第五章第五章 进给传动系统设计进给传动系统设计5.1 进给传动系统设计应满足的基本要求进给传动系统设计应满足的基本要求5.2 机械进给传动系统的设计特点机械进给传动系统的设计特点5.3 电气伺服进给系统电气伺服进给系统5.4 伺服电动机伺服电动机1现代制造装备及自动化5.1 5.1 进给传动系统设计应满足的基本要求进给传动系统设计应满足的基本要求一、进给传动系统设计应满足的基本要求一、进给传动系统设计应满足的基本要求1、进给传动系统的组成、进给传动系统的组成动力源动力源变速机构变速机构换向机构换向机构运动分配机构运动分配机构过载保险机构过载保险机构运动转换机构运动转换机构执行件执行件2现代制造装备及自动化5.1 5.1 进给传动系统设计应满足的基本要求进给传动系统设计应满足的基本要求一、进给传动系统设计应满足的基本要求一、进给传动系统设计应满足的基本要求2、进给传动系统应满足的基本要求、进给传动系统应满足的基本要求具有足够的静刚度和动刚度；具有足够的静刚度和动刚度；具有良好的快速响应性，做低速进给运动或微量进给具有良好的快速响应性，做低速进给运动或微量进给时不爬行，运动平稳，灵敏度高；时不爬行，运动平稳，灵敏度高；抗振性好，不会因摩擦自振而引起传动件的抖动或齿抗振性好，不会因摩擦自振而引起传动件的抖动或齿轮传动的冲击噪声；轮传动的冲击噪声；具有足够宽的调速范围；具有足够宽的调速范围；传动精度和定位精度要高；传动精度和定位精度要高；结构简单，加工和装配工艺性好。结构简单，加工和装配工艺性好。3现代制造装备及自动化5.2 5.2 机械进给传动系统设计的特点机械进给传动系统设计的特点 因为进给系统是恒扭矩传动，所以在各种进给速度下，末端因为进给系统是恒扭矩传动，所以在各种进给速度下，末端输出轴上受的扭矩是相同的。输出轴上受的扭矩是相同的。 进给传动件中各传动件所受的扭矩为进给传动件中各传动件所受的扭矩为一、进给传动是恒扭矩传动一、进给传动是恒扭矩传动二、进给传动系统中各传动件的计算转速是其最高转速二、进给传动系统中各传动件的计算转速是其最高转速Ti第第I 个传动件承受的扭矩；个传动件承受的扭矩；N末末、ni 末端输出轴和第末端输出轴和第i轴的转速；轴的转速；U Ui i 第第i个传动件传至末端输出轴的传动比。个传动件传至末端输出轴的传动比。4现代制造装备及自动化三、进给传动的变速范围三、进给传动的变速范围 进给传动系统速度低，受力小，消耗功率小，齿轮模数小，进给传动系统速度低，受力小，消耗功率小，齿轮模数小，因此进给传动变速组的变速范围可取比主变速组较大的值。因此进给传动变速组的变速范围可取比主变速组较大的值。极限传动比：极限传动比：传动组的最大变速范围：传动组的最大变速范围：5现代制造装备及自动化四、进给传动系统采用传动间隙消除机构四、进给传动系统采用传动间隙消除机构手动微量进给机构手动微量进给机构：主要用于调整精密机床的一些部：主要用于调整精密机床的一些部件，件，坐标镗床的工作台和主轴箱。坐标镗床的工作台和主轴箱。五、快速空行程的采用五、快速空行程的采用六、微量进给机构的采用六、微量进给机构的采用自动微量进给机构自动微量进给机构：采用各种驱动元件使进给自主地：采用各种驱动元件使进给自主地进行进行。6现代制造装备及自动化最小进给量大于最小进给量大于1 1m m的机构的机构：蜗杆传动、丝杠螺母、：蜗杆传动、丝杠螺母、齿轮齿条等齿轮齿条等。