（MIT）合作研制的三坐标数控铣床，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果，可用于加工复杂曲。数控机床的发展先后经历了电子管（1952年）、晶体管（1959年）、小规摸集成电路（1965年）、面零件大规模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理机或微型机算机（1974年）等五代数控系统。第一章第一章 数数 控控 机机 床床 概概 述述1.1 1.1 数控机床的产生及发展数控机床的产生及发展 (1)(1)、数字控制、数
5、字控制 数字控制（Numerical Control)，简称NC，它是采用数字化信息实现加工自动化的控制技术，用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的机床称作数控机床。(2)(2)、NCNC机床机床 早期的数控机床的NC装置是由各种逻辑元件、记忆元件组成随机逻辑电路由硬件来实现数控功能，称作硬件数控，用这种技术实现的数控机床称作NC机床。第一章第一章 数数 控控 机机 床床 概概 述述1.1 1.1 数控机床的产生及发展数控机床的产生及发展 (3)(3)、CNC CNC 机床机床 现代数控系统采用微处理器或专用微机的数控系统（Computer Numerical Control）由事先存
6、放在存储器里的系统程序（软件）来实现控制逻辑，实现部分或全部数控功能，并通过接口与外围设备进行联接，这样的机床称作CNC机床。第一章第一章 数数 控控 机机 床床 概概 述述1.1 1.1 数控机床的产生及发展数控机床的产生及发展 第一章第一章 数数 控控 机机 床床 概概 述述 2.我国数控机床发展概况我国数控机床发展概况北京帝特马，北京凯恩帝，南京华兴，华中数控，广数北京帝特马，北京凯恩帝，南京华兴，华中数控，广数,蓝天蓝天NC-1103.数控技术的基本概念数控技术的基本概念数控技术：用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。数控技术：用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制
7、的一种方法。数控系统：数控系统：采用数控技术的控制系统。采用数控技术的控制系统。数控机床：数控机床：装备了数控系统的机床称为数控机床。装备了数控系统的机床称为数控机床。硬、软件数控硬、软件数控软件数控软件数控第五代：微处理器数控第五代：微处理器数控(1974年年)第四代：小型机数控第四代：小型机数控硬件数控硬件数控第三代：集成电路式第三代：集成电路式第二代：晶体管分立元件式第二代：晶体管分立元件式第一代：电子管、继电器式第一代：电子管、继电器式 1数控机床的产生和发展数控机床的产生和发展图纸、MDI等存储介质数控装置输入输出CNC装置伺服驱动装置伺服系统执行机构切削驱动装置机床主体检测装置1.
8、2 1.2 数控机床的工作原理数控机床的工作原理1.2 1.2 数控机床的组成数控机床的组成 数控机床一般由程序载体、输入输出设备、数控装置、伺数控机床一般由程序载体、输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成。服系统、测量反馈装置和机床本体组成。1.1.程序载体程序载体2.2.输入输出设备输入输出设备3.3.数控装置数控装置4.4.伺服系统伺服系统5.5.测量反馈装置测量反馈装置6.6.机床本体机床本体输入输出设备数控装置伺服系统机床本体测量反馈装置程序载体(1)(1)、程序载体、程序载体 纸带、磁带或磁盘等。(2)(2)、输入输出装置、输入输出装置(3)(3)、数控装置、
9、数控装置 是数控机床的核心，接受脉冲信号经过译码、运算和逻辑处理将指令信息输出给伺服系统，使设备按轨定的动作执行。1.2 1.2 掌握数控机床的组成掌握数控机床的组成(4)(4)、伺服装置、伺服装置 是数控机床执行机构的驱动部件，作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床执行部件的运动。(5)(5)、检测反馈装置、检测反馈装置 作用是对机床的实际运动速度、方向、位移量以及加工状态加以检测并将结果反馈给数控装置，计算出与指令位移之间的偏差并发出纠正误差指令。1.2 1.2 数控机床的组成数控机床的组成(6)(6)、机床主体、机床主体 是加工运动的实际机械部件，主要包括主运动部件、进给运动执行部件如
