第8章 机械部件的维修与调整.doc

第8章 机械部件的维修与调整

8.1 数控机床主传动系统的结构原理与维修
主传动系统是用来实现机床主运动的，它将主电动机的原动力变成可供主轴上刀具切削加工的切削力矩和切削速度。为适应各种不同的加工及各种不同的加工方法，数控机床的主传动系统应具有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，同时主传动系统还需要有较大精度及刚度并尽可能降低噪声，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。
8.1.1 主传动系统
目前数控机床主传动系统大致可以分为以下几类：
1. 电动机与主轴直联的主传动
其优点是结构紧凑，但主轴转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性一致，因而使用上受到一定的限制，如图8-1所示。
2. 经过一级变速的主传动
一级变速目前多用V带或同步带来完成，其优点是结构简单安装调试方便，且在一程
度上能够满足转速与转矩输出要求，但主轴调速范围比仍与电动机一样，受电动机调速范围比的约束，如图8-2所示。

3. 带有变速齿轮的主传动
这种配置方式大、中型数控机床采用较多。它通过少数几对齿轮降速，使之成为分无
极变速，确保低速大转矩，以满足主轴输出转矩特性要求，如图8-3所示。
4. 电主轴
电主轴通常作为现代机电一体化的功能部件，装备在高速数控机床上（如图8-4所示）。其主轴部件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声；缺点是制造和维护困难且成本较高。电动机运转产生的热量直接影响主轴，主轴的热变形严重影响机床的加工精度，因此合理选用主轴轴管以及润滑、冷却装置十分重要。

8.1.2 主轴部件
数控机床主轴部件是影响机床加工精度的主要部件，它的回转精度影响工件的加工精度，它的功率大小与回转速度影响加工效率，它的自动变速、准停和换刀等影响机床的自动化程度。因此，要求主轴部件具有与本机床工作性能相适应的高回转精度、刚度、抗韧性、耐磨性和低的温升。在结构上，必须很好地解决刀具和工具的装夹、轴承的配置、轴承间隙
调整和润滑密封等问题。
主轴的结构根据数控机床的规格、精度采用不同的主轴轴承。一般中小规格数控机床的主轴部件多采用成组高精度滚动轴承，重型数控机床则采用液体静压轴承，高速主轴常采用氮化硅材料的陶瓷滚动轴承。
1. 主轴轴承的配置形式
加工中心的主轴轴承一般采用2个或3个角接触球轴承组成，或用角接触球轴承与圆柱滚子轴承组成，这种轴承经过预紧后可得到较高的刚度。当要求有很大刚性时，则采用圆柱滚子轴承和双向推力球轴承的组合。常用的加工中心主轴支承的典型结构有以下3种，如图8-5所示。
1）前后支承用双列圆柱滚子轴承来承受径向负荷，用安装在主轴前端的双向角接触球轴承来承受轴向负荷，如图8-5a所示。这种结构刚性较好，能进行强力切削，适用于中等转速的机床。

2）前支承用角接触球轴承，背靠背安装，以2~3个轴承为一套，用以承受轴向和径向负荷；后支承用圆柱滚子轴承，如图8-5b所示。这种结构适应较高转速、较重切削负荷，主轴精度较高，但所承受轴向负载较前一种结构小。
3）前后支承都采用成组角接触球轴承，承受轴向好径向负荷，如图8-5c所示。这种结构适应高转速、中等切削负荷的数控机床。使用角接触球轴承，采用脂润滑，其极限dn值达80×104；如采用油气润滑或喷油润滑，则转速可进一步提高。目前高速主轴多数采用陶瓷滚动轴承，在脂润滑情况下dn值可达120×104（d为轴承平均直径mm，n为轴承每分钟转数）。
2. 主轴内刀具的自动夹紧和切削的清除装置
在自动换刀机床的刀具自动夹紧装置中，刀杆常采用7：24的大锥度锥柄，既利于定心，也为松刀带来方便。用碟形弹簧通过拉杆及夹头拉住刀柄的尾部，使刀具锥柄和主轴锥孔紧密配合，夹紧力达10000N以上。松刀时，通过液压缸活塞推动拉杆来压缩碟形弹簧，使夹头涨开，夹头与刀柄上的拉钉脱离，刀具即可拔出进行新旧刀具的交换；新刀装入后，液压缸活塞后移，新刀具又被碟形弹簧拉紧。在活塞推动拉杆松开刀柄的过程中，压缩空气由喷头经过活塞中心孔和拉杆中的孔吹出，将锥孔清理干净，防止主轴锥孔中掉入切削和灰尘，把主轴孔表面和刀杆的锥柄划伤，保证刀具的正确位置。