七、微量进给机构的采用七、微量进给机构的采用u弹性力传动弹性力传动：利用弹性元件的弯曲变形或弹性杆件的拉压变形：利用弹性元件的弯曲变形或弹性杆件的拉压变形实现微量进给。实现微量进给。u磁致伸缩传动磁致伸缩传动：靠改变软磁材料（如铁钴合金、铁铝合金等）：靠改变软磁材料（如铁钴合金、铁铝合金等）的磁化状态，使其尺寸和形状产生变化。的磁化状态，使其尺寸和形状产生变化。u电致伸缩电致伸缩：压电晶体的逆效应，将电能转换为机械能以实现微：压电晶体的逆效应，将电能转换为机械能以实现微量进给。量进给。u热应力传动热应力传动：利用金属杆件的热伸长驱使执行件运动。：利用金属杆件的热伸长驱使执行件运动。最小进给量小于最小进给量小于1 1m m的机构的机构：7现代制造装备及自动化5.3 电气伺服进给系统电气伺服进给系统NC机床进给传动属伺服进给传动。机床进给传动属伺服进给传动。伺服（伺服（servo）迅速而又准确的跟踪控制指令，迅速而又准确的跟踪控制指令， 保证机床工作台或刀架能正确定位或保证刀具保证机床工作台或刀架能正确定位或保证刀具 和工件间有严格的运动关系。和工件间有严格的运动关系。一、进给系统特点一、进给系统特点NC机床的进给传动应满足：机床的进给传动应满足：调速范围大调速范围大;传动精度高传动精度高;动态响应快动态响应快;稳定性好。稳定性好。8现代制造装备及自动化根据要求，应具备以下特点：根据要求，应具备以下特点： 机械传动机构简单：机械传动机构简单： 传动精度高，动态响应速度快传动精度高，动态响应速度快快速跟踪指令；快速跟踪指令； 电动机电动机丝杠丝杠 电动机电动机齿轮齿轮丝杠丝杠 传动传动滚动丝杆；工作台部件滚动丝杆；工作台部件滚动导轨，贴塑导轨；滚动导轨，贴塑导轨； 消除系统传动元件的间隙；消除系统传动元件的间隙； 传动机构有足够刚度传动机构有足够刚度为避免爬行。为避免爬行。9现代制造装备及自动化二、伺服进给系统的控制方式二、伺服进给系统的控制方式开环开环半闭环半闭环闭环闭环10现代制造装备及自动化NC机床半闭环进给系统的三种形式如下：机床半闭环进给系统的三种形式如下：11现代制造装备及自动化三、进给系统驱动部件三、进给系统驱动部件步进电动机步进电动机;直流伺服电动机直流伺服电动机;交流伺服电动机交流伺服电动机;直线伺服电动机。直线伺服电动机。12现代制造装备及自动化三、进给系统驱动部件三、进给系统驱动部件1、步进电动机、步进电动机工作原理：磁力线力图走磁阻最小的路径。工作原理：磁力线力图走磁阻最小的路径。13现代制造装备及自动化14现代制造装备及自动化步进电动机的特点：步进电动机的特点： 1、脉冲控制；、脉冲控制；2、改变定子绕组的通电顺序，、改变定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向将随之改变。转子的旋转方向将随之改变。3、定子绕组通电状态的变化频、定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速越高。率越高，转子的转速越高。4、只要维持控制绕组电流不变，、只要维持控制绕组电流不变，不需要机械制动装置。不需要机械制动装置。5、步距角与定子绕组的相数、步距角与定子绕组的相数M，转子齿数转子齿数Z，通电方式通电方式K有关，有关，15现代制造装备及自动化1）感应式直线电动机原理）感应式直线电动机原理2、直线电动机、直线电动机16现代制造装备及自动化2）直线电动机进给驱动的主要优点：）直线电动机进给驱动的主要优点：速度高。