第4章數控機床的機械結構4.3

數控機床的主傳動系統主傳動的基本要求和變速方式主軸的聯接形式

主軸部件的支承電主軸與高速主軸系統主軸部件的結構下頁上頁返回圖庫

1、定義、功用、組成定義：

主運動系統：指驅動主軸運動的系統。主軸：指帶動刀具和工件旋轉，產生切削運動且消耗功率最大的運動軸。功用：傳遞動力：傳遞切削加工所需要的動力傳遞運動：傳遞切削加工所需要的運動運動控制：控制主運動的大小方向開停組成：動力源：電機傳動系統：定比傳動機構、變速裝置運動控制裝置:離合器、制動器等執行件：主軸數控機床的主傳動系統及主軸部件4.3.1

數控機床主傳動系統的特點與普通機床相比較，數控機床的主傳動系統具有如下特點：(1)采用直流或交流主軸電動機現代數控機床的主傳動電動機已不再采用普通的交流異步電動機或傳統的直流調速電動機，一般采用直流或交流主軸電動機。這種電動機調速范圍廣，可實現無級調速，因此主軸箱結構簡化。

（2）轉速高、功率大、變速范圍廣

數控機床適應性強，適合加工單件、小批量和形狀復雜工件，為了適應各種不同材料的加工以及各種不同的加工方法，數控機床的主傳動系統要有較寬的轉速范圍及相應的輸出力矩，一般＞100，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產率、加工精度和表面質量。同時，數控機床還應能夠進行大功率切削和高速切削，以實現高效率加工。

（3）主軸變速迅速可靠

數控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構必須適應自動操作的要求。由于數控機床主傳動系統采用了可實現無級調速的電動機，機械變檔一般又采用液壓缸推動滑移齒輪實現，因此變速穩定可靠。（4）主軸部件性能好

主軸部件直接裝夾刀具對工件進行切削加工，對加工質量及刀具壽命有很大影響，并且在加工過程中不進行人工調整，因此主軸部件必須具有良好的回轉精度、結構剛度、抗振性、熱穩定性、耐磨性。4.3.1主傳動的基本要求和變速方式下頁上頁返回圖庫數控機床和普通機床一樣，主傳動系統也必須通過變速，才能使主軸獲得不同的傳遞，以適應不同的加工要求，并且，在變速的同時，還要求傳遞一定的功率和足夠的轉矩，滿足切削的需要。

對主傳動的要求1)足夠的轉速范圍2)足夠的功率和扭矩。各零部件應具有足夠的精度、強度、剛度和抗振性、噪聲低、運行平穩3)為了降低噪聲、減輕發熱、減少振動，主傳動系統應簡化結構，減少傳動件。4)在加工中心上，還必須具有安裝道具和刀具交換所需要的自動夾緊裝置，以及主軸定向準停裝置，以保證刀具和主軸、刀庫、機械手的正確嚙合。5)為了擴大機床的功能，實現對C軸（主軸回轉角度）的控制，主軸還需安裝位置檢測裝置，以便實現對主軸位置的控制。調速范圍寬調速范圍：有恒扭矩、恒功率調速范圍之分。現在，數控機床的主軸的調速范圍一般在：100～10000，且能無級調速。要求恒功率調速范圍盡可能大，以便在盡可能低的速度下，利用其全功率。變速范圍負載波動時，速度應穩定。性能要求高

電機過載能力強。要求有較長時間（1~30min）和較大倍數的過載能力在斷續負載下，電機轉速波動要小。

速度響應要快，升降速時間要短。

電機溫升低，振動和噪音小。

可靠性高，壽命長，維護容易。

體積小，重量輕，與機床聯接容易。4.3.1主傳動的基本要求和變速方式主傳動的變速方式主傳動的無極變速通常有以下三種方法：1)采用交流主軸驅動系統實現無級變速傳動，在早期的數控機床或大型數控機床（主軸功率超過100KW）上，也有采用直流主軸驅動系統的情況。2)在經濟性、普及性數控機床上，為了降低成本，可以采用變頻帶變頻電動機或普通交流電動機實現無級變速的方式。3)在高速加工機床上，廣泛使用主軸和電動機一體化的新穎功能部件---電主軸。電主軸的電動機轉子和主軸一體，無須任何傳動件，可以使主軸達到每分鐘數萬轉，甚至十幾萬轉的高速。不管采用任何形式，數控機床的主傳動系統結構都要比普通機床簡單得多。2.變頻器—交流電機—

機械變速—主軸部件

這種配置的結構簡單、安裝調試方便，且在傳動上能滿足轉速與轉矩的輸出要求，但其調速范圍及特性相對于交、直流主軸電機系統而言要差一些。主要用于經濟型或中低檔數控機床上。

3.交、直主軸電機

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主軸部件這種配置形式同上面一樣，但電機是性能更好交直流主軸電機，其變速范圍寬，最高轉速可達8000r/min，且控制功能豐富，可滿足中高檔數控機床的控制要求4.電主軸