3. 主轴准停装置
数控机床为了完成ATC（刀具自动交换）的动作过程，必须设置主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，切削时切削转矩不可能仅靠锥孔的摩擦力来传递，因此在主轴前端设置一个突键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与突键对准，才能顺利换刀；为此，主轴必须准确停在某固定的角度上。由此可知主轴准停是实现ATC过程的重要环节。
通常主轴准停机构有2种方式，即机械式与电气式。
机械方式采用机械凸轮机构或光电盘方式进行粗定位，然后有一个液动或气动的定位销插入主轴上的销孔或销槽实现精确定位，完成换刀后定位销退出，主轴才开始旋转。采用这种传统方法定位，结构复杂，在早期数控机床上使用较多。
而现代数控机床采用电气方式定位较多。电气方式定位一般有以下两种方式。
一种是用磁性传感器检测定位，这种方法如图8-6所示，在主轴上安装一个发磁体与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹1~2mm处
固定一个磁传感器，它经过放大器并与主轴控制
单元相连接，当主轴需要定向时，便可停止在调
整好的位置上。
另一种是用位置编码器检测定位，这种方法是
通过主轴电动机内置安装的位置编码器或在机床主
轴箱上安装一个与主轴1:1同步旋转的位置编码器
来实现准停控制，准停角度可任意设定，如图8-3
所示。
4. 主轴润滑与密封
（1）主轴润滑 为了保证主轴有良好的润滑，减少摩擦发热，同时又能把主轴组件热量带走，通常采用循环式润滑系统。用液压泵供油强力润滑，在油箱中使用油温控制器控制油液温度。近年来一部分数控 机床的主轴轴承采用高级油脂封放式润滑，每加一次油脂可以使用7~10年，简化了结构，降低了成本且维护保养简单，但需防止润滑油和油脂混合，通常采用迷宫式封密方式。为了适应主轴转速向更高速化发展的需要，新的润滑冷却方式相继开发出来。这些新的润滑冷却方式不单要减少轴承温升，还要减少轴承内外圈的温差，以保证主轴的热变形小。
① 油气润滑方式：这种润滑方式近似于油雾润滑方式，所不同的是，油气润滑是定时定量地把油雾送进轴承空隙中，这样既实现了油雾润滑，又不至于油雾太多而污染周围空气；而油雾润滑则是连续供给油雾。
② 喷注润滑方式：它用较大流量的恒温油（每个轴承3~4L/min）喷注到主轴轴承上，以达到润滑、冷却的目的。这里需特别指出的是，较大流量喷注的油，不是自然回流，而是用排油泵强制排油，同时，采用专用高精度大容量恒温油箱，油温变动控制在±0.5℃。
（2）密封 在密封件中，被密封的介质往往是
以穿漏、渗透或扩散的形式越界泄漏到密封连接处
的彼侧。造成泄漏的基本原因是流体从密封面上的
间隙中溢出，或是由于密封部件内外两侧密封介质
的压力差或浓度差，致使流体向压力或浓度低的一
侧流动。图8-7所示为一卧式加工中心主轴前支承的
密封结构。
该卧式加工中心主轴前支承处采用的双层小间
隙密封装置。主轴前端车出两组锯齿形护油槽，在
法兰盘4和5上沟槽及泄漏孔，当喷入轴承2内的
油液流出后被法兰盘4内壁挡住，并经其下部的泄
油孔9和箱体3上的回油斜孔8流回油箱，少量油液沿主轴6流出时，主轴护油槽在离心力的作用下被甩至法兰盘4的沟槽内，经回油斜孔8流回油箱，达到防止润滑介质泄漏的目的。当外部切削液、切屑及灰尘等沿主轴6与法兰盘5之间的间隙进入时，经法兰盘5的沟槽由泄漏孔7排出，达到主轴端部密封的目的。
要使间隙密封结构能在一定的压力和温度范围内具有良好的密封防漏性能，必须保证法兰盘4和5与主轴及轴承端面的配合间隙。
8.1.3 主传动系统的常见故障及排除方法
主传动系统的常见故障及排除方法见表8-1

表8-1 主传动系统的常见故障及排除方法
序号
故障现象
故障原因
排除方法
1
主轴发热
主轴轴承预紧力过大
调整预紧力
轴承研伤或损坏
更换新轴承
润滑油脏或有杂质
清洗主轴箱，重新换油
轴承润滑油脂耗尽或润滑油脂过多
涂抹润滑油，每个轴承3mL
2
主轴在强力切削时停转
电动机与主轴连接的传动带过松
张紧传动带
传动带表面有油
用汽油清洗后擦干净
