进给传动部件典型结构方案

常用的机械传动装置有滚珠丝杠副、静压蜗杆-蜗母条、预加载荷双齿轮齿条及直线电动机几种。

1.滚珠丝杠副

（1）组成结构

滚珠丝杠由丝杠、螺母、滚珠和滚珠返回装置四部分组成。在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时，便形成了螺旋滚道，滚道内装满滚珠。丝杠回转时，为保持丝杠螺母的连续工作，滚珠通过螺母上的返回装置完成循环。按照滚珠的循环方式，滚珠丝杠螺母副分为内循环方式和外循环方式，如图8-23和图8-24所示。图8-23b和图8-24b分别表示内循环和外循环丝杠螺母副中滚珠的旋转圈数，通常为2～6圈。

图8-23 内循环丝杠螺母副

a）内循环丝杠螺母副 b）螺母副示意图 1—螺母2—滚珠 3—返回装置

图8-24 外循环丝杠螺母副

a）外循环丝杠螺母副 b）螺母副示意图

内循环滚珠丝杠副在工作时，滚珠始终保持和丝杠接触。其螺母结构紧凑、定位可靠、刚性好、不易磨损、返回滚道短、不易产生滚珠堵塞、摩擦损失小，缺点是结构复杂、制造较困难。

外循环滚珠丝杠副在工作时，滚珠与丝杠脱离接触。其制造工艺简单、应用广泛、螺母径向尺寸较大；但因用弯管端部作挡珠器，故刚性差、易磨损且噪声较大。

（2）滚珠丝杠螺母副的特点

①传动效率高、摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副传动的效率_η高达85%～98%，是普通滑动丝杠的2～4倍。因此，其功率消耗只相当于常规丝杠的1/4～1/2。

②运动灵敏，低速时无爬行。由于滚珠与丝杠和螺母之间的摩擦是滚动摩擦，运动件的摩擦阻力及动、静摩擦阻力之差都很小，采用滚珠丝杠螺母副是提高进给系统灵敏度、定位精度和防止爬行的有效措施之一。

③传动精度高，刚性好。通过适当的预紧，可消除传动间隙，实现无间隙传动。

④滚珠丝杠螺母副的磨损很小，使用寿命长。

⑤无自锁能力，具有传动的可逆性，故对于垂直使用的丝杠，由于重力的作用，当传动切断时不能立即停止运动，应增加自锁装置。

⑥滚珠丝杠螺母副制造工艺复杂，滚珠丝杠和螺母的材料、热处理和加工要求与滚动轴承相同，且螺旋滚道必须磨削，因而制造成本高。

（3）滚珠丝杠的支承结构

数控机床的进给传动系统要获得较高传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母副本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及支承结构的刚度也是不可忽视的因素。常用的滚珠丝杠支承形式有以下四种，如图8-25所示。

图8-25 滚珠丝杠在机床上的支承形式

a）支承形式一 b）支承形式二 c）支承形式三 d）支承形式四

①一端装推力轴承，如图8-25a所示。这种安装方式适用于短丝杠，它的承载能力小，轴向刚度低，一般用于数控机床的调节环节或升降台式数控铣床的垂直方向。

②一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承，如图8-25b所示。这种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，另一端能做微量的轴向浮动。安装时，应注意使推力轴承端远离热源及丝杠的常用段，以减少丝杠热变形的影响。

③两端装推力轴承，如图8-25c所示。把推力轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，可以提高轴向刚度，但这种安装方式对丝杠的热变形较为敏感。

④两端装推力轴承及深沟球轴承，如图8-25d所示。它的两端均采用双重支承并施加预紧，使丝杠具有较大的刚度。这种方式还可使丝杠的温度变形转化为推力轴承的预紧力，但设计时要求提高推力轴承的承载能力和支承刚度。

图8-26所示为某数控车床Z轴进给系统中使用的滚珠丝杠及其调整结构。该丝杠采用一端定位的方式使轴承定位于箱体上，并设计了预拉伸结构。

图8-26 某数控机床Z轴丝杠及其调整结构

1—丝杠 2—防松螺母 3、7、10—隔套 4、16—深沟球轴承 5—轴承座 6—左支架 8、9—推力轴承 11、12—密封圈 13—右支架 14—弹簧 15、17—隔套 18—推力轴承 19—螺母

两端支承的调整过程是：支架6和13用螺钉分别固定在车床床身的左、右两端，轴承座用螺钉与支架6相固连。首先拧动防松螺母2，深沟球轴承4和推力轴承8向右移动，同时推力轴承9向左移动，继续转动螺母2，直至推力轴承8和9的间隙完全消除。这时，滚珠丝杠1左右都不能做轴向窜动，称为轴向定位；又因推力轴承8和9都在滚珠丝杠的左端，又称为左端定位。当左端支承的间隙调整好以后，再调整右端，右端支承具有轴承间隙自动补偿和能对滚珠丝杠预拉伸两个特点。拧动螺母19、弹簧14轴向压缩，当预紧力小于弹簧的张力时，滚珠丝杠1就向右拉伸。预拉伸的目的在于提高滚珠丝杠的轴向刚度，从而使机床的加工精度得到保障。滚珠丝杠在运转中因热膨胀而伸长或推力轴承因磨损而导致间隙增大时，弹簧14能自动进行补偿，使轴承的预紧力保持不变。

