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一、机械传动系统的基本特点
由于数控机床的机械结构参数要与整个系统的电气参数相匹配 ,所以不仅要求其机械传动系统的结构紧凑、体积小、重量轻、精度高、刚度大,还要求其在传动过程中摩擦小、间隙小、惯量小等。这就要求数控机床的机械传动系统在传动装置上要尽量简化；在进给结构上要采用低摩擦、无间隙、高强度的传动零部件；在床身结构上要注意提高其刚度和固
有频率 。
二、主传动运动的变速系统
数控机床的主传动运动是产生主切削力,速度较高,消耗的切削功率最大。例如,数控车床上主轴带动工件的旋转运动,立式加工中心上主轴带动铣刀、镗刀和砂轮等的旋转运动。数控机床的主传动运动是通过主传动电机拖动的。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的, 因此,变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流变速主轴电机的调速系统日趋完善,不仅能方便地实现宽范围的无级变速,而且减少了中间传递环节和提高了变速控制的可靠性。因此,在数控机床的主传动系统中更能显示出它的优越性。
（一）带有变速齿轮的主传动。这是大、中型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速,增大了输出扭矩,以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床采用此种传动方式, 以获得强力切削时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压油缸带动齿轮实现。（二）通过皮带传动的主传动。主要应用在小型数控机床上,可以避免齿轮传动引起的振动与噪声。但它只适用于输出转矩较小的主轴。（三）由调速电机直接驱动的主传动。这种主传动方式是由电动机直接驱动主轴,即电动机的转子直接装在主轴上,大大简化了主轴箱体与主轴的结构,有效地提高了主轴部件的刚度。但主轴输出扭矩小,电机发热对主轴的精度影响较大。近年来,多采用交流伺服电动机。
三、进给传动系统
（一）联轴器。联轴器是连接进给机构两根轴使之一起回转来传递扭矩和运动的一种装置。目前联轴器的类型繁多,有液力式、电磁式和机械式。其中,机械式联轴器的应用最为广泛。
（二）减速机构
1、齿轮传动装置。各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个。一是将高转速的转矩的伺服电机(如步进电机、直流和交流伺服电机等)的输出变为低转速大转矩的执行件的输入; 另一个是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中占有较小的比重。此外,对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。
2、同步齿形带。同步齿形带传动是一种新型的带传动。它利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次啮合传递运动和动力, 因而兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点,且无相对滑动, 平均传动比较准确,传动精度高,而且齿形带的强度高、厚度小、重量轻, 故可用于高速传动。齿形带无需特别张紧,故作用在轴和轴承上的载荷小,传动效率也高,现已在数控机床上广泛应用。
3、滚珠丝杠螺母副。为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行,必须降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此,形成不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠螺母副。它的作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动。特点是传动效率高,摩擦力小,寿命长,经预紧后可消除轴向间隙,无反向空行程。滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元,在机床行业得到广泛运用,极大地推动了机床行业的数控化发展。
四、影响机械传动系统动态特性的因素分析
数控机床的机械传动系统的最低谐振点一般都发生在滚珠丝杠—工作台之间。在数控机床工作时 ,机械传动系统的输入和输出是不完全一致的 ,在不同的系统固有频率下其输入与输出的差别也不同。输入与输出差值越大 ,说明系统的动态特性越差 ,造成工作台的运动误差越大 。当输入频率与丝杠一滑枕系统的固有频率相同时 ,系统将产生共振而无法工作 。
