關(guān)文濤

（廣西機械高級技工學(xué)校，廣西 柳州 545005）

在《數(shù)控機床》課程教學(xué)中，進(jìn)給傳動系統(tǒng)占有非常重要的地位。其中，進(jìn)給傳動系統(tǒng)的間隙調(diào)整，是教學(xué)的重點和難點之一。主要原因在于：

首先，現(xiàn)有教科書涉及此處的知識點及編排方式有較大欠缺與不足，絕大多數(shù)采用的是具體的機械結(jié)構(gòu)圖示與結(jié)構(gòu)描述，缺少對間隙產(chǎn)生原因和消隙原理的深入淺出分析。

其次，教學(xué)對象（職校學(xué)生）的機械結(jié)構(gòu)知識欠缺，很難通過復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)圖示對進(jìn)給傳動系統(tǒng)的原理有透徹理解。

在具體的課程教學(xué)過程中，筆者嘗試刪繁就簡，首先通過簡單的原理圖示，講解數(shù)控機床進(jìn)給傳動系統(tǒng)中的重要部件—滾珠絲杠螺母副—間隙的產(chǎn)生原因和間隙調(diào)整的原理，再結(jié)合具體的間隙調(diào)整機械結(jié)構(gòu)，做進(jìn)一步的拓展性講解，使學(xué)生既知曉抽象原理，又明了具體結(jié)構(gòu)，收到了較好的教學(xué)效果。

1 進(jìn)給傳動系統(tǒng)間隙的產(chǎn)生原因

使用數(shù)控機床加工零件，必須具備兩個運動系統(tǒng)：一個是主傳動系統(tǒng)，主要由主軸電機、主軸以及二者間的傳動部件組成，提供不同的主軸轉(zhuǎn)速，以切除多余的工件材料；另一個是進(jìn)給傳動系統(tǒng)，主要由進(jìn)給伺服電機、工作臺以及兩者間的聯(lián)接、傳動或支承部件（如齒輪、滾珠絲杠、導(dǎo)軌、軸承等）組成，實現(xiàn)各個坐標(biāo)軸的進(jìn)給運動，控制工件的加工形狀和尺寸。

對于加工零件，影響其精度的主要因素，是數(shù)控機床進(jìn)給傳動系統(tǒng)的精度，其中各個運動部件間的間隙，是影響進(jìn)給傳動精度的重要因素。由于進(jìn)給傳動系統(tǒng)的運動大多數(shù)是雙向運動（如X、Y、Z坐標(biāo)軸的運動），當(dāng)運動方向改變后，進(jìn)給傳動件間的間隙就會轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸ち慵恼`差，對零件加工精度和品質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

進(jìn)給傳動系統(tǒng)間隙產(chǎn)生的原因是多方面的，概括起來有以下因素：

（1）進(jìn)給傳動本身的運動要求，如絲杠副、齒輪副順暢運動要求運動副的部件有一定的間隙。

（2）進(jìn)給傳動部件在制造安裝中的誤差導(dǎo)致出現(xiàn)間隙；

（3）進(jìn)給傳動系統(tǒng)部件之間相互運動，部件磨損產(chǎn)生間隙，如齒輪副、導(dǎo)軌副、絲杠副磨損產(chǎn)生的間隙；

進(jìn)給傳動部件的間隙是客觀存在的，但間隙的存在嚴(yán)重地影響到零件的加工精度和品質(zhì)，必須采取切實有效的方法予以消除和減小，才能夠保證零件的加工精度和品質(zhì)。

2 滾珠絲杠螺母副軸向間隙分析

滾珠絲杠螺母副是數(shù)控機床進(jìn)給傳動系統(tǒng)的重要部件，作用是將伺服電機提供的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)軸的直線運動。對于滾珠絲杠螺母副來說，影響零件加工精度的主要因素，是滾珠絲杠螺母副的軸向間隙。

滾珠絲杠螺母副主要由絲杠、螺母、滾珠和滾道（回珠器）、螺母座等組成（如圖1所示）。

圖1 滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)原理圖

其工作原理為：在絲杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起時，便形成螺旋滾道。在滾道內(nèi)裝滿滾珠，滾珠沿滾道滾動，并經(jīng)回珠器作周而復(fù)始的循環(huán)運動。回珠器兩端還起擋珠的作用，以防滾珠沿滾道掉出。

滾珠絲桿副的軸向間隙，是指在無負(fù)載情況下的原始軸向間隙，和在負(fù)載作用下由于滾珠與滾道型面接觸點的彈性變形的疊加。

為了分析滾珠絲杠螺母副軸向間隙的產(chǎn)生，我們將絲杠副的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，如圖2所示。