電主軸又稱內裝式主軸電機，即主軸與電機轉子合為一體，其優點是主軸部件結構緊湊、重量輕、慣量小，可提高啟動、停止的響應特性，利于控制振動和噪聲。轉速高，目前最高可達200000r/min。其缺點是電機運轉產生的振動和熱量將直接影響到主軸，因此，主軸組件的整機平衡、溫度控制和冷卻是內裝式電機主軸的關鍵問題

車床用電主軸銑床用電主軸電主軸：主軸與電機制成一體，使主軸驅動機構簡化。電主軸組成：空心軸轉子、帶繞組的定子、速度檢測元件。空心軸轉子，既是電機的轉子，也是主軸。主軸電機直接驅動定子轉子數控機床的主傳動系統電主軸結構結構軸殼：通常將軸承座孔直接設計在軸殼上。電主軸為加裝電動機定子，必須開放一端。大型或特種電主軸，為方便制造、節省材料，可將軸殼兩端均設計成開放型。轉軸：成品轉軸的形位公差和尺寸精度要求都很高。且必須對轉軸進行嚴格的動平衡。

軸承：高速精密軸承。具有高速性能好、動載荷承載能力高、潤滑性能好、發熱量小等優點。定子與轉子：定子由具有高磁導率的優質矽鋼片疊壓而成，疊壓成型的定子內腔帶有沖制嵌線槽。定子通過一個冷卻套固裝在電主軸的殼體上。轉子由轉子鐵心、鼠籠、轉軸三部分組成。位于前后軸承之間，用熱壓裝配法與主軸產生過盈配合，用由過盈力傳遞扭矩。電主軸制造商：國外：德國GMN公司；瑞士FISCHER公司、IBAG公司；國內：洛陽軸承研究所

發熱問題的解決熱源：內置電動機的發熱和主軸軸承的發熱。可用循環切削液冷卻。電主軸內置電動機的發熱與散熱高速主軸單元的油-水冷卻系統電主軸數控機床的主傳動系統數控機床的主傳動系統電主軸適合小孔鉆削Electrospindle,MotorSpindle,MotorizedSpindle,HighFrequencyspindle,DirectDriveSpindle電主軸，主軸單元4.3.2主軸的聯接形式用輔助機械變速機構聯結定傳動比的聯接方式采用電主軸

常用聯接形式下頁上頁返回圖庫4.3.2主軸的聯接形式用輔助機械變速機構聯結下頁上頁返回圖庫在大、中型數控機床上，為了使主軸在低速時獲得大轉矩和擴大恒功率調速范圍，通常在使用無級變速傳動的基礎上，在增加兩級或三級輔助機械變速機構作為補充。通過分段變速方式，確保低速時的大扭矩，擴大恒功率調速范圍，滿足機床重切削時對扭矩的要求。輔助機械變速機構的結構、原理和普通機床相同，可以通過電磁離合器、液壓或氣動帶動滑移齒輪等方式實現。輔助變速的動作控制，可以通過數控系統的“自動傳動級變換”功能自動實現。輔助機械變速機構的變速比應根據實際機床的參數進行選擇，并盡可能保持功率曲線的連續。4.3.2主軸的聯接形式定傳動比的聯接方式下頁上頁返回圖庫在小型數控機床上，主電動機和主軸一般采用定傳動比的聯結形式，或是主電動機和主軸直接連接的形式。在使用定傳動比傳動時，為了降低噪聲與振動，通常采用V帶和同步皮帶傳動。電動機和主軸直接連接的形式，可以大大簡化主軸傳動系統的結構，有效提高主軸剛度和可靠性。但是，其主軸的輸出轉矩、功率、恒功率調速范圍決定于主電動機本身。另外，主電動機的發熱對主軸的精度有一定的影響。4.3.3主軸部件的支承錐孔雙列圓柱滾子軸承雙列推力角接觸球軸承雙列圓錐滾子軸承帶凸肩的雙列圓錐滾子軸承

常用主軸軸承下頁上頁返回圖庫主軸部件是數控機床的關鍵部件之一，它直接影響機床的加工質量。主軸部件包括主軸的支承、安裝在主軸上的傳動零件等。

p153圖10主軸常用的幾種滾動軸承滾動軸承的精度有E級(高級)、D級(精密級)、C級(特精級)、B級(超精級)四種等級。前軸承的精度一般比后軸承高一個精度等級。數控機床前支承通常采用B、C級精度的軸承,后支承則常采用C、D級。三、主軸組件主軸組件包括主軸、主軸軸承、傳動零件等。