（4）滚珠丝杠的制动滚珠丝杠螺母副的传动效率高但不能自锁，需要设置制动装置（特别是在垂直传动或高速大惯量场合下）。

最常见的制动方式是电气电磁方式，即采用电磁制动器，且这种制动器就在电动机内部。图8-27为FANUC公司伺服电动机电磁制动器的示意图。机床工作时，在电磁线圈7电磁力的作用下，外齿轮8与内齿轮9脱开，弹簧受压缩；当停机或停电时，永久磁铁5失电，在弹簧恢复力作用下，齿轮8、9啮合，内齿轮9与电动机端盖合为一体，故与电动机轴连接的丝杠得到制动。这种电磁制动器装在电动机壳内，与电动机形成一体化的结构。

（5）滚珠丝杠螺母副的轴向间隙消除和预紧

滚珠丝杠螺母副对轴向间隙有严格的要求，以保证反向时的运动精度。所谓轴向间隙，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窜动。它除了结构本身的游隙之外，还包括在施加轴向载荷之后弹性变形所造成的窜动。因此要把轴向间隙完全消除比较困难，通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形控制在最小的限度内。

图8-27 伺服电动机电磁制动器示意图

1—旋转变压器 2—测速电动机转子 3—测速电动机定子 4—电刷 5—永久磁铁 6—伺服电动机转子 7—电磁线圈 8—外齿轮 9—内齿轮

目前，常用的双螺母预紧结构形式有以下三种。

1）用锁紧螺母预紧 图8-28所示为螺纹调间隙式滚珠丝杠螺母副，滚珠丝杠左、右两螺母以平键与外套相连，其中，右边一个螺母的外伸端没有凸缘并制有螺纹。用两个圆螺母1、2可使右端螺母相对于丝杠做轴向移动，在消除间隙后将其锁紧。这种调整方法具有结构紧凑、调整方便等优点，故应用广泛，但位移量不易精确控制。

图8-28 螺纹调间隙式滚珠丝杠螺母副

1—圆螺母 2—锁紧螺母(https://www.xing528.com)

2）修磨垫片调间隙 如图8-29所示，通过修磨调整垫片的厚度，使滚珠丝杠的左、右螺母产生轴向位移，实现预紧。这种方式结构简单、刚性好，调整间隙时需卸下调整垫片修磨，为了装卸方便，最好将调整垫片做成半环结构。

图8-29垫片调隙式滚珠丝杠螺母副

3）齿差式调整 图8-30为齿差调隙式滚珠丝杠螺母副。在左、右螺母的端部做外齿轮，齿数分别为Z₁、Z₂，而且Z₁和Z₂相差一个齿。两个齿轮分别与两端相应的内齿圈相啮合。内齿圈紧固在螺母座上，预紧时脱开两个内齿圈，使两个螺母同向转动相同的齿数；然后再合上内齿圈，两螺母的轴向相对位置发生变化，从而实现间隙的调整和施加预紧力。当两齿轮沿同一方向各转过一个齿时，其轴向位移量为

s=1/（Z₁×Z₂）

这种方法使两个螺母相对轴向位移最小可达1mm，其调整精度高、准确可靠，但结构复杂。

图8-30 齿差调隙式滚珠丝杠螺母副

（6）滚珠丝杠副的防护和润滑

1）滚珠丝杠副的防护 滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。如果滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。安装时，将防护罩的一端连接在滚珠螺母的侧面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。如果滚珠丝杠副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈装在螺母的两端。接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状；接触式密封圈的防尘效果好，但由于存在接触压力，使摩擦力矩略有增加。非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，它采用硬质塑料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。工作中应避免碰击防护装置，防护装置一有损坏，应及时更换。

2）滚珠丝杠副的润滑 润滑剂可提高耐磨性及传动效率，分为润滑油和润滑脂两大类。润滑油一般为全损耗系统用油，润滑脂可采用锂基润滑脂。润滑脂一般加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油则经过壳体上的油孔注入螺母的空间内。每半年对滚珠丝杠上的润滑脂更换一次，清洗丝杠上的旧润滑脂，涂上新的润滑脂。用润滑油润滑的滚珠丝杠副，可在每次机床工作前加油一次。