速度高。最大进给速度可达最大进给速度可达80180mmin。加速度大。加速度大。可高达可高达2gl0g。定位精度高。定位精度高。定位精度高达定位精度高达01001m。行程不受限制。行程不受限制。 17现代制造装备及自动化3)直线电动机的类型直线电动机的类型以直流直线电动机、交流永磁(同步)直线电动机、交流感应(异步)直线电动机组成的高速进给系统应用较多 。直流直线电动机直流直线电动机18现代制造装备及自动化交流永磁直线电动机交流永磁直线电动机19现代制造装备及自动化四、滚珠丝杠及其支承四、滚珠丝杠及其支承1、特点：、特点：1）摩擦损失小，传动效率高达）摩擦损失小，传动效率高达8595，是普通滑动丝杠副，是普通滑动丝杠副的的24倍；倍；2）运动灵敏，低速时无爬行；）运动灵敏，低速时无爬行；3）具有传动的可逆性；）具有传动的可逆性； 不自锁不自锁升降运动，必须有制动装置。升降运动，必须有制动装置。4）轴向刚度高，反向定位精度高；）轴向刚度高，反向定位精度高； 可消除反向间隙并施加预载。可消除反向间隙并施加预载。5）使用期限长；）使用期限长；6）工艺复杂，专门工厂制造。）工艺复杂，专门工厂制造。20现代制造装备及自动化2、滚珠丝杠的工作原理、滚珠丝杠的工作原理按回珠方式，分为按回珠方式，分为内循环内循环和和外循环外循环。滚珠在循环中，始终与丝杠接触。滚珠在循环中，始终与丝杠接触。流畅性好，一个循环中只有一圈滚珠，滚珠少，回程短。流畅性好，一个循环中只有一圈滚珠，滚珠少，回程短。螺母径向尺寸小，轴向刚度好，但不能用于多头螺纹传动。螺母径向尺寸小，轴向刚度好，但不能用于多头螺纹传动。滚珠每一个循环称为一列。内循环常有三列（互成滚珠每一个循环称为一列。内循环常有三列（互成120度）度） 四列（互成四列（互成90度）度）内循环内循环特点：特点：21现代制造装备及自动化外循环外循环：每一列钢珠转几圈后经插管式回珠器返回，插管式回：每一列钢珠转几圈后经插管式回珠器返回，插管式回珠器位于螺母之外珠器位于螺母之外, 滚珠在循环中，与丝杠脱离接触滚珠在循环中，与丝杠脱离接触. 缺点缺点：螺母体积较大：螺母体积较大; 优点优点：回珠器制造简单。：回珠器制造简单。22现代制造装备及自动化23现代制造装备及自动化双螺母法：双螺母法： a）左右螺母向两头撑开左右螺母向两头撑开 b）向中间挤紧向中间挤紧 3、滚珠丝杠副的消除间隙、滚珠丝杠副的消除间隙 和预加载荷。和预加载荷。 将左右螺母装在一个共同的将左右螺母装在一个共同的螺母体内螺母体内一个整体，与丝杠间一个整体，与丝杠间处于无间隙或过盈状态以提高接处于无间隙或过盈状态以提高接触刚度。触刚度。24现代制造装备及自动化消除消除间隙和隙和预加加载荷的方法；（改荷的方法；（改变两螺母的两螺母的间距）距）垫片式：片式：齿差式：差式：两螺母同向两螺母同向转一个一个齿，则两螺母的相两螺母的相对轴向位移向位移为：这种种调整方式，精确可靠，定位精度高，整方式，精确可靠，定位精度高，结构复构复杂，用于要求，用于要求较高的地方。高的地方。丝杠导程丝杠导程25现代制造装备及自动化预紧原则：预紧原则：使不受力侧的螺母接触变形为零的外载荷使不受力侧的螺母接触变形为零的外载荷 F3F。 因此，滚珠丝杠的预加载荷因此，滚珠丝杠的预加载荷F。