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1、浙江大学机械与能源工程学院 傅建中 教授数控机床与数控技术第2章 数控机床的机械结构2.1 数控机床机械结构组成及特点2.1.1 数控机床机械结构的主要组成2.1.2 数控机床机械结构的主要特点2.2 数控机床的主传动系统2.2.1 数控机床主传动系统的特点2.2.2 数控机床主传动系统的变速方式2.2.3 数控机床的主轴部件2.2.4 高速主轴单元2.3 数控机床进给传动系统2.3.1 数控机床对进给系统的要求2.3.2 传动齿轮副2.3.3 丝杠螺母副2.4 数控机床导轨2.4.1 数控机床对导轨的基本要求2.4.2 数控机床导轨的类型与特点2.5 数控机床的工作台2.5.1 直线工作台2
2、.5.2 回转工作台2.5.3 摆动工作台2.5.4 直接驱动的回转工作台2.6 数控机床的位置检测装置2.6.1 检测装置的分类2.6.2 光栅2.6.3 旋转变压器2.7 自动换刀装置2.7.1 换刀形式2.7.2 刀具交换装置2.7.3 刀库2.8 数控机床的辅助装置2.8.1 数控机床液压和气压装置2.8.2 自动排屑装置2.8.3 工件自动交换系统2.6 数控机床的位置检测装置2.6 数控机床的位置检测装置1.检测装置的作用在闭环数控系统中，必须利用位置检测装置把机床 运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控 制值（指令信号）进行比较，从而控制驱动元件准 确运转，使工作台（或刀具
3、）按规定的轨迹和坐标 移动。它的精度直接影响数控机床的定位精度和加 工精度。2.6 数控机床的位置检测装置2.对位置检测装置的要求：（1）高可靠性和高抗干扰性；（2）满足精度和速度要求；（3）使用维护方便，适合机床运行环境；（4）成本低，寿命长。2.6.1 检测装置的分类数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流 三种类型。 安装的位置及耦合方式直接测量和间接测量；测量方法 增量型和绝对型;检测信号的类型 模拟式和数字式；运动形式 回转型和直线型；信号转换的原理 光电效应、光栅效应、电 磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等。 2.6.1 检测装置的分类分 类 增 量 式 绝 对 式 位移
4、传感器 回转型脉冲编码 器、自整角机 、旋转变压 器、圆感应 同步器 、光栅角度传感 器 、圆光栅、圆磁栅 多极旋转变压 器 、绝对 脉冲编码 器 绝对值 式光栅 、 三速圆感应同步器 、磁阻 式多极旋转变压 器 直线型直线应 同步器 、光栅尺 、磁栅尺 、激光干涉仪 霍耳位置传感器 三速感应同步器 、绝对 值磁尺、光电编码 尺 、磁性 编码 器 速度 传感器 交、直流测速发电 机 、 数 字脉编码 式速度传感器 、霍耳速 度传感器 速度角度传感器、数字 电磁、磁敏式速度传感器 电流 传感器 霍耳电流传感器 2.6.1 检测装置的分类1.根据安装的位置及耦合方式分为：直接测量 和间接测量直接测
5、量位置检测装置安装在执行部件（即末端件）上直接测量 执行部件末端件的直线位移或角位移，都可以称为直接 测量，可以构成闭环进给伺服系统，测量方式有直线光 栅、直线感应同步器、磁栅、激光干涉仪等测量执行部 件的直线位移；由于此种检测方式是采用直线型检测装置对机床的直线 位移进行的测量，其优点是直接反映工作台的直线位移 量。缺点是要求检测装置与行程等长，对大型的机床来说， 这是一个很大的限制。2.6.1 检测装置的分类间接测量位置检测装置安装在执行部件前面的传动元件或驱动电 机轴上，测量其角位移，经过传动比变换后才能得到执 行部件的直线位移量，这样的称为间接测量，可以构成 半闭环伺服进给系统。如将脉
6、冲编码器装在电机轴上。间接测量使用可靠方便，无长度限制。缺点是在检测信号中加入了直线转变为旋转运动的传动 链误差，从而影响测量精度。一般需对机床的传动误差 进行补偿，才能提高定位精度。2.6.1 检测装置的分类2.按测量方法分为：增量式和绝对式测量增量式测量增量式检测方式只测量位移增量，并用数字脉冲的个数 来表示单位位移（即最小设定单位）的数量，每移动一 个测量单位就发出一个测量信号。其优点是检测装置比较简单，任何一个对中点都可以作 为测量起点。但在此系统中，移距是靠对测量信号累积后读出的，一 旦累计有误，此后的测量结果将全错。另外在发生 故 障时（如断电）不能再找到事故前的正确位置，事故排