传动带使用过久而失效
更换新带
磨擦离合器调整过松或磨损
调整离合器，修磨或更换磨擦片
3
刀具不能夹紧
碟形弹簧位移量太小
调整碟形弹簧行程长度
弹簧夹头损坏
更换新弹簧夹头
碟形弹簧失效
更换新碟形弹簧
刀柄上拉钉过长
更换拉钉，并正确安装
4
刀具夹紧后不能松开
松刀液压缸压力和行程不够
调整液压力和行程开关位置
碟形弹簧压合过紧
调整碟形弹簧上螺母，减小弹簧压合量
5
主轴无变速
变档液压缸压力不足
检测工作压力，若低于额定压力，应调整
变档液压缸研损或卡死
修去毛刺和研伤，清洗后重装
变档电磁阀卡死
检修电磁阀并清洗
变档液压缸拨叉脱落
修复或更换
变档液压缸窜油或内泄
更换密封圈
变档复合开关失灵
更换新开关
6
主轴箱噪声大
主轴部件动平衡不良
重做动平衡
齿轮磨损
修理或更换齿轮
轴承拉毛或损坏
更换轴承
传动带松弛或磨损
调整或更换传动带
润滑不良
调整润滑油量，保证主轴箱清洁度

8.1.4 主传动系统故障维修7例
例351. 主轴定位不良的故障维修
故障现象：加工中心主轴定位不良，引发换刀过程发生中断。
分析及处理过程：某加工中心主轴定位不良，引发换刀过程发生中断。开始时，出现的次数不很多，重新开机后又能工作，但故障反复出现。经在故障出现后，对机床进行了仔细观察，才发现故障的真正原因是主轴在定向发生位置偏移，且主轴在定位后如用手碰一下（和工作中在换刀时当刀插入主轴时的情况相近），主轴则会产生相反方向的漂移。检查电气单元无任何报警，该机床的定位采用的是编码器，从故障的现象和可能发生的部位来看，电气部分的可能性比较小；机械部分又很简单，最主要的是联接，所以决定检查联接部分。在检查到编码器的联接是发现编码器上联接套的紧定螺钉松动，使联接套后退造成与主轴的联接部分间隙过大使旋转不同步。将紧定螺钉按要求固定好后故障消除（见图8-3）
注意：发生主轴定位方面的故障时，应根据机床的具体结构进行分析处理，先检查电气部分，如确认正常后再考虑机械部分。
例352. 主轴出现噪音的故障维修
故障现象：主轴噪声较大，主轴无载情况下，负载表指示超过40‰。
分析及处理过程：首先检查主轴参数设定，包括放大器型号，电动机型号以及伺服增益等，在确认无误后，则将检查重点放在机械侧。发现主轴轴承损坏，经更换轴承之后，在脱开机械侧的情况下检查主轴电动机运转情况。发现负载表指示已正常但仍有噪声。随后，将主轴参数00号设定为1，也即让主轴驱动系统开环运行，结果噪声消失，说明速度检测器件PLG 有问题。经检查，发现PLG的安装不正，调整位置之后再运行主轴电动机，噪声消失，机床能正常工作。
例353.变档滑移齿轮引起主轴停转的故障维修
故障现象：机床在工作过程中，主轴箱类内机械变档滑轮自动脱离啮合，主轴停转。
分析及原理过程：图8-3为带有变速齿轮的主传动，采用液压缸推动滑移齿轮进行变速，液压缸同时也锁住滑移齿轮。变档滑移齿轮自动脱离啮合，原因主要是液压缸内压力变化引起的。控制液压缸的O形三位四通换向阀在中间位置时不能闭死，液压缸前后两腔油路相渗漏，这样势必造成液压缸上腔推力大于下腔，使活塞杆渐渐向下移动，逐渐使滑移齿轮脱离啮齿，造成主轴停转。更换新的三位四通换向阀后即可解决问题：或改变控制方式，采用二位四通，使液压缸一腔始终保持压力油。
例354. 变档不能啮合的故障维修
故障现象：发出主轴箱变档指令后，主轴处于慢速来回摇摆状态，一直挂不上档。
分析及处理过程：图8-3为带有变速齿轮的主传动。为了保证滑移齿轮移动顺利啮合于正确位置，机床接到变档指令后，在电气设计上指令主电动机带动主轴作慢速来回摇摆运动。此时，如果电磁阀发生故障（阀芯卡空或电磁铁失效），油路不能切换，液压缸不动作，或者液压缸动作，发反馈信号的无触点开关失效，滑移齿轮变档到位后不能发出反馈信号，都会造成机床循环动作中断。更换新的液压阀或失效的无触点开关后，故障消除。
例355.变档后主轴箱噪声大的故障维修
故障现象：主轴箱经过数次变档后，主轴箱噪声变大。
分析及处理过程：图8-3为带有变速齿轮的主传动。当机床接到变档指令后，液压缸通过拨叉带动滑移齿轮移动。此时，相啮合的齿轮相互间必然发生冲击和摩擦。如果齿面硬度不够，或齿端倒角、倒圆不好，变档速度太快冲击过大都将造成齿面破坏，主轴箱噪声变大。解决方法：使齿面硬度大于55HRC，认真做好齿端倒角、倒圆工作，调节变档速度，减小冲击。