1、主軸軸承一般采用滾動軸承①軸承類型（a）

錐孔雙列圓柱滾子軸承：內圈為1：12的錐孔，當內圈沿錐形軸軸向移動時，內圈脹大，可以調整滾道間隙。滾子與內外圈線性接觸，承載能力大，剛性好。允許極限轉速較高。對箱體孔、主軸頸的加工精度要求高，且只能承受徑向載荷。（b）雙列推力向心球軸承，接觸角為60°。球徑小、數量多，允許轉速高，軸向剛度較高，能承受雙向軸向載荷。該種軸承一般與雙列圓柱滾子軸承配套用作主軸的前支承。（c）雙列圓錐滾子軸承。這種軸承的特點是內、外列滾子數量相差一個，能使振動頻率不一致，因此，可以改善軸承的動態性能。軸承可以同時承受徑向載荷和軸向載荷，通常用作主軸的前支承。（d）帶凸肩的雙列圓錐滾子軸承。結構和圖（c）相似，特點是滾子被做成空心，故能進行有效潤滑和冷卻；此外，還能在承受沖擊載荷時產生微小變形，增加接觸面積，起到有效吸振和緩沖作用。（e）高速電主軸軸承：隨著速度的提高，軸承的溫度升高，離心力增加,振動和噪聲增大，壽命降低。可采用磁浮軸承、液體動靜壓軸承、陶瓷球軸承三種形式。磁浮軸承的高速性能好、精度高，容易實現診斷和在線監控，但電磁測控系統過于復雜。液體動靜壓軸承綜合了液體靜壓軸承和液體動壓軸承的優點，但這種軸承必須根據具體機床專門進行設計，單獨生產，標準化程度低，維護保養也困難。應用最多是混合陶瓷球軸承，即滾動體使用熱壓或熱等靜壓Si3N4陶瓷球，軸承套圈仍為鋼圈。滾動體采用氮化硅陶瓷球的原因：①質量輕，相當于鋼球的40%，因而離心力下降；②彈性模量高，為鋼球的1.5倍，因而主軸和軸承的剛度、臨界轉速提高。③線膨脹系數低，約為鋼球的25%；④硬度高，1600-1700HV.為鋼球的2.5倍；⑤陶瓷與金屬不產生咬合。

②軸承配置：（a）后端定位：推力軸承布置在后支承兩側，并承受雙向軸向載荷。優點：簡化主軸端部結構，缺點：主軸熱膨脹，向前端伸長或橫向彎曲，影響精度。（b）前后兩端定位：推力軸承布置在前、后支承的兩外側，軸向載荷分別由前后支承承受。軸向間隙一般由后端調整。在主軸受熱伸長時，會改變支承的軸向、徑向間隙，影響加工精度。設計時應考慮對主軸的自動預緊。(c)(d)均采用前端定位，推力軸承布置在前支承，軸向載荷由前支承承受。優點是結構剛度較高；主軸受熱伸長，不會影響加工精度。圖(c)的推力軸承安裝在前支承兩側，會增加主軸的懸伸長度，對提高剛度不利。圖(d)推力軸承均布置在前支承內側，主軸的懸伸長度小，剛度大。但前支承結構較復雜，一般用于高速精密數控機床。常見形式:特點（a）前支承采用圓錐孔雙列圓柱滾子軸承和雙向推力角接觸軸承組合，后支承采用成對角接觸球軸承。這種配置形式使主軸的綜合剛度得到大幅度提高，可以滿足強力切削的要求，所以目前各類數控機床的主軸普遍采用這種配置形式。（b）前文承采用高精度雙列向心推力球軸承和角接觸球軸承組合。這種配置方式具有較好的高速性能，主軸最高轉速達4000r／min，但是軸承的承載能力小，因而適用于高速、輕載和精密的數控機床主軸。（c）前后支承采用雙列圓維波子軸承和圓錐滾子軸承。這種軸承徑向軸向剛度高，能承受重載荷，尤其能承受較大的動載荷，安裝與調整性能好。但是這種軸承配置方式限制了抽的最高轉速和精度，所以僅適用于中等精度、低速與重載的數控機床主軸。4.3.3主軸部件的支承錐孔雙列圓柱滾子軸承雙列推力角接觸球軸承雙列圓錐滾子軸承帶凸肩的雙列圓錐滾子軸承

常用主軸軸承下頁上頁返回圖庫主軸部件是數控機床的關鍵部件之一，它直接影響機床的加工質量。主軸部件包括主軸的支承、安裝在主軸上的傳動零件等。圖9主軸常用的幾種滾動軸承滾動軸承的精度有E級(高級)、D級(精密級)、C級(特精級)、B級(超精級)四種等級。前軸承的精度一般比后軸承高一個精度等級。數控機床前支承通常采用B、C級精度的軸承,后支承則常采用C、D級。4.3.3主軸部件的支承采用后端定位,推力軸承布置在后支承的兩側,軸向載荷由后支承承受。采用前、后兩端定位,推力軸承布置在前、后支承的兩外側,軸向載荷由前支承承受,軸向間隙由后端調整。采用前端定位,推力軸承布置在前支承,軸向載荷由前支承承受。軸承的配置

合理配置軸承,可以提高主軸精度,降低溫升,簡化支承結構。在數控機床上配制軸承時,前后軸承都應能承受徑向載荷,支承間的距離要選擇合理,并根據機床的實際情況配制軸向力的軸承。

