《数控机床与编程技术》

数控机床与编程技术

培训教程1内容数控机床的组成数控机床的工作原理数控机床的机械结构特点数控编程基础数控车床编程数控铣床编程数控加工中心编程自动编程数控机床的操作2课程安排总学时：70学时，理论54学时实验16学时考核：100分=平时成绩20分+期末考试80分平时成绩20分：考勤5分+作业5分+实验10分期末考试80分：笔试40分+上机操作40分

3课程基本要求掌握数控机床的组成及结构特点掌握数控车床的手工编程掌握数控铣床的手工编程掌握数控机床的基本操作，能够独立完成零件的编程与加工了解加工中心的编程与操作掌握Master-CAM零件造型及后置处理方法，能通过自动编程独立完成零件的编程与加工4第一章概论数控机床的组成及工作原理数控机床的分类数控机床加工的特点数控机床的应用范围5第一节数控机床的组成及工作原理零件加工程序程序载体输入装置数控装置伺服驱动装置辅助控制装置检测反馈装置机床本体6第一节数控机床的组成及工作原理7第一节数控机床的组成及工作原理CNC装置(CNC单元)

CNC装置是数控机床的核心部件。组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。8第一节数控机床的组成及工作原理1.操作面板操作面板的是操作人员与机床数控装置进行信息交流的工具。组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器；。它是数控机床特有的部件。9第一节数控机床的组成及工作原理2.控制介质与输入输出设备控制介质记录零件加工程序的媒介输入输出设备CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。10表1控控制介介质和输输入输出出设备表表11第一节数数控机机床的组组成及工工作原理理3.通通讯现代的数数控系统统除采用用输入输输出设备备进行信信息交换换外，一一般都具具有用通通讯方式式进行信信息交换换的能力力。它们们是实现现CAD/CAM的集集成、FMS和和CIMS的基基本技术术。采用用的方式式有：串行通讯讯（RS-232等串串口）、、自动控制制专用接接口和规规范（DNC，，MAP等）网络技术术（internet，LAN等））。12第一节数数控机机床的组组成及工工作原理理4.CNC装装置(CNC单单元)CNC装装置是数数控机床床的核心心部件。。组成：计算机系系统、位位置控制制板、PLC接接口板，，通讯接接口板、、特殊功功能模块块以及相相应的控控制软件件。作用：根据输入入的零件件加工程程序进行行相应的的处理（（如运动动轨迹处处理、机机床输入入输出处处理等）），然后后输出控控制命令令到相应应的执行行部件(伺服单单元、驱驱动装置置和PLC等)，所有有这些工工作是由由CNC装置内内硬件和和软件协协调配合合，合理理组织，，使整个个系统有有条不紊紊地进行行工作的的。13第一节数数控机机床的组组成及工工作原理理伺服单元元、驱动动装置和和测量装装置伺服单元元和驱动动装置主轴伺服服驱动装装置和主主轴电机机进给伺服服驱动装装置和进进给电机机测量装置置位置和速速度测量量装置。。以实现现进给伺伺服系统统的闭环环控制。。作用保证灵敏敏、准确确地跟踪踪CNC装置指指令：进给运动动指令：：实现零零件加工工的成形形运动（（速度和和位置控控制）。。主轴运动动指令，，实现零零件加工工的切削削运动（（速度控控制）14第一节数数控机机床的组组成及工工作原理理PLC(ProgrammableLogicController)、机床I/O电路和装装置PLC：用于控控制机床床顺序动动作，完完成与逻逻辑运算算有关的的开关量量I/O控制，它它由硬件件和软件件组成；；机床I/O电路和装装置：实现开关关量I/O控制的执执行部件件，即由由继电器器、电磁磁阀、行行程开关关、接触触器等电电器组成成的逻辑辑电路；；功能：接受CNC的M、S、、T指令令，对其其进行译译码并转转换成对对应的控控制信号号，控制制辅助装装置完成成机床相相应开关关动作接受操作作面板和和机床侧侧的I/O信号，送送给CNC装置置，经其其处理后后，输出出指令控控制CNC系统统的工作作状态和和机床的的动作。。15第一节数数控机机床的组组成及工工作原理理7.机机床机床：数控机机床的主主体，是是实现制制造加工工的执行行部件。组成：由主运运动部件件、进给给运动部部件（工工作台、、拖板以以及相应应的传动动机构））、支承承件（立立柱、床床身等））以及特特殊装置置（刀具具自动交交换系统统工件件自动交交换系统统）和辅辅助装置置（如排排屑装置置等）。。16第二节数数控机床床的分类类按加工工工艺分类类按控制系系统的功功能水平平分类按伺服装装置的功功能水平平分类按数控机机床的档档次分类类17第二节数数控机床床的分类类一.按加加工工艺艺分类普通数控控机床：：如：数控控车床、、数控铣铣床、数控磨床床、数控控钻床等等等加工中心心：带刀刀库和自自动换刀刀装置如：车削削中心、、加工中中心其它：三三坐标测测量机、、机械手手（工业业机器人人）、自动绘图图机等18第二节数数控机床床的分类类二.按控控制系统统的功能能特点分分类点位控制制的数控控机床点位-直直线控制制的数控控机床轮廓控制制的数控控机床19第二节数数控机床床的分类类二、按控控制功能能分类1.