例356.使用多年后主轴箱噪声大的故障维修
故障现象：XK7160型数控铣床主传动系统（图8-3），采用齿轮变速传动。工作中不可避免地要产生振动噪声、摩擦声和冲击噪声。数控机床的主传动系统的变速是在机床不停止工作的状态下，由计算机控制完成。因此它比普通机床产生的噪声更为连续，更具有代表性。机床起初使用时，噪声就较大，并且噪声声源主要来自主传动系统。经使用多年后，噪声越来越大。用声级计在主轴4000r/min的最高转速下，测得噪声为85.2dB。
分析及处理过程：我们知道，机械系统受到任何激发力，该系统就会对此激发力产生响应而出现振动。这个振动能量在整个系统中传播，当传播到辐射表面，这个能量就转换成压力波经空气再传播出去，即声辐射。因此这个激发力响应、系统内部传递及辐射三步骤就是振动噪声、摩擦噪声和冲击噪声的形成过程。
XK7160数控机床的主传动系统在工作时正是由于齿轮、轴承等零部件经过激发响应，并在系统内部传递和辐射出现了噪声，而这些部件又由于出现了异常情况，使激发力加大，从而使噪声增大。
（1） 齿轮的噪声分析 XK7160数控铣床的主传动系统是由主电动机和齿轮来完成变
速传动的。因此，齿轮的啮合传动是主要噪声源之一。
首先看一对齿轮的啮合情况，根据齿轮的啮合原理，任意瞬时t两齿轮间的相对滑动速度为：vs = vt1 – vt2 。齿轮副在啮合区传动时，啮合点是沿啮合线移动的，当啮合点移向节点时相对滑动速度逐渐减小，在节点处，相对滑动速度在方向上发生了变化，造成了激振力。如果齿轮的各种误差加大和外界负荷的波动及其他零部件的影响，传动系统的共振，润滑条件的不好，就会加剧激振力的产生。当啮合点渐远节点时，相对滑动速度逐渐增大，齿面相对滑动速度正比于齿轮的回转速度。
机床主传动系统中齿轮在运转时产生的噪声主要有：
1）齿轮在啮合中，使齿与齿之间出现连续冲击而使齿轮在啮合频率下产生受迫振动并带来冲击噪声。
2）因齿轮受到外界激振力的作用而产生齿轮固有频率的瞬态自由振动并带来噪声。
3）因齿轮与传动轴及轴承的装配出现偏心引起的旋转不平衡的惯性力，因此产生了与转速相一致的低频振动。随着轴的旋转，每转发出一次共鸣噪声。
4）因齿与齿之间的摩擦导致齿轮产生的自激振动并带来摩擦噪声。如果齿面凸凹不平，会引起快速、周期性的冲击噪声。
(2) 轴承的噪声分析 XK7160数控铣床的主轴变速系统中共有滚动轴承12个，最大的轴承外径125mm。轴承与轴径及支承孔的装配、预紧力、同心度、润滑条件以及作用在轴承上负荷的大小，径向间隙等都对噪声有很大的影响。另外一个重要原因是国家标准对滚动轴承零件都有相应的公差范围，因此轴承本身的制造偏差，在很大程度上就决定了轴承的噪声。可以说滚动轴承的噪声是该机床主轴变速系统的另一个主要噪声源，特别在高转速下表现更为强烈。滚动轴承最易产生变形的部位就是其内外环。内外环在外部因素和自身精度的影响下，有可能产生摇摆振动、轴向振动、径向振动、轴承环本身的径向振动和轴向弯曲振动。
综上所述，大致可以从以下几个方面对噪声进行控制：
(1) 齿轮的噪声控制 由于齿轮噪声的产生是多因素引起的，其中有些因素是齿轮的设计参数所决定的。针对该机床出现的主轴传动系统的齿轮噪声特点，在不改变原设计的基础上，有下列在原有齿轮上进行修整和改进的一些做法。
1）齿形修缘。由于齿形误差和法向齿距的影响，在轮齿承载产生了弹性变形后，会使齿轮啮合时造成瞬时顶撞和冲击。因此，为了减小齿轮在啮合时由于齿顶凸出而造成的啮合冲击，可进行齿顶修缘。齿顶修缘的目的就是校正齿的弯曲变形和补偿齿轮的误差，从而降低齿轮噪声。修缘量取决于法向齿距误差和承载后齿轮的弯曲变形量，以及弯曲方向等。齿形修缘时，可根据这几对齿轮的具体情况只修齿顶，或只修齿根，只有在修齿顶或齿根达不到良好效果时，才将齿顶和齿根一块修。
2）控制齿轮误差。齿形误差是由于多种因素造成的，观察该机床主传动系统中齿轮的齿形误差主要是加工过程中出现的，以及长期运行条件不好所致。因齿轮误差而在齿轮啮合时产生的噪声在该机床中是比较明显的。一般情况下，齿形误差越大，产生的噪声也就越大。
