数控机床第5章

第5章运动系统与典型机构

5.1概述5.2数控机床的主运动5.3数控机床的进给运动5.4数控机床的换刀运动05.1概述机床运动系统：主运动系统—实现机床主轴运动；进给运动系统—实现机床工作台的直线运动与转动；

换刀运动—实现加工中心更换刀具连续加工所需的运动。1主轴转速更高；变速范围更宽；提供的动力更强。1.数控机床的主运动系统性能要求：主运动的自动变速、准停；C轴控制；同步速度控制。2.数控机床的主运动系统功能：5.1概述25.1概述3.数控机床进给运动系统的性能特点：调速范围要宽，而且在整个调速范围内输出的运动要有良好的稳定性；输出的位移要有足够的精度，即实际位移量与指令位移量之差要小；负载特性要硬，当负载变化时，输出的速度应基本不变；动态响应要快，且动态误差要小，能适应频繁启动、停止以及正转、反转的需求。3换刀时间短、刀具重复定位精度高；刀具储存量足够、结构紧凑；换刀动作安全可靠。4.数控机床自动换刀系统的性能特点：5.1概述4课后思考1.数控机床对主运动系统的性能要求有哪些？2.进给运动的主要特点是什么？3.自动换刀系统的主要特点有哪些？5.1概述5第5章运动系统与典型机构

5.1概述5.2数控机床的主运动5.3数控机床的进给运动5.4数控机床的换刀运动6主轴转速n（r/min）：主轴的最低和最高转速：

r/min主轴调速范围：

r/min

r/min（1）主轴转速和调速范围5.2.1主运动参数5.2数控机床的主运动7（2）主运动的功率、转矩特性kwPZ—主切削力（N）

v—切削速度（m/min）T—切削扭矩（Nm）n—主轴转速（r/min）主运动所需输出的功率：主运动的转矩特性：最大功率（或扭矩）与运动速度之间的关系。5.2数控机床的主运动8恒扭矩输出：常用于一些特殊工序加工，如光车、攻大直径螺纹、铰大直径孔、精镗、成形铣削等，需要的输出功率较小的情况。5.2数控机床的主运动95.2数控机床的主运动5.2.2主运动的传动形式（1）带有简单变速机构的主传动优点：能满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围调节速度的能力。缺点：结构复杂，需要润滑及温度控制装置；成本较高；制造和维修难。应用：一般大中型铣床多采用这种结构。10（2）通过皮带传动的主传动优点：结构简单，安装调试方便，传动平衡，在一定条件下能满足转速与转矩的输出要求。缺点：调速范围比（恒功率调速范围与恒扭矩调速范围之比）受电机调速范围比的约束。应用：低扭矩输出要求的小型数控机床主轴上。5.2数控机床的主运动11（3）电机直接驱动的主轴结构（两种类型）电机通过精密联轴器与主轴联接。特点：结构紧凑、传动效率高的，主轴的特性完全与电机输出特性一致，因而在使用上受到一定限制。主轴与电机转子为一体，称电主轴。特点：结构紧凑，惯量小，响应快。制造和控制要求高。如主轴的散热、动平衡、支承、润滑及控制等。造价高。应用：多用于高速加工。5.2数控机床的主运动125.2.3主轴典型控制功能1.主轴准停装置机械式准停装置：功能：当特殊加工或自动换刀，主轴能实现准确的停止在一个固定位置上。1-无触点开关

2-感应块

3-凸轮定位盘4-定位液压缸

5-定向滚轮

6-定位活塞机械准停装置比较准确可靠，但结构较复杂。5.2数控机床的主运动13电气式准停装置：1-主轴

2-同步感应器

3-主轴电动机4-永久磁铁

5-磁传感器磁力传感器准停装置工作原理：数控装置发出主轴停转指令时，主轴电动机3立即降速，当永久磁铁4对准磁传感器5时，磁传感器发出准停信号，由定向电路使电动机准确地停止在规定的周向位置上。1）利用主轴上光电脉冲产生准停信号。2）利用磁力传感器检产生准停信号。5.2数控机床的主运动142.刀具自动夹紧装置、切屑清除装置自动换刀卧式镗床（镗铣加工中心）的主轴部件5.2数控机床的主运动153.C轴控制与同步速度控制

主轴的回转位置（转角）控制可进给伺服电机实现，也可以由主轴电机实现，此时主轴的位置（角度)由装于主轴上（不是主轴电机）上的高分辨率编码器检测，主轴作为进给伺服轴工作。对应Z轴的回转轴（即绕主轴回转）为C轴。