点位位控制数数控系统统仅能实现现刀具相相对于工工件从一一点到另另一点的的精确定定位运动动；对轨迹不不作控制制要求；；运动过程程中不进进行任何何加工。。适用范围围：数控钻钻床、数数控镗床床、数控控冲床和和数控测测量机。。20第二节数数控机床床的分类类二、按控控制功能能分类2.轮轮廓控制制数控系系统具有控制制几个进进给轴同同时谐调调运动(坐标联联动)，，使工件件相对于于刀具按按程序规规定的轨轨迹和速速度运动动，在运运动过程程中进行行连续切切削加工工的数控控系统。。适用范围围：数控车车床、数数控铣床床、加工工中心等等用于加加工曲线线和曲面面零件的的机床。。现代的的数控机机床基本本上都是是装备的的这种数数控系统统。21第二节数数控机床床的分类类三.按伺伺服系统统的特点点分类按数控系系统的进进给伺服服子系统统有无位位置测量量装置可可分为开环数控控系统和闭环数控控系统，在闭环环数控系系统中根根据位置置测量装装置安装装的位置置又可分分为全闭环和半闭环两种。开环控制制的数控控机床半闭环控控制的数数控机床床闭环控制制的数控控机床22第二节数数控机床床的分类类开环控制制的数控控机床特点：结结构简单单，步进进驱动、、步进电电机，无无位置速速度反馈馈23第二节数数控机床床的分类类半闭环控控制的数数控机床床特点：精精度较高高，采用用交流或或直流伺伺服驱动动及伺服服电机，，有角位位移、角角速度检检测装置置，结构构紧凑24特点：精精度高，，采用交交流或直直流伺服服驱动及及伺服电电机，有有直线位位移、速速度检测测装置，，价格贵贵，调试试困难第二节数数控机床床的分类类闭环控制制的数控控机床25第二节数数控机床床的分类类四、按联联动轴数数分2轴联动动（平面面曲线））3轴联动动（空间间曲面，，球头刀刀）4轴联动动（空间间曲面））5轴联动动及6轴轴联动（（空间曲曲面，端端铣刀））。联动轴数数越多数数控系统统的控制制算法就就越复杂杂。26五.按控控制系统统的功能能水平分分类控制系统功能高档中档低档（经济型）主轴功能无级变速、C轴功能机械变速分辩率0.1μm1μm10μm进给速度15~100m/min15~24m/min8~15m/min伺服驱动闭环半闭环开环电机交、直流伺服电机步进电机联动轴数2~4轴或2~5轴2~3轴通信功能MAP，联网功能RS232C、RS485无显示功能三维图形彩显CRT图形显示数码或CRT字符内装PLC有有无主CPU32位或64位16位或32位8位27第三节数数控控机床加加工特点点加工精度度高对加工对对象的适适应性强强自动化程程度高，，劳动强强度低生产效率率高良好的经经济效益益有利于现现代化管管理28第四节数数控机床床的应用用范围多品种小小批量生生产的零零件形状结构构比较复复杂的零零件需要频繁繁改型的的零件价值昂贵贵，不允允许报费费的关键键零件需要最少少周期的的急需零零件批量较大大精度要要求高的的零件29第二章数控机床床的机械械结构特点点12/8/202230第二章数控控机床机械结结构的特点对数控机床机机械结构的要要求数控机床的主主传动及主轴轴部件数控机床的进进给运动及传传动机构自动换刀装置置其它辅助装置置31第一节对对数控机床机机械结构的要要求提高机床的动动、静刚度减少机床的热热变形减少运动副的的摩擦，提高高传动精度提高机床的寿寿命和精度保保持性自动化的机构构，宜人的操操作性安全防护和宜宜人的造型32第一节对对数控机床机机械结构的要要求一.提高机机床的静、动动刚度合理理选选择择支支承承件件的的结结构构形形式式合理理的的结结构构布布局局采用用补补偿偿变变形形的的措措施施合理理选选用用构构件件的的材材料料33第一一节节对对数数控控机机床床机机械械结结构构的的要要求求二.减减少少机机床床热热变变形形的的措措施施减少少机机内内发发热热改善善散散热热和和隔隔热热条条件件合理理设设计计机机床床的的结结构构与与布布局局进行行热热变变形形补补偿偿34第一一节节对对数数控控机机床床机机械械结结构构的的要要求求三.减减少少运运动动副副的的摩摩擦擦采用用滚滚动动导导轨轨或或静静压压导导轨轨采用用贴贴塑塑滑滑动动导导轨轨用滚滚珠珠丝丝杠杠代代替替滑滑动动丝丝杠杠采用用无无间间隙隙滚滚珠珠丝丝杠杠传传动动和和无无间间隙隙齿齿轮轮传传动动以以提提高高传传动动精精度度35第二二节节数数控控机机床床的的主主传传动动系系统统数控控机机床床的的主主传传动动系系统统概概述述主运运动动系系统统是是指指驱驱动动主主轴轴运运动动的的系系统统，，主主轴轴是是数数控控机机床床上上带带动动刀刀具具和和工工件件旋旋转转，，产产生生切切削削运运动动的的运运动动轴轴，，它它往往往往是是数数控控机机床床上上单单轴轴功功率率消消耗耗最最大大的的运运动动轴轴。。主传传动动系系统统的的作作用用：①①传传递递动动力力，，传传递递切切削削加加工工所所需需要要的的动动力力②②传传递递运运动动，，传传递递切切削削加加工工所所需需要要的的运运动动；；③③运运动动控控制制，，控控制制主主运运动动运运行行速速度度的的大大小小、、方方向向和和起起停停。。与与进进给给伺伺服服系系统统相相比比，，它它具具有有转转速速高高、、传传递递的的功功率率大大等等特特点点，，是是数数控控机机床床的的关关键键部部件件之之一一，，对对它它的的运运动动精精度度、、刚刚度度、、噪噪声声、、温温升升、、热热变变形形都都有有较较高高的的要要求求。