10、工作台、拖板、刀架，和支承部件如床身、立柱等，还有冷却、润滑、转位部件、夹紧、换刀机械手等辅助装置。1.2 1.2 数控机床的组成数控机床的组成三、数控机床的特点1.2 1.2 数控机床的特点数控机床的特点:(优点优点)、适应性强、适应性强 适应性是指数控机床随生产对象变化而变化的适应能力。)、精度高、精度高 工作过程不需要人工干预，而是自动工作的，且通过实时检测装置来修正或补偿以获得更高的精度。1.2 1.2 数控机床的特点：数控机床的特点：(优点优点)、效率高、效率高 数控机床可以采用较大的切削用量，而且具有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化的功能。)、减轻劳动强度、改善劳动条件、减轻
11、劳动强度、改善劳动条件)、有利于生产管理的现代化、有利于生产管理的现代化 6 6)、能加工复杂型面、能加工复杂型面 7 7)、可向更高级的制造系统发展、可向更高级的制造系统发展 1.2 1.2 数控机床的特点：数控机床的特点：(缺点缺点)1)、增加成本2)、增加电子设备维护3)、对操作人员的素质要求较高 适合适合数控机床加工的零件数控机床加工的零件:1)、批量零部件2)、复杂零部件3)、频繁改型零部件4)、贵重关键零部件5)、公差等级要求高的零部件1.3、数控机床的分类 1 1、按工艺用途分类、按工艺用途分类（1）普通数控机床 （2）加工中心机床（3）多坐标数控机床(4)数控特种加工机床1.3
12、、数控机床的分类 1 1、按工艺用途分类、按工艺用途分类（1）普通数控机床 数控车数控车数控钻铣床数控钻铣床数控镗床数控镗床数控导轨磨数控导轨磨数控铣数控铣1.3、数控机床的分类 1 1、按工艺用途分类、按工艺用途分类（2）加工中心机床铣削加工中心铣削加工中心车削加工中心车削加工中心采用直线电机的立式加工中心采用直线电机的立式加工中心1.3、数控机床的分类 1 1、按工艺用途分类、按工艺用途分类（3）多坐标数控机床五轴联动加工中心1.3、数控机床的分类 1 1、按工艺用途分类、按工艺用途分类(4)数控特种加工机床数控线切割机床数控线切割机床三维五轴联动激光切割机三维五轴联动激光切割机 数控电火
13、花机床数控电火花机床2 2、按运动方式分类、按运动方式分类（1）点位控制数控机车点位控制数控机车 它只控制刀具从一点到另一点的位置，而不控制移动轨迹，在移动过程中刀具不进行切削加工。刀具的三种路径：1）2）3）XYZ2 2、按运动方式分类、按运动方式分类（1）点位控制数控机床点位控制数控机床 数控钻床数控钻床数控镗床数控镗床（2）直线控制数控机床直线控制数控机床 它是控制刀具或机床工作台以给定的速度，沿平行于某一坐标轴方向，由一个位置到另一个位置的精确移动，并且在移动过程中进行直线切削加工。（3）轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床 它是对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制，并能对机床移动部件
14、的位移和速度进行严格的控制，即要控制加工的轨迹，加工出要求的轮廓。其运动轨迹是任意斜率的直线、圆弧、螺旋线等。3、按伺服系统的控制方式分类、按伺服系统的控制方式分类（1 1）开环控制系统）开环控制系统 即不带位置测量元件，数控装置根据控制介质上的指令信号，经控制运算发出指令脉冲，使伺服驱动元件转过一定的角度，并通过传动齿轮、滚珠丝杠螺母副，使执行机构（如工作台）移动或转动。特点：没有来自位置测量元件的反馈信号，对执行机构的动作情况不进行检查，指令流向为单向，控制精度较低。3、按控制方式分类、按控制方式分类（1 1）开环控制系统）开环控制系统 a）开环伺服系统）开环伺服系统（无检测装置）数控装置
15、数控装置驱动电路驱动电路步进电机步进电机机床工作台机床工作台指令脉冲指令脉冲 特点：无检测装置，信号流程单向，精度取决于驱动元件，步特点：无检测装置，信号流程单向，精度取决于驱动元件，步进电机，机械传动的综合精度，该结构简单，调试方便，但精度进电机，机械传动的综合精度，该结构简单，调试方便，但精度低。低。步进电动机每接受一个脉冲，旋转一个角度，从而通过齿轮与丝步进电动机每接受一个脉冲，旋转一个角度，从而通过齿轮与丝杠螺母副带动工作台移动。杠螺母副带动工作台移动。一个脉冲所产生的进给轴移动量称为脉冲当量。（）闭环控制系统（）闭环控制系统 这类机床带有检测反馈装置，它可将测量出的实际位移值反馈到数