为提高系统动态性能 ,提高其丝杠一滑枕系统的最低纵振固有频率ωnc和丝杠一滑枕系统的最低扭振固有频率ωnt是必须的；即应注意增大系统刚度,减小系统惯性,以提高系统频率。但增大刚度往往导致系统结构尺寸加大,惯性也不是越小越好 ,必须保持适当的数值。较大的系统阻尼不利于系统精度的提高 、降低系统的快速响应性 ,但可提高系统的稳定性；小的阻尼会提高系统的快速响应性 ,但同时也使系统的稳定性减小；所以保证系统有适当的系统阻尼也是十分必要的。
五、机械传动系统引起的控制误差分析
机械传动系统的控制误差除了零部件的制造及安装所引起的误差外,还有由于机械传动系统的动力参数（如刚度、惯量、摩擦、间隙等）所引起的误差。在系统设计时,必须进行误差分析,将这些误差控制在允许范围内。
（一）系统失动量△max：失动量,又叫死区误差,是指启动或反向时,系统的输入运动与输出运动之间的差值。产生失动量的主要原因有传动机构中的间隙,导轨运动副间的摩擦力以及电气系统和执行元件的启动死区(又称不灵敏区)。
如果机械传动系统采取了比较好的消除传动间隙的措施,如驱动电机轴与滚珠丝杠直接刚性连接,整体螺母预加负荷等,则由传动间隙引起的死区误差可忽略不计;电气系统及执行元件的特性在这里不涉及;则系统失动量可考虑为导轨运动副间的摩擦力引起的失动量。
△max=2Fμ/Komin×10?=2mgμo/ Komin×10?mm
式中Fμ一导轨静摩擦力;
Komin一传动系统最小拉压刚度;
g一重力加速度,9.8m/s?;
μo一導轨静摩擦系数,0.2。
（二）系统刚度引起的定位误差δk
在工件加工过程中,机械滑台的位置是变化的,因此滚珠丝杠的传动刚度也是不断变化的。对于开环控制系统,由传动刚度引起的定位误差为：
δk=Q1/K1－Q2/K2
式中 Q1、Q2一机械滑台在不同位置时的进给力；
K1、K2一机械滑台在不同位置时的传动刚度 。
定位误差的检验是在空载时进行的，则由传动度引起的最大定位误差δkmax为
kmax=Fμ（1/Komin－1/komax）
式中Komax一传动系统最大拉压刚度。
六、结语
对于我国国有大中型企业,为了提高产品质量和经济效益,增强国有大中型企业的市场竞争能力,适应现代化建设的需要,必须重视数控机床的研制和推广。要使数控机床的数控加工精度达到要求,在设计其机械传动系统时,必须充分考虑机械传动系统的动态特性及其引起的误差。
（作者单位：沈阳水务集团沈河营业处）
由于数控机床的机械结构参数要与整个系统的电气参数相匹配 ,所以不仅要求其机械传动系统的结构紧凑、体积小、重量轻、精度高、刚度大,还要求其在传动过程中摩擦小、间隙小、惯量小等。这就要求数控机床的机械传动系统在传动装置上要尽量简化；在进给结构上要采用低摩擦、无间隙、高强度的传动零部件；在床身结构上要注意提高其刚度和固
有频率 。
二、主传动运动的变速系统
数控机床的主传动运动是产生主切削力,速度较高,消耗的切削功率最大。例如,数控车床上主轴带动工件的旋转运动,立式加工中心上主轴带动铣刀、镗刀和砂轮等的旋转运动。数控机床的主传动运动是通过主传动电机拖动的。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的, 因此,变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流变速主轴电机的调速系统日趋完善,不仅能方便地实现宽范围的无级变速,而且减少了中间传递环节和提高了变速控制的可靠性。因此,在数控机床的主传动系统中更能显示出它的优越性。
（一）带有变速齿轮的主传动。这是大、中型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速,增大了输出扭矩,以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床采用此种传动方式, 以获得强力切削时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压油缸带动齿轮实现。（二）通过皮带传动的主传动。主要应用在小型数控机床上,可以避免齿轮传动引起的振动与噪声。但它只适用于输出转矩较小的主轴。（三）由调速电机直接驱动的主传动。这种主传动方式是由电动机直接驱动主轴,即电动机的转子直接装在主轴上,大大简化了主轴箱体与主轴的结构,有效地提高了主轴部件的刚度。但主轴输出扭矩小,电机发热对主轴的精度影响较大。近年来,多采用交流伺服电动机。
三、进给传动系统
（一）联轴器。联轴器是连接进给机构两根轴使之一起回转来传递扭矩和运动的一种装置。目前联轴器的类型繁多,有液力式、电磁式和机械式。其中,机械式联轴器的应用最为广泛。
（二）减速机构