36数控机床对对主运动系系统的要求求动力功率高高由于对高效效率的要求求日益增长长，加之刀刀具材料和和技术的进进步，大多多数NC机机床均要求求有足够高高的功率来来满足高速速强力切削削。一般NC机床的的主轴驱动动功率在3.7kW～250kW之间间调速范围宽宽除了功率方方面的要求求外，还应应使主轴转转速具有足足够大的调调整范围。。调速范围围是指最高高转速与最最低转速之之比，即Rn=nmax/nmin控制功能多多样化性能要求高高37主传动功率率机床主传动动的功率N可根据切削削功率Nc与主运动传传动链的总总效率η由由下式来确确定N=Nc/η数控机床的的加工范围围一般都比比较大，切切削功率可可以根据有有代表性的的加工情况况，由其主主切削力Pz按下式来确确定38调速范围宽宽在主运动系系统中调速速范围有恒恒扭矩、恒恒功率调速速范围之分分，如图所所示，在基基本转速(额定转速速nc)以下是恒转速调速速范围，通过调整整电枢电压压来实现，，在nc以上是恒功率调速速，通过调磁磁调速。而而且现在恒恒功率调速速范围尽可可能大，以以便在尽可可能低的速速度下，利利用其全功功率(在低低速时往往往由于电流流的限制，，只能进行行恒扭矩调调速。因为为加工一些些难加工材材料所需求求的转速范范围相差很很大，例如如，钛需要要低速加工工，而铝合合金材料却却需要高速速加工，而而采用齿轮轮变速箱扩扩大变速范范围的方法法已不能满满足要求。。39调速范围宽宽主运动为旋旋转运动的的机床，主主轴转速n(r/min)由切切削速度v(m/min)和工工件或刀具具的直径d(mm)来来确定对于数控机机床，为了了适应切削削速度和工工件（或刀刀具）直径径的变化，，主轴的最最低和最高高转速可根根据下式确确定40数控机床的的主传动变变速方式无级变速分段无级变变速内置电动机机主轴变速速（电主轴轴）有级变速（（机械变速速）41现代数控机机床均采用用交流主轴轴电机及交交流变频驱驱动装置，，下图为主主轴输出特特性曲线4243控制功能多多样化由于NC机机床的种类类繁多，不不同的机床床对主轴功功能有不同同的要求。NC车床车车螺纹时要要求有同步步控制功能能；加工中心为为了能进行行自动换刀刀需要主轴轴准停功能能；NC车床和和NC磨床床在进行端端面加工时时，为了保保证端面加加工的粗糙糙度要求，，要求接触触点处的线线速度为恒恒值，需要要恒线速切切削功能；；还有些NC机床有C轴控制功功能44性能要求求高对主轴电电机的性性能要求求如下：：电机抗过过载能力力强，要要求有较较长时间间(1～～30min)和较大大倍数的的抗过载载能力；；在断续负负载下，，电机转转速波动动要小；；速度响应应要快，，升降速速时间要要短；电机温升升低，振振动和噪噪音小；；可靠性高高，寿命命长，维维护容易易；体积小，，重量轻轻，与机机床联接接容易45普通电机机—机械械变速系系统—主主轴部件件配置方方式该配置方方式是一一种传统统的配置置方式，，它能够够满足各各种切削削运动转转矩输出出的要求求，但变变速范围围不大，，由于是是有级变变速使切切削速度度的选择择受到限限制，而而且该配配置的结结构较复复杂，所所以现在在仅有少少数经济济型数控控机床采采用该配配置，其其他已很很少采用用。46变频器——交流电电机—1～2级机械变速速—主轴轴部件配配置方式式特点：变频电机机经一对对齿轮变变速后，，再通过过二联滑滑移齿轮轮传动主主轴，使使主轴获获得高速速段和低低速段转转速。优点是能能够满足足各种切切削运动动的转矩矩输出，，且具有有大范围围的速度度变化能能力；具有结构构简单、、安装调调试方便便，且在在传动上上能满足足转速与与转矩的的输出要要求；调速范围围及动力力特性相相对于交交、直流流主轴电电机系统统而言要要差一些些；主要用于于经济型型或中低低档数控控机床上上。4748交、直流主轴电机机—主主轴部部件配置置方式特点：电机经同同步齿形形带传动动主轴电机是性性能更好好的交、、直流主主轴电机机，变速速范围宽宽，最高高转速可可达8000r/min在传动上上能基本本能满足足目前大大多数数数控机床床的要求求，易于于实现丰丰富的控控制功能能结构简单单、安装装调试方方便，可可满足现现在中高高档数控控机床的的控制要要求对于越来来越高的的速度的的需求，，该配配置方式式已难以以满足4950电主轴这种电机机由三个个基本部部分组成成：空心心轴转子子、带绕绕组的定定子、速速度检测测元件。。空心轴轴转子，，它既是是电机的的转子，，也是主主轴，中中间是空空心的，，用于装装夹刀具具或工件件；带绕绕组的定定子，它它和其他他电机相相似。这这种电机机构成了了较简单单的主运运动部件件。它不仅可可以使转转速提高高，若在在其内应应用较先先进的轴轴承（如如陶瓷轴轴承、磁磁悬浮轴轴承等））而且可可使主轴轴部件结结构紧凑凑、重量量轻、惯惯量小，，可提高高启动、、停止的的响应特特性，利利于控制制振动和和噪声。。转速高高，目前前最高可可达200000r/min。它它的出现现大大简简化了主主运动系系统结构构，实现现了所谓谓的“零零传动””，因而而使传动动精度大大大提高高，由于于它具有有上述特特点，在在高速数数控机床床大量采采用。