C轴与进给轴（Z轴或X轴）联动进行插补控制，可以实现任意曲线的加工。如：螺纹，端面曲线，非圆柱或圆锥的异形回转表面等。C轴控制与同步速度控制的功能：C轴的控制方式：5.2数控机床的主运动165.2.4电主轴结构紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高

具备精确的主轴定位及C轴传动功能。易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更好。主轴运行平稳，使主轴轴承的寿命得到延长。

主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是关键。电主轴具有如下特点：5.2数控机床的主运动17电主轴电主轴5.2数控机床的主运动18电主轴的结构5.2数控机床的主运动195.2数控机床的主运动20（1）电主轴电机的类型根据电主轴内装式电机的控制方法普通交流变频电主轴——结构简单，成本低，但存在低速输出功率不稳的问题，难以满足低速大扭矩的要求。交流伺服电主轴——特点：低速输出性能好，可实现闭环控制，经常用于加工中心等要求主轴定位或有C轴功能传动的数控机床。。②根据电主轴内装式电机的输出特性恒转矩电主轴——转矩是恒定的，输出功率与转速成正比。适合于磨削及高速钻削，电主轴的转速越高，输出功率越大。5.2数控机床的主运动21恒功率电主轴——在低速段的输出是恒转矩，高速段则是恒功率。主要用于镗、铣、车削等切削范围广、工况变化大的场合。（2）解决电主轴的振动问题的措施电主轴的最高转速：一般在10000/min以上，甚至高达60000~100000r/min。电主轴的振动类型：电主轴的谐振、电磁振荡和机械振动。关键问题：提高电主轴的动平衡。5.2数控机床的主运动22

电主轴上零件精密加工、装配和调校。电主轴上机构必须遵守对称性原则，键连接和螺纹连接在电主轴上是被禁止的。电主轴上的转子应与主轴装配后，以主轴、后轴径为定位支撑，配作转子的精车工序。在电机转子的两个端盖上，对称地加工16~24个直径略有不同的螺纹孔（M4或M6），根据动平衡测试结果，旋入相应的动平衡螺钉并调节旋入深度，进行动平衡的调节，用环氧树脂将这些螺钉固化。主要措施：5.2数控机床的主运动23（3）电主轴的散热措施电主轴的热源：电动机的发热和轴承的发热。动机的发热：采用外循环油水冷却系统进行冷却；轴承的发热：采用角接触陶瓷轴承，滚珠用Si3N4材料制成，直径比同规格球轴承小1/3；同时，采用强制循环油冷却的方式对主轴轴承进行冷却；设计电主轴组件时，电主轴上零件，最好采用同样密度、同样比热的材料，以保证整个电主轴组件运转的热平衡性。5.2数控机床的主运动24（3）解决电主轴的发热问题的措施5.2数控机床的主运动25（4）电主轴的支承滚动轴承支承：高速性能好，支承刚性好、价格适中、便于维修更换的优点，应用广泛。高速精密电主轴一般采用小钢球精密角接触球轴承。复合陶瓷轴承：发展较快的一种支撑形式。其耐磨耐热，能满足在一些特殊工作条件下的要求，寿命是传统轴承的数倍。气压和液压的动、静压轴承支承，电磁悬浮轴承：其内外圈小接触，理论上寿命无限长，结构简单并能达到很高的转速。电磁轴承价格较高，主要应用在超高速加工等高科技设备上，而动、静压轴承在多种精密、高速设备中应用非常普遍。5.2数控机床的主运动26（5）润滑方式油脂润滑、油雾润滑和油气润滑等。

目前国际上最流行的是油气润滑。其原理是用微量泵定时打出定量小油滴，经通过净化冷却的干燥空气润滑每个轴承的润滑点。

润滑系统先于主轴启动而后于主轴停止运行。油雾润滑、油气润滑时需注意压缩空气的干燥及洁净程度。润滑的注意事项：5.2数控机床的主运动27（6）电主轴发展趋势高速度、高刚度、高精度、高可靠性；高速大功率、低速大转矩；电主轴内装电机性能和形式多样化；轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化；刀具接口提高刀具在高速下的应用性能；电主轴的多功能和智能化。5.2数控机床的主运动28课后思考1.主运动的传动方式有哪些？各自特点及应用？2.主轴的功能有哪些？其相应的实现方式有哪些？3.查阅资料，了解电主轴的性能，以及其润滑、冷却等方式。5.2数控机床的主运动295.1概述5.2数控机床的主运动5.3数控机床的进给运动5.4数控机床的换刀运动第5章运动系统与典型机构

