数控机床的机械结构

第2章

数控机床的机械结构

1第一节数控机床机械结构的组成和特点

一、数控机床机械结构的主要组成部分下图为一台小型立式加工中心的外形图。第一节数控机床机械结构的组成和特点

一、数控机床的主要组成部分数控机床的主要组成部分与普通机床相类似，包括以下几个组成部分：（1）主传动系统及主轴部件——使刀具(或工件)产生主切削运动。（2）进给传动系统——使工件(或刀具)产生进给运动并实现定位。（3）基础件——床身、立柱、滑座、工作台等。（4）其他辅助装置——如液压、气动、润滑、切削液等系统及装置。第一节数控机床机械结构的组成和特点

一、数控机床的主要组成部分1、主要部件：主传动装置、进给传动装置、工作台、床身等。2、辅助装置：刀库、自动换刀装置、润滑装置、冷却装置、排屑装置等第一节数控机床机械结构的组成和特点二、数控机床机械结构的主要特点：1、具有较高的静、动刚度和良好抗震性机床的刚度反映了机床机构抵抗变形的能力。机床变形产生的误差，通常很难通过调整和补偿的方法予以彻底的解决。为了满足数控机床高效、高精度、高可靠性以及自动化的要求，与普通机床相比，数控机床应具有更高的精刚度。此外，为了充分发挥机床的效率，加大切削用量，还必须提高机床的抗震性，避免切削时产生的共振和颤振。而提高机构的动刚度是提高机床抗震性的基本途径。第一节数控机床机械结构的组成和特点二、数控机床机械结构的主要特点：2、具有较好的热稳定性

机床的热变性是影响机床加工精度的主要因素之一。由于数控机床的主轴转速、快速进给都远远超过普通机床，机床又长时间处于连续工作状态，电动机、丝杠、轴承、导轨的发热都比较严重，加上高速切削产生的切屑的影响，使得数控机床的热变性影响比普通机床要严重得多。虽然在先进的数控系统具有热变性补偿功能，但是它并不能完全消除热变性对于加工精度的影响，在数控机床上还应采取必要的措施，尽可能减小机床的热变性。第一节数控机床机械结构的组成和特点

二、数控机床机械结构的主要特点：3、传动系统机械结构简化利用伺服进给系统代替普通机床的进给系统，并可以通过主轴调速系统实现主轴自动变速。电动机可以直接连接主轴和滚珠丝杠，齿轮、轴类零件、轴承的数量大为减少；因此，在机械结构上，数控机床的主轴箱、进给变速箱结构一般非常简单。在操作上，它不像普通机床那样，需要操作者通过手柄进行调整和变速，操作机构比普通机床要简单多。第一节数控机床机械结构的组成和特点

二、数控机床机械结构的主要特点：4、高传动效率和无间隙传动装置数控机床进行的是高速、高精度加工，再简化机械结构的同时，对于机械传动装置和元件也提出了更高的要求。高效、无间隙传动装置和元件在数控机床上去得了广泛的应用。如：滚珠丝杠副、塑料滑动导轨、静压导轨、直线滚动导轨等高效执行部件，不仅可以减少进给系统的摩擦阻力，提高传动效率；而且还可以使运动平稳和获得较高的定位精度。第一节数控机床机械结构的组成和特点

二、数控机床机械结构的主要特点：5、采用低摩擦因数的导轨为了让机床托板按照规定的方向（平行或垂直与主轴轴线的方向）移动（三角形导轨“定向”），以及承载切削时的切削抗力（矩形导轨“承载”）。

6、工作台实现多种运动方式，可满足零件加工的多种要求。

7、刀库和自动换刀装置实现了连续加工，减少了换刀时间和工件装卸次数，提高生产效率。

8、辅助装置保护机床，提高工件质量。

第二节数控机床的主传动系统

一、主传动系统的组成和特点

数控机床和普通机床一样，主传动系统也必须通过变速，才能使主轴获得不同的传递，以适应不同的加工要求，并且，在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的转矩，满足切削的需要。