在目前前也存存在着着一些些缺点点，主主要是是电机机运转转产生生的振振动和和热量量将直直接影影响到到主轴轴，因因此，，主轴轴组件件的整整机平平衡、、温度度控制制和冷冷却是是内装装式主主轴电电机的的关键键问题题。51电主轴轴结构构图52电主轴轴外观观图53三位液液压拨拨叉作作用原原理图图54啮合式式电磁磁离合合器55加工中中心典典型主主轴部部件56数控机机床的的主轴轴部件件组成：主轴轴部件件由主主轴的的支承承、安安装在在主轴轴上的的传动动零件件及装装夹刀刀具或或工件件的附附件组组成。。主要作作用：①夹夹持工工件或或刀具具实现现切削削运动动；②②传递递运动动及切切削加加工所所需要要的动动力。。机床对对其主主轴部部件的的主要要要求求有：①①主主轴的的精度度要高高。精精度包包括运运动精精度(回转转精度度、轴轴向窜窜动)和安安装刀刀具或或夹持持工件件的夹夹具的的定位位精度度(轴轴向、、径向向)。。②②部部件的的结构构刚度度和抗抗振性性。③③运运转转温升升不能能太高高以及及较好好的热热稳定定性。。④④部部件的的耐磨磨性和和精度度保持持能力力。对对数数控机机床除除上述述要求求外，，在机机械结结构方方面还还应有有：①①刀刀具具的自自动夹夹紧装装置。。②②主主轴的的准停停装置置。③③主主轴轴孔的的清理理装置置等57进给传传动系系统装装置概述进给系系统机机械传传动结结构是是进给给伺服服系统统的重重要组组成部部分，，它是是实现现成形形加工工运动动所需需的运运动及及动力力的执执行机机构。。它主主要由由传动动机构构、运运动变变换机机构、、导向向机构构、执执行件件组成成。如如下图图所示示。其其中常常用的的传动动机构构有传传动齿齿轮和和同步步带；；运运动变变换机机构有有丝杠杠螺母母副、、蜗杆杆齿条条副、、齿轮轮齿条条副等等；导导向机机构有有滑动动导轨轨、滚滚动导导轨、、静压压导轨轨、轴轴承等等。数控机机床对对进给给运动动的要要求减少摩摩擦阻阻力提高传传动精精度和和刚度度消除传传动间间隙减小运运动件件的惯惯量58进给传传动系系统装装置59进给传传动系系统装装置对进给给传动动系统统装置置的要要求：：由于机机械传传动结结构的的刚性性、制制造精精度、、摩擦擦阻尼尼特性性等，，对执执行件件运动动特性性和运运动精精度有有重要要影响响，因因此进进给伺伺服系系统对对机械械传动动机构构提出出了较较高的的要求求，主主要有有：①摩擦力力小，尤尤其是动动静摩擦擦系数之之差要小小，故广广泛采用用如滚动动摩擦等等摩擦力力较小的的传动件件及导轨轨；②传动精精度和刚刚度要高高，要求求消除传传动间隙隙，并进进行适当当的预紧紧。以增增加传动动系统刚刚度；③运动惯惯量要小小，尽可可能减小小运动部部件质量量，以提提高响应应速度。。60进给传动动系统装装置齿轮传动动及齿轮轮消隙齿轮传动动在伺服服进给系系统中的的作用是是：改变变运动方方向、降降速、增增大扭矩矩、适应应不同丝丝杠螺距距和不同同脉冲当当量的配配比等。。当在伺伺服电机机和丝杠杠之间安安装齿轮轮（直齿齿、斜齿齿、锥齿齿等）时时，必然然产生齿齿侧间隙隙，造成成反向运运动的死死区，必必须设法法消除。。目前消消除齿侧侧间隙普普遍采用用双片齿齿轮结构构，如下下图（a），将将一对齿齿轮中的的大齿轮轮分成1、2两两部分，，并分别别与螺钉钉3、8固定，，再将弹弹簧4与与3、8联接起起来，这这样齿轮轮的1、、2两部部分的齿齿轮自然然错开，，达到自自动消除除齿侧间间隙的目目的。图图（b））为斜齿齿轮传动动消隙结结构。它它是将一一个斜齿齿轮分成成两个薄薄片3、、4，且且在其中中加一垫垫片2，，改变垫垫片2的的厚度，，薄片3、4的的螺旋线线就会错错位，分分别与宽宽齿轮1的齿槽槽左、右右侧面贴贴紧，消消除了间间隙。6162键联接消消隙当齿轮与与轴联接接时，键键两侧的的间隙也也必须设设法消除除，其措措施如下下图。图图（a））为双键键消除间间隙，用用紧定螺螺钉顶紧紧。图（（b）将将其中一一个键灌灌环氧树树酯，但但不易拆拆卸维修修。63联轴节由于伺服服电机性性能的提提高，目目前许多多场合都都采用伺伺服电机机与丝杠杠直接相相联，由由于伺服服系统对对传动精精度要求求较高，，因而对对联轴节节也提出出了较高高的要求求，主要要有无间间隙、传传动中弹弹性变形形小、高高速传动动平稳、、稳定可可靠等。。图是较较典型的的联轴节节的结构构形式。。图图（a）用锥锥销联接接，为防防止振松松，用螺螺母加弹弹簧垫圈圈锁紧。。图（b）将锥锥销放在在侧边，，故可承承受较大大的剪切切力。图图（c））为套筒筒中心线线上互为为90°°的两个个锥销。。套筒联联接尺寸寸小、转转动惯量量小。图图（d））为十字字滑块联联轴节，，接头槽槽口需研研配，适适于负载载较小的的传动。。图（e）是现现在广泛泛采用的的直接联联接电机机轴和丝丝杠的弹弹性无键键联轴节节。这种种联轴节节的工作作原理是是：联轴轴节的左左半部装装在电机机轴上，，当拧紧紧螺钉2时，件件3和件件6相互互靠近，，挤压内内锥环4、外锥锥环5，，使外锥锥环内径径缩小，，内锥环环外径胀胀大，使使件6与与电机轴轴1形成成无键联联接。右右半部也也同样形形成无键键联接。。左半部部通过弹弹性钢片片组8两两个对角角孔与螺螺栓10、球面面垫圈7、9相相联。图图中表明明球面垫垫圈9与与右半部部件16没有任任何联接接关系。。