3) 控制啮合齿轮的中心距。 啮合齿轮的实际中心距的变化将引起压力角的改变，如果啮合齿轮的中心距出现周期性变化，那么也将使压力角发生周期性变化，噪声也会周期性增大。对啮合中心距的分析表明，当中心距偏大时，将齿轮的外径，传动轴的弯曲变形及传动轴齿轮、轴承的配合都控制在理想状态，这样可尽量消除由于啮合中心距的改变而产生的噪声。
4）润滑油对控制噪声的作用。润滑油在润滑和冷却的同时，还起一定的阻尼作用，噪声随油的数量和粘度的增加而变小。若能在齿面上维持一定的油膜厚度，就能防止啮合齿面直接接触，就能衰减振动能量，从而降低噪声。实际上，齿轮润滑需油量很少，而大量给油是为了冷却作用。实验证明，齿轮润滑以啮出侧给油最佳，这样既起到了冷却作用，又在进入啮合区前，在齿面上形成了油膜；如果能控制油少量进入啮合区，降噪效果更佳。据此，将各个油管重新布置，使润滑油按理想状态溅入每对齿轮，以控制由于润滑不利而产生的噪声。
（2）轴承的噪声控制
1）控制内外环质量。在XK7160数控铣床的主传动系统中，所有轴承都是内环转动、外环固定。这是内环如出现径向偏摆就会引起旋转时的不平衡，从而产生振动噪声。如果轴承的外环与配合孔形状公差和位置都不好，则外环就会出现径向摆动，这样就破坏了轴承部件的同心度。内环与外环端面的侧向出现较大跳动，还会导致轴承内环相对于外环发生歪斜。轴承的精度越高，上述的偏摆量就越小，产生的噪声也就越小。除控制轴承内外环几何形状偏差外，还应控制内外环滚道的波纹度，减小表面粗糙度，严格控制在装配过程中使滚道表面磕伤、划伤，否则不可能降低轴承的振动噪声。经观察和实验发现，滚道的波纹度为密波或疏波时滚珠在滚动时的接触点显然不同，由此引起振动频率差别很大。
2）控制轴承与孔和轴的配合精度。在该机床的主传动系统中，轴承与轴和孔配合时，应保证轴承有必要的径向间隙。径向工作间隙的最佳数值，是由内环在轴上和外环在孔中的配合以及在与运行状态下内环和外环所产生的温差所决定的。因此，轴承中初始间隙的选择对控制轴承的噪声具有重要意义。过大的径向间隙会导致低频部分的噪声增加，而较小的径向间隙又会引起高频部分的噪声增加。外环的孔中的配合形式会影响固体噪声的传播，较紧的配合能提高传声性，会使噪声加大；配合较紧，会迫使滚道变形，从而加大轴承滚道的形状误差，使径向间隙减小，也导致噪声的增加；但轴承外环过松的配合还是会引起较大的噪声。只有松紧适当的配合才有利，这样可使轴承与孔接触处的油膜对外环振动产生阻尼，从而降低噪声。配合部位的形位公差和表面加工的粗糙度，应符合所选轴承精度等级的要求。如果轴承很紧地安装在加工不精确的轴上，那么轴的误差就会传递给轴承内环滚道上，并以较高的波纹度形式表现出来，噪声也就随之增大。
通过上述对XK7160数控铣床主传动系统的噪声分析和控制后，取得了可喜的效果。在同样条件子啊，用声级计对修复后的机床噪声又进行了测试，主传动系统经过噪声控制后为74dD，降低了11.2dD。经过几年的使用，该机床的噪声一直稳定在这个水平上。
例357.电主轴高速旋转发热的故障维修
故障现象：主轴高速旋转时发热严重
分析及处理过程：电主轴运转中的发热和温升问题始终是研究的焦点。电主轴单元的内部有两个主要热源：一是主轴轴承，另一个是内藏式主电动机。
电主轴单元最凸出的问题是内藏式主电动机的发热。由于主电动机旁边就是主轴轴承，如果主电动机的散热问题解决不好，还会影响机床工作的可靠性。主要的解决方法是采用循环冷却结构，分外循环和内循环两种，冷却介质可以是水或油，使电动机与前后轴承都能得到充分冷却。
主轴轴承是电主轴的核心支承，也是电主轴的主要热源之一。当前高速电主轴，大多数采用接触陶瓷球轴承。因为陶瓷轴承具有以下特点：①由于滚珠重量轻，离心力小，动摩擦力矩小。②因温升引起的热膨胀小，使轴承的预紧力稳定。③弹性变形量小，刚度高，寿命长。由于电主轴的运转速度高，因此对主轴轴承的动态、热态性能能有严格的要求。合理的预紧力，良好而充分的润滑是保证主轴正常运转的必要条件。采用油雾润滑，雾化发生器进气压为0.25～0.3Mpa，选用20#透平油，油滴速度控制在80～100滴/min。润滑油雾在充分润滑轴承的同时，还带走了大量的热量。前后轴承的润滑油分配是非常重要的问题，必须加以严格控制。进气口截面大于前后喷油口截面的总和，排气应顺畅，各喷油小孔的喷射角与轴线呈15°夹角，使油雾直接喷入轴承工作区。
8.2 进给系统的结构原理和维修
8.2.1 伺服进给系统的组成及特点
