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1、数控机床的机械结构,第 八 章,数控机床的机械结构一般由以下几部分组成： 1.主传动系统:包括动力源、传动件及主运动执行件（ 如主轴）等 2.进给传动系统:包括动力源、传动件及主运动执行件（ 如工作台、刀架）等 3.基础支撑件：包括床身、立柱、导轨、工作台等 4.辅助装置：包括自动换刀装置、液压气动系统、润滑冷却装置等,8.1 概 述,1.动、静刚度高 数控机床要在高速和重负荷条件下工作，机床的床身、底座等支撑件的变形都会影响刀架和工件之间的相对位移，引起加工误差。机床应合理选择结构形式、合理安排结构布局、采用补偿变形措施和合理选用材料来提高支撑件的静刚度和动刚度。,数控机床的结构特点：,2.
2、抗震性好 机床工作时可能产生两种形态的振动：强迫振动和自激振动。 数控机床在高速重切削情况下应无振动，以保证加工工件的高精度和高的表面质量，特别要注意的是避免切削时的自激振动，因此对数控机床的动态特性提出更高的要求。,3.热稳定性好 数控机床的热变形是影响加工精度的重要因素。引起热变形的热源主要是机床的内部热源，如电动机发热、摩擦热及切削热等。机床的热膨胀不均是影响刀具与工件正确位置的一个主要因素。机床的热稳定性好包括机床的温升小，产生温升后使温升对机床的变形影响小，机床产生热变形时对精度的影响较小,4.灵敏度高 数控机床要求在相当大的进给速度范围内能达到较高的精度，因而运动部件应具有较高的灵
3、敏度。 导轨通常用滚动导轨，塑料导轨，静压导轨等以减小摩擦力，使其无低速爬行现象。工作台、刀架等部件的移动由伺服电机驱动，经过滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需的驱动扭矩，提高定位精度和运动平稳性。,5.自动化程度高、操作方便 为了提高数控机床的生产率，必须最大限度的压缩辅助时间。如采用多主轴、多刀架，以及带到库的自动换刀装置等以减少换刀时间。对于多工序的自动换刀数控机床，除了要减少换刀时间外，还大幅度的压缩多次装卸工件的时间。几乎所有的数控机床都具备快速运动的功能，使空程时间缩短。,主传动系统应当具有较大的调速范围以保证加工时能选用合理的切削用量，同时主传动系统还需要较高的精度及刚度，尽量降低
4、噪声，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。,8.2 数控机床的主传动系统,8.2.1 主传动系统配置方式 数控机床的主传动系统多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统，为了适应低速大扭矩的要求，也经常采用齿轮有机调速和电动机无级调速相结合的方式。,1、带有变速齿轮的主传动,3、由调速电机直接驱动的主传动,2、通过皮带传动的主传动,这是大、中型数控机床采用较多的一种方式。,这主要应用在小型数控机床上。,这种主传动方式大大简化了主轴箱体结构，提高了主轴部件的刚度。,一、主轴轴承的配置方式1、前后支撑采用不同轴承 此配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强力切屑的要求，因此普遍应
5、用于各类数控机床。2、前轴承采用高精度双列向心推力球轴承向心推力球轴承高速时性能良好。但是，它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和紧密的数控车床。3、双列和单列圆锥滚子轴承这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。但是，这种轴承限制了主轴的最高转速和精度，因此使用中等精度、低速与重载的数控机床。,8.2.2 主轴组件结构,上一页,下一页,二、刀具自动装卸与切屑清除装置,上一页,下一页,变速齿轮传动,同步齿形带传动,主轴电机直接驱动,电主轴,一、进给传动系统作用 数控机床的进给传动系统负责接受数控系统发出的脉冲指令，并经放大和转换后驱动机床运动执行件实现