同样，，弹簧钢钢片组8的另两两个对角角孔，通通过球面面垫圈17、18、螺螺栓19与右半半部的件件16联联接，垫垫圈18与件6也没有有任何联联接关系系。这样样依靠弹弹性钢片片组对角角联接（（即弹性性）传递递扭矩，，且与电电机轴和和丝杠都都无键联联接。6465滚珠珠丝丝杠杠螺螺母母副副丝杠杠螺螺母母副副是是运运动动变变换换机机构构，，其其功功用用是是将将旋旋转转运运动动变变换换成成直直线线运运动动。。按按丝丝杠杠与与螺螺母母的的摩摩擦擦性性质质分分类类：：①①滑滑动动丝丝杠杠螺螺母母副副，，主主要要用用于于旧旧机机床床的的数数控控化化改改造造、、经经济济型型数数控控机机床床等等；；②②滚滚珠珠丝丝杠杠螺螺母母副副，，广广泛泛用用于于中中、、高高档档数数控控机机床床；；③③静静压压丝丝杠杠螺螺母母副副，，主主要要用用于于高高精精度度数数控控机机床床、、重重型型机机床床。。工作作原原理理丝丝杠杠（（螺螺母母））旋旋转转，，滚滚珠珠在在封封闭闭滚滚道道内内沿沿滚滚道道滚滚动动、、迫迫使使螺螺母母（（丝丝杠杠））轴轴向向移移动动，，从从而而实实现现将将旋旋转转运运动动变变换换成成直直线线运运动动。。66滚珠珠丝丝杠杠螺螺母母副副滚珠珠循循环环方方式式滚滚珠珠丝丝杠杠螺螺母母副副的的滚滚珠珠循循环环方方式式常常用用的的有有两两种种：：滚滚珠珠在在循循环环过过程程中中有有时时与与丝丝杠杠脱脱离离接接触触的的称称为为外外循循环环；；始始终终与与丝丝杠杠保保持持接接触触的的称称内内循循环环。。滚滚珠珠丝丝杠杠螺螺母母副副的的每每个个循循环环称称为为一一列列，，每每个个导导程程称称为为一一圈圈。。外循循环环下下图图为为常常用用的的一一种种外外循循环环方方式式，，这这种种结结构构是是在在螺螺母母体体上上轴轴向向相相隔隔2.5圈圈或或3.5圈圈螺螺纹纹处处钻钻两两个个孔孔与与螺螺旋旋槽槽相相切切，，作作为为滚滚珠珠的的进进口口与与出出口口。。再再用用弧弧形形铜铜管管插插入入进进口口和和出出口口内内，，形形成成滚滚珠珠返返回回通通道道，，由由弯弯管管的的端端部部来来引引导导滚滚珠珠；；这这种种弯弯管管由由两两半半合合成成，，采采用用冲冲压压件件，，工工艺艺性性好好。。外外循循环环方方式式制制造造工工艺艺简简单单、、应应用用广广泛泛，，但但螺螺母母径径向向尺尺寸寸较较大大，，因因用用弯弯管管端端部部作作挡挡珠珠器器，，故故刚刚性性差差、、易易磨磨损损，，噪噪音音较较大大。。外外循循环环的的工工作作圈圈数数是是2.5圈圈或或3.5圈圈，，1～～2列列。。6768滚珠丝丝杠螺螺母副副内循环环图图为滚滚珠内内循环环方式式，它它采用用圆柱柱凸键键反向向器实实现滚滚珠循循环，，反向向器的的圆柱柱部分分嵌入入螺母母内，，端部部开有有反向向槽2，反反向槽槽靠圆圆柱外外圆面面及其其上端端的凸凸键1定位位，以以保持持对准准螺纹纹滚道道方向向。在在一个个螺母母上沿沿螺纹纹周向向错开开120°°，轴轴向错错开（（t为导程程），，装三三个反反向器器，形形成三三圈滚滚珠循循环。。内循循环螺螺母结结构紧紧凑，，定位位可靠靠，刚刚性好好，不不易磨磨损，，反回回滚道道短，，不易易产生生滚珠珠堵塞塞，摩摩擦损损失小小。缺缺点是是结构构复杂杂、制制造较较困难难。内内循循环的的工作作圈数数是3列。。69滚珠丝丝杠螺螺母副副滚珠丝丝杠螺螺母副副的特特点1。传传动效效率高高达85%～98%，是是普通通滑动动丝杠杠的2～4倍，，2。。摩擦擦阻力力小:静摩摩擦阻阻力及及动静静摩擦擦阻力力差值值小，，采用用它是是提高高进给给系统统灵敏敏度、、定位位精度度和防防止爬爬行的的有效效措施施之一一；3。传传动精精度高高，可可消除除传动动间隙隙，实实现无无间隙隙传动动；4。由由于效效率高高，无无自锁锁能力力，故故对于于垂直直使用用的情情况，，应增增加自自锁装装置。。70滚珠丝丝杠副副的选选用选用要要点应应该该根据据机床床的精精度要要求来来选用用滚珠珠丝杠杠副的的精度度，根根据机机床的的载荷荷来选选定丝丝杠的的直径径，并并且要要验算算丝杠杠扭转转刚度度、压压曲刚刚度、、临界界转速速与工工作寿寿命等等。精度等等级的的选择择滚滚珠丝丝杠副副的精精度将将直接接影响响数控控机床床各坐坐标轴轴的定定位精精度。。普通通精度度的数数控机机床，，一般般可选选用D级，，精密密级数数控机机床选选用C级精精度的的滚珠珠丝杠杠副。。丝杠杠精度度中的的导程程误差差对机机床定定位精精度影影响最最明显显。而而丝杠杠在运运转中中由于于温升升引起起的丝丝杠伸伸长，，将直直接影影响机机床的的定位位精度度。通通常需需要计计算出出丝杠杠由于于温升升产生生的伸伸长量量，该该伸长长量称称为丝丝杠的的方向向目标标。用用户在在定购购滚珠珠丝杠杠时，，必须须给出出滚珠珠丝杠杠的方方向目目标值值。71滚珠丝杠副副的选用结构尺寸的的选择滚珠丝杠副副的结构尺尺寸主要有有：丝杠的的名义直径径D0、螺距t、长度L、滚珠直径径d0等，尤其是是名义直径径与刚度直直接相关，，直径大、、承载能力力和刚度越越大，但直直径大转动动惯量也随随之增加，，使系统的的灵敏度降降低。所以以，一般是是在兼顾二二者的情况况下选取最最佳直径。。