16、控装置中与输入的指令位移值相比较，用差值进行控制，直至差值为零，以实现运动部件的精确定位。从理论上讲，闭环控制系统的运动精度主要决定于检测装置精度，而与传动链中误差无关。但闭环控制系统对机床结构的刚性、传动部件的间隙及导轨移动的灵敏性等都有严格的要求。（）闭环控制系统（）闭环控制系统 特点：是位移精度高，但调试、维修都较复杂，成本较高，一般适用于精度很高的数控机床。（）闭环控制系统（）闭环控制系统。数控装置数控装置位置比较电路位置比较电路速度控制电路速度控制电路伺服电动机伺服电动机机床工作台机床工作台速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈 加工中，时刻将指令位置值与检测反馈末端工作台实际位加工中，时
17、刻将指令位置值与检测反馈末端工作台实际位置值进行比较，产生比较跟随误差，并以该误差为控制信息置值进行比较，产生比较跟随误差，并以该误差为控制信息，使工作台不断向误差减小的方向运动，直到误差为零为止，使工作台不断向误差减小的方向运动，直到误差为零为止，精度最高。，精度最高。（）半闭环控制系统（）半闭环控制系统 这类机床不是直接测量工作台位移量，而是通过检测丝杠转角，间接地测量工作台位移量，然后再反馈给数控装置，特点：系统结构简单，安装、调试较方便，控制特性比较稳定，但系统的精度没有闭环系统高。目前，大多数中小型数控机床广泛采用半闭环控制制系统。（）半闭环控制系统（）半闭环控制系统 表表1.1 1
18、.1 数控系统的功能分类数控系统的功能分类 1.1.4 4 数控机床的发展数控机床的发展1 1、数控系统的发展趋势、数控系统的发展趋势 1 1）高速化、高精度化和高可靠性）高速化、高精度化和高可靠性 速度和精度是数控机床的两个重要指标。要提高加工效率，首先必须提高切削速度和进给速度。随着工业技术不断深化发展，产品的加工精度已提出了相当高的要求。目前，相应数控系统可在0.1单元进行设定。1 1）高速化、高精度化和高可靠性）高速化、高精度化和高可靠性 高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，而是适度可靠。提高数控系统可靠性的措施有：采用更高集成度的
19、电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量来提高系统的可靠性。2 2）复合化、智能化）复合化、智能化 为了保证加工精度,降低生产成本,将原来分散在多种数控机床上的加工集中在一台控机床进行,完成全部加工工序,以实现复合加工。2 2）复合化、智能化）复合化、智能化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透发展，数控系统的智能化程度不断提高。3 3）开放式）开放式 随着开放式计算机的发展，数控系统也逐渐具有了开放式。硬件、软件开放式 二次开发性 系统升级性 远程故障排除2 2、先进制造技术、先进制造技术 1 1）柔性制造单元（）柔性制造单元（FMCFMC）FMC既可作为独立运
20、行的生产设备进行自动加工，也可作为柔性制造系统的加工模块，具有占地面积小、便于扩充、成本低、功能完善和加工适应范围广等特点，非常适用于中小企业。它由加工中心（MC）与自动交换工件(AWC)装置组成，同时数控系统还增加了自动检测与工况自动监控等功能。2)2)柔性制造系统（柔性制造系统（FMSFMS）它具有多台制造设备，大多在10台以下。一个典型的FMS由加工系统、物流系统、中央管理系统和监控系统四部分组成。其全部生产过程由一台中央计算机进行生产调度。因此，该系统可以提高50%的生产效率，缩短50%的生产周期。3 3）计算机集成制造系统（）计算机集成制造系统（CIMSCIMS）它是一种先进的生产模
21、式，它是将企业的全部生产、经营活动所需的各种分布的自动化子系统，通过新的生产管理模式、工艺理论和计算机网络有机地集成起来，以获得适应于多品种、中小批量生产的高效益、高柔性和高质量的智能制造系统。一个典型的CIMS系统由信息管理、工程设计自动化、制造自动化、质量保证、计算机网络和数据库等6个子系统组成。4 4）敏捷制造）敏捷制造作业作业 P10(1,2,4,5)第二章第二章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构一、数控机床的机构要求与特点一、数控机床的机构要求与特点 （一）（一）数控机床的结构要求数控机床的结构要求 数控机床具有加工范围宽，工艺能力强等特点。因此，它的主传动运动系统具有更大、连续