圖2 絲杠副不同運動方向產(chǎn)生的間隙

圖2左圖為絲杠帶動螺母向右運動的情形：絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠左側(cè)滾道擠壓滾珠，帶動滾珠向右運動，擠壓螺母右側(cè)滾道，帶動螺母向右運動。由于滾道直徑比滾珠直徑略大，可以看到在絲杠滾道右側(cè)和螺母左側(cè)滾道處出現(xiàn)間隙。

如果此運動方向一直保持不變，那么以上軸向間隙并不會影響機床的加工精度，但由于進(jìn)給運動為雙向運動，當(dāng)運動方向由右向左發(fā)生改變時（如圖2右圖所示），絲杠需要移動完絲杠滾道右側(cè)間隙，才能使接觸到滾珠，再移動完螺母滾道左側(cè)間隙，才能接觸到螺母，帶動螺母向左側(cè)移動。

通過以上分析可以看出，當(dāng)絲杠副的運動方向發(fā)生改變時，絲杠副中的軸向間隙會使數(shù)控機床運動指令與絲杠副的實際運動產(chǎn)生不同步，進(jìn)而影響到機床的加工精度。通常把絲杠副這種由于運動方向改變產(chǎn)生的間隙，叫做反向間隙。反向間隙會在數(shù)控機床加工過程中反映為零件的加工誤差，嚴(yán)重影響零件的加工精度和品質(zhì)。

例如，數(shù)控機床如果進(jìn)給系統(tǒng)坐標(biāo)軸反向間隙誤差過大，會導(dǎo)致銑削圓弧加工時出現(xiàn)加工工件圓弧錯位的現(xiàn)象（如圖3所示）。

圖3 反向間隙誤差導(dǎo)致的圓弧加工錯位現(xiàn)象

3 反向移動法消除間隙原理分析

消除滾珠絲杠螺母副軸向間隙的方法，大致可分為兩類：一類是采用一定的機械裝置消除反向間隙，另一類是通過在數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)置參數(shù)來減少和抵消反向間隙。通常兩類方法配合使用，以達(dá)到比較好的消除反向間隙、提高傳動精度的效果。本文只分析采用機械裝置消除反向間隙的方法。

在采用機械裝置消除反向間隙的方法中，目前采用較多的是雙螺母反向移動法。圖4是雙螺母反向移動法的示意圖。

圖4 雙螺母反向移動法圖示

在一根絲杠上套上兩個螺母，在兩個螺母之間放置一個楔塊，對楔塊施加一定的作用力，兩個螺母在力的作用下，會如圖4所示朝反方向移動。如果把兩個螺母與楔塊看作一個整體，可以看到，絲杠滾道外側(cè)與滾珠之間已經(jīng)沒有間隙，達(dá)到了消除反向間隙的目的。

這里有一個疑問：楔塊的作用是使一根絲杠上的兩個螺母各自朝相反方向移動，那么，楔塊上施加的作用力多大比較適宜呢？

如果作用力過小，那么螺母間的移動距離過小，不能夠完全消除間隙；如果作用力過大，那么滾珠與滾道間的阻力過大，可能導(dǎo)致絲杠運動不靈活，加劇絲杠副磨損。根據(jù)工藝經(jīng)驗，滾珠絲杠副預(yù)緊力一般設(shè)置為最大軸向載荷的1/3左右。

4 反向移動法消除間隙的實例

以上是雙螺母反向移動法消除滾珠絲杠螺母副軸向間隙的原理說明。在實際的消除間隙結(jié)構(gòu)設(shè)計中，大致采用3種方式。

（1）墊片調(diào)隙式。螺母1、6與絲杠5組成雙螺母滾珠絲杠螺母副，添加調(diào)整墊片2后，螺母1和螺母6間反方向拉開一定的距離，消除絲杠副軸向間隙（如圖5所示）。

圖5 墊片調(diào)隙式的滾珠絲杠螺母副

（2）齒差調(diào)隙式。兩個螺母2和5的外端制成圓柱外齒輪，其齒數(shù)差為1。兩個內(nèi)齒圈1和4用螺釘和銷釘固定在螺母座上。間隙調(diào)整時，先取出內(nèi)齒圈，使兩個螺母分別在相同方向轉(zhuǎn)過一個或幾個齒，這時，兩螺母在軸向產(chǎn)生相應(yīng)的位移（如圖6所示）。其消隙位移距離S可用下式計算：

