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第3章 进给系统的设计
§3.1 对进给系统的要求[1,7,9,10]
对进给系统的要求进给系统即进给驱动装置，驱动装置是指将伺服电动机的旋转运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，主要包括减速装置、丝杠螺母副及导向元件。
为确保数控铣床进给系统的传动精度、系统的稳定性和动态响应特性，对驱动装置机械结构总的要求是消除间隙，减少摩擦，减少运动惯量，提高部件精度和刚度。为此，采用了低摩擦的传动副滚动导轨和滚珠丝杠。保证机械部件的精度，采用合理的预紧、合理的支承形式以提高传动系统的刚度。选择最佳降速比，以提高铣床的分辨率，并使系统折算到驱动轴上的惯量减少。尽量消除传动间隙，减小反向死区误差，提高位移精度等。
§3.2 导轨的选型
§3.2.1 导轨的功用
导轨的功用是支承并引导运动部件沿一定的轨迹运动。按运动性质分为主运动导轨、进给运动导轨和移置导轨。 §3.2.2 导轨的基本要求
导轨具有承载和导向功能，且多数导轨的摩擦状态为混合摩擦。所以，导轨应满足如下要求。 1、导向精度
导向精度是指运动构件沿支承导轨运动时其运动轨迹的准确程度。影响导向精度的主要因素有导轨导面的几何精度、导轨的结构类型、导轨副的接触精度、表面粗糙度、导轨和支承件的刚度、导轨副的油膜厚度及油膜刚度，以及导轨和支承件的热变形等。
直线运动导轨的几何精度一般包括：垂直平面和水平平面内的直线度；
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两条导轨面间的平行度。导轨几何精度可以用导轨全长上的误差或单位长度上的误差表示。 2、精度保持性
精度保持性是指导轨工作过程中保持原有几何精度的能力。导轨的精度保持性主要取决于导轨的耐磨性极其尺寸稳定性。耐磨性与导轨副的材料匹配、受力、加工精度、润滑方式和防护装置的性能的因素有关，另外，导轨及其支承件内的残余应力也会影响导轨的精度保持性。 3、运动灵敏度和定位精度
运动灵敏度是指运动构件能实现的最小行程；定位精度是指运动构件能按要求停止在指定位置的能力。运动灵敏度和定位精度与导轨类型、摩擦特性、运动速度、传动刚度、运动构件质量等因素有关。 4、运动平稳性
导轨运动平稳性是指导轨在低速运动或微量移动时不出现爬行现象的性能。平稳性与导轨的结构、导轨副材料的匹配、润滑状况、润滑剂性质及导轨运动之传动系统的刚度等因素有关。 5、抗振性与稳定性
抗振性是指导轨副承受受迫振动和冲击的能力，而稳定性是指在给定的运转条件下不出现自激振动的性能。 6、刚度
导轨抵抗受力变形的能力。变形将影响构件之间的相对位置和导向精度，这对于精密机械与仪器尤为重要。导轨变形包括导轨本体变形导轨副接触变形，两者均应考虑。 7、结构工艺性
结构工艺性是指导轨副(包括导轨副所在构件)加工的难易程度。在满足设计要求的前提下，应尽量做到制造和维修方便，成本低廉。 §3.2.3 导轨的选择
这里选用V平导轨。它的优点较多，摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近。因此，运动轻便，摩擦力小，摩擦发热少，磨损小，可避免出现爬行，可得到较高的定位精度。并且经济实用，也可得到较小的摩擦系数。
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§3.3 支撑件的设计
支承件是机床的基础构件，包括床身、立柱、箱体和工作台等。这些一般称为大件。
§3.3.1 对机床支撑件的基本要求
（1）应具有足够的静刚度和较高的刚度—重量比。后者在很大程度上反映了设计的合理性。设计时应力求在满足刚度的基础上，减轻机床重量，节约原材料，降低机床造价。
（2）应有较好的动态特性。这包括有较大的动刚度和阻尼；与其他部件相配合，使整机的各阶固有频率不致与激振频率重合而产生共振；不会发生薄壁振动而产生噪声等。
（3）应具有较好的热变形特性，使整机的热变形较小或热变形对加工精度、表面质量的影响较小。
（4）应考虑到便于排屑、清砂，吊运安全，合理地布置电气等气件，并具有良好的工艺性，便于制造和装配。 §3.3.2 支撑件形状的选择原则
支承件的变形，主要是弯曲和扭转，是与截面惯性矩密切关联的。首先，在同等面积下，空心截面的惯性矩比实心的大，加大轮廓尺寸，减小壁厚，可以大大提高刚度。其次，方形截面的抗弯刚度比圆形的大，而抗扭刚度则较低，因此，如果支承件所受的主要是弯矩，则截面形状以方形和矩形为佳。矩形截面在其高度较高方向的抗弯刚度比方形的高，但抗扭刚度较低，因此，以承受一个方向的弯矩为主的支承件以矩形为好。再次，不封闭的截面比封闭的截面的刚度显著降低，特别是抗扭刚度，下降更多。但由于排屑、清砂、安装电器件等，往往很难做到四面封闭。
§3.4 丝杠螺母副的选型与计算
§3.4.1 滚珠丝杠螺母副的工作原理
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丝杠和螺母上都磨有圆弧形的螺旋槽，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线滚道，在滚道内装有滚珠。丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动。
图3-1 滚珠丝杠螺母
§3.4.2 滚珠丝杠螺母副的特点
1、摩擦损失小，传动效率高。 2、运动平稳无爬行。
3、可以预紧，反向时无空程。
4、磨损小，精度保持性好，使用寿命长。 5、具有运动的可逆性。
6、不能自锁，特别是用作垂直安装的滚珠丝杠传动，会因部件的自重而自动下降，当向下驱动部件时，由于部件的自重和惯性，当传动切断时，不能立即停止运动，必须增加制动装置。
7、结构复杂，制造成本高。
§3.4.3 滚珠丝杠螺母副的消除间隙和预加载荷
滚珠丝杠的传动不允许存在轴向间隙，不仅因为它会造成反向冲击，更主要是产生定位误差，影响机床的精度稳定性。为了提高系统的刚度，使滚珠丝杠在过盈条件下工作更为有利，即进行预加载荷或称为预紧。
消除间隙的方法常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。常用的有
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垫片调节式和齿差式。这里我们用双螺母垫片调节式。先将一端螺母固定在螺母座上，使另一端螺母贴紧螺母座并使螺纹孔对齐，然后旋紧该端螺母，达到所需的预加载荷时，旋转了一个角度θ，然后反向回转此角度，中间加厚度为θ360 ×L 的垫片，其中L为丝杠导程，拧紧螺钉固定住即可。 §3.4.4 滚珠丝杠螺母副的计算 （1） 计算进给牵引力
Fm?KFx?f'?Fz?G?式中：
G—移动部件的重量；
（3—1）
K—考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15；
f'—导轨摩擦系数；
Fm—进给牵引力 其中，主切削力FZ为：
FZ?26Df0.8HB0.6?26?7?0.150.8?1150.6?688N
四根轴为 4FZ?4?688N?2752N 那么，FX=688N
代入牵引力公式得：Fm?KFx?f'?Fz?G??1.15?688?0.04??2752?500? =921N (2) 计算最大动载荷C
C?3LfwFm60nT1061000vn?L0L?式中，L——寿命，以106转为单位 n——丝杠转速（r/min）
v——为最大切削力条件下的寄给速度（m/min） L0——丝杠导程（mm） T——使用寿命（h）
fw——运转系数
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