22、的调速范围和更高的转速以达到高加工精度和效率的要求。现代所采用的电机多为交流和直流调速电机，实现了主轴的无级变速，从而减少传动部件。另外，对主轴的部件来说，要具有更高的精度和刚度。对主轴系统的要求：对主轴系统的要求：（1）为了能达到最佳的切削效果，一般都应在最佳的切削条件下工作，因此，主轴一般都要求能实现无级变速。（2）要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高速、高效的加工需求。（3）为了降低噪声、减轻发热、减少振动，主传动系统应简化结构，减少传动件。4 4）在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交）在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹紧装置，以及主轴定向
23、准停装置，换所需的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。（5 5）为了扩大机床功能，实现对）为了扩大机床功能，实现对C C轴位置轴位置(主轴回转主轴回转角度角度)的控制，主轴还需要安装位置检测装置，以的控制，主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制。便实现对主轴位置的控制。（二）主传动运动的变速方式（二）主传动运动的变速方式 为适应数控机床的加工范围、工艺适应性强、自动化和加工精度高的特点，它的主传动运动要求有较大的调速范围。传统的主传动运动变速主要有：带有简单变速机构的主传动（机械变速：电机经齿轮变
24、速的主传动运动）通过皮带传动的主传动 （3）电机直接驱动的主轴结构（两种类型）但是随着交流和直流变速主轴电机的调速系统的日趋完善、成熟，单一使用齿轮分段无级变速的主传动运动系统越来越少。而是采用在交流和直流电机无级变速的基础上配合齿轮传动，以确保低速时的扭矩，扩大调速范围。（1 1）带有简单变速机构的主传动）带有简单变速机构的主传动优点：优点：能满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围调节速度的能力。缺点：缺点：结构复杂，需要润滑及温度控制装置；成本较高；制造和维修难。应用：应用：一般大中型铣床多采用这种结构。（2 2）通过皮带传动的主传动）通过皮带传动的主传动 主轴电机的运转经同步带或V带传
25、动。优点：优点：结构简单、安装调试方便、传动平衡、震动和噪音小。在一定条件下能满足转速与转矩的输出要求。缺点：缺点：调速范围比（恒功率调速范围与恒扭矩调速范围之比）受电机调速范围比的约束。应用：应用：低扭矩输出要求的小型数控机床主轴上。（3）电机直接驱动的主轴结构（两种类型）电机直接驱动的主轴结构（两种类型）电机直接驱动主传动运动：电机直接驱动主传动运动：电机通过精密联轴器与主轴联接。特点：特点：结构紧凑、输出功率与实际功率差额较小、传动效率高的，主轴的特性完全与电机输出特性一致，因而在使用上受到一定限制。缺点：缺点：主轴输出扭矩小，电机发热对主轴精度的影响比较大电主轴：主轴与电机转子为一体，
26、称电主轴。特点：结构更紧凑、惯量小、刚度高、响应快、调速电机的启动和停止特性好。制造和控制要求高。如主轴的散热、动平衡、支承、润滑及控制等。造价高。应用：多用于高速加工。（三）数控机床的主轴结构（三）数控机床的主轴结构 主轴是影响机床加工质量的主要部件。它的回转精度直接影响工件的加工精度；功率和回转速度影响加工效率。因此，主轴在工艺上要求与机床本身有相适应的回转精度、刚度、抗震性、耐磨性和低升温等。1 1、主轴的轴承支承结构、主轴的轴承支承结构 轴承的使用要相对应于机床的规格和精度。主轴轴承配置形式主轴轴承配置形式 1）前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60度角接触双列向心推力球轴承，后支承采用向
27、心推力球轴承。特点：特点：大幅度提高主轴的刚度，满足强力切削要求。2）前支承采用高精度双列向心推力球轴承。向心推力球轴承高速时性能良好，可达4000r/min的最高时速。特点：特点：适用于高速主轴支承，承载能力小 适用：适用：适用于高速、轻载和精密的数控机床 3）前支承用双列圆锥滚子轴承，后支承采用单列圆锥滚子轴承。特点：特点：径向和轴向刚度高、承载能力强、安装和调试性能好。使用：使用：适用于中等精度、低速与重载的数控机床 液压驱动自定心卡盘 2 2常用卡盘结构常用卡盘结构 数控车床工件夹紧装置可采用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧夹头等。为了减少数控车床装夹工件的辅助时间，广泛采用液压或气