其中，

n為轉(zhuǎn)過的齒數(shù)；

t為絲杠導(dǎo)程；

Z1，Z2為齒數(shù)。

圖6 齒差調(diào)隙式的滾珠絲杠螺母副

（3）螺紋調(diào)隙式。一個螺母外端為法蘭，另以螺母外端為螺紋，上裝兩個圓螺母，兩螺母以平鍵與螺母座相聯(lián)，限制螺母的轉(zhuǎn)動。擰緊圓螺母，就能使兩螺母在軸向產(chǎn)生位移，消除間隙和施加預(yù)緊力（如圖7所示）。

圖7 螺紋調(diào)隙式的滾珠絲杠螺母副

由以上分析可知，3種形式雖然在結(jié)構(gòu)上有所不同，但本質(zhì)都是使螺母反向移動消除間隙，屬于雙螺母反向移動法。這是在教學(xué)過程中需要對學(xué)生著重強調(diào)的。

比較3種調(diào)整間隙結(jié)構(gòu)，墊片調(diào)隙式結(jié)構(gòu)簡單，剛性好，裝拆方便，但墊片磨削修調(diào)調(diào)整麻煩，調(diào)整精度低；齒差調(diào)隙式調(diào)整精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高；螺紋調(diào)隙式結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度與調(diào)整精度介于兩者之間。

需要指出的是，通過一定的方式（如施加作用力），使運動部件間的間隙得到消除的工藝方法稱作預(yù)緊。預(yù)緊能夠提高運動部件的剛性，消除運動件間的間隙，提高傳動精度。

5 反向移動法在消隙中的拓展應(yīng)用

事實上，反向移動法不僅能消除滾珠絲杠螺母副軸向間隙，也廣泛用于進(jìn)給傳動系統(tǒng)的其他雙向運動部件中消除運動件間的反向間隙。以下以齒輪副消除間隙為例，分析一下反向移動法在其中的應(yīng)用，以拓展學(xué)生的知識視野，舉一反三，鞏固所學(xué)知識。

齒輪副也是機床重要的進(jìn)給傳動部件。在進(jìn)給傳動系統(tǒng)中，常用于傳遞動力與改變扭矩、轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)方向，但齒輪副的間隙也會影響機床的傳動精度，必須想辦法加以消除（如圖8所示）。

圖8 齒輪傳動中的間隙

齒輪副消隙機構(gòu)中常見的是周向彈簧調(diào)整法，這種方法如圖9所示：兩個齒數(shù)相同的薄片齒輪1和2與另一個寬齒輪相嚙合，齒輪1空套在齒輪2上，可以相對回轉(zhuǎn)。每個齒輪端面分別裝有凸耳3和8，齒輪1的端面還有4個通孔，凸耳8可以從中穿過，彈簧4分別鉤在調(diào)節(jié)螺釘7和凸耳3上。旋轉(zhuǎn)螺母5和6可以調(diào)整彈簧4的拉力，彈簧的拉力可以使薄片齒輪錯位，即兩片薄齒輪的左、右齒面分別與寬齒輪齒槽的右、左貼緊，消除了齒側(cè)間隙。

圖9 周向彈簧調(diào)整法

通過以上分析可知，周向彈簧調(diào)整法的關(guān)鍵是通過彈簧拉動，使兩個薄齒輪的齒產(chǎn)生錯位，分別貼于厚齒輪的兩個齒面。這種錯位就是薄齒輪的反向移動，實質(zhì)就是反向移動法在齒輪副消除間隙中的應(yīng)用。

6 結(jié)束語

數(shù)控機床在現(xiàn)代機械加工中得到越來越廣泛的應(yīng)用，是先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展方向之一。對于機械結(jié)構(gòu)的掌握，是數(shù)控機床的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容。只有不斷探索新的教學(xué)方法，才能不斷提高數(shù)控機床專業(yè)課程的教學(xué)品質(zhì)。

本文針對現(xiàn)有數(shù)控機床進(jìn)給傳動系統(tǒng)間隙調(diào)整教學(xué)知識框架的不足，有針對性地提出了需要先講清間隙調(diào)整原理，并在此基礎(chǔ)上介紹具體結(jié)構(gòu)的教學(xué)思路，并對如何講清原理及結(jié)構(gòu)做了一定的探索與研究。如果配合多媒體手段，通過動畫演示，能夠使教學(xué)過程更加生動和形象，會取得更好的教學(xué)效果。

[1]羅學(xué)科.數(shù)控機床[M].北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，2008.

[2]彭躍湘.數(shù)控機床故障診斷及維護(hù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[3]張 燕.滾珠絲杠預(yù)緊在裝配的應(yīng)用[J].機械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2008，（4）：38-39.

[4]許向榮，宋現(xiàn)春，姜洪奎.提高數(shù)控機床滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)機械剛度的措施[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2008,（8）：1-4.