下頁上頁返回圖庫圖10幾種常見的軸承配置形式4.3.4電主軸與高速主軸系統下頁上頁返回圖庫在高速加工機床上,大多數使用電動機轉子和主軸一體的電主軸,可以使主軸達到每分鐘數萬轉、甚至十幾萬轉的高速,主軸傳動系統的結構更簡單、剛性更好。電主軸最早應用于磨床上,隨著高速加工機床的發展,電主軸以其卓越的高速性能,被廣泛用于其他數控機床。雖然電主軸外形各不相同,但其實質都是一只轉子中空的電動機(如圖11所示)。外殼有進行強制冷卻的水槽,中空套筒用于直接安裝各種機床主軸。從而取消了從主電動機到主軸之間一切中間的機械傳動環節(如傳動帶、齒輪、離合器等),實現了主電動機與機床主軸的一體化,使機床的主傳動系統實現了所謂的“零傳動”。4.3.4電主軸與高速主軸系統機械結構最為簡單,傳動慣量小,因而快速響應性好,能實現極高的速度、加(減)速度和定角度的快速準停(C軸控制)。通過采用交流變頻調速或磁場矢量控制的交流主軸驅動裝置,輸出功率大,調速范圍寬,并有比較理想的轉矩—功率特性。可以實現了主軸部件的單元化。電主軸可獨立做成標準功能部件,并由專業廠進行系列化生產；機床生產廠只需根據用戶的不同要求進行選用,可很方便的組成各種性能的高速機床,符合現代機床設計模塊化的發展方向。電主軸的主要特點

下頁上頁返回圖庫主軸部件采用電主軸的傳動方式有以下特點:4.3.4電主軸與高速主軸系統主電動機置于主軸前、后軸承之間。這種方式的優點是:主軸單元的軸向尺寸較短,主軸剛度高,出力大,較適用于中、大型高速加工中心,目前大多數加工中心都采用這種結構形式。主電動機置于主軸后軸承之后,即主軸箱和主電動機作軸向的同軸布置(有的用聯軸器)。這種布局方式有利于減小電主軸前端的徑向尺寸,電動機的散熱條件也較好。但整個主軸單元的軸向尺寸較大,常用于小型高速數控機床,尤其適用于模具型腔的高速精密加工。

電主軸的安裝形式

根據主電動機和主軸軸承相對位置的不同,高速電主軸有兩種安裝形式:下頁上頁返回圖庫4.3.4電主軸與高速主軸系統電主軸的發熱及其解決方法

下頁上頁返回圖庫與一般的主軸部件不同,電主軸最突出的問題之一是內藏式高速主電動機的發熱。由于主電動機旁邊就是主軸軸承,電動機的發熱會直接降低軸承的工作精度。如果主電動機的散熱問題解決不好,就會影響機床工作的可靠性。為此,電主軸一般都采用外循環油一水冷卻系統進行冷卻。即:在主電動機定子的外面加工有帶螺旋槽的鋁質外套(圖11),機床工作時,冷卻水不斷在該螺旋槽中流動,從而把主電動機的熱量及時、迅速地帶走。為了進一步降低主軸軸承的溫升,軸承一般都采用油一氣潤滑系統。4.3.4電主軸與高速主軸系統電主軸的動平衡設計下頁上頁返回圖庫電主軸的最高轉速一般在10000r/min以上,甚至高達60000～100000r/min,主軸運轉部分微小的不平衡量,都會引起巨大的離心力,造成機床的振動,影響加工精度和表面質量,因此必須對電主軸進行嚴格的動平衡。采用電主軸后,主軸和主軸上的零件都要經過十分精密的加工、裝配和調校,一般要使主軸組件動平衡精度達到0.4級以上的水平。在設計電主軸時,必須嚴格遵守結構對稱性原則,鍵連接和螺紋連接在電主軸上被禁止使用。4.3.4電主軸與高速主軸系統提高軸承尺寸公差及旋轉精度。

采用角接觸球軸承取代圓柱滾子軸承和推力球軸承。

應減小徑向截面尺寸,以減小系統的體積,并有利于系統的熱傳導。應盡量采用小而多的滾動體,提高軸系的動剛度。采用高強度、輕質保持架,選擇合理的引導方式,。盡量采用配對軸承,以保證軸承的旋轉精度與剛度。高速主軸系統的軸承配置要求

下頁上頁返回圖庫隨著機床主軸高速化的發展,在主軸傳動代替傳統機械傳動后,為適應高速傳動,并使軸承可實現高速旋轉,且溫升低、剛性好,它對機床用軸承提出了更為嚴格的要求,這些要求概括起來有以下幾點:4.3.5主軸部件的結構主軸和電動機間采用的是傳動帶聯接的定傳動比傳動方式采用電主軸兩種臥式車床的主軸部件結構