28、压动力自定心卡盘。下图为某数控车床上采用的一种液压驱动动力自定心卡盘 3 3、主轴内刀具自、主轴内刀具自动装卸及吹屑装置动装卸及吹屑装置 主轴在保证精度和刚度的同时，还必须设计刀具的自动装卸和切屑清除装置，以适应自动化生产要求。右图为自动换刀数控镗铣床的主轴部件结构图 图5-11 JCS-018加工中心的主轴部件 4 4、主轴准停装置主轴准停装置 功能：功能：当特殊加工或自动换刀，主轴能实现准确的停止在一个固定位置上。1）机械式准停装置：）机械式准停装置：1-无触点开关 2-感应块 3-凸轮定位盘4-定位液压缸 5-定向滚轮 6-定位活塞 缺点：缺点：机械准停装置机械准停装置比较准确可靠，但结
29、构较比较准确可靠，但结构较复杂。复杂。2)2)电气式准停装置电气式准停装置 方式：方式：1 1）利用主轴上光电脉冲产生准停信号；）利用主轴上光电脉冲产生准停信号；2 2）利用磁力传感器检产生准停信号。）利用磁力传感器检产生准停信号。1-主轴主轴 2-同步感应器同步感应器 3-主轴电动机主轴电动机 4-永久磁铁永久磁铁 5-磁传感器磁传感器磁力传感器准停装置工作原理：磁力传感器准停装置工作原理：数控装置发出主轴停转指令时，主轴电动机3立即降速，当永久磁铁4对准磁传感器5时，磁传感器发出准停信号，由定向电路使电动机准确地停止在规定的周向位置上。五、高速精密主轴五、高速精密主轴 这种工艺采用的切屑速
30、度比常规的要高几倍到十几倍。如切屑铝件的速度达2500m/min4500m/min;切屑钢件速度达400m/min1600m/min;切屑铸铁速度达800m/mim2000m/min.特点：加工表面质量好、切屑温度低、刀具使用寿命长 驱动方式：内置电动机 轴承要求：高速球轴承或磁力轴承（二）数控机床的进给运动系统（二）数控机床的进给运动系统 数控机床的进给系统是数字控制信号和运动部件之间的传动纽带，直接影响机床的加工精度。因此，在进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性方面有更高的要求。1）提高传动精度和刚度）提高传动精度和刚度 2）减少各运动零件的惯性量）减少各运动零件的惯性量 3）减少运动件的摩
31、擦阻力）减少运动件的摩擦阻力 4）响应速度快、调速范围宽）响应速度快、调速范围宽 5）较强的过载能力、低速时扭矩大）较强的过载能力、低速时扭矩大 6）稳定性好，寿命长）稳定性好，寿命长 7）使用维护方便）使用维护方便 一个典型的数控机床闭环控制进给系统通常由位置比较、放大单元、驱动单元、机械传动装位置比较、放大单元、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件置和检测反馈元件等几部分组成。机械传动装置机械传动装置是指将驱动源的旋转运动装置装换为工作台直线运动的整个机械传功链。进给系统机械部件的总体设计要求：进给系统机械部件的总体设计要求：减少摩减少摩擦、消除间隙、减小惯性、提高传动精度和刚度擦、消除间
32、隙、减小惯性、提高传动精度和刚度。为了达到上述总体要求，通常采用的措施是：为了达到上述总体要求，通常采用的措施是：1 1）采用低摩擦的传动副；）采用低摩擦的传动副；2 2）合理的支承形式提高传动刚度等。）合理的支承形式提高传动刚度等。在机床进给运动系统中，通常采用丝杠螺母在机床进给运动系统中，通常采用丝杠螺母副作为主要的减速和运动形式转换。副作为主要的减速和运动形式转换。电机和丝杠之间的连接方式主要有：齿轮传电机和丝杠之间的连接方式主要有：齿轮传动连接、同步带齿形连接和电机与丝杠之间的直动连接、同步带齿形连接和电机与丝杠之间的直接连接。接连接。滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互滚珠丝杠螺母
33、副是回转运动与直线运动相互转换的传动装置转换的传动装置。它的结构特点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。工作原理如下所示工作原理如下所示。在丝杠和螺母1上都加工有半圆弧形的螺旋槽，把它们套装在一起构成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道b，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，滚珠在滚道内既自传又沿滚道循环转动，从而迫使螺母（或丝杠）轴向移动。滚珠丝杠螺母副是滚动摩擦，它的滚珠丝杠螺母副是滚动摩擦，它的特点特点是：是：1 1）摩擦因数小，传动效率高，所需传动转距小；）摩擦因数小，传动效率高，所需传动转距小；2 2）
