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1、04:56,数控技术,1,第5章 机械传动结构,第五章 机械传动结构,04:56,数控技术,2,5 机械传动结构,本章主要内容： 数控机床的布局 数控机床的主传动系统 数控机床的机械传动结构 数控机床的工作台与导轨,第五章 机械传动结构,04:56,数控技术,3,5 机械传动结构,引言 数控机床是一种高精度、高效率的自动化机床，它的机械部分较普通机床有更高的要求，如高刚度、高速度、低摩擦等 如何提高机床的刚度和精度是本章核心内容,04:56,数控技术,4,5.1 数控机床的布局,数控机床总体布局目前已经形成了一些传统的、经过考验的固定形式。它的好坏对机床的制造和使用都有很大的影响。,第一节 数
2、控机床的布局,04:56,数控技术,5,需要考虑： 要从机床的加工原理（各个部件之间的相对运动关系），结合考虑工件的形状、尺寸和位置关系等因素，来确定主要部件间的相对位置和配置； 考虑总体布局和机床结构性能关系，兼顾机床有良好的精度、刚度、抗震性和热稳定等功能； 全面考虑机床的外部因素，如：外观造型、操作维修和人机关系等,5.1 数控机床的布局,第一节 数控机床的布局,04:56,数控技术,6,5.1 数控机床的布局,数控车床 目前多采用倾斜床身 易于排屑，便于操作，宜人性好 易于安装机械手，实现单机自动化 容易实现封闭式防护，外观美观简洁，占地面积小 倾斜角度有：45、60 、75几种 角度
3、小，排屑不便，宜人性差 角度大，导规导向性差，受力情况变差,第一节 数控机床的布局,04:56,数控技术,7,5.1 数控机床的布局,加工中心 多采用 工作台不升降， 动立柱结构，主轴箱在立柱上做上下运动 刚性好、工艺性好、精度高、动态性能好,第一节 数控机床的布局,04:56,数控技术,8,5.1 数控机床的布局,加工中心,第一节 数控机床的布局,04:56,数控技术,9,五坐标数控机床 对转动坐标的一般要求： 转动坐标的摆动中心到刀具端面的距离不要过大，这样可以使坐标轴摆动引起的刀具切削点直角坐标的改变量小 工件的尺寸与质量较大，摆角进给运动由装有刀具的部件来完成，反之则有装卡工件的部件来
4、完成 两个摆角坐标合成矢量应能在半球空间范围内的任意方位变动,第一节 数控机床的布局,5.1 数控机床的布局,04:56,数控技术,10,5.1 数控机床的布局,五坐标数控机床布局方式： 三个直线坐标集中于立柱上，两个回转坐标设置在工作台上，用于中小型加工 规格较大时，可以使用龙门式结构转动由刀具来完成,第一节 数控机床的布局,04:56,数控技术,11,5.2 数控机床的主传动系统,主传动系统是实现主运动的传动系统，转速高、传递的功率大 可以分为三类： 电机经过一对齿轮变速后，通过两联滑移齿轮传动主轴，大、中型数控机床常采用这种变速方式 电机经过同步齿形带传动，用于小型数控机床和数控车床上
5、电机直接带动主轴旋转，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴影响较大 电主轴,第二节 数控机床主传动系统,04:56,数控技术,12,5.2 数控机床的主传动系统,主传动系统,第二节 数控机床主传动系统,04:56,数控技术,13,5.2 数控机床的主传动系统,主轴控制原理 分：有级变速、无级变速以及分段无级变速 三种 主轴电机：直流电机、交流电机 对主轴电机的要求： 大功率 宽的调速范围高过载能力 冷却好 有反馈,第二节 数控机床主传动系统,04:56,数控技术,14,5.2 数控机床的主传动系统,内装式电主轴 将交流变频宽速电机和主轴连为一体的直接驱动，可以实现更高的
6、速度、精度和效率，同时结构紧凑、重量轻、振动小、噪音低、响应快，易于实现主轴定位。 主要问题：要求电机功率大、体积小，即要有很宽的恒功率区，又要保持一定的输出扭矩；发热量大,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,15,内装式电主轴,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,16,5.3 进给伺服系统的机械传动结构,机械传动结构包括： 减速齿轮、连轴节、滚珠丝杠螺母副、丝杠支承、导轨副、传动数控回转工作台的蜗杆蜗轮等机械环节 它们的刚性、制造精度、摩擦阻尼特性等，对执行部件能否实现每一脉冲的微量移动有重要影响。 进给传动系统的驱动力矩很大，负载变化频繁，对刚度也有特殊要求。,第三节 机械
