數(shù)控機床進給系統(tǒng)常用消隙結(jié)構(gòu)分析

【摘要】數(shù)控機床的進給系統(tǒng)是整個機床加工過程的重要組成，在進行相應(yīng)的零件加工時，被加工件的加工精度會極大地受到進給系統(tǒng)的影響。因此要想保證零件的加工精度，提高加工質(zhì)量，就要對機床進給機構(gòu)所存在的間隙進行準確的掌握，并采取有效的技術(shù)或結(jié)構(gòu)措施等，消除這種間隙，從而提高位移及運動精度，保證加工質(zhì)量。本文中對數(shù)控機床進給系統(tǒng)中常用到的消隙結(jié)構(gòu)進行了詳細的分析與探討。

【關(guān)鍵詞】消隙；進給系統(tǒng)；齒輪齒條；滾珠絲杠

在使用數(shù)控機床進行零件加工時，雖然工作效率及零件統(tǒng)一性均有所提高，但是也存在著一些問題，機床間隙就是嚴重影響零件加工精度的重要因素，因此要采取合理的措施進行機床消隙，提高加工精度?，F(xiàn)今的機床消隙結(jié)構(gòu)可大致分為滾球絲杠傳動和齒輪齒條傳動方式兩種，下文將對各種方式中不同結(jié)構(gòu)的消隙原理及特點進行闡述。

一、滾珠絲杠傳動

做為一種較為常用的傳動方式，滾球絲杠傳動通常情況下具有傳動效率高、運動更加平衡、靈活性高、使用壽命長等諸多的特點，但是在其本身DN參數(shù)值及極限轉(zhuǎn)速等因素的局限，這一技術(shù)通常只在中小行程的數(shù)控機床中得到使用。

1.雙螺母消隙絲杠

雙螺母消隙絲杠結(jié)構(gòu)屬于滾珠絲杠范疇之內(nèi)，其結(jié)構(gòu)由兩個螺母及一個調(diào)整墊片共同構(gòu)成，如圖1所示。以預(yù)知機床運動精度、切削抗力等因素的前提下，將預(yù)緊力提前計算出來，并通過對調(diào)整墊片厚度的選配，使得兩上螺母之前產(chǎn)生方向本反的預(yù)緊力，從而使兩個螺母、絲杠以及滾球均實現(xiàn)軸向移動，從而實現(xiàn)消除絲杠間隙的最終目的，也相應(yīng)的提高了絲杠的剛性。

該結(jié)構(gòu)是我國現(xiàn)用的絲杠傳動機床中較為常用的一種消隙結(jié)構(gòu)，其具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、便于維修等諸多優(yōu)點，特別是當(dāng)絲杠使用的時間較長，產(chǎn)生了一定程度的磨損，且間隙有所增大時，也不用重新更換設(shè)備，只要將墊片進行重新配制后，使可繼續(xù)使用，并能夠保證原有的精度。但其也存在一定的缺點，由于相較于其它結(jié)構(gòu)多出了中間墊片這種結(jié)構(gòu)，使得這種消隙結(jié)構(gòu)的螺母長度在諸多的絲杠類結(jié)構(gòu)中是最長的一種。

2.復(fù)合螺母消隙絲杠

復(fù)合螺母消隙絲杠的工作原理十分接近于雙螺母絲杠預(yù)緊結(jié)構(gòu)，只有其使用的是變位導(dǎo)程預(yù)緊方式。該預(yù)緊方式是在由CNC控制的高精度外圓磨床磨削工作進程中，在對分界面處導(dǎo)程△P值進行控制的過程中，使?jié)L球的兩個循環(huán)與一個螺母及絲杠形成反向位移，從而得到預(yù)緊力而消除間隙。該結(jié)構(gòu)有效的消除了雙螺母結(jié)構(gòu)存在的形位誤差，使得整體的螺母結(jié)構(gòu)更為緊湊，質(zhì)量變輕，結(jié)構(gòu)較為簡單，可以滿足一定的加工精度要求。但是這種結(jié)構(gòu)不適用于加工精度要求較高的數(shù)控機床設(shè)備，長時間使用造成磨損后精度下降，維修復(fù)雜，且只有更換螺母才能完成維修。