30传动系统对数控机床的影响：传动系统的刚度和惯量，影响进给系统的稳定性和灵敏度。传动部件的精度与传动系统的非线性，影响系统的位置精度和轮廓加工精度，在闭环系统中还影响系统的稳定性。5.3数控机床的进给运动31数控机床对机械传动系统的要求：刚度好；惯量小；间隙小；摩擦小。5.3数控机床的进给运动325.3.1数控机床进给传动系统的基本结构进给传动系统组成传动机构——传动齿轮或同步带运动变换机构——丝杠螺母副、蜗杆蜗轮副、

齿轮齿条副等导向机构——滑动导轨、滚动导轨、静压导

轨、轴承执行件——工作台5.3数控机床的进给运动33数控车床的进给传动系统简图5.3数控机床的进给运动345.3.2齿轮传动副齿轮传动设计主要考虑问题：1．齿轮副的传动级数和速比分配齿轮传动的传动级数和速比分配，一方面影响传动件的转动惯量大小，同时还影响执行件的传动效率。

增加传动级数，可以减小传动惯量，但导致传动装置的结构复杂，降低了传动效率，增大噪声，同时加大了传动间隙和摩擦损失，对伺服系统不利。

5.3数控机床的进给运动352．齿轮副传动间隙的消除（1）刚性调整法偏心轴套式间隙调整结构轴向垫片间隙调整结构刚性调整法是指调整后能暂时清除齿侧间隙，但使用之后不能自动补偿的调整方法。5.3数控机床的进给运动36柔性调整法是指调整后齿侧间隙可以自动补偿的调整方法。（2）柔性调整法蝶形弹簧消除斜齿轮间隙调整结构双齿轮错齿式间隙调整结构5.3数控机床的进给运动373．齿轮齿条副传动间隙的消除5.3数控机床的进给运动38

工作原理：丝杆（螺母）旋转，滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使螺母（丝杆）轴向移动5.3.2滚珠丝杠螺母副5.3数控机床的进给运动39滚珠丝杠螺母副具有传动效率高达85%～96%，约为一般滑动丝杠副的2～4倍；启动时无颤振，低速时无爬行；静、动摩擦系统几乎相等；寿命长，磨损小、精度保持性好；可预紧消隙，提高系统的刚度。滚珠丝杠螺母副特点：5.3数控机床的进给运动401．滚珠丝杠螺母副的结构1-丝杠

2-螺母

3-滚珠

4-回珠管

5反向器5.3数控机床的进给运动41

滚珠在循环过程中回珠时与丝杠脱离接触的结构；采用弧形铜管形成滚珠返回通道，由弯管的端部引导滚珠；其工作圈数是2.5圈或3.5圈，1～2列。2.滚珠丝杠螺母副的分类（1）外循环丝杆5.3数控机床的进给运动42（2）内循环1-丝杠2-螺母3-滚珠4-反向器

滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的结构。采用圆柱凸键反向器实现滚珠循环，反向器嵌入螺母内。工作圈数是3列。5.3数控机床的进给运动433．滚珠丝杠螺母副轴向间隙调整轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动量。（1）双螺母垫片调隙式5.3数控机床的进给运动44（2）双螺母齿差调隙式1-内齿轮2-外齿轮5.3数控机床的进给运动454．滚珠丝杠螺母副的支承方式一端推力轴承结构一端止推轴承，另一端向心球轴承结构两端止推轴承结构两端止推轴承及向心球轴承结构5.3数控机床的进给运动465．滚珠丝杠螺母副的润滑与密封毛毡圈密封。毛毡圈的厚度为螺距的2～3倍，而且内孔做成螺纹的形状，紧密地包住丝杠，并装入螺母或套筒两端的槽孔内。耐油橡皮或尼龙材料密封。为了避免密封圈增加滚珠丝杠副的摩擦阻力矩。可采用由硬质塑料制成的非接触式迷宫密封圈，内孔做成与丝杠螺纹滚道相反的形状，并留有一定间隙。（1）滚珠丝杠螺母副密封5.3数控机床的进给运动47润滑油。润滑油通过注油孔注油。润滑脂。一般在安装过程中放进滚珠螺母的滚道内，为定期润滑。（2）滚珠丝杠螺母副常用的润滑