34、磨损小，寿命长，精度保持性好；）磨损小，寿命长，精度保持性好；3 3）灵敏度高，传动平稳，不易产生爬行；）灵敏度高，传动平稳，不易产生爬行；4 4）丝杠和螺母之间可通过预紧和间隙消除措施）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；提高轴向刚度和反向精度；5 5）运动具有可逆性，既可将旋转运动变成直线）运动具有可逆性，既可将旋转运动变成直线运动，又可将直线运动变成旋转运动；运动，又可将直线运动变成旋转运动；缺点：缺点：1 1）制造工艺复杂，成本高；）制造工艺复杂，成本高；2 2）在垂直安装时不能自锁，需附加制动机构。）在垂直安装时不能自锁，需附加制动机构。应用：应用：应用范围
35、广，在大型触控机床上多采用齿应用范围广，在大型触控机床上多采用齿条或者涡轮蜗杆装置。条或者涡轮蜗杆装置。1 1）滚珠丝杠螺母副的结构）滚珠丝杠螺母副的结构 滚珠丝杠副滚珠的循环方式分为外循环和内循环滚珠丝杠副滚珠的循环方式分为外循环和内循环两种。两种。滚珠在返回过程中与丝杠脱离接触的为滚珠在返回过程中与丝杠脱离接触的为外循环外循环；滚珠在循环过程中与丝杠始终接触的为滚珠在循环过程中与丝杠始终接触的为内循环内循环。循环中的滚珠叫做循环中的滚珠叫做工作滚珠工作滚珠，工作滚珠所走过的，工作滚珠所走过的滚道圈数叫滚道圈数叫工作圈数工作圈数。外循环常见的有插管式和螺旋槽式。外循环常见的有插管式和螺旋槽式
36、。图(a)为插管式，它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。图(b)为螺旋槽式，它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。外循环滚珠丝杠外循环滚珠丝杠(a)插管式插管式 (b)螺旋槽式螺旋槽式 内循环结构内循环结构如图下所示。如图下所示。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，将相邻螺纹滚道联结起来，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24个反向器，反向器沿螺母圆周均布。这种结构径向尺寸紧
37、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。内循环滚珠丝内循环滚珠丝杠杠 2 2）滚珠丝杠副轴向间隙的调整）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。滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。轴向间隙通常是指轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动量。除了结构本身所有的游隙之外，还包括施加轴窜动量。除了结构本身所有的游隙之外，还包括施加轴向载荷后产生弹性变形所造成的轴向窜动量。向载荷后产生弹性变形所造成的轴向窜动量。为了保证反向传动精度和轴向刚
38、度，必须消除轴向间为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。隙。用预紧方法消除间隙时应注意，预加载荷能够有效用预紧方法消除间隙时应注意，预加载荷能够有效地减少弹性变形所带来的轴向位移，但地减少弹性变形所带来的轴向位移，但预紧力不易过大预紧力不易过大，过大的预紧载荷将增加摩擦力，使传动效率降低，缩短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，一般丝杠的使用寿命。所以，一般需要经过多次调整需要经过多次调整才能保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。证机床在适当的轴向载荷下既消除了间隙又能灵活转动。消除间隙的方法常采用双螺母结构，消除间隙的方法常采