下頁上頁返回圖庫機床主軸部件的結構根據不同的機床有較大的差別4、主軸部件動畫4.4

數控機床的進給傳動系統數控機床對進給傳動系統的基本要求數控機床進給傳動系統的基本形式

直線電動機與高速進給單元滾珠絲杠螺母副的原理滾珠絲杠螺母副的支承滾珠絲杠螺母副與電動機的聯接下頁上頁返回圖庫一、數控機床進給傳動系統的特點低摩擦傳動副。如采用靜壓導軌、滾動導軌和滾珠絲杠等，以減小摩擦力。選用最佳的降速比，以達到提高機床分辨率，使工作臺盡可能大地加速以達到跟蹤指令、系統折算到驅動軸上的慣量盡量小的要求。縮短傳動鏈以及用預緊的方法提高傳動系統的剛度。如采用大轉矩寬調速的直流電動機與絲杠直接相連應用預加負載的滾動導軌和滾珠絲杠副，絲杠支承設計成兩端軸向固定的、并可預拉伸的結構等辦法來提高傳動系統的剛度。無間隙傳動，消除反向死區誤差。如采用消除間隙的聯軸器，采用有消除間隙措施的傳動副等。數控機床的進給傳動系統二、進給傳動機構1、類型直線進給運動：通過絲杠螺母副（通常為滾珠絲杠或靜壓絲杠），將伺服電動機的旋轉運動變成直線運動。通過齒輪、齒條副，將伺服電動機的旋轉運動變成直線運動。直接采用直線電動機進行驅動。圓周進給運動：除少數情況直接使用齒輪副外，一般都采用蝸輪蝸桿副。2、減速機構通過降速來匹配進給系統的轉動慣量和獲得要求的輸出機械特性，對開環系統，還起匹配所需的脈沖當量的作用。一般采用齒輪機構或同步齒形帶傳動。近年來，由于伺服電機及其控制單元性能的提高，許多數控機床的進給傳動系統去掉了降速齒輪副，直接將伺服電動機與滾珠絲杠連接。

1.進給傳動系統作用進給傳動系統是將伺服電機的旋轉運動轉變為執行部件的直線運動或回轉運動。

進給系統組成:伺服電機及檢測元件、傳動機構、運動變換機構、導向機構、執行件

常用的傳動機構:一到兩級傳動齒輪和同步帶；

運動變換機構:絲杠螺母副、蝸桿蝸輪副、齒輪齒條副等；

導向機構:滑動導軌、滾動導軌、靜壓導軌、軸承等

8.4數控機床進給傳動系統

8.4數控機床進給傳動系統4.4.1

對進給傳動系統的要求1、進給傳動系統作用

接受數控系統發出的進給脈沖，經放大和轉換后驅動執行元件實現預期的運動。2、傳統進給傳動系統與數控伺服進給系統的區別傳統進給傳動系統：多采用一個電機，執行件之間采用大量的齒輪傳動，以實現內外傳動鏈的各種傳動比要求。故傳動鏈很長，結構相當復雜數控伺服進給系統：每一個運動都由單獨的伺服電機驅動，傳動鏈大大縮短，傳動件大大減少，有利于減少傳動誤差，提高傳動精度4.4.1數控機床對進給系統的基本要求下頁上頁返回圖庫為確保數控機床進給系統的傳動精度和工作平穩性等，在設計機械傳動裝置時，提出如下要求。

1)減小系統的摩擦阻力

2)提高傳動部件的剛度和精度。

3)減小傳動部件的慣量。

4)穩定性好，壽命長

3、對進給傳動系統的要求減少運動件的摩擦阻力提高機床進給系統的快速響應性能和運動精度，減少爬行現象響應性能：是進給伺服系統動態性能的指標，反映了系統的跟蹤精度運動精度：是機床的主要零、部件在以工作狀態的速度運動時的精度爬行現象：低速時運動不平衡的現象稱為爬行現象機床爬行現象一般發生在低速度、重載荷的運動情況下當主動件1作勻速運動時，被動件3往往會出現明顯的速度不均勻，產生跳躍式的時停時走的運動狀態，或時快時慢現象提高傳動精度和剛度措施1保證部件加工精度措施2在傳動鏈中加入減速齒輪—減小脈沖當量，提高傳動精度措施3預緊支撐絲杠的軸承—消除齒輪、蝸輪傳動件間隙措施4預緊消除滾珠絲杠螺母副的軸向傳動間隙3、對進給傳動系統的要求減小各運動零部件的慣量穩定性好，壽命長穩定性好：保證低速時不產生爬行，外負載變化時不發生振動壽命：是指數控機床保持傳動精度和定位精度時間的長短，即保持原制造精度的能力(車)滾珠絲杠螺母副+滾動導軌副8.4數控機床進給傳動系統滾珠絲杠螺母副+滑動導軌8.4數控機床進給傳動系統按絲杠與螺母的摩擦性質分：滑動絲杠螺母副：主要用于舊機床的數控化改造、經濟型數控機床等；滾珠絲杠螺母副：廣泛用于中、高檔數控機床；靜壓絲杠螺母副：主要用于高精度數控機床、重型機床。8.4數控機床進給傳動系統4.4.4滾珠絲杠螺母副的原理下頁上頁返回圖庫滾珠絲杠螺母副的結構原理滾珠絲杠副是一種新型的傳動機構，它的結構特點是具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動件，以減少摩擦。圖中絲杠和螺母上都磨有圓弧形的螺旋槽，這兩個圓弧形的螺旋槽對合起來就形成螺旋線滾道，在滾道內裝有滾珠。當絲杠回轉時，滾珠相對于螺母上的滾道滾動，因此絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦。為了防止滾珠從螺母中滾出來，在螺母的螺旋槽兩端設有回程引導裝置，使滾珠能循環流動。4.4.4滾珠絲杠螺母副的原理下頁上頁返回圖庫滾珠絲杠螺母副的結構原理