6、预期的运动。 二、对进给传动系统的要求 为保证数控机床高的加工精度，要求其进给传动系统有高的传动精度、高的灵敏度（响应速度快）、工作稳定、有高的构件刚度及使用寿命、小的摩擦及运动惯量，并能清除传动间隙。,8.3 数控机床的进给传动系统,上一页,下一页,8.3.1 进给传动系统简介,电机,支承,丝杠,螺母,1、步进伺服电机伺服进给系统 一般用于经济型数控机床。 2、直流伺服电机伺服进给系统功率稳定，但因采用电刷，其磨损导致在使用中需进行 更换。一般用于中档数控机床。 3、交流伺服电机伺服进给系统 应用极为普遍，主要用于中高档数控机床。 4、直线电机伺服进给系统 无中间传动链，精度高，进给快，无长
7、度限制；但散热 差，防护要求特别高，主要用于高速机床。,三、进给传动系统种类,上一页,下一页,、联轴器 联轴器是用来连接寄给机构的两根轴使之一起回转移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。套筒联轴器构造简单，径向尺寸小，但装卸困难（轴需作轴向移动）。绕行联轴器采用锥形夹紧环传递载荷，可使动力传递没有方向间隙。 凸缘式联轴器构造简单、成本低、可传递较大扭矩，常用于转速低、刚性大及对中性好的场合。他的主要缺点是对两轴的对中性要求很高。,四、进给传动机械部件,上一页,下一页,、减速机构 (1)、齿轮传动装置齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中
8、几乎都有齿轮传动。 (2)、同步齿形带 同步齿形带传动是一种新型的带传动。他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。,上一页,下一页,数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副来达到一定的降速比和转矩的要求。由于齿轮在制造中总是存在着一定的误差，不可能达到理想齿面的要求，因此一对啮合的齿轮，总应有一定的齿侧间隙才能正常地工作。 齿侧间隙会造成进给系统的反向动作落后于数控系统指令要求，形成跟随误差甚至是轮廓误差。对闭环系统来说，齿侧间隙也会影响系统
9、的稳定性。因此，齿轮传动副常采用各种消除侧隙的措施，以尽量减小齿轮侧隙。数控机床上常用的调整齿侧间隙的方法针对不同类型的齿轮传动副有不同的方法。,8.3.2 齿轮传动副,1圆柱齿轮传动消除间隙（1）,偏心轴套调整法 如图所示，齿轮装在电动机轴上，调整偏心轴套可以改变齿轮之间的中心距，从而消除齿侧间隙。,偏心套,齿轮,齿轮,1圆柱齿轮传动消除间隙（2）,锥度齿轮调整法 如图所示将一对齿轮和的轮齿沿齿宽方向制成小锥度，使齿厚在齿轮的轴向稍有变化。调整时改变垫片的厚度就能改变齿轮和的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。,齿轮,齿轮,垫片,1圆柱齿轮传动消除间隙（3）,双片齿轮错齿调整法 图示是双片齿轮周
10、向可调弹簧错齿消隙结构。两个相同齿数的薄片齿轮1和2与另个宽齿轮啮合，两薄片齿轮可相对回转。在两个薄片齿轮1和2的端面均匀分布着四个螺孔，分别装上凸耳3和8。齿轮1的端面还有另外四个通孔，凸耳可以在其中穿过，弹簧4的两端分别钩在凸耳3和调节螺钉7上。通过螺母5调节弹簧4的拉力，调节完后用螺母6锁紧。弹簧的拉力使薄片齿轮错位，即两个薄齿轮的左右齿面分别贴在宽齿轮齿槽的左右齿面上，从而消除了齿侧间隙。,1圆柱齿轮传动消除间隙（4）,双片齿轮错齿调整法 图b是另一种双片齿轮周向弹簧错齿消隙结构，两片薄齿轮1和2套装一起，每片齿轮各开有两条周向通槽，在齿轮的端面上装有短柱3，用来安装弹簧4。装配时使弹
11、簧4具有足够的拉力，使两个薄齿轮的左右面分别与宽齿轮的左右面贴紧，以消除齿侧间隙。,2斜齿轮传动消除间隙（1）,基本思想 斜齿轮传动消除侧隙的方法与直齿圆柱齿轮传动中双片薄齿轮消除间隙的思路相似，也是用两个薄片齿轮和一个宽齿轮啮合，只是通过不同的方法使两个薄片齿轮沿轴向移动合适的距离后，相当于两薄片斜齿圆柱齿轮的螺旋线错开了一定的角度。两个齿轮与宽齿轮啮合时分别负责不同的方向（正向和反向），起到消除侧隙的作用。,2斜齿轮传动消除间隙（2）,轴向垫片调整法 如图所示是斜齿轮垫片错齿消隙结构。宽齿轮4同时与两个相同薄片齿轮1和2啮合，薄片齿轮由平键和轴联接，互相不能相对回转。斜齿轮1和2的齿形拼装