7、传动结构,04:56,数控技术,17,5.3 进给伺服系统的机械传动结构,电机与丝杠间的连接结构 齿轮传动 作用： 改变运动方向 降速、增矩 适应不同丝杠螺距和不同脉冲当量的配比 存在问题： 齿侧间隙 消除方法： 双片齿轮结构 双键消除间隙,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,18,5.3 进给伺服系统的机械传动结构,消除齿轮间隙,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,19,5.3 进给伺服系统的机械传动结构,轴向弹簧调整消除齿轮间隙采用了轴向弹簧压紧薄斜齿齿轮的两侧以消除齿轮间隙。弹簧调整法可实现磨损后的自动补偿。但对弹簧力要求较高，过低会影响传动刚度，过高则会加速齿轮磨损。
8、周向弹簧调整结构。两个薄斜齿轮1和2，依靠四个弹簧4拉紧，分别贴紧在宽斜齿轮齿间的两侧，以消除齿轮传动间隙。此方法可实现直齿齿轮磨损后的间隙自动补偿。,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,20,5.3 进给伺服系统的机械传动结构,联轴节 直接连接两根轴(直径不同也可以）的组件 几种常见的联轴节： 无键弹性环联轴节 套筒式联轴节,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,21,联轴节,无键弹性环联轴节 主动轴1和从动轴3，分别插入轴套6的两端。轴套和主、从动轴之间装有成对(一对或数对)布置的弹性环5，弹性环的内外锥面 互相贴合，通过压盖4轴向压紧，使内、外锥形环互相楔紧，使内环内径变小
9、箍紧轴，外环外径变大撑紧轴套，消除间隙并将主、从动轴与轴套连成一体，依靠摩擦传递转矩,弹性环联结的优点为定心好，承载能力高，没有应力集中源，装拆方便，又有密封和保护作用，是目前在数控机床进给系统中常用的联轴节,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,22,联轴节,套筒式联轴节 通过套筒将主、从动轴直接刚性连接，结构简单，尺寸小，转动惯量小。但要求主、从动轴之间同轴度高 (c)使用十字滑块9，接头槽口通过配研消除间隙。这种结构可以消除主、从轴间的同轴度误差的影响，在精密传动中应用较多。负载较小的传动可采用图 (a)和(b)所示的结构,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,23,5.3
10、进给伺服系统的机械传动结构,滚珠丝杠螺母副 结构的主要特点足在丝杠和螺母的圆弧螺旋槽之间装有滚珠作为传动元件，因而摩擦系数小，传动效率可达9095，动、静摩擦系数相差小，在施加预紧后，轴向刚度好，传动平稳，无间隙，不易产生爬行，随动精度和定位精度都较高，是目前数控机床进给系统最常用的机械结构之一,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,24,滚珠丝杠螺母副,滚珠丝杠螺母副分成内循环方式和外循环方式两大类： 内循环方式指在循环过程中滚珠始终保持和丝杠接触。这种方式结构紧凑，但要求制造精度较高。 外循环方式则在循环过程中滚珠与丝杠脱离接触，制造相对容易些，刚性差，噪音大，易磨损,第三节 机械传
11、动结构,04:56,数控技术,25,滚珠丝杠螺母副,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,26,滚珠丝杠螺母副,滚珠丝杠螺母副按精度分： JB3162.2-82:C/D/E/F/G/H，其中C最高 JB3162.2-91:1/2/3/4/5/7/10，其中1最高,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,27,滚珠丝杠螺母副,滚珠丝杠螺母副的预紧 预紧是使两个螺母产生轴向位移，以消除它们之间的间隙和施加预紧力 有三种方法： 用两个锁紧螺母来调节 改变垫片的厚度 齿差式预紧,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,28,滚珠丝杠螺母副,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,29