良好的润滑可提高耐磨性及传动效率，从而保持传动精度，延长使用寿命。5.3数控机床的进给运动485.3.3同步带1.构成：

由梯形齿型带与有齿带轮组成。5.3数控机床的进给运动49无相对滑动，传动比准确；齿型带薄而轻，惯量较小，可用于高速传动，圆周速度可达40m／s；由于靠啮合传动，齿型带不需太大的预紧力小，减小了轴与轴承所受载荷，延长了齿型带和其它零件的使用寿命；因为啮合传动，小轮包角可减小，传动比大可达10～20，传动功率可达200KW，传动效率可达98%左右；制造和安装精度高，中心距要求严格。2.同步带传动与v带传动相比有以下特点：5.3数控机床的进给运动505.3.4数控机床的导轨要求其在高速进给时不发生振动，低速进给时不出现爬行；灵活性高，耐磨性好；

可在重载荷下长期连续工作；

精度保持性好。数控机床导轨的要求：5.3数控机床的进给运动511．塑料滑动导轨摩擦系数小，且动、静摩擦因数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性，抗撕伤能力强；加工性和化学稳定性好，工艺简单，成本低；有良好的自润滑和抗震性，经济效益显著等特点。（1）塑料导轨的特点：5.3数控机床的进给运动52（2）塑料滑动导轨的分类：贴塑导轨1-床身2-工作台3-下压板4-导轨软带5-帖有塑料软带的镶条5.3数控机床的进给运动53注塑导轨用涂敷工艺或压注成形工艺将塑料预先加在成锯齿形的导轨上。

注塑导轨的材料是以环氧树脂和二硫化钥为基体，加入增塑剂，混合成膏状为一组分，固化剂为另一组分的双组份塑料，称为环氧树脂耐磨涂料。5.3数控机床的进给运动542．滚动导轨灵敏度高、摩擦系数小（一般在0.0025～0.005的范围内）；动、静摩擦系数基本相同，因而运动平稳，不易出现爬行现象；

定位精度高，重复定位误差可达0.2μm；精度保持性好，寿命长。

滚动导轨抗振性能差，对防护要求高，结构复杂，制造比较困难，成本较高。滚动导轨的特点是：5.3数控机床的进给运动55滚动导轨常见结构类型：

滚动导轨块和直线滚动导轨。（1）滚动导轨块1-防护板2-端盖

3-滚柱4-导向片

5-保持器6-本体5.3数控机床的进给运动56（2）直线滚动导轨

滚动导轨组件形式、结构5.3数控机床的进给运动57直线滚动导轨5.3数控机床的进给运动58弧形滚动导轨5.3数控机床的进给运动59两维直线滚动导轨5.3数控机床的进给运动60组成结构1、4、5、8-回珠（回柱）；2、3、6、7-负载滚珠（滚柱）9-保持体10-端部密封垫11-滑块12-导轨体5.3数控机床的进给运动61

3．静压导轨1、4-滤油器2-油泵3-溢流阀5-节流阀

6-运动部件7-固定部件8-油箱5.3数控机床的进给运动625.3.5回转工作台分辨率高、定位精度高、运动平稳、动作迅速、转台刚性好；在多轴联动实现曲线和曲面的加工时，回转工作台必须能进行连续的圆周进给运动。数控机床对回转工作台的要求：5.3数控机床的进给运动631.分度工作台分度工作台只能实现分度运动。通常分度工作台的运动只能限于某些规定的角度，不能实现任意角度的分度。常用的定位方式：

销定位、反靠定位、齿盘定位和钢球定位等。立式数控回转分度盘5.3数控机床的进给运动64齿盘定位分度工作台1-弹簧2、10、11-轴承3-蜗杆4-蜗轮5、6-齿轮7-管道8-活塞9-工作台12液压缸13、14-齿盘5.3数控机床的进给运动65工作台抬起。压力油进入升降液压缸12下腔，带动工作台9也向上抬起;回转分度。液压马达通过蜗轮蜗杆副3、4和齿轮副5、6带动工作台9进行分度回转运动;

工作台下降定位夹紧。压力油进入升降液压缸12上腔，推动活塞8带动工作台下降。齿盘定位分度工作台的结构与工作原理：5.3数控机床的进给运动662．数控回转工作台数控回转工作台能按数控系统的指令，带动工件实现连续回转运动。回转速度是无级、连续可调的，同时，能实现任意角度的分度定位。按控制的性质可分为开环和闭环；按应用范围可分为立式和卧式。数控回转工作台的分类：5.3数控机床的进给运动67立式数控回转工作台可倾斜数控回转工作台5.3数控机床的进给运动68（1）开环数控回转工作台结构与工作原理5.3数控机床的进给运动69回转工作台的连续圆周进给运动。柱塞16运动到上位时，发出信号，功率步