数控机床的进给系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行元件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行元件组成机械传动系统，检测元件与反馈电路组成检测装置，亦称检测系统。
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、静压蜗杆一蜗母条、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。
滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点：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(6m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座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，其结构虽简单，但轴向刚度不足。另一种是把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60º，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)双推一自由方式 如图8-8a所示，丝杠一端固定，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)双推一支承方式 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)双推一双推方式 如图8-8c所示，丝杠两端均固定。固定端轴承都可以同时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、伸缩套管以及折叠式
图8-8 滚珠丝杠副的4种安装方式
1-电动机 2-弹性联轴器 3-轴承 4-滚珠丝杠 5-滚珠丝杠螺母 6-同步带轮 7-弹性胀紧套 8-锁紧螺钉
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。如果滚珠丝杆副处于隐蔽的位置，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。
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，才能实现材料切削过程的高速化。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。主要措施有：
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。高速滚珠丝杠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，就是将恒温切削液通入空心丝杠的孔中，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，加速度可达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仍然经常被采用。
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8-9所示。 静压蜗杆—蜗母条传动由于既有纯液体摩擦的特点，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齿条来实现进给运动。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上面两个斜齿轮的螺旋线的方向相反。如果通过弹簧在轴2上用一个轴向力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，高速切削和超高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，现己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。
1－导轨系统 2－笼型次级绕组(定子)
3－三相初级绕组(转子) 4－直线行程测量系统
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，并且展平，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。所以设计的需要注意：
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)。
0519-83404177