目前國內外生產的滾珠絲杠副，可分為內循環及外循環兩類。外循環螺旋槽式滾珠絲杠副，在螺母的外圓上銑有螺旋槽，并在螺母內部裝上擋珠器，擋珠器的舌部切斷螺紋滾道，迫使滾珠流入通向螺旋槽的孔中而完成循環。內循環滾珠絲杠副，在螺母外側孔中裝有接通相鄰滾道的反向器，以迫使滾珠翻越絲杠的齒頂而進入相鄰滾道。

4.4.4滾珠絲杠螺母副的原理下頁上頁返回圖庫滾珠絲杠螺母副的預緊常用的雙螺母消除軸向間隙的結構型式有以下三種

墊片調隙式螺紋調隙式齒差調隙式單螺母變導程自預緊及單螺母鋼球過盈預緊方式。各種預緊方式的特點及適用場合見表2-24.4.5滾珠絲杠螺母副的支承下頁上頁返回圖庫滾珠絲杠螺母副的支承形式滾珠絲杠螺母副的支承軸承

螺母座、絲杠的軸承及其支架等剛性不足，將嚴重地影響滾珠絲杠副的傳動剛度。因此，螺母座應有加強肋，以減少受力后的變形，螺母座與床身的接觸面積宜大，其連接螺釘的剛度也應高，定位銷要緊密配合，不能松動。滾珠絲杠常用推力軸承支承，以提高軸向剛度（當滾珠絲杠的軸向負載很小時，也可用深溝球軸承支承）滾珠絲杠的支承方式有以下幾種

一端裝推力軸承一端裝推力軸承，另一端裝深溝球軸承兩端裝推力軸承兩端裝推力軸承及深溝球軸承4.4.6滾珠絲杠螺母副與電動機的聯接下頁上頁返回圖庫滾珠絲杠螺母副與驅動電機的聯接形式主要有以下三種

聯軸器直接聯接通過齒輪聯接通過同步齒形帶聯接

5.3.2滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副是回轉運動與直線運動相互轉換的傳動裝置，它是利用螺旋面的升角使旋轉運動變為直線運動，是數控機床的絲杠螺母副最常見的一種形式。它的結構特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠，作為中間傳動元件，以減少摩擦。工作原理如圖5-15所示。在絲杠和螺母1上都加工有半圓弧形的螺旋槽，把它們套裝在一起邊形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回路管道b，將螺旋滾道的兩端連接在一起構成封閉的循環滾道，在滾道內裝滿滾珠。當絲杠旋轉時，滾珠在滾道內既自傳又沿滾道循環轉動，從而迫使螺母（或絲杠）軸向移動。

圖5-15滾珠絲杠副的原理圖

滾珠絲杠螺母副是滾動摩擦，它的特點是：摩擦因數小，傳動效率高，所需傳動轉距小；磨損小，壽命長，精度保持性好；靈敏度高，傳動平穩，不易產生爬行；絲杠和螺母之間可通過預緊和間隙消除措施提高軸向剛度和反向精度；運動具有可逆性，既可將旋轉運動變成直線運動，又可將直線運動變成旋轉運動；制造工藝復雜，成本高；在垂直安裝時不能自鎖，需附加制動機構，常用的制動方法有超越離合器，電磁摩擦離合器或者使用具有制動裝置的伺服驅動電機。

1．滾珠絲杠螺母副的結構滾珠絲杠副滾珠的循環方式分為外循環和內循環兩種。滾珠在返回過程中與絲杠脫離接觸的為外循環；滾珠在循環過程中與絲杠始終接觸的為內循環。循環中的滾珠叫做工作滾珠，工作滾珠所走過的滾道圈數叫工作圈數。外循環常見的有插管式和螺旋槽式。

圖5-16(a)為插管式，它用彎管作為返回管道，這種形式結構工藝性好，但管道突出螺母體外，徑向尺寸較大。圖6-16(b)為螺旋槽式，它是在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔并與螺紋滾道相切，形成返回通道。這種形式的結構比插管式的結構徑向尺寸小，但制造較為復雜。圖5-16外循環滾珠絲杠(a)插管式(b)螺旋槽式

內循環結構如圖5-17所示。在螺母的側孔中裝有圓柱凸鍵反向器，反向器上銑有S形回珠槽，將相鄰螺紋滾道聯結起來，滾珠從螺紋滾道進入反向器，借助反向器迫使滾珠越過絲杠牙頂進入相鄰滾道，實現循環。一般一個螺母上裝有2~4個反向器，反向器沿螺母圓周均布。這種結構徑向尺寸緊湊，剛性好，且不易磨損，因返程滾道短，不易發生滾珠堵塞，摩擦損失小。但反向器結構復雜，制造困難，且不能用于多頭螺紋傳動。圖5-17內循環滾珠絲杠