有关资料推推荐：名义直径D0对于小型加加工中心采采用32、、40（mm），中中型加工中中心选用40、50(mm)，大型加加工中心采采用50、、63(mm)的滚滚珠丝杠，，但通常应应大于L/30--L/35；螺距t：t越小，螺旋旋升角小，，摩擦力矩矩小，分辨辨率高，但但传动效率率低，承载载能力低，，应折中考考虑；丝杆长度L：一般为工工作行程+螺母长度度+（5～～10）；；滚珠直径径d0越大，承载载能力越高高，尽量取取大值。一一般取d0=0.6t；滚珠的工作作圈数、列列数和工作作滚珠总数数对丝杆工工作特性影影响较大；；当前面三三项确定后后，后两项项也确定了了，一般不不用用户考考虑。72滚珠丝杠副副的选用验算当有关结构构参数选定定后，还应应根据有关关规范进行行扭转刚度度、临界转转速和寿命命的验算校校核：刚度验算丝杠属细长长杆，受扭扭矩会引起起扭转变形形，从而““吃掉”若若干输入的的位置指令令，致使执执行间的输输出不到位位，这些被被“吃掉””的输入称称为失动量量。刚度验验算就是校校验丝杠在在额定轴向向（扭转））载荷作用用下，执行行件的失动动量。失动动量的计算算方法如下下：73滚珠丝杠副副的选用临界转速验验算对于数控机机床来说，，滚珠丝杠杠的最高转转速是指快快速移动时时的转速。。因此，只只要此时的的转速不超超过临界转转速就可以以了。应校校核丝杠轴轴的转速与与丝杠自身身的自振频频率是否接接近，如果果很接近，，会导致强强迫共振，，影响机床床正常工作作。应根据据有关计算算公式进行行的校核。。寿命验算滚珠丝杠副副的寿命，，主要是指指疲劳寿命命。在工程程计算中，，采用"额额定疲劳寿寿命"这一一概念，它它指一批尺尺寸、规格格、精度相相同的滚珠珠丝杠，在在相同条件件下回转时时，其中90%不发发生疲劳剥剥落的情况况下运转的的总转数。。也可用总总回转时间间或总走行行距离来表表示。可根根据有关经经验公式校校核，应保保证总时间间寿命Lt≥20000(h)。如果果不能满足足这一条件件，而且轴轴向载荷已已由工作要要求所决定定不能减小小，则只有有选取直径径较大，即即额定动载载荷较大的的丝杠，以以保证Lt≥20000(h)。74滚珠丝杠的的支承结构构滚珠丝杠的的主要载荷荷是轴向载载荷，径向向载荷主要要来自于卧卧式丝杠的的自重。由由于滚珠丝丝杠的轴向向刚度对位位移精度的的影响很大大，因此，，如何从利利用支撑结结构来提高高滚珠丝杆杆的轴向刚刚度是至关关重要的。。美美国CINCINNATI10HC卧式加工工中心的Z坐标（立立柱水平方方向移动））的滚珠丝丝杠支承采采用一端固固定，一端端自由的结结构形式如如图5-19（a）），固定端端采用四个个接触角为为60°的的推力角接接触球轴承承，两个同同向、面对对面安装，，加上预紧紧，轴向刚刚度和承载载能力都很很高。该固固定端连同同伺服电机机都安装在在支架2上上。丝杠的的另一端自自由悬伸，，滚珠丝杠杠螺母4固固定在底座座3上。可可视为一种种辅助支承承。工作时时，伺服电电机12带带动滚珠丝丝杠5旋转转，并推动动支架和重重达5吨的的立柱1（（包括主轴轴箱和刀库库）沿Z方向运动。。757677滚珠丝杠的制制动滚珠丝杠副的的传动效率高高但不能自锁锁，用在垂直直传动或高速速大惯量场合合时需要制动动装置。目前前常见的有机机械式和电气气式两种。电电气方方式制动是采采用电磁制动动器，而且这这种制动器就就做在电机内内部。图为FANUC公公司伺服电机机带制动器的的示意图。机机床工作时，，在制动器线线圈7电磁力力的作用下，，使齿轮8与与内齿轮9脱脱开，弹簧受受压缩，当停停机或停电时时，电磁铁失失电，在弹簧簧恢复力作用用下，齿轮8、9啮合，，齿轮9与电电机端盖为一一体，故与电电机轴联接的的丝杠得到制制动，这种电电磁制动器装装在电机壳内内，与电机形形成一体化的的结构。78滚珠丝杠螺母母副滚珠丝杠螺母母副的安装一般要求滚滚珠丝杠杠螺母副在安安装时首先应应满足以下要要求：①滚珠丝杠螺螺母副相对工工作台不能有有轴向窜动；；②螺母座孔孔中心应与丝丝杠安装轴线线同心；③滚珠丝杠螺螺母副中心线线应平行于相相应的导轨;④能方便地进进行间隙调整整、预紧和预预拉伸。预紧滚珠丝杠螺母母副的预紧是是使两个螺母母产生轴向位位移（相离或或靠近），以以消除它们之之间的间隙并并施加预紧力力，预紧目的的是消除运动动间隙,提高高运动精度及及传动刚度。。79滚珠丝杠副的的轴向间隙的的消除和预紧紧轴向间隙：指丝杠和螺母母无相对转动动时，丝杠和和螺母之间最最大轴向窜动动。除了结构构本身的游隙隙之外，还包包括在施加轴轴向载荷之后后弹性变形所所造成的窜动动。预紧消隙的方方法：1修磨磨垫片厚度2用锁锁紧螺母消隙隙3齿差差式调整80双螺母消隙特点：调整方方便，不能精精确调整81修磨垫片消隙隙82齿差式调整螺距P

左螺螺母齿数Z1

右螺母齿齿数Z2同同向各转一个个齿调整量为为：

△=P（1/Z1-1/Z2）