7、除后，必须将工作台移至起点重新计数才能找到事故前 的正确位置。脉冲编码器，旋转变压器，感应同步 器 ，光栅，磁栅，激光干涉仪等都是增量检测装置。2.6.1 检测装置的分类绝对式测量绝对式测量方式测出的是被测部件在某一绝对坐标系中 的绝对坐标位置值，并且以二进制或十进制数码信号表 示出来，一般都要经过转换成脉冲数字信号以后，才能 送去进行比较和显示。采用此方式，分辨率要求越高，结构也越复杂。这样的 测量装置有绝对式脉冲编码盘、三速式绝对编码盘（或 称多圈式绝对编码 盘）等。2.6.1 检测装置的分类3.按检测信号的类型分为：数字式和模拟式测 量数字式测量数字式测量是将被测量单位量化以后以数字形式
8、表示。 测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控系统进 行比较、处理。这样的检测装置有脉冲编码器、光栅。 数字式检测有如下的特点：（1）被测量转换成脉冲个数，便于显示和处理；（2）测量精度取决于测量单位，与量程基本无关； 但存在累计误码差；（3）检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。2.6.1 检测装置的分类模拟式测量模拟式测量是将被测量用连续变量来表示，如电压的幅 值变化，相位变化等。在大量程内做精确的模拟式检测 时，对技术有较高要求，数控机床中模拟式检测主要用 于小量程测量。模拟式检测装置有测速发电机、旋转变 压器、感应同步器和磁尺等。模拟式检测的主要特点有 ：（1）直接对被测量进行检
9、测，无须量化。（2）在小量程内可实现高精度测量。2.6.1 检测装置的分类4.根据运动型式分为：回转型和直线型检测装 置直线型位置检测装置用来检测运动部件的直线位移 量。旋转型位置检测装置用来检测回转部件的转动位移 量。2.6.1 检测装置的分类传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性，主 要如下。 1.精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确 程度称作精度。 2.分辨率 分辨率应适应机床精度和伺服系统的要求。 3.灵敏度 灵敏度高、一致。 4.迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出量 与反行程的输出量的不一致，称为迟滞。迟滞小。 5.测量范围和量程 6.零漂与温漂 其它：可靠，抗干扰
10、性强、使用维护方便、成本低等 。 2.6.2光栅光栅2.6.2光栅 光栅的分类：物理光栅和计量光栅物理光栅利用光的衍射现象分析光谱、测定波长计量光栅利用光的莫尔条纹现象测量精密位移计量光栅应用在高精度机床的伺服系统中，是闭环系统 中使用较多的测量装置，用作位移或转角的测量，其检 测精度可达1m以上，仅次于激光式测量。2.6.2光栅计量光栅按光线的运动路径：透射光栅和反射光栅在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，称为透射光栅；在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹，称为反射光栅。2.6.2光栅按光栅的运动方式：长光栅和圆光栅长光栅用于检测直线位移，圆光栅用于测量角度位移。两者工作
11、原理基本相似，以下着重介绍一种应用比较广泛的透射式长光栅。长光栅 圆光栅2.6.2光栅（一）光栅的种类 在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，称 为透射光栅；在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔 相等的线纹，称为反射光栅，也可以把线纹做成具有一 定衍射角度的定向光栅。计量光栅分为长光栅（测量直线位移）和圆光栅（测量 角位移），而每一种又根据其用途和材质的不同分为多 种。如可将长光栅分为玻璃透射光栅和金属反射光栅。由于激光技术的发展，光栅制作精度可以提高，再通过 细分电路可以做到0.1m，甚至更高的分辨率。 2.6.2光栅（二）光栅的工作原理 光栅位置检测装置由标尺光栅和光栅读数头两部分