2．滾珠絲杠副軸向間隙的調整滾珠絲杠的傳動間隙是軸向間隙。軸向間隙通常是指絲杠和螺母無相對轉動時，絲杠和螺母之間的最大軸向竄動量。除了結構本身所有的游隙之外，還包括施加軸向載荷后產生彈性變形所造成的軸向竄動量。為了保證反向傳動精度和軸向剛度，必須消除軸向間隙。用預緊方法消除間隙時應注意，預加載荷能夠有效地減少彈性變形所帶來的軸向位移，但預緊力不易過大，過大的預緊載荷將增加摩擦力，使傳動效率降低，縮短絲杠的使用壽命。所以，一般需要經過多次調整才能保證機床在適當的軸向載荷下既消除了間隙又能靈活轉動。消除間隙的方法常采用雙螺母結構，利用兩個螺母的相對軸向位移，使兩個滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個相反的側面上。

常用的雙螺母絲杠消除間隙的方法有：（1）墊片調隙式如圖5-18所示，在螺母處放入一墊片，調整墊片厚度使左右兩個螺母產生方向相反的位移，則兩個螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個相反的側面上，即可消除間隙和產生預緊力。這種方法結構簡單，剛性好，但調整不便，滾道有磨損時不能隨時消除間隙和進行預緊，調整精度不高，僅適用于一般精度的數控機床。圖5-18墊片調隙式

（2）螺紋調隙式如圖5-19所示，左螺母外端有凸緣，右螺母右端加工有螺紋，用兩個圓螺母1、2把墊片壓在螺母座上，左右螺母通過平鍵和螺母座連接，使螺母在螺母座內可以軸向滑移而不能相對轉動。調整時，擰緊圓螺母1使右螺母向右滑動，就改變了兩螺母的間距，即可消除間隙并產生預緊力，然后用螺母2鎖緊。這種調整方法結構簡單緊湊，工作可靠，調整方便，應用較廣，但調整預緊量不能控制。圖5-19螺紋調隙式

（3）齒差調隙式

如圖5-20所示，在兩個螺母的凸緣上加工有圓柱外齒輪，分別與緊固在套筒兩端的內齒圈相嚙合，左右螺母不能轉動。兩螺母凸緣齒輪的齒數分別為Z1和Z2，且相差一個齒。調整時，先取下內齒圈，讓兩個螺母相對于螺母座同方向都轉動一個齒或多個齒，然后在插入內齒圈并緊固在螺母座上，則兩個螺母便產生角位移，使兩個螺母軸向間距改變，實現消除隙和預緊。設滾珠絲杠的導程為t,兩個螺母相對于螺母座同方向轉動一個齒后，其軸向位移量為：圖5-20齒差調隙式

例如，Z1=99，Z2=100，滾珠絲杠的導程t=10mm時，則S=10/9900≈0.001mm，若間隙量為0.002mm,則相應的兩螺母沿同方向轉過兩個齒即可消除間隙。齒差調隙式的結構較為復雜，尺寸較大，但是調整方便，可獲得精確的調整量，預緊可靠不會松動，適用于高精度傳動。

3．滾珠絲杠的支承方式數控機床的進給系統要獲得較高的傳動剛度，除了加強滾珠絲杠副本身的剛度外，滾珠絲杠的正確安裝及支承結構的剛度也是非常重要的因素。如為了減少受力后的變形，螺母座應有加強肋，增大螺母座與機床的接觸面積，并要聯結可靠。由于滾珠絲杠所承受的主要是軸向載荷，它的徑向載荷主要是臥式絲杠的自重，常采用高剛度的推力軸承以提高滾珠絲杠的軸向承載能力。常用的滾珠絲杠的支承方式如圖5-21所示.絲杠（螺母）旋轉，滾珠在封閉滾道內沿滾道滾動、迫使螺母（絲杠）軸向移動，從而實現將旋轉運動變換成直線運動。8.4數控機床進給傳動系統１．工作原理和特點（1）滾珠絲桿螺母副由于在絲桿和螺母之間放入了滾珠，使絲桿與螺母間變為滾動摩擦，因而大大地減小了摩擦阻力，提高了傳動效率。圖示為滾珠絲桿副的結構示意圖。絲桿１和螺母３上均制有圓弧型面的螺旋槽，將它們裝在一起便形成了螺旋滾道，滾珠４在其間既自轉又循環滾動。