数控机床作为高度自动化的设备，它对主传动系统的基本要求有以下几点：

1)为了达到最佳的切削效果，一般都应在最佳的切削条件下工作，因此，主轴一般都要求能自动实现无级变速。

2)要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高效、高速的加工需要。

第二节数数控机床的的主传动系系统一、主传动动系统的组组成和特点点3)为了降低噪噪声、减轻轻发热、减减少振动，，主传动系系统应简化化结构，减减少传动件件。4)在加工中心心上，还必必须具有安安装道具和和刀具交换换所需要的的自动夹紧紧装置，以以及主轴定定向准停装装置，以保保证刀具和和主轴、刀刀库、机械械手的正确确啮合。5)为了扩大机机床的功能能，实现对对C轴的控制，，主轴还需需安装位置置检测装置置，以便实实现对主轴轴位置的控控制。第二节数数控机床的的主传动系系统一、主传动动系统的组组成和特点点1、组成机床的主传传动系统将将电动机的的扭矩或功功率传递给给主轴部件件，使安装装在主轴内内的工件或或刀具实现现主切削运运动。主传传动系统和和主轴部件件一般都设设计成一个个主轴箱。。主要由主轴轴电动机、、变速机构构、主轴等等部分组成成。第二节数数控机床的的主传动系系统一、主传动动系统的组组成和特点点2、特点：1)采用直流或或交流电动动机，有较宽的调调速范围，能迅速可可靠地实现无级调调速，使切削始始终处于最最佳运行状状态。2)变速机构结结构简单。电动机可可以直接连连接主轴和和滚珠丝杠杠，齿轮、、轴类零件件、轴承的的数量大为为减少。3)变速迅速可可靠。4)主轴具有较较高的回转转精度，足够的刚度和抗振性，较好的热稳定性，，动态响应应好。主轴转速速高、功率率大，能使使数控机床床进行大功功率切削和和高速切削削，实现高高效率加工工。第二节数数控机床的的主传动系系统二、主传动动系统的分分类（变速速方式）1、无无极变速（（通过带传传动的主传传动）这这种方式式主要应用在在转速较高高、变速范范围不大的的小型数控控机床上，电动机本本身的调整整就能满足要求，不不用齿轮变变速，可避避免齿轮传动动时引起振振动和噪声声的缺点，但但它只适用用于低扭矩矩特性要求。。常用的有有同步齿形形带、多楔带带、V带、平带、、V形带。第二节数数控机床的的主传动系系统二、主传动动系统的分分类（变速速方式）2、分段无极极变速（带有变速齿齿轮的主轴轴传动）通过少数几几对齿轮降降速，扩大大了输出扭扭矩，以满满足主轴的的输出扭矩矩特性的要要求大中型型数控机床床较常采用用的配置方方式，确保保低速时有有较大的扭扭矩，滑移移齿轮的移移位大多采采用液压拨拨叉或直接接由液压缸缸驱动齿轮轮来实现。。大、中型数数控机床采采用的一种种配置方式式。第二节数数控机床的的主传动系系统二、主传动动系统的分分类（变速速方式）3、内置式调调速电动机机无级变速速（由调速电动动机直接驱驱动的主传传动）大大简化了了主轴箱体体与主轴的的结构，有有效地提高高了主轴部部件的刚度度，但主轴轴输出的扭扭矩小，电电机发热对对主轴的精精度影响较较大。三、数控机机床的主轴轴部件主轴部件作作为数控机机床的一个个关键部件件，它包括括主轴、主主轴的支承承、安装在在主轴上传传动件和密密封件等。。1、主轴主轴端部用用于安装刀刀具或夹持持工件的夹夹具，在设设计上应能能保证定位位准确、安安装可靠、、联接牢固固、装卸方方便，并能能传递足够够的扭矩。。主轴端部部的结构形形状都已标标准化了。。第二节数数控机床的的主传动系系统三、数控机机床的主轴轴部件2、主轴支承承(3种主要形式式)第二节数数控机床的的主传动系系统主轴的支承承应综合考考虑主轴的的受力状况况、转速高高低、热变变形大小、、支承跨距距、精度要要求等因素素，选择合合适的轴承承类型及布布置形式。。三、数控机机床的主轴轴部件2、主轴支承承(3种主要形式式)第二节数数控机床的的主传动系系统（1）前支撑撑采用双列列短圆柱滚滚子轴承和和60°角接触双列列向心推力力球轴承组组合，后支支撑采用成成对向心推推力球轴承承。