39、用双螺母结构，利用两个螺利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴母的相对轴向位移，使两个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。紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。常用的双螺母丝杠消除间隙的方法有：常用的双螺母丝杠消除间隙的方法有：（1 1）齿差调隙式；）齿差调隙式；（2 2）垫片调隙式；）垫片调隙式；（3 3）螺纹调隙式；）螺纹调隙式；（4 4）单螺母变螺距预加载荷式。）单螺母变螺距预加载荷式。（1 1）垫片调隙式）垫片调隙式 如下图所示，在螺母处放入一垫片，如下图所示，在螺母处放入一垫片，调整垫片厚度使左右两个螺母产生方向相反的位移，则两调整垫片厚度使左右两个螺母
40、产生方向相反的位移，则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，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，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进行预紧，但调整不便，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧，调整精度不高，仅适用于一般精度的数控机床。调整精度不高，仅适用于一般精度的数控机床。（2 2）螺纹调隙式）螺纹调隙式 如下图所示，左螺母外端有凸缘，如下图所示，左螺母外端有凸缘，右螺母右端加工有螺纹，用两个圆螺母右螺母右端加工有螺纹，用两个圆螺母1 1、2 2把垫
41、片压在螺把垫片压在螺母座上，左右螺母通过平键和螺母座连接，使螺母在螺母母座上，左右螺母通过平键和螺母座连接，使螺母在螺母座内可以轴向滑移而不能相对转动。调整时，拧紧圆螺母座内可以轴向滑移而不能相对转动。调整时，拧紧圆螺母1 1使右螺母向右滑动，就改变了两螺母的间距，即可消除使右螺母向右滑动，就改变了两螺母的间距，即可消除间隙并产生预紧力，然后用螺母间隙并产生预紧力，然后用螺母2 2锁紧。这种调整方法结锁紧。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。紧量不能控制。（3 3）齿差调隙式）齿差调隙式 如下图所示，在
42、两个螺母的凸缘上加工有圆柱外齿如下图所示，在两个螺母的凸缘上加工有圆柱外齿轮，分别与紧固在套筒两端的内齿圈相啮合，左右螺母轮，分别与紧固在套筒两端的内齿圈相啮合，左右螺母不能转动。两螺母凸缘齿轮的齿数分别为不能转动。两螺母凸缘齿轮的齿数分别为Z1Z1和和Z2Z2，且相，且相差一个齿。差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于螺母座调整时，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多个齿同方向都转动一个齿或多个齿，然后在插入内齿圈并紧，然后在插入内齿圈并紧固在螺母座上，则两个螺母便产生角位移，使两个螺母固在螺母座上，则两个螺母便产生角位移，使两个螺母轴向间距改变，实现消除隙和
43、预紧。轴向间距改变，实现消除隙和预紧。设滚珠丝杠的导程为设滚珠丝杠的导程为t,t,两个螺母相对于螺母座同方两个螺母相对于螺母座同方向转动一个齿后，其轴向位移量为：向转动一个齿后，其轴向位移量为：tZZS2111齿差调隙式齿差调隙式 例如，例如，Z1=99Z1=99，Z2=100Z2=100，滚珠丝杠的导程，滚珠丝杠的导程 t=10mmt=10mm时，时，则则S=10/99000.001mmS=10/99000.001mm，若间隙量为，若间隙量为0.002mm,0.002mm,则相应的两则相应的两螺母沿同方向转过两个齿即可消除间隙。螺母沿同方向转过两个齿即可消除间隙。齿差调隙式的结构较为复杂，尺
44、寸较大，但是调整方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。精度传动。(4)(4)单螺母变螺距预加载荷式单螺母变螺距预加载荷式 即在滚珠螺母体内的两列循环滚珠轨道之间即在滚珠螺母体内的两列循环滚珠轨道之间使内螺纹轨道在轴向上产生一个导程突变量使内螺纹轨道在轴向上产生一个导程突变量L L，从而使两列滚珠在轴向上错位实现预紧。从而使两列滚珠在轴向上错位实现预紧。特点：特点：结构简单、结构简单、缺点：缺点：施加在螺母上的载荷必须预先设定，施加在螺母上的载荷必须预先设定，且不能改变。且不能