2.静压蜗杆—蜗母条传动

液体静压蜗杆—蜗母条机构是在蜗杆—蜗母条的啮合齿面注入压力油，以形成一定厚度的油膜，使两啮合齿面间成为液体摩擦。其工作原理如图8-31所示。

由于静压蜗杆—蜗母条传动既有纯液体摩擦的特点，又有蜗杆—蜗母条机械结构的特点，因此特别适合于重型机床进给驱动系统。其主要特点有：

①摩擦阻力小。起动摩擦因数可小至0.0005，功率消耗少，传动效率高，可达94%，在低速下也很平稳。

图8-31 液体静压蜗杆—蜗母条机构工作原理

1—油箱 2—过滤器 3—液压泵 4—电动机 5—溢流阀 6—粗过滤器 7—精过滤器 8—压力表 9—压力继电器 10—节流器

②寿命长，精度保持好。

③抗振性能好。

④轴向刚度大。

⑤蜗母条可无限接长，适合长行程运动部件。

图8-32 双厚齿轮的传动结构

1、2、3—轴 4、5—直齿轮

3.预加载荷双齿轮齿条传动

工作行程很大的大型数控机床通常采用齿轮齿条来实现进给运动。当进给力不大时，可以采用类似于圆柱齿轮传动中的双薄片齿轮结构，通过错齿的方法来消除间隙；当进给力较大时，通常采用双厚齿轮的传动结构。图8-32是双厚齿轮的传动结构图。进给运动由轴2输入，通过两对斜齿轮将运动传给轴1和轴3，然后由两个直齿轮4和5去传动齿条，带动工作台移动。轴2上两个斜齿轮的螺旋线的方向相反。如果通过弹簧在轴2上作用一个轴向力F，使斜齿轮产生微量的轴向移动，这时轴1和轴3便以相反的方向转过微小的角度，使齿轮4和5分别与齿条的两齿面贴紧，消除了间隙。

4.直线电动机进给系统

数控机床一般采用单电动机水平布局驱动方式，如图8-33所示。永磁同步直线电动机动子（一次侧）安装于工作台下部，带铁心的定子（二次侧）固定在床身上。动子一般较短，且是通电端；定子一般较长，由一条可以任意加长的铁轭和交替布置的永磁磁极组成，直接安装在床身上。

5.典型进给系统

图8-34为JCS-018型加工中心工作台的纵向（X轴）伺服进给系统。该系统由脉宽调速直流伺服电动机1驱动，采用无键联接方式，用锁紧环将运动传至十字滑块联轴器2的左连接件。联轴器的右连接件与滚珠丝杠3用键相连，由滚珠丝杠3螺母4、7驱动工作台移动。滚珠螺母由左螺母4和右螺母7组成，并固定在工作台上。十字滑块联轴器2的左连接件与电动机轴靠锥形锁紧环摩擦连接。锥形锁紧环（见图8-34的局部放大图），每套两环，内环为内柱外锥，外环为外柱内锥，此处共用了两套。采用这种连接办法不用开键槽，没有间隙。电动机轴与丝杠可相对转任意角。横向（Y轴）伺服进给系统与纵向伺服进给系统结构相同。

图8-33 永磁直线同步电动机安装示意图

1—工作台 2—一次侧线圈 3—二次侧（永久磁铁） 4—直线导轨 5—滑块 6—标尺光栅 7—光栅读数头

图8-34 纵向（X轴）伺服进给系统

1—伺服电动机 2—十字滑块联轴器 3—滚珠丝杠 4—左螺母 5—键 6—半圆垫片 7—右螺母 8—螺母座

十字滑块联轴器中间的十字滑块，传动时可在左、右连接件的端面槽中作小范围的滑动。这种联轴器可以补偿电动机轴与滚珠丝杠中心的偏移量，但两轴不应有较大的角偏移，即应保证两轴的平行度。十字滑块与两边连接件之间的单边最大间隙为0.03mm，这个间隙可通过数控系统的伺服间隙补偿予以消除。由于十字滑块联轴器存在间隙，现已趋淘汰，改用挠性联轴器和波纹管联轴器。

滚珠丝杠直径为40mm，导程为10mm。左支承为成对的向心推力球轴承，精度为D级，背靠背安装，大口向外，承受径向和轴向双向载荷，预紧力为1000N。右支承为一向心球轴承，外圈轴向不定位，仅承受径向载荷，丝杠升温后可向右伸长。这种结构较简单，但轴向刚度比两端轴向固定方式的低。滚珠丝杠的螺母座固定在工作台下侧，螺母座中安装两个滚珠螺母4和7，两个螺母用连接键5固定其周向位置，螺母4固定在螺母座8中，螺母7可轴向调整位置。在两个螺母间安装两个适当厚度的半圆垫圈6，以消除丝杠螺母间的间隙，并适当地预紧，以提高传动刚度。

图8-35和图8-36为某数控车床的进给系统示意图。横、纵向进给均采用伺服电动机，通过一个弹性联轴器与滚珠丝杠直接连接。在图8-35中，纵向滚珠丝杠采用一端固定一端支承的方式。这种支承方式可使丝杠一端能自由延伸，可避免了在工作过程中由于温度升高而引起丝杠伸长，产生纵向弯曲。

图8-35 横向进给系统示意图

图8-36 纵向进给系统示意图