12、后一起加工，并与键槽保持确定的相对位置。装配时在两薄齿轮之间装入厚度为的垫片3，使薄片齿轮1、2的螺旋线产生错位，其左右两齿面分别与宽齿轮4的齿贴紧，消除齿侧间隙。,2斜齿轮传动消除间隙（3）,轴向压簧调整法 如图所示是斜齿轮轴向压簧错齿消除间隙结构。该结构消隙原理与轴向垫片调整法相似，所不同的是利用齿轮2右面的弹簧压力使两个薄片齿轮产生相对轴向位移，从而它们的左、右齿面分别与宽齿轮的左右齿面贴紧，以消除齿侧间隙。图a采用的是压簧，图b采用的是碟形弹簧。,为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须要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，行程不太长的直线运动机构常用滚
13、珠丝杠副。滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上几乎没有什么差别。它可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠由专门工厂制造。,上一页,下一页,8.3.3 滚珠丝杠螺母副,工作原理和特点（1）,滚珠丝杆螺母副由于在丝杆和螺母之间放入了滚珠，使丝杆与螺母间变为滚动摩擦，因而大大地减小了摩擦阻力，提高了传动效率。丝杆和螺母上均制有圆弧型面的螺旋槽，将它们装在一起便形成了螺旋滚道，滚珠在其间既自转又循环滚动。,1-丝杠,2-滚道,3-螺母,4-滚珠,工作原理和特点（2）,滚珠丝杠螺母副的优点 传动效率高，摩擦损失小 滚珠丝杆螺母副的传动效率0.920.96，可实现高速运动。 运动平稳无爬
14、行 由于摩擦阻力小，动、静摩擦系数之差极小，故运动平稳，不易出现爬行现象。 传动精度高，反向时无空程,滚珠丝杆副经预紧后，可消除轴向间隙。 磨损小,精度保持性好，使用寿命长。 具有运动的可逆性可以将旋转运动转换成直线运动，也可将直线运动转换成旋转运动，即丝杆和螺母均可作主动件或从动件。,工作原理和特点（3）,滚珠丝杠螺母副的缺点 由于结构复杂，丝杆和螺母等元件的加工精度和表面质量要求高，故制造成本高。 由于不能自锁，特别是垂直安装的滚珠丝杆传动，会因部件的自重而自动下降。当部件向下运动且切断动力源时，由于部件的自重和惯性，不能立即停止运动。因此必须增加制动装置。 结论 由于其优点显著，虽成本较
15、高，仍被广泛应用在数控机床上。,2结构类型（1）,外循环 滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杆螺母间重新进入循环。在螺母外圆上装有螺旋形的插管口，其两端插入滚珠螺母工作始末两端孔中，以引导滚珠通过插管，形成滚珠的多圈循环链。,2结构类型（2）,内循环 靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环。反向器的数目与滚珠圈数相等。这种形式结构紧凑，刚度好，滚珠流通性好，摩擦损失小，但制造较困难。适用于高灵敏、高精度的进给系统，不宜用于重载传动中。,3滚珠丝杆副间隙的调整（1）,为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度，必须消除滚珠丝杆螺母副轴向间隙。消除间隙的方法常采用双螺
16、母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使每个螺母中的滚珠分别接触丝杆滚道的左右两侧。用这种方法预紧消除轴向间隙时，预紧力一般应为最大轴向负载的l/3。当要求不太高时，预紧力可小于此值。,3滚珠丝杆副间隙的调整（2）,双螺母垫片式消隙 此种形式结构简单可靠、刚度好，应用最为广泛，在双螺母间加垫片的形式可由专业生产厂根据用户要求事先调整好预紧力，使用时装卸非常方便。,双螺母垫片调整法（端部加垫片）图例,3滚珠丝杆副间隙的调整（3）,双螺母螺纹式消隙 如图所示，利用一个螺母上的外螺纹，通过圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧，调整好后用另一个圆螺母锁紧，这种结构调整方便，且可在使用过程中，随时调整，但预紧力大小不能准确控制。,3滚珠丝杆副间隙的调整（4）,齿差式消隙 如图所示，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为Z1、Z2，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量为： 式中Z1、Z2为齿轮的齿数，t为滚珠