滾珠絲杠螺母副結構圖例1-絲杠2-滾道3-螺母4-滾珠滾珠絲杠螺母副的優點

傳動效率高，摩擦損失小滾珠絲桿螺母副的傳動效率η＝0.92～0.96，可實現高速運動。運動平穩無爬行由于摩擦阻力小，動、靜摩擦系數之差極小，故運動平穩，不易出現爬行現象。傳動精度高，反向時無空程滾珠絲桿副經預緊后，可消除軸向間隙。磨損小精度保持性好，使用壽命長。具有運動的可逆性可以將旋轉運動轉換成直線運動，也可將直線運動轉換成旋轉運動，即絲桿和螺母均可作主動件或從動件。滾珠絲杠螺母副的缺點由于結構復雜，絲桿和螺母等元件的加工精度和表面質量要求高，故制造成本高。由于不能自鎖，特別是垂直安裝的滾珠絲桿傳動，會因部件的自重而自動下降。當部件向下運動且切斷動力源時，由于部件的自重和慣性，不能立即停止運動。因此必須增加制動裝置。

結論：由于其優點顯著，雖成本較高，仍被廣泛應用在數控機床上。

2．結構類型（1）外循環

滾珠在循環過程結束后通過螺母外表面上的螺旋槽或插管返回絲桿螺母間重新進入循環。圖示為常見的外循環結構形式。在螺母外圓上裝有螺旋形的插管口，其兩端插入滾珠螺母工作始末兩端孔中，以引導滾珠通過插管，形成滾珠的多圈循環鏈。

結構簡單，工藝性好，承載能力較高，但徑向尺寸較大。應用最廣，也可用于重載傳動系統。外循環式滾珠絲杠結構圖例2．結構類型（2）內循環

靠螺母上安裝的反向器接通相鄰滾道，使滾珠成單圈循環，如圖所示。反向器２的數目與滾珠圈數相等。

結構緊湊，剛度好，滾珠流通性好，摩擦損失小，但制造較困難。適用于高靈敏、高精度的進給系統，不宜用于重載傳動中。內循環式滾珠絲杠結構圖例3．滾珠絲桿副間隙的調整（1）為了保證滾珠絲杠反向傳動精度和軸向剛度，必須消除滾珠絲桿螺母副軸向間隙。消除間隙的方法常采用雙螺母結構，利用兩個螺母的相對軸向位移，使每個螺母中的滾珠分別接觸絲桿滾道的左右兩側。用這種方法預緊消除軸向間隙時，預緊力一般應為最大軸向負載的l/3。當要求不太高時，預緊力可小于此值。3．滾珠絲桿副間隙的調整（2）雙螺母墊片式消隙

如圖所示，此種形式結構簡單可靠、剛度好，應用最為廣泛，在雙螺母間加墊片的形式可由專業生產廠根據用戶要求事先調整好預緊力，使用時裝卸非常方便。雙螺母墊片調整法（中間加墊片）圖例雙螺母墊片調整法（端部加墊片）圖例3．滾珠絲桿副間隙的調整（3）雙螺母螺紋式消隙如圖所示，利用一個螺母上的外螺紋，通過圓螺母調整兩個螺母的相對軸向位置實現預緊，調整好后用另一個圓螺母鎖緊，這種結構調整方便，且可在使用過程中，隨時調整，但預緊力大小不能準確控制。雙螺母螺紋消隙圖例3．滾珠絲桿副間隙的調整（4）齒差式消隙

如圖所示，在兩個螺母的凸緣上各制有圓柱外齒輪，分別與固緊在套筒兩端的內齒圈相嚙合，其齒數分別為Z1、Z2，并相差一個齒。調整時，先取下內齒圈，讓兩個螺母相對于套筒同方向都轉動一個齒，然后再插入內齒圈，則兩個螺母便產生相對角位移，其軸向位移量為：式中Z1、Z2為齒輪的齒數，Ph為滾珠絲杠的導程。齒差式消隙圖例4．滾珠絲桿副的支承方式（1）一端裝止推軸承(固定－自由式)

如圖a所示。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度低，僅適應于短絲桿。4．滾珠絲桿副的支承方式（2）一端裝止推軸承，另一端裝深溝球軸承(固定－支承式)

如圖b所示。滾珠絲桿較長時，一端裝止推軸承固定，另一端由深溝球軸承支承。為了減少絲桿熱變形的影響，止推軸承的安裝位置應遠離熱源。4．滾珠絲桿副的支承方式（3）兩端裝推力軸承（單推—單推式或雙推—單推式）如圖c所示。這種方式是對絲杠進行預拉伸安裝。這樣做的好處是：減少絲杠因自重引起的彎曲變形；在推力軸承預緊力大于絲杠最大軸向載荷1/3的條件下，絲杠拉壓剛度可提高四倍；絲杠不會因溫升而伸長，從而保持絲杠精度。4．滾珠絲桿副的支承方式（4）兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承(固定－固定式)

如圖d所示。為提高剛度，絲桿兩端采用雙重支承，如止推軸承和深溝球軸承，并施加預緊拉力。這種結構方式可使絲桿的熱變形轉化為止推軸承的預緊力。滾珠絲杠副支承方式圖例（4）滾珠絲杠螺母副與驅動電動機的聯接①聯軸器直接聯接優點：具有最大的扭轉剛度；傳動機構本身無間隙，傳動