特点点：能精确调调整间隙83数控机床的导导轨对数控机床导导轨的要求：：摩擦系数小、、运动平稳、、噪声低、传传动灵活、精精度高常用导轨类型型：滚动导轨：滚滚动导轨块直线滚动导轨轨静压导轨：滑动导轨：贴贴塑导轨84数控机床的导导轨直线滚动导轨轨85数控机床的导导轨贴塑导轨：86数控机床的导导轨静压导轨87第四节刀刀具、刀库库及自动换刀刀装置数控机床对刀刀具的要求数控机床所用用刀具的材料料及其选择数控机床用刀刀具类型自动换刀系统统的组成原理理刀库与刀具管管理刀具交换装置置88数控机床对刀刀具的要求适应高速切削削要求。高速速度、大进给给是数控加工工的特点，数数控机床的刀刀具必须具有有良好的切削削性能。高的可靠性较高的尺寸耐耐用度。刀具具在两次调整整之间所能加加工出合格零零件的数量，，称为刀具的的尺寸耐用度度。高精度。为适适应数控机床床加工的高精精度和自动换换刀的要求，，刀具及其装装夹结构也必必须有很高的的精度，以保保证它在机床床上的安装精精度和重复定定位精度。可靠的断屑及及排屑措施刀具的调整、、更换方便、、快速而且精精确符合标准化、、模块化、通通用化及复合合化89数控机床刀具具材料的性能能、种类刀具材料的性性能较高的硬度和和耐磨性。刀刀具切削部分分的硬度必须须高于工件材材料的硬度，，刀具材料的的硬度越高耐耐磨性就越好好。足够的强度和和韧性。以抵抵抗切削过程程中的冲击和和振动较高的耐热性性。是指刀具具材料在高温温下保持硬度度、耐磨性和和强度及韧性性的性能，是是衡量刀具材材料切削性能能的主要标志志较好的导热性性刀具材料的种种类高速钢：通用型高速钢钢、高性能高高速钢、粉末末冶金高速钢钢硬质合金：硬质合金的硬硬度和耐磨性性都很高，其其切削性能比比高速钢高得得多，刀具耐耐用度可提高高几倍到几十十倍；但抗弯弯强度和冲击击韧性较差。。涂层刀具：涂涂层刀具是在在韧性较好的的硬质合金刀刀具基体上，，涂覆一薄层层耐磨性高的的难熔金属化化合物。陶瓷刀具：陶陶瓷刀具材料料是在陶瓷基基体上重添加加各种碳化物物、氮化物、、硼化物和氧氧、氮化物等等并按一定生生产工艺制成成的。它具有有很高的硬度度、耐磨性、、耐热性和化化学稳定性等等独特的优越越性，在高速速切削范围以以及加工某些些难加工材料料，特别是加加热切削法方方面，包括涂涂层刀具在内内的任何高速速钢和硬质合合金刀具都无无法与之相比比。90数控车床所用用刀具91数控车床所用用刀具92数控镗铣铣床所用用刀具93自动换刀刀装置概述自动换刀刀系统应应该满足足换刀时时间短，，刀具重重复定位位精度高高，刀具具储存数数量足够够，结构构紧凑，，便于制制造、维维修、调调整，应应有防屑屑、防尘尘装置，，布局应应合理等等要求。。同时也也应具有有较好的的刚性，，冲击、、振动及及噪声小小，运转转安全可可靠等特特点。组成：自动换刀刀系统由由刀库、、选刀机机构、刀刀具交换换机构(如机械械手)、、刀具在在主轴上上的自动动装卸机机构等部部分组成成。94换刀方式式：分为两大大类由刀库和和主轴的的相对运运动实现现刀具交交换。用这种形形式交换换刀具时时，主轴轴上用过过的刀具具送回刀刀库和从从刀库中中取出新新刀，这这两个动动作不能能同时进进行，选选刀和换换刀由数数控定位位系统来来完成，，因此换换刀时间间长，换换刀动作作也较多多。由机械手手进行刀刀具交换换。由于刀库库及刀具具交换方方式的不不同，换换刀机械械手也有有多种形形式。95刀具必须须装在标标准的刀刀柄内，，我国TSG刀刀具系统统规定了了刀柄标标准，有有直柄及及7∶24锥度度的锥柄柄两类。。分别用用于圆柱柱形主轴轴孔及圆圆锥形主主轴孔其其结构如如下图所所示。图图中3为为刀柄定定位及夹夹持部位位，2为为机械手手抓取部部位，1为键槽槽，用用于传递递切削扭扭矩，4为螺孔孔，用以以安装可可调节拉拉杆，供供拉紧刀刀柄用。。刀具的的轴向尺尺寸和径径向尺寸寸应先在在调刀仪仪上调整整好，才才可装入入刀库中中。丝锥锥、铰刀刀要先装装在浮动动夹具内内，再装装入标准准刀柄内内。圆柱柱形刀柄柄在使用用时需在在轴向和和径向夹夹紧，因因而主轴轴结构复复杂，圆圆柱柄安安装精度度高，但但磨损后后不能自自动补偿偿。而锥柄稍稍有磨损损也不会会过分影影响刀具具的安装装精度。。在换刀刀过程中中，由于于机械手手抓住刀刀柄要作作快速回回转，拔拔、插刀刀具的动动作，还还要保证证刀柄键键槽的角角度位置置对准主主轴上的的驱动键键。因此此，机械械手的夹夹持部分分要十分分可靠，，并保证证有适当当的夹紧紧力，其其活动爪爪要有锁锁紧装置置，以防防止刀具具在换刀刀过程中中转动或或脱落。。96柄式夹持持：刀柄前端端有V形形槽，供供机械手手夹持用用，目前前我国数数控机床床较多采采用这种种夹持方方式。如如图所示示为机械械手手掌掌结构示示意图。。由固定定爪7及及活动爪爪1组成成，活动动爪1可可绕轴2回转，，其一端端在弹簧簧柱塞6的作用用下，支支靠在挡挡销3上上，调整整螺栓5以保持持手掌适适当的夹夹紧力，，锁紧销销4使活活

动爪爪1牢固固夹持刀刀柄，防防止刀具具在交换换过程中中松脱。。锁紧销销4要轴轴向压进进，放松松活动爪爪1，以以便抓刀刀或松刀刀时手爪爪从刀柄柄V形槽槽中退出出。97法兰盘式式夹持法兰盘式式夹持，，也称径径向夹持持或碟式式夹持，，如图所所示在刀刀柄的前前端有供供机械手手夹持用用的法兰兰盘，图图中所示示为采用用带洼形形肩面的的法兰盘盘供机械械手夹持持用。图图（a））上图为为松开状状态，下下图为夹夹持状态态。采用用法兰盘盘式夹持持的突出出优点是是：当采采用中间间搬运装装置时，，可以很很方便地地从一个个机械手手过渡到到另一个个辅助机机械手上上去，如如图（b）所示示。法兰兰盘式夹夹持方式式、换刀刀动作较较多，不不如柄式式夹持方方式应用用广泛。。98以EV-810A立式式加工中中心为例例，来说说明自动动换刀系系统的工工作原理理。该自动换换刀系统统由盘式式刀库和和刀具交交换装置置组成。。刀库安安装在机机床立柱柱的左侧侧，刀库库容量为为24把把刀具，，换刀机机械手安安装在刀刀库和主主轴之间间。机械械手将刀刀具从刀刀库中取取出送至至机床主主轴上，，然后将将用过的的刀具送送回刀库库。其自自动换刀刀动作过过程简述述如下：：

