数控机床的机械结构与装置

主要内容数控机床机械结构的主要特点和一般要求数控机床的主传动系统进给传动系统导轨的结构其它辅助装置第五章数控机床的机械结构与装置主传动系统进给传动系统自动换刀装置自动托盘交换装置机床基础件第五章数控机床的机械结构与装置主要内容数控机床的机械结构包括：主传动系统机床的床身、立柱、导轨、工作台刀架和刀库自动换刀装置其他辅助装置第五章数控机床的机械结构与装置主要内容数控机床机械结构的特点：

支承件的高刚度化传动机构简约化传动元件精密化辅助操作自动化5.1

概述5.1.2数控机床机械结构的基本要求提高数控机床构件的刚度增强数控机床结构的抗振性减小机床的热变形1、提高数控机床构件的刚度静刚度：抵抗恒定载荷变形的能力；动刚度：抵抗交变载荷变形的能力；在共振条件下，动刚度可用下式表示动刚度与静刚度、阻尼系数成正比5.1概述提高数控机床构件刚度的措施：（1）采用合理的机床结构布局（2）优化设计构件的截面形状和尺寸（3）合理选择和布置筋板（4）提高构件的局部刚度（5）采用焊接结构go5.1概述go常见截面抗弯、抗扭惯性矩比较如表：从表中可以看出：

1）空心结构的刚度比实心结构的刚度大；

2）封闭圆形截面的抗扭刚度好，而封闭方形截面的抗弯和抗扭都较好；

3）加大横截面轮廓尺寸和减小壁厚时，可提高刚度5.1概述主要内容正确选截面的形状提高刚度封闭整体箱形结构5.1概述end合理布置隔板提高刚度纵向隔板——主要提高抗弯刚度横向隔板——主要提高抗扭刚度斜向隔板——兼有提高抗弯刚度、抗扭刚度的效果5.1概述end2、增强数控机床结构的抗振性抗振性是指承受受迫振动的能力。包括两个方面的含义：

①抵抗受迫振动的能力，即能限制受迫振动的振幅不超过允许值的能力。

②抵抗自激振动的能力。动刚度是衡量抗振性的主要指标，

动刚度越大，抗振性越好。5.1概述增强数控机床结构抗振性的措施：（1）减少机床的内部振源（2）提高静刚度（3）提高阻尼比实心混凝土底座内封泥沙5.1概述主要内容采用高刚性材料提高刚度三坐标测量机测量机的底座、横梁和工作台都采用膨胀系数小、优质的大理石制成5.1概述3、减少机床的热变形措施：（1）控制热源和发热量（2）加强冷却散热（3）改进机床布局和结构设计（4）恒温处理（5）采用热变形补偿装置5.1概述采用框式结构减小热变形5.1概述对机床热源进行强制冷却减小热变形主轴冷却风管5.1概述1.主传动系统定义：将主轴电动机的原动力通过该传动系统变成可供切削加工用的切削力矩和切削速度。2、对主传动系统的要求有较宽的调速范围

有足够的功率和扭矩有足够的传动精度噪声低，运动平稳5.2数控机床主传动系统5.2.1主传动方式带二级齿轮变速的主传动方式多采用齿轮变速结构，因使用可调速无级变速交、直流电动机，所以经齿轮变速后实现分段无级变速，调速范围增加。应用：大中型数控机床滑移齿轮5.2数控机床主传动系统2.通过定比传动的主传动方式多采用带传动装置，主要应用在小型数控机床，可避免齿轮传动引起的振动和噪声，但它只适用于低扭矩特性要求的主轴。常用带：多楔带同步带5.2数控机床主传动系统3.调速电动机直接驱动的主传动系统结构紧凑，转换效率高，但主轴转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性完全一致，使用受到限制。主轴电机联轴器同轴连接能否电机与主轴作为一体？5.2数控机床主传动系统电主轴基本组成部分：空心轴转子、带绕组的定子、速度检测元件。空心轴转子既是电机的转子，也是主轴，中间是空心的，用于装夹刀具或工件；带绕组的定子，它和其他电机相似。定子转子5.2数控机床主传动系统5.2.3主轴部件的支承小型数控机床滚动轴承重型数控机床液体静压轴承高精度数控机床气体液压轴承超高转速(2-10万r/min)数控机床