1/3F，预紧后的刚度提高预紧后的刚度提高为无预紧时的为无预紧时的2倍。倍。 但预紧过大但预紧过大F。寿命寿命摩擦力矩加摩擦力矩加大。大。26现代制造装备及自动化4、滚珠丝杠的计算：（自学）、滚珠丝杠的计算：（自学）疲劳强度计算；疲劳强度计算；刚度计算；刚度计算；压杆稳定性和临界转速。压杆稳定性和临界转速。27现代制造装备及自动化5、滚珠丝杠的支承、滚珠丝杠的支承 方式三种：方式三种： a）为一端轴向固定一端自由，常用于短丝杠和竖为一端轴向固定一端自由，常用于短丝杠和竖 直安装的丝杠。直安装的丝杠。b）为一端固定一端简支，常用于较长的卧式安装丝杠。为一端固定一端简支，常用于较长的卧式安装丝杠。c) 为两端固定，常用于长丝杠或高转速、要求高精度、高刚度的为两端固定，常用于长丝杠或高转速、要求高精度、高刚度的地方。这种方式还可以预拉伸。这种安装方式虽优点显著，但地方。这种方式还可以预拉伸。这种安装方式虽优点显著，但工艺上比较困难工艺上比较困难28现代制造装备及自动化滚珠丝杠用滚动轴承：滚珠丝杠用滚动轴承：1）接触角为）接触角为60的推力角接触球的推力角接触球轴承承背靠背面对面29现代制造装备及自动化2）滚针）滚针-推力推力圆柱柱滚子子组合合轴承承 多用于重多用于重载、要求、要求刚度高的地方。度高的地方。30现代制造装备及自动化6、滚珠丝杠的预拉伸、滚珠丝杠的预拉伸制造时：制造时： 目标行程公称行程预拉伸量目标行程公称行程预拉伸量（行程补偿量）（行程补偿量） 拉伸后恢复公称行程值。拉伸后恢复公称行程值。 工作时发热工作时发热热膨胀热膨胀导程加大导程加大影响定位精度。影响定位精度。解决办法解决办法：预拉伸量：预拉伸量热膨胀量，发热后，热膨胀量抵消热膨胀量，发热后，热膨胀量抵消了部分预拉伸量，使丝杠内应力下降，长度不了部分预拉伸量，使丝杠内应力下降，长度不变。变。31现代制造装备及自动化32现代制造装备及自动化7、滚珠丝杠与伺服电动机的联结、滚珠丝杠与伺服电动机的联结齿轮副齿轮副同步齿形带同步齿形带33现代制造装备及自动化联轴节：挠性联轴节联轴节：挠性联轴节可消除丝杠与电机轴之间的同轴度可消除丝杠与电机轴之间的同轴度 和垂直度误差和垂直度误差锥环摩擦联接锥环摩擦联接：优点是不用制键槽，无反向间隙，轴与轮毂：优点是不用制键槽，无反向间隙，轴与轮毂之间的位置可任意调节。摩擦联接还有一定之间的位置可任意调节。摩擦联接还有一定的安全作用。的安全作用。34现代制造装备及自动化 NC机床进给系统经常处于自动变向状态，反向时如果传机床进给系统经常处于自动变向状态，反向时如果传动链中的齿轮等传动副存在间隙，就会造成进给运动的反向运动链中的齿轮等传动副存在间隙，就会造成进给运动的反向运动滞后于指令信号，从而影响其驱动精度。动滞后于指令信号，从而影响其驱动精度。 刚性调整法刚性调整法是指调整之后齿侧间隙不能自动补偿的调整方法。是指调整之后齿侧间隙不能自动补偿的调整方法。它要求严格控制齿轮的齿厚及齿距公差，否则传动它要求严格控制齿轮的齿厚及齿距公差，否则传动的灵活性将受到影响。但用这种方法调整的齿轮传的灵活性将受到影响。但用这种方法调整的齿轮传动有较好的传动刚度而且结构比较简单。动有较好的传动刚度而且结构比较简单。柔性调整法柔性调整法是指调整之后齿侧间隙可以自动补偿的调整方法。是指调整之后齿侧间隙可以自动补偿的调整方法。