45、改变。3 3）滚珠丝杠的支承方式）滚珠丝杠的支承方式 数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠副本身的刚度外，对滚珠丝杠的正确安装及支承结构的刚珠丝杠副本身的刚度外，对滚珠丝杠的正确安装及支承结构的刚度也提出了重要的要求。度也提出了重要的要求。由于滚珠丝杠所承受的主要是轴向载荷，它的径向载荷主要由于滚珠丝杠所承受的主要是轴向载荷，它的径向载荷主要是卧式丝杠的自重，常采用高刚度的推力轴承以提高滚珠丝杠的是卧式丝杠的自重，常采用高刚度的推力轴承以提高滚珠丝杠的轴向承载能力。轴向承载能力。常用的滚珠丝杠支承方式：常用的滚珠丝杠支承方式
46、：（1 1）一端装推力轴承）一端装推力轴承 这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，只这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，只适用于行程小的短丝杠。适用于行程小的短丝杠。（2 2）一端装推力轴承，另一端装向心球轴承）一端装推力轴承，另一端装向心球轴承 这种安装方式用于丝杠较长的情况，当热变形这种安装方式用于丝杠较长的情况，当热变形造成丝杠伸长时，其一端固定，另一端能作微量的造成丝杠伸长时，其一端固定，另一端能作微量的轴向浮动。为减少丝杠热变形的影响，止推轴承的轴向浮动。为减少丝杠热变形的影响，止推轴承的安装位置应远离电机热源和丝杠工作时的常用段。安装位置应远离电机热源和丝杠工作时的常用段。（3
47、3）两端装推力轴承）两端装推力轴承 将推力轴承安装在滚珠丝杠的两端，并施加预将推力轴承安装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧力，有助于提高丝杠的轴向刚度，但此种安装方紧力，有助于提高丝杠的轴向刚度，但此种安装方式对热变形较为敏感。式对热变形较为敏感。（4 4）两端装推力轴承及向心球轴承）两端装推力轴承及向心球轴承:为了提高刚度，丝杠两端均采用双重支承并施加为了提高刚度，丝杠两端均采用双重支承并施加预紧。这种方式可使丝杠的热变形转化为推力轴承预紧。这种方式可使丝杠的热变形转化为推力轴承的预紧，但设计时要注意提高推力轴承的承载力和的预紧，但设计时要注意提高推力轴承的承载力和支架刚度。支架刚度。4 4）滚
48、珠丝杠的防护）滚珠丝杠的防护 滚珠丝杠副用润滑剂来提高耐磨性及传动效率，滚珠丝杠副用润滑剂来提高耐磨性及传动效率，润滑剂可分为润滑油和润滑脂。润滑剂可分为润滑油和润滑脂。润滑油一般为机械油润滑油一般为机械油或或140140号主轴油。润滑油经过壳体上的油孔注入螺母的号主轴油。润滑油经过壳体上的油孔注入螺母的空间内；润滑脂常采用锂基润滑脂，一般加在螺纹滚空间内；润滑脂常采用锂基润滑脂，一般加在螺纹滚道和安装螺母的壳体的空间内。道和安装螺母的壳体的空间内。滚珠丝杠副如果在滚道上落入了灰尘、切屑，或者滚珠丝杠副如果在滚道上落入了灰尘、切屑，或者使用了不净的润滑油，不仅会妨碍滚珠的正常运转，还使用了不净
49、的润滑油，不仅会妨碍滚珠的正常运转，还会使磨损急剧增加。因此必须有防护装置和使用洁净的会使磨损急剧增加。因此必须有防护装置和使用洁净的润滑油。通常采用密封圈或防护罩对螺母进行防护。润滑油。通常采用密封圈或防护罩对螺母进行防护。当滚珠丝杠螺母副处于隐蔽的位置时，采用密封圈当滚珠丝杠螺母副处于隐蔽的位置时，采用密封圈进行密封保护；当滚珠丝杠螺母副处于裸露的位置时，进行密封保护；当滚珠丝杠螺母副处于裸露的位置时，应采用密封的防护罩进行密封保护。应采用密封的防护罩进行密封保护。1、密封圈装在滚珠螺母的两端，分为接触式的和密封圈装在滚珠螺母的两端，分为接触式的和非接触式的两种。非接触式的两种。接触式的弹
50、性密封圈用耐油橡胶或尼龙制成，其接触式的弹性密封圈用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配合的形状，与丝杠紧密内孔做成与丝杠螺纹滚道相配合的形状，与丝杠紧密接触，它的防尘效果好，但也增加了滚珠丝杠的摩擦接触，它的防尘效果好，但也增加了滚珠丝杠的摩擦阻力距。阻力距。非接触式的密封圈又称迷宫式密封圈，用硬质塑非接触式的密封圈又称迷宫式密封圈，用硬质塑料制成，其内孔与丝杠螺纹滚导的形状相反，并稍有料制成，其内孔与丝杠螺纹滚导的形状相反，并稍有间隙，避免了摩擦阻力矩，但防尘效果差。间隙，避免了摩擦阻力矩，但防尘效果差。2 2、安装时将防护罩的一端连接在滚珠螺母的端、安装时将防护罩的一端连接在