数控机床的进给系统一般由驱动控制单元、驱动单元、机械传动部件、执行元件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元与反馈电路组成检测装置，亦称检测系统。
数控机床进给系统中的机械传动装置和器件具有高寿命、高刚度、无间隙、高灵敏度和低摩擦阻力等特点。
目前，数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置有以下几种：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。
8.2.2 滚珠丝杠副
滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。滚珠丝杠副有多种结构型式。按滚珠循环方式分为外循环和内循环两大类。外循环回珠器用插管式的较多，内循环回珠器用腰形槽嵌块式的较多。
按螺纹轨道的截面形状分为单圆弧和双圆弧两种截形。由于双圆弧截形轴向刚度大于单圆弧截形，因此目前普遍采用双圆弧截形的丝杠。
按预加负载形式分，可分为单螺母无预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母加大钢球径向预紧、双螺母垫片预紧、双螺母差齿预紧、双螺母螺纹预紧。数控机床上常用双螺母垫片式预紧，其预紧力一般为轴向载荷的1/3。
滚珠丝杠副与滑动与丝杠螺母比较有很多优点:传动效率高、灵敏度高、传动平稳；磨损小、寿命长；可消除轴向间隙，提高轴向刚度等。
滚珠丝杠螺母传动广泛应用于中小型数控机床的进给传动系统。在重型数控机床的短行程（6cm以下）进给系统中也常被采用。
1. 滚珠丝杠副的安装
数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度之外，滚珠丝杠正确的安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座及支承座都应具有足够的刚度和精度。通常都适当加大和机床结合部件的接触面积，以提高螺母座的局部刚度和接触强度，新设计的机床在工艺条件允许时常常把螺母座或支承与机床本体做成整体来增大刚度。
为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承也是十分重要的。国内目前主要采用两种组合方式。一种是把向心轴承和圆锥轴承组合使用，其结构简单，但轴向刚度不足。另一种是推力轴承或向心推力轴承和向心轴承组合使用，其轴向刚度有了提高，但增大了轴承的摩擦阻力和发热而且增加了轴承支架的结构尺寸。近年来国内外的轴承生产厂家已生产出一种滚珠丝杠专用轴承，这是一种能够承受很大轴向力的特殊向心推力球轴承，与一般的向心推力球轴承相比，接触角增大到60°，增加了滚珠的数目并相应减小滚珠的直径。这种新结构的轴承比一般轴承的轴向刚度提高了两倍以上，而且使用极为方便，产品成对出售，而且在出厂时已经选配好内外环的厚度，装配时只要用螺母和端盖将内环和外环压紧，就能获得出厂时已经调整好的预紧力。
滚珠丝杠副安装方式通常有以下几种：
(1) 双推—自由方式 如图8-8a所示，丝杠一段固定，另一端自由。固定端轴承同时承受轴向力和径向力。这种支承方式用于行程小的短丝杠。
（2）双推—支承方式 如图8-8b所示，丝杠一端固定，另一端支承。固定端轴承同时承受轴向力和径向力；支承端轴承只承受径向力，而且能作微量的轴向浮动，可以避免或减少丝杠因自重而出现的弯曲。同时丝杠热变形可以自由地向一端伸长。
（3）双推—双推方式 如图8-8c所示，丝杠两端均固定。固定端轴承都可以透光石承受轴向力和径向力，这种支承方式，可以对丝杠施加适当的预拉力，提高丝杠支承刚度，可以部分补偿丝杠的热变形。
（4）采用丝杠固定、螺母旋转的传动方式 如图8-8d所示，此时，螺母一边转动、一边沿固定的丝杠作轴向移动；由于丝杠不动，可避免受临界转速的限制，避免了细长滚珠丝杠高速运转时出现的种种问题。螺母惯性小、运动灵活，可实现的转速高。此种方式可以对丝杠施加较大的预拉力，提高丝杠支承刚度，补偿丝杠的热变形。