在齿轮的齿厚和周节有差异的情况下，仍可始终保在齿轮的齿厚和周节有差异的情况下，仍可始终保持无间隙啮合。但是影响其传动平稳性，而且这种持无间隙啮合。但是影响其传动平稳性，而且这种调整法的结构比较复杂、传动刚度低。调整法的结构比较复杂、传动刚度低。二、减速机构及齿轮消隙二、减速机构及齿轮消隙35现代制造装备及自动化1、圆柱齿轮传动、圆柱齿轮传动1）偏心轴套调整法）偏心轴套调整法 电动机通过偏心轴电动机通过偏心轴套装到壳体上，通过转套装到壳体上，通过转动偏心轴套的转角，就动偏心轴套的转角，就能方便的调整两啮合齿能方便的调整两啮合齿轮的中心距，消除了圆轮的中心距，消除了圆柱齿轮正、反转时的齿柱齿轮正、反转时的齿侧隙。侧隙。特点：结构简单，但齿特点：结构简单，但齿侧隙调整后不能侧隙调整后不能自动补偿自动补偿36现代制造装备及自动化 两个相同齿数的薄片齿轮两个相同齿数的薄片齿轮与另一个宽齿轮啮合。两个薄与另一个宽齿轮啮合。两个薄片齿轮套装在一起，并可作相片齿轮套装在一起，并可作相对回转。由于正向和反向旋转对回转。由于正向和反向旋转时，分别只有一片齿轮承受扭时，分别只有一片齿轮承受扭矩，因此承载能力受到了限制。矩，因此承载能力受到了限制。在设计时必须计算弹簧的拉力，在设计时必须计算弹簧的拉力，使它能够克服最大扭矩，否则使它能够克服最大扭矩，否则将失去消除间隙的作用。将失去消除间隙的作用。2）双齿轮错齿式调整法）双齿轮错齿式调整法37现代制造装备及自动化垫片调整法垫片调整法： 宽齿轮同时与两个相同齿数的宽齿轮同时与两个相同齿数的薄片齿轮相啮合，薄片齿轮经平键薄片齿轮相啮合，薄片齿轮经平键与轴连接，相互间无相对回转。斜与轴连接，相互间无相对回转。斜齿轮齿轮1、2间加厚度为间加厚度为t的垫片。用螺的垫片。用螺母拧紧，使两齿轮母拧紧，使两齿轮1、2的螺旋线产的螺旋线产生错位，其后两齿面分别与宽齿轮生错位，其后两齿面分别与宽齿轮4的齿面贴紧消除间隙，垫片的齿面贴紧消除间隙，垫片t的厚的厚度和齿侧间隙度和齿侧间隙的关系可由下式算的关系可由下式算出：出： 斜齿轮的螺旋角；斜齿轮的螺旋角；齿侧间隙；齿侧间隙； t垫片的厚度。垫片的厚度。2、斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除、斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除38现代制造装备及自动化 齿轮齿轮1、2相互啮合。在相互啮合。在锥齿轮锥齿轮1的轴的轴5上装有压簧上装有压簧3，用螺母用螺母4调整压簧调整压簧3的弹力。锥的弹力。锥齿轮齿轮1在弹力作用下沿轴向移在弹力作用下沿轴向移动，可消除锥齿轮动，可消除锥齿轮1和和2的间隙。的间隙。3、锥齿轮传动、锥齿轮传动 轴向压簧调整法轴向压簧调整法4、双导程蜗杆传动、双导程蜗杆传动39现代制造装备及自动化思考题1、什么是开环、闭环和半闭环的伺服进给系统？其特点如、什么是开环、闭环和半闭环的伺服进给系统？其特点如何？何？2、数控机床为什么应用滚珠丝杠？为什么要进行轴向消隙、数控机床为什么应用滚珠丝杠？为什么要进行轴向消隙和预紧？和预紧？3、滚珠丝杠的支撑型式有哪些？为什么要进行预拉伸？、滚珠丝杠的支撑型式有哪些？为什么要进行预拉伸？4、为什么要消除齿轮传动间隙？有哪些主要方法？、为什么要消除齿轮传动间隙？有哪些主要方法？40现代制造装备及自动化