12、组成 。标尺光栅一般固定在机床活动部件上（如工作台上）， 光栅读数头安装在机床的固定部件上(如机床底座)。光栅的结构 1-防护垫 2-光栅读数头 3-标尺光栅 4-防护罩 光栅读数头 1-光源 2-透镜 3-指示光栅 4-光敏元件 5-驱动线路 标尺光栅1243124532.6.2光栅标尺光栅（长光栅）和指示光栅（短光栅）通称为光栅 尺，它是用真空镀膜的方法光刻上均匀密集线纹的透明 玻璃片或长条形金属镜面。对于长光栅，这些线纹相互 平行，各线纹之间距离相等，我们称此距离为栅距。对 于圆光栅，这些线纹是等栅距角的 向心条纹。栅距和 栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅 的线纹密度为2
13、5,50,100,125,250条mm。对于圆光栅 ，一周内可刻线10800条。同一个光栅元件，其标尺光 栅和指示光栅的线纹密度必须相同。光栅读数头又叫光电转换器，它把光栅莫尔条纹变成电 信号。读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱 动线路组成，是一个单独的部件。图中的标尺光栅不属 于光栅读数头，但它要穿过光栅读数头，且保证与指示 光栅有准确的相互位置关系。光栅读数头还有分光读数 头、反射读数头和镜像读数头等几种。2.6.3 旋转变压器1.作用：一种常用的转角检测元件。2.特点：结构简单，动作灵敏，对环境无特殊 要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性 强，工作可靠等特点，且精度能满足一般
14、的检 测要求。3.分类：旋转变压器分为有刷式和无刷式两种 结构。有刷式旋转变压器特点：结构简单，体积小，可靠 性差，寿命也较短。无刷式旋转变压器特点：提高了可靠性及使用寿命 ，但其体积、质量、成本均有所增加。 2.6.3 旋转变压器旋转变压的结构和两相绕组线式异步电动机相似， 由定子和转子组成。可分为定子和转子两大部分。 定子和转子的铁心由镍软磁合金或硅钢薄板冲成的 槽状片叠成。它们的绕组分别镶嵌入各自的槽状铁 心内。定子绕组能通过固定在壳体上的接线柱直接 引出。转子绕组有两不同的引出方式。根据转子绕 组两种不同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和 无刷式两种结构。下图是有刷式旋转变压器。它的转
15、子绕组通过滑环和电 刷直接引出，其特点是结构简单，体积小，但因电刷与 滑环是机械滑动接触的，所以可靠性差，寿命也较短。 2.6.3 旋转变压器有刷式旋转变压器1-转子绕组 2-钉子绕组 3-转子4-整流子5-电刷6-接线柱2.6.3 旋转变压器图2.37是无刷式旋转变压器。它分为两大部分，即旋转 变压器本体和附加变压器。这种结构避免了电刷与滑环 之间的不良接触造成的影响，提高了旋转变压器的可靠 性及使用寿命，但其体积、质量、成本均有所增加。 无刷式旋转变压器1-壳体 2-旋转变压器本体定子 3-附加变压器定义 4-附加变压器原边线圈 5-附加变压器转子线轴6-附加变压器次边线圈 7-旋转变压器
16、本体转子 8-转子轴2.6.3 旋转变压器常见的旋转变压器一般有两极绕组和四级绕组两种 结构形成。两极绕组旋转变压器的定子和转子各有 一对磁极，四级绕组则有两对磁极，主要用于高精 度的检测系统。除此之外，还有多极式旋转变压器 ，用于高精密绝对式检测系统。2.7 自动换刀装置2.7.1 换刀形式为完成对工件的多工序加工而设置的存储及更 换刀具的装置称为自动换刀装置(Automatic tool changer，ATC) 自动换刀装置应当满足的基本要求为：(1)刀具换刀时间短且换刀可靠(2)刀具重复定位精度高；(3)足够的刀具储存量；(4)刀库占地面积小。2.7.1 换刀形式换刀形式回转刀架式转塔式带刀库式2.7.1 换刀形式（1）回转刀架自动换刀装置刀架可设计为四方形、六角形或其他形式