2. 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。润滑剂可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，涂上新的润滑油润滑的滚珠丝杠副，可在每次机床工作前加油一次。
3.滚珠丝杠副在高速数控机床上的应用
高速加工是面向21世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在航天航空、汽车工业、模具制造、光电工程和仪器仪表等行业中获得了越来越广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。为了实现高速加工，首先要有高速数控机床。高速数控机床必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统，才能实现材料切削的高速化。为了实现高速进给，国内外有关制造厂商不断采取措施，提高滚珠丝杠的高速性能。主要措施：
1）适当加大丝杠的转速、导程和螺纹头数。目前常用大导程滚珠丝杠名义直径与导程的匹配为：40mm×20mm，50mm×25mm,50mm×30mm等，其进给速度均可达到60m/min以上。为了提高滚珠丝杠的刚度和承载能力，大导程滚珠丝杠一般采用双头螺纹，以提高滚珠的有效承载圈数。
2）改进结构，提高滚珠运动的流畅性。改进滚珠循环反向装置，优化回珠槽的曲线参数，采用三维造型的导珠管和回珠器，真正做到沿着内螺纹的导程角方向将滚珠引进螺母体中，使滚珠运动的方向与滚道相切而不是相交。这样可把冲击损耗和噪声减至最小。
3）采用“空心强冷”技术。高速滚珠丝杆在运行时由于摩擦产生高温，造成丝杠的热变形，直接影响高速机床的加工精度。采用“空心强冷”技术，就是将恒温切削通入空心的孔中，对滚珠丝杠进行强制冷却，保持滚珠副温度的恒定。这个措施是提高中、大型滚珠丝杠高速性能和工作精度的有效途径。
4)对于大行程的高速进给系统，可采用丝杠固定、螺母旋转的传动方式。此时，螺母一边转动、一边沿固定的丝杠作轴向移动，由于丝杠不动，可避免受临界转速的限制，避免了细长滚珠丝杠高速运转时出现的种种问题。螺母惯性小、运动灵活，可实现的转速高。
5）进一步提高滚珠丝杠的制造质量。通过采用上述种种措施后，可在一定程度上克服传统滚珠丝杠存在的一些问题。日本和瑞士在滚珠丝杠高速化方面一直处于国际领先地位，其最大快速移动速度可达60m/min，个别情况下甚至可达90m/min，加速可达15m/s2。由于滚珠丝杠历史悠久、工艺成熟、应用广泛、成本较低，因此在中等载荷、进给速度要求并不十分高、行程范围不太大（小于4～5m）的一般高速加工中心和其他经济型高速数控机床上任仍然经常被采用。
8.2.3 静压蜗杆——蜗母传动
液体静压蜗杆—蜗母条机构是在蜗杆—蜗母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8-9所示。
静压蜗杆—蜗母条传动由于既有传液体摩擦的特点，又有蜗杆—蜗母条机械结构上的特点，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％～98％，在低速下也很平稳。
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。
8.2.4 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条来实现
进给运动。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8-10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。
8.2.5 直线电动机传动
随着现代切削技术的发展，高速切削和超过速切削技术日趋成熟。高速切削时，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度地提高。传统的滚珠丝杠副传动机构最大进给速度可达60m/min左右，而直线电动机驱动系统进给速度可达100m/min以上。由于直线电动机驱动有无间隙、惯性小、刚度较大而无磨损、定位精度和跟踪精度高以及行程不受限制等优点，现已得到愈来愈广泛的应用。直线电动机的基本结构与普通旋转电动机相似，如图8-11所示。