可提高高主轴的综综合刚度，，满足强力力切削的要要求。普遍遍用于各类类数控机床床主轴。三、数控机机床的主轴轴部件2、主轴支承承(3种主要形式式)第二节数数控机床的的主传动系系统（2）前支撑采采用高精度度双列向心心推力球轴轴承。向心心推力轴承承有良好的的高速性，，主轴最高高转速可达达4000r／min，但承载能能力小，适适于高速、、轻载、高高精密的数数控机床主主轴。三、数控机机床的主轴轴部件2、主轴支承承(3种主要形式式)第二节数数控机床的的主传动系系统（3）前后支撑撑分别采用用双列和单单列圆锥滚滚子轴承。。径向和轴轴向刚度高高，能承受受重载荷，，其安装、、调整性能能好，但限限制了主轴轴转速和精精度，因此此可用于中中等精度、、低速、重重载的数控控机床的主主轴。第三节数数控机床的的进给传动动系统一、进给传动动系统的组成成及特点数控机床的进进给传动系统统与一般的机机床有着本质质上的差别，，它是进给伺伺服系统的一一个重要组成成部分。由数数控系统发出出的速度和位位移指令信号号经过伺服驱驱动装置和进进给传动系统统，可以使工工作台或刀架架实现要求的的进给运动和和精确的定位位，自动完成成切削过程。。第三节数控控机床的进给给传动系统一、进给传动动系统的组成成及特点1组成：伺服电电动机、传动动装置、工作作台或刀架、、与传动有关的导导轨等。2、主要特点：：（1）采用伺服电电动机驱动（2）采用低摩擦擦的传动副（3）传动副配有有传动间隙调调整装置（4）工作台的功功能多第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副滚珠丝杠螺母母副是一种在在丝杠与螺母母间装有滚珠珠作为中间传传动元件的丝丝杠副，是直直线运动与回回转运动能相相互转换的传传动装置。当当丝杠旋转时时，滚珠在滚滚道内既自转转又沿滚道循循环转动，因因而迫使螺母母（或丝杠））轴向移动。。1-丝杠2-滚道3-螺母4-滚珠第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副1、特点：1)传动效率高，，摩擦损失小小。2)运动平稳无爬爬行。3)传动精度高，，反向时无空空程。4)磨损小，精度度保持性好，，使用寿命长长。5)具有运动的可可逆性。6）制造困难，，成本较高。。第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副2、结构（1)滚道的法向截截面形状：1）单圆弧型面面单圆弧型面滚道的圆弧半半径略大于滚滚珠半径，滚道与滚珠为为点接触，摩摩擦阻力小，，传动灵敏，，结构工艺较较简单容易制制造，但接触触刚度稍差，，且滚道径相相间隙对传动动精度影响较较大。滚道的法向截截面形状第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副2、结构（1)滚道的法向截截面形状：2）双圆弧型面面滚道对径向间间隙大小不敏敏感，接触刚刚度较高，传传动性能优于于单圆弧滚道道，但制造困困难双圆弧型面第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副2、结构（2)滚珠的循环方方式：1）外循环滚珠在循过程程结束后，通通过螺母外环环表面上的螺螺旋槽或插管管返回丝杠螺螺母间重新进进入循环。外循环滚珠丝丝杠第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副2、结构（2)滚珠的循环方方式：1）外循环滚珠在循环过过程结束后，，通过螺母外外表面上的螺螺旋槽或插管管返回丝杠螺螺母间重新进进入循环。插管式外循环环滚珠丝杠第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副2、结构（2)滚珠的循环方方式：1）外循环特点：结结构简单，工工艺性好，承承载能力较高高，但径向尺尺寸较大。