1、齿轮传动装置。各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个。一是将高转速的转矩的伺服电机(如步进电机、直流和交流伺服电机等)的输出变为低转速大转矩的执行件的输入; 另一个是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中占有较小的比重。此外,对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。
2、同步齿形带。同步齿形带传动是一种新型的带传动。它利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次啮合传递运动和动力, 因而兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点,且无相对滑动, 平均传动比较准确,传动精度高,而且齿形带的强度高、厚度小、重量轻, 故可用于高速传动。齿形带无需特别张紧,故作用在轴和轴承上的载荷小,传动效率也高,现已在数控机床上广泛应用。
3、滚珠丝杠螺母副。为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行,必须降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此,形成不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠螺母副。它的作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动。特点是传动效率高,摩擦力小,寿命长,经预紧后可消除轴向间隙,无反向空行程。滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元,在机床行业得到广泛运用,极大地推动了机床行业的数控化发展。
四、影响机械传动系统动态特性的因素分析
数控机床的机械传动系统的最低谐振点一般都发生在滚珠丝杠—工作台之间。在数控机床工作时 ,机械传动系统的输入和输出是不完全一致的 ,在不同的系统固有频率下其输入与输出的差别也不同。输入与输出差值越大 ,说明系统的动态特性越差 ,造成工作台的运动误差越大 。当输入频率与丝杠一滑枕系统的固有频率相同时 ,系统将产生共振而无法工作 。
为提高系统动态性能 ,提高其丝杠一滑枕系统的最低纵振固有频率ωnc和丝杠一滑枕系统的最低扭振固有频率ωnt是必须的；即应注意增大系统刚度,减小系统惯性,以提高系统频率。但增大刚度往往导致系统结构尺寸加大,惯性也不是越小越好 ,必须保持适当的数值。较大的系统阻尼不利于系统精度的提高 、降低系统的快速响应性 ,但可提高系统的稳定性；小的阻尼会提高系统的快速响应性 ,但同时也使系统的稳定性减小；所以保证系统有适当的系统阻尼也是十分必要的。
五、机械传动系统引起的控制误差分析
机械传动系统的控制误差除了零部件的制造及安装所引起的误差外,还有由于机械传动系统的动力参数（如刚度、惯量、摩擦、间隙等）所引起的误差。在系统设计时,必须进行误差分析,将这些误差控制在允许范围内。
（一）系统失动量△max：失动量,又叫死区误差,是指启动或反向时,系统的输入运动与输出运动之间的差值。产生失动量的主要原因有传动机构中的间隙,导轨运动副间的摩擦力以及电气系统和执行元件的启动死区(又称不灵敏区)。
如果机械传动系统采取了比较好的消除传动间隙的措施,如驱动电机轴与滚珠丝杠直接刚性连接,整体螺母预加负荷等,则由传动间隙引起的死区误差可忽略不计;电气系统及执行元件的特性在这里不涉及;则系统失动量可考虑为导轨运动副间的摩擦力引起的失动量。
△max=2Fμ/Komin×10?=2mgμo/ Komin×10?mm
式中Fμ一导轨静摩擦力;
Komin一传动系统最小拉压刚度;
g一重力加速度,9.8m/s?;
μo一導轨静摩擦系数,0.2。
（二）系统刚度引起的定位误差δk
在工件加工过程中,机械滑台的位置是变化的,因此滚珠丝杠的传动刚度也是不断变化的。对于开环控制系统,由传动刚度引起的定位误差为：
δk=Q1/K1－Q2/K2
式中 Q1、Q2一机械滑台在不同位置时的进给力；
K1、K2一机械滑台在不同位置时的传动刚度 。
定位误差的检验是在空载时进行的，则由传动度引起的最大定位误差δkmax为
kmax=Fμ（1/Komin－1/komax）
式中Komax一传动系统最大拉压刚度。
六、结语
对于我国国有大中型企业,为了提高产品质量和经济效益,增强国有大中型企业的市场竞争能力,适应现代化建设的需要,必须重视数控机床的研制和推广。要使数控机床的数控加工精度达到要求,在设计其机械传动系统时,必须充分考虑机械传动系统的动态特性及其引起的误差。
（作者单位：沈阳水务集团沈河营业处）