磁力轴承或陶瓷滚珠轴承

5.2数控机床主传动系统5.2.4主轴的准停功能：为保证每次换刀时刀具锥柄处的键槽对准主轴上的端面键，以及在精镗孔完毕退刀时不会划伤已加工表面，要求主轴能准确停止在指定位置。定义：数控机床的主轴每次能准确停止在一个固定的位置上.准停装置的种类机械式电气式5.2数控机床主传动系统机械式主轴处于停止状态接受主轴准停指令接通无触点开关1感应块2和1接触，发信号主轴电机停转主轴低速通压力油，活塞左移5顶入V型槽，LS2发主轴准停完成信号5.2数控机床主传动系统而现代CNC机床上，一般都采用电气方式定向。主轴停转主轴降速磁传感器对准磁铁磁传感器发准停信号5.2数控机床主传动系统5.3数控机床的进给传动系统定义：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部链。即进给驱动装置，主要包括减速装置、丝杠螺母副及导向元件等。要求的三要素：传动精度，包括动态误差、稳态误差和静态误差，即伺服系统的输入量与驱动装置实际位移量的精确程度。系统的稳定性，系统在外界干犹下迅速稳定的能力。动态响应特性，系统的响应时间以及驱动装置的加速能力。5.3数控机床的进给传动系统数控机床对进给运动的要求：1．尽量减少运动件的摩擦阻力2．提高传动精度和刚度3．减少各运动部件的惯量4．系统要有适度阻尼5．稳定性好、寿命长6．使用维护方便

6.4数控机床进给传动系统无极调速电机→齿轮副

→滚珠丝杠螺母副带轮传动副齿轮齿条副

联轴节→工作台移动（导轨）5.3数控机床的进给传动系统5.3.1齿轮传动副齿轮副传动设计应考虑的问题:1）齿轮传动的传动级数和速比分配

2）消除传动齿轮间隙措施:刚性调整法柔性调整法

进给系统传动齿轮间隙的消除刚性调整法直齿轮偏心轴套式锥度齿轮垫片调整式斜齿轮（双片薄齿轮＋垫片）式柔性调整法直齿轮双齿轮错齿式锥度齿轮压力弹簧式斜齿轮碟型弹簧式直齿轮偏心轴套式消除间隙结构锥度齿轮式垫片消除间隙结构斜齿轮消除间隙结构（双片薄齿轮＋垫片）双齿轮错齿式消除间隙结构压力弹簧式消除间隙结构5.3数控机床的进给传动系统5.3.2联轴节伺服电极与主轴通过联轴节相联锥销联接锥销侧方互为90的锥销十字滑块桡性联轴节

连轴节伺服电机与丝杠直接相联连轴节连轴节5.3数控机床的进给传动系统5.3.3

滚珠丝杠螺母副1、功用将旋转运动变换成直线运动。2、分类按丝杠与螺母的摩擦性质分：滑动丝杠螺母副：主要用于旧机床的数控化改造、经济型数控机床等；滚珠丝杠螺母副：广泛用于中、高档数控机床；静压丝杠螺母副：主要用于高精度数控机床、重型机床。5.3数控机床的进给传动系统3.工作原理丝杠（螺母）旋转，滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使螺母（丝杠）轴向移动，从而实现将旋转运动变换成直线运动。丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦。5.3数控机床的进给传动系统主要内容4.滚珠丝杠副的结构滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式常用的有两种：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称内循环。在同一个螺母上只有一个回路管道的叫单循环，有两个回路管道的叫双列循环1）外循环插管式，用弯管作为返回管；螺旋槽式，在螺母外圆上铣一出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切形成返回通道。

5.3数控机床的进给传动系统

外循环方式制造工艺简单、应用广泛，但螺母径向尺寸较大，因用弯管端部作挡珠器，故刚性差、易磨损，噪音较大。5.3数控机床的进给传动系统

为了提高其承载能力，开发出了新型的滚珠循环方式（UHD），为了提高回转精度，一种无螺母的丝杠副被研制成功。

5.3数控机床的进给传动系统2）内循环

采用圆柱凸键反向器实现滚珠循环，反向器上铣有S形回珠槽，将相邻两螺纹滚道连接起来。滚珠从螺纹滚道进入反向器，借助反向器迫使滚珠越过顶芽进入相邻滚道。

内循环螺母结构紧凑，定位可靠，刚性好，不易磨损，反回滚道短，不易产生滚珠堵塞，摩擦损失小。缺点是结构复杂、制造较困难。5.3数控机床的进给传动系统滚珠丝杠螺母副的预紧轴向间隙：丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向串动。消除方法：预紧单螺母结构：微量过盈滚珠双螺母结构齿差调隙垫片调隙双螺母调隙滚珠丝杠螺母幅轴向间隙碟型弹簧消除间隙结构齿差调隙垫片调隙双螺母调隙