应应用最为广泛泛，也可用于于重载传动系系统。第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副2、结构（2)滚珠的循环方方式：2）内循环：靠螺母上安装装的反向器接接通相邻滚道道，使滚珠成成单圈循环。。反向器2的数目与滚珠珠圈数相等。。内循环式滚珠珠丝杠结构第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副2、结构（2)滚珠的循环方方式：2）内循环：特点：结构紧紧凑，刚度好好，滚珠流通通性好，摩擦擦损失小，制制造较困难，，适用于高灵灵敏、高精度度的进给系统统。第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副3、间隙调整：：为了保证滚珠珠丝杠反向传传动精度和轴轴向刚度，必必须消除滚珠珠丝杆螺母副副轴向间隙。。1)垫片调隙法：：调整垫片厚厚度，使左右右两螺母产生生轴向位移，，消除间隙，，产生预紧力力。（如右图图）第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副3、间隙调整1)垫片调隙法：：调整垫片厚厚度，使左右右两螺母产生生轴向位移，，消除间隙，，产生预紧力力。特点：结构简简单，刚性好好，但调整不不方便，滚道道有磨损时不不能随时消除除间隙和进行行预紧。第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副3、间隙调整2)螺纹调隙法：：如图所示，利利用一个螺母母上的外螺纹纹，通过圆螺螺母调整两个个螺母的相对对轴向位置实实现预紧，调调整好后用另另一个圆螺母母锁紧，这种种结构调整方方便，且可在在使用过程中中，随时调整整，应用较广广泛。但预紧紧力大小不能能准确控制，，调整精度较较差。第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副3、间隙调整3)齿差调隙法：：如图所示，在在两个螺母的的凸缘上各制制有圆柱外齿齿轮，分别与与固紧在套筒筒两端的内齿齿圈相啮合，，其齿数分别别为Z1、Z2，并相差一个个齿。调整时时，先取下内内齿圈，让两两个螺母相对对于套筒同方方向都转动一一个齿，然后后再插入内齿齿圈，则两个个螺母便产生生相对角位移移，其轴向位位移量为：式中Z1、Z2为齿轮的齿数数，Ph为滚珠丝杠的的导程。第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副4、滚珠丝杠副副的参数及选选择滚珠丝杠副的的参数有：滚珠丝杠径向向剖视图滚珠丝杠轴向向剖视图第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副4、滚珠丝杠副副的参数及选选择滚珠丝杠副的的参数有：（1）公称直径d滚珠与螺纹滚滚道在理论接接触角状态时时包络滚珠球球心的圆柱直直径，它是滚滚珠丝杠副的的特性尺寸。。公称直径越大大，承载能力力和刚度越大大，推荐滚珠珠丝杠副的公公称直径应大大于丝杠工作作长度的1/30。数控机床常用用的进给丝杠杠公称直径为为20~80mm。第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副4、滚珠丝杠副副的参数及选选择滚珠丝杠副的的参数有：（2）接触角β滚珠与滚道在在接触点处的的公法线与螺螺纹轴线的垂垂直线间的夹夹角，理想接接触角为45°（3）基本导程丝杠相对于螺螺母旋转2π弧度时螺母上上的基准点的的轴向位移。。第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副4、滚珠丝杠副副的参数及选选择滚珠丝杠副的的参数有：除此之外，还还有：丝杠螺螺纹大径d，丝杠螺纹小小径d1，螺纹全长l，滚珠直径db，螺母螺纹大径径D，螺母螺纹小小径D1，滚道圆弧半径径R等参数。