刀套套下转90°：：如图所所示，刀刀库位于于立柱左左侧，刀刀具轴线线在刀库库中的安安装方向向在换刀刀前与主主轴垂直直，刀库库将待换换刀具5送到换换刀位置置，刀套套4连同同刀具5向下翻翻转90°，使使刀具轴轴线与主主轴轴线线平行。。机机械手转转75°°：下图图所示K向视图图为机械械手的原原始位置置，换刀刀时机械械手顺时时针转75°，，两手爪爪分别抓抓住刀库库上和主主轴3上上的刀柄柄。机机械械手拔刀刀：待主主轴上自自动夹紧紧机构松松开刀具具后，机机械手下下降，同同时拔出出主轴上上和刀库库上的刀刀具。

刀具具位置交交换：机机械手顺顺时针转转180°，使使主轴刀刀具与刀刀库刀具具交换位位置。机机械手插插刀：机机械手上上升，分分别将刀刀具插入入主轴锥锥孔和刀刀库刀套套中。

机械械手逆时时针转75°：：待主轴轴上自动动夹紧机机构夹紧紧刀具后后，机械械手逆时时针转75°，，回到原原始位置置。刀刀套上上转90°：刀刀套带着着换回的的旧刀具具向上翻翻转90°，准准备下一一次选刀刀。该该机床使使用回转转式单臂臂双手机机械手换换刀。在在自动换换刀过程程中，机机械手要要完成抓抓刀、拔拔刀、交交换主轴轴上和刀刀库上的的刀具、、插刀和和复位等等动作，，这些动动作由气气压系统统来控制制完成。。这种自自动换刀刀系统结结构简单单，换刀刀可靠，，换刀动动作也少少，得到到了广泛泛应用。。99刀套下转转90°°机械手转转75°°机械手拔拔刀刀具位置置交换机械手逆逆时针转转75°°刀套上转转90°°主轴Z向向定位、、准停刀臂式换换刀动作作流程100刀库和刀刀具管理理刀库类型型：数控机床床上普遍遍采用盘盘式刀库库和链式式刀库。。密集型型的鼓刀刀库或格格子式刀刀库虽然然占地面面积小，，但由于于结构的的限制，，很少用用于单机机加工中中心。密密集型的的固定刀刀库目前前多用于于FMS中的集集中供刀刀系统。。盘式刀库库：盘式刀刀库一般般用于刀刀具容量量较少的的刀库链式刀库库：一般刀具具数量在在30～～120把时，，多采用用链式刀刀库101盘式刀库库102链式刀库库103自动换刀刀的选刀刀方式顺序选刀刀将刀具按按预定工工序的先先后顺序序插入刀刀库的刀刀座中，，使用时时按顺序序转到取取刀位置置。用过过的刀具具放回原原来的刀刀座内，，也可以以按加工工顺序放放入下一一个刀座座内。特点：不需要刀刀具识别别装置，，驱动控控制也较较简单，，工作可可靠。但但刀库中中每一把把刀具在在不同的的工序中中不能重重复使用用，为了了满足加加工需要要只有增增加刀具具的数量量和刀库库的容量量，这就就降低了了刀具和和刀库的的利用率率。此外外，装刀刀时必须须十分谨谨慎，如如果刀具具不按顺顺序装在在刀库中中，将会会产生严严重的后后果。这这种方式式现在已已很少采采用。刀具编码码方式：采用特殊殊的刀柄柄结构，，对每把把刀进行行编码刀座编码码方式：永久性编编码、临临时性编编码（钥钥匙编码码）方式式任意选刀刀：软件选刀刀104软件选刀刀方式ATC（（自动换换刀）控控制和刀刀号数据据表105刀具识别别与换刀刀1。刀具具在刀库库中任意意放置，，刀具编编号可任任意设定定

2。。刀具表表中刀具具号与刀刀套号的的对应关关系应始始终与刀刀具在刀刀库中的的实际位位置对应应

3。。计算机机通过查查刀具表表识别刀刀具4。换刀刀时，通通过软件件修改刀刀具表，，使相应应刀具表表中的刀刀号与交交换后的的刀号一一致。106107刀具交换换装置的的形式回转刀架架换刀回转刀架架换刀装装置，常常用于数数控车床床。可设设计成四四方、六六方刀架架或圆盘盘式轴向向装刀刀刀架，并并相应地地安装四四把、六六把或更更多的刀刀具。换刀流程程如下：：更换主轴轴换刀更换主轴轴箱换刀刀更换刀库库换刀带刀库的的自动换换刀系统统刀架抬起起刀架转位位刀架压紧紧转位油缸缸复位108109更换主轴轴换刀特点：结结构复杂杂，主轴轴刚性差差，适应应切削力力不大的的场合。。110更换主轴箱箱换刀111更换刀库换换刀112带刀库的自自动换刀系系统这类换刀装装置由刀库库、选刀机机构、刀具具交换机构构及刀具在在主轴上的的自动装卸卸机构等四四部分组成成，应用最最广泛。刀刀库库可装在机床的工作作台上、立立柱上或主主轴箱上，，也可作为为一个独立立部件装在在机床之外外。特点：带刀库的自自动换刀系系统，整个个换刀过程程比较复杂杂。换刀时时，根据选选刀指令先先在刀库上上选刀，由由刀具交换换装置从刀刀库和主轴轴上取出刀刀具，进行行刀具交换换。这种换换刀装置和和转塔主轴轴头相比，，由于机床床主轴箱内内只有一根根主轴，在在结构上可可以增强主主轴的刚性性，有利于于精密加工工和重切削削加工；可可采用大容容量的刀库库，以实现现复杂零件件的多工序序加工，从从而提高了了机床的适适应性和加加工效率。。但换刀过过程的动作作较多，换换刀时间较较长。113工作台快速速向右移动动刀库空刀座座对准主轴轴主轴箱下降降、主轴松松刀主轴箱上升升、刀库回回转主轴箱下降降，主轴插插刀主轴箱上升升机床工作台台快速向左左返回工件复位1。刀库装在工