5.滚珠丝杠副轴向间隙的调整

预紧目的是消除运动间隙,提高运动精度及传动刚度；而滚珠丝杠副的运动间隙是轴向间隙。实现方法：（1）垫片调隙式通过圆螺母调整，使滚珠丝杠的左右螺母不相对旋转，只作轴向位移，消除间隙并产生预紧力，再用锁紧螺母锁紧，结构紧凑，调整方便。滚珠丝杠螺母副

5.3数控机床的进给传动系统5.3数控机床的进给传动系统（2）螺纹调隙式利用双螺母来调整间隙实现预紧的结构。滚珠丝杠左右两螺母副以平键与外套相联，用两个锁紧螺母调整丝杠螺母的预紧量，这样的方式简便易行，但不易精确控制预紧量。5.3数控机床的进给传动系统（3）齿差调隙法

在左右螺母的端部作成外齿轮，齿数分别为Z1、Z2，而且Z1和Z2相差一个齿。两个齿轮分别与两端相应的内齿圈相啮合。内齿圈紧固在螺母座上，预紧时脱开两个内齿圈，使两个螺母同向转动相同的齿数，然后再合上内齿圈，两螺母的轴向相对位置发生变化从而实现间隙的调整和施加预紧力。当两齿轮沿同一方向各转过一个齿时其轴向位移量

当Z1＝99，Z2＝100，t=10mm，则S=10/99×100≈1μm。这种方法使两个螺母相对轴向位移最小可达1μm，其调整精度高，调整准确可靠，但结构复杂。滚珠丝杠螺母副滚珠的循环方式：外循环方式内循环方式滚珠丝杠的选定根据机床的精度要求来选用滚珠丝杠的精度根据机床的载荷来选定丝杠的直径并且要验算丝杠扭转刚度、压曲刚度与工作寿命。滚珠丝杠的支承方式丝杠的预拉伸为补偿热膨胀，将丝杠预拉伸，预拉伸量应略大于热膨胀量，发热后热膨胀量抵消了部分预拉伸量，使丝杠的拉应力下降，长度却没有变化。目标行程＝公称行程－预拉伸量预拉伸结构图滚珠丝杠的制动滚珠丝杠的防护5.3.4回转工作台

数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。分度工作台的功用只是将工件转位换面，和自动换刀装置配合使用，实现工件一次安装能完成几个面的多种工序，因此，大大提高了工作效率。数控回转工作台除了分度和转位的功能之外，还能实现数控圆周进给运动。

另外，在FMC中还有交换工作台，在FMS中还有工件缓冲台、工件上下料台、工件运输台。主要内容工作台上升活塞上升，上、下端齿盘脱开大小齿轮啮合分度

电机→蜗杆蜗轮→齿轮副→工作台旋转工作台下降

活塞下降,上、下端齿盘啮，定位夹紧大小齿轮脱开数控分度指令(M指令)油缸下腔进油伺服电机旋转油缸上腔进油分度完成分度流程分度工作台——分度流程行程开关发分度信号发下降信号行程开关发分度结束信号5.3.4回转工作台分度信号→锁紧油缸松开工作台→伺服电机旋转→蜗杆蜗轮→工作台旋转或分度检测元件：圆光栅转轴工作台夹紧油缸及活塞（均布）蜗轮（与工作台固定）蜗杆（由伺服电动机带动）蜗轮夹紧块圆光栅钢球滚柱轴承5.3.4回转工作台主要内容方形工作台分度回转工作台数控回转工作台5.3.4回转工作台数控分度头5.3.4回转工作台5.3.4回转工作台交换工作台交换工作台5.3.4回转工作台贴塑导轨贴塑导轨滚动导轨5.5自动换刀装置5.5.1自动换刀装置经济型数控车床方刀架特点：有四个刀位，能装夹四把不同功能的道具，方刀回转900时道具变换一个刀位。换刀的动作顺序：刀架抬起刀架转位刀架定位加紧刀架换刀指令发出电动机1正转蜗杆3带动蜗轮4转动刀架体7抬起，与5脱离啮合

转位套9转160，球头销8入9槽转到指定刀号，定位销15入6刀架体7不转动，垂直落下蜗轮停转蜗杆转动，夹紧力增加电动机停转刀架抬起电刷13、14导通，电机反转刀架转位刀架定位夹紧刀架5.5自动换刀装置2盘形自动回转刀架电磁制动器断电,电动机正转蜗杆7带动蜗轮5转动轴6、端面齿盘2和刀架1左移2与3脱离啮合时圆环14的凸块入滑块4蜗轮带动滑块连同轴6、刀盘转位。达要求位置后电机11反转小轴13压下12，转位结束凸块与4脱离轴6右移，端面齿盘2、3啮合并定位电动机断