3.低預(yù)緊無間隙單螺母絲杠

這種結(jié)構(gòu)絲杠滾道截面為雙圓弧型式，絲杠滾珠尺寸比螺母和絲杠滾道所構(gòu)成的雙圓弧直徑稍大，這時滾珠會與螺母和絲杠產(chǎn)生小過盈配合，有四個接觸點，通常稱這種接觸為“X式接觸”。為保證裝配的方便，這個過盈值一般不會很大，因此螺母的預(yù)緊力小于前兩種結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)也比較簡單，螺母長度最小。由于這種絲杠接觸點多，運行時溫升和磨損較大，一般常用于機床垂直軸或者傾斜軸。

二、齒輪傳動

齒輪傳動方式的消隙結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍更為廣泛，其不但可以應(yīng)用于大行程直線進給系統(tǒng)的消隙工作中，也能夠完成回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的消隙任務(wù)。該結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計中本應(yīng)該不存在側(cè)隙，但在實際的加工中，為了達到補償加工及安裝等工序帶來的尺寸誤差，避免卡死情況的發(fā)生，必須在輪齒的非工作面上預(yù)置一定的齒間側(cè)隙，以避免因誤差或熱變等而造成的輪齒卡死現(xiàn)象的發(fā)生，除了這項作用外，這些側(cè)隙的存在還能夠為潤滑油膜提供存在空間。側(cè)隙的存在雖然起到了一定的有利作用，但使用機構(gòu)反轉(zhuǎn)時會存在空程，使得機構(gòu)無法實現(xiàn)準確定位，因此要采用一定的消隙機構(gòu)來消除或縮小側(cè)隙，使側(cè)隙帶來的不利影響降到最低。齒輪消隙的一般原理是，使用兩組齒輪分別接觸齒條的前后齒面，消除傳動間隙。

1.雙片斜齒輪軸向彈簧消隙

本結(jié)構(gòu)是在傳動軸上同時安裝齒輪和齒輪，兩齒輪通過平鍵軸向固定，兩齒輪中間裝有彈簧，將兩個齒輪漲開，使兩齒輪間留有余量。然后通過端面彈簧和螺母調(diào)整預(yù)載。裝配時先調(diào)整好齒輪和齒條的中心距，使齒輪和齒條的間隙不大于0.1mm，這時調(diào)節(jié)螺母，控制齒輪和齒輪的軸向位移，使兩齒輪嚙合處齒面分別砥柱齒條前后齒面，消除齒側(cè)間隙，達到適當(dāng)?shù)念A(yù)加載扭矩。這種消隙方式結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便。

2.機械預(yù)載雙齒輪消隙

該消隙結(jié)構(gòu)是由伺服電機同時驅(qū)動減速箱和，兩組減速箱安裝在同一箱體上，并通過傳動軸中間的扭力聯(lián)軸器使兩個齒輪間產(chǎn)生相反方向的預(yù)加載荷，使兩齒輪分別與相嚙合齒條的前后面接觸實現(xiàn)消隙。這種方式安裝方便，并且只需一個電機傳動，對數(shù)控系統(tǒng)要求較低，但對齒輪齒條精度要求較高。

3.電氣預(yù)載雙齒輪消隙

電氣預(yù)載消隙方式，是隨著電氣控制技術(shù)和功能部件的快速發(fā)展而產(chǎn)生的。其消隙原理和機械預(yù)載方式基本一致，都是利用兩個齒輪的反向預(yù)載扭矩分別作用于齒條正反兩面消除間隙。不同廠家數(shù)控系統(tǒng)中控制的方式有所差別，西門子數(shù)控系統(tǒng)中雙電機消隙是由主從軸控制功能實現(xiàn)的。機床靜止狀態(tài)時，驅(qū)動軸和制動軸之間產(chǎn)生張力，使兩個齒輪分別作用于齒條正反兩面實現(xiàn)消隙；機床加速運動時，驅(qū)動軸在出力的過程中，制動軸張力減小直至為零，然后反向與驅(qū)動軸同時供給機床動力。

結(jié)語

本文中介紹了多種常用的消隙結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的有效使用大大緩解了因進給間隙而造成的誤差，在進行數(shù)控機床進給系統(tǒng)設(shè)計時，設(shè)計者要全面的結(jié)合機床的加工精度要求、用途及加工成本等多個方面因素，進行綜合設(shè)計，從而使得所使用的數(shù)控機床的進給系統(tǒng)及相應(yīng)的消隙結(jié)構(gòu)在滿足使用要求的前提下，設(shè)備投入資金較低，進而降低生產(chǎn)成本投入。此外，除了以上的有隙進給方式外，還有直線電機傳動、雙導(dǎo)程蝸桿傳動等多種無間隙進給，但這些方式存在結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟投入大等多種問題，在日常生產(chǎn)中較少使用。

參考文獻

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