直线电动机的原理并不复杂。设想把一台旋转
电动机沿着半径的方向剖开，并且展开，就成了一
台直线电动机。在直线电动机中，相当于旋转电动机
定子的，叫初级；相当于旋转电动机转子的，叫次级，
初级中通以交流电，次级就在电磁力的作用下沿着初
级做直线运动。直线电动机既可以把初级做得很长（即
初级固定，次级移动），也可以把次级做得很长（即次
级固定，初级移动）。
直线电动机有多种类型，按结构形式可分为扁平型、
管型、圆盘型和圆弧型。按工作原理可分为交流直线感
应电动机、交流直线同步电动机、直线直流电动机和直线步进电动机。
直线电动机的优点是：
1）出色的动态响应和非常高的移动速度。
2）极好的精度（纳米级）。
3）安装简单。
为了减小电动机发热对机械的影响，电动机采用了特殊的冷却方式，即双冷却回路：主冷却回路和精密冷却回路。
尽管直线电动机有诸多优点，但是只有在机械设计适应高速、高加速度运行要求的前提下，它的优势才能发挥出来。所以设计时需要注意：
1）尽量减轻移动的质量。因为是直接驱动，所以直线电动机对负载更加敏感，因而在设计时，在设定目标速度和加速度时，要充分考虑负载。
2）良好的基础（地基）。
3）良好的机床刚性，较高的固有频率。
4）整体结构具有较高的阻尼系数。
5）初级、次级之间的引力：通常这个引力是电动机额定推力的2～3倍，选择直线导轨时需要考虑。
6）暴露的磁场。在有铁屑产生的加工环境，需要很好地防护。
7）动力/信号电缆。要能满足高速、高加速度运行的要求。
8）紧急停车。应具有安全可靠的制动装置。
9）动态刚性。要求驱动与电动机能良好地配合。
10）电动机热保护。水冷散热，双回路（主冷却和精密冷却）。
8.2.6进给伺服系统的常见故障及诊断方法
进给伺服系统的常见故障有以下几种：
1. 超程
当进给运动超过由软件设定的软限位或由限位开关设定的硬限位时，就会发生超程报警，一般会在CRT上显示报警内容，根据数控系统说明书，即可排除故障，解除报警。
2. 过载
当进给运动的负载过大，频繁正、反向运动以及传动链润滑状态不良时，均会引起过载报警。一般会在CRT上显示伺服电动机过载、过热或过流等报警信息。同时，在强电柜中的进给驱动单元上、指示灯或数码管会提示驱动单元过载、过电流等信息。
3. 窜动
在进给时出现窜动现象：①测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈信号干扰等；②速度控制信号不稳定或受到干扰；③接线端子接触不良，如螺钉松动等。当窜动发生在由正方向运动与反向运动的换向瞬间时，一般是由于进给传动链的反向间隙或伺服系统增益过大所致。
4. 爬行
发生在起动加速段或低速进给时，一般是由于进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益低及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是：伺服电动机和滚珠丝杠联接用的联轴器，由于联接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠转动与伺服电动机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢，产生爬行现象。
5. 机床出现振动
机床以高速运行时，可能产生振动，这时就会出现过流报警。机床振动问题一般属于速度问题，所以就应去查找速度环；而机床速度的整个调节过程是由速度调节器来完成的，即凡是与速度有关的问题，应该去查找速度调节器，因此振动问题应查找速度调节器。主要从给定信号、反馈信号及速度调节器本身着三方面去查找故障。
6. 伺服电动机
数控系统至进给驱动单元除了速度控制信号外，还有使能控制信号，一般为DC+24V继电器线圈电压。伺服电动机不转，常用诊断方法有：①检查数控系统是否有速度控制信号输出：②检查使能信号是否接通。通过CRT观察I/O状态，分析机床PLC梯形图（或流程图），以确定进给轴的起动条件，如润滑、冷却等是否满足；③对带电磁制动的伺服电动机，应检查电磁制动是否释放；④进给驱动单元故障；⑤伺服电动机故障。
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