第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副4、滚珠丝杠副副的标记方法法第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副5、滚珠丝杠副副的安装支承承方式（1）一端装止推轴轴承(固定－自由式式)这种安装方式式的承载能力力小，轴向刚刚度低，仅适适应于短丝杆杆。第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副5、滚珠丝杠副副的安装支承承方式（2）一端装止推推轴承，另一一端装深沟球球轴承(固定－支承式式)滚珠丝杆较长长时，一端装装止推轴承固固定，另一端端由深沟球轴轴承支承。为为了减少丝杆杆热变形的影影响，止推轴轴承的安装位位置应远离热热源。第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副5、滚珠丝杠副副的安装支承承方式（3）两端装推力力轴承（单推—单推式或双推推—单推式）如图图c所示。这种方方式是对丝杠杠进行预拉伸伸安装。这样样做的好处是是：减少丝杠杠因自重引起起的弯曲变形形；在推力轴轴承预紧力大大于丝杠最大大轴向载荷1/3的条件下，丝丝杠拉压刚度度可提高四倍倍；丝杠不会会因温升而伸伸长，从而保保持丝杠精度度。第三节数控控机床的进给给传动系统二、滚珠丝杠杠螺母副5、滚珠丝杠副副的安装支承承方式（4）两端装双重重止推轴承及及深沟球轴承承(固定－固定式式)如图d所示。为提高高刚度，丝杆杆两端采用双双重支承，如如止推轴承和和深沟球轴承承，并施加预预紧拉力。这这种结构方式式可使丝杆的的热变形转化化为止推轴承承的预紧力。。第三节数控控机床的进给给传动系统三、无间隙齿齿轮传动副进给传动装置置中齿轮副的的齿侧间隙也也会影响传动动精度和灵敏敏度。因此，，必须消除齿齿轮传动中的的间隙。1、直齿圆柱齿齿轮传动副的的间隙消除法法：（1）偏心套式消消除间隙结构构（2）双片薄齿轮轮错齿调整法法第二节数控控机床的主传传动系统三、无间隙齿齿轮传动副1、直齿圆柱齿齿轮传动副的的间隙消除法法：（1）偏心套式消消除间隙结构构如图所示，齿齿轮１装在电电动机轴上，，调整偏心轴轴套２可以改改变齿轮１和和３之间的中中心距，从而而消除齿侧间间隙。只能补补偿齿厚误差差和中心距误误差不能补偿偿偏心误差1-齿轮2-偏心套3-齿轮第二节数控控机床的主传传动系统三、无间隙齿齿轮传动副1、直齿圆柱齿齿轮传动副的的间隙消除法法：（2）双片齿轮错错齿调整法第二节数控控机床的主传传动系统图示是双片齿齿轮周向可调调弹簧错齿消消隙结构。两两个相同齿数数的薄片齿轮轮1和2与另—个宽齿轮啮合合，两薄片齿齿轮可相对回回转。在两个个薄片齿轮1和2的端面均匀分分布着四个螺螺孔，分别装装上凸耳3和8。齿轮1的端面还有另另外四个通孔孔，凸耳可以以在其中穿过过，弹簧4的两两端端分分别别钩钩在在凸凸耳耳3和调调节节螺螺钉钉7上。。通通过过螺螺母母5调节节弹弹簧簧4的拉拉力力，，调调节节完完后后用用螺螺母母6锁紧紧。。弹弹簧簧的的拉拉力力使使薄薄片片齿齿轮轮错错位位，，即即两两个个薄薄齿齿轮轮的的左左右右齿齿面面分分别别贴贴在在宽宽齿齿轮轮齿齿槽槽的的左左右右齿齿面面上上，，从从而而消消除除了了齿齿侧侧间间隙隙12薄片片齿齿轮轮38凸耳耳4弹簧簧5螺母母6锁紧紧螺螺母母7调节节螺螺钉钉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三、、无无间间隙隙齿齿轮轮传传动动副副2、斜斜齿齿齿齿圆圆柱柱齿齿轮轮传传动动副副的的间间隙隙消消除除法法：：垫片调整法如图所示是斜斜齿轮垫片错错齿消隙结构构。宽齿轮4同时与两个相相同薄片齿轮轮1和2啮合，薄片齿齿轮由平键和和轴联接，互