12、,滚珠丝杠螺母副,垫片调隙式 ，调整垫片厚度可通过改变两个螺母间位移消除传动副的轴向间隙。它的结构简单、可靠性好、刚度高、装卸方便，但调整比较困难。 螺纹调隙式 ，通过转动螺母改变两个螺母间位移来消除传动副的轴向间隙。它的优点是调整方便，在出现磨损后还可以随时进行补充调整。缺点是轴向尺寸较长，会增加丝杠螺纹部分的长度。 齿差调隙式 ，在两个螺母1、5的端面法兰上分别加工出外齿Z1和Z2，并各自装入对应的内齿圈6中。内齿圈通过螺钉固定在螺母外的套筒3端面。通常两个外齿轮相差1齿(如Z1=100，Z2=99)。当调整间隙时，将两个外齿轮从内齿圈中抽出并相对内齿圈分别同向转动一个齿，然后插回原内齿圈
13、中。此时，两个螺母间产生的相对位移为：式中，P为丝杠的螺距。当P=10mm时，间隙的调整量为0.001mm。由此可见，此方法可实现精密微调，预紧可靠，不会发生松动。虽然结构复杂，但仍然得到广泛应用。,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,30,滚珠丝杠螺母副,滚珠丝杠的选定 精度 直径 工作长度 扭转刚度 压曲刚度 临界转速 工作寿命,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,31,滚珠丝杠螺母副,机床定位要求与丝杠精度 普通精度的机床，选择D级，精密级数控机床选用C级精度 另外，由于丝杠在运行过程中由于温升导致丝杠伸长，将直接影响机床的定位精度，通常需要把导程值预先设定为负值，叫做丝
14、杠的方向目标T当L为丝杠螺纹的有效长度的时候， 为方向目标T,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,32,滚珠丝杠螺母副,滚珠丝杠的刚度 滚珠丝杠的刚度和直径大小直接相关，直径大，刚度好，但是转动惯量增大。因此要二者兼顾来选择最佳直径 推荐：小型加工中心采用3040mm,中型加工中心采用40/50mm,大型加工中心采用50/63mm的滚珠丝杠,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,33,滚珠丝杠螺母副,扭转刚度：扭矩作用点之间的距离（cm） G：剪切模量（MPa） 扭转变形角：扭转角度 T：扭矩（Nmm）,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,34,滚珠丝杠螺母副,滞后量：导
15、程,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,35,滚珠丝杠螺母副,滚珠丝杠副的临界转速 滚珠丝杠的最高转速是指快速移动时的转速，因此，此时的转速要小于临界转速即可。 校核 丝杠轴转速与丝杠自身的自振频率是否接近,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,36,滚珠丝杠螺母副,滚珠丝杠的寿命计算 主要计算疲劳寿命 轴向载荷和转速一般取平均值 要求总的时间寿命超过两万小时,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,37,滚珠丝杠螺母副,其它方法： 还有一些其它的方法来计算丝杠的参数，如：导程、最大转速等 这些计算要在选用的时候参考厂家提供的参数 ISO也推荐了一些公式供大家在计算时选用,第
16、三节 机械传动结构,04:56,数控技术,38,滚珠丝杠螺母副,滚珠丝杠的支承方式（图516） 一端固定，一端自由 一端固定，一端支撑 两端固定,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,39,滚珠丝杠螺母副,其它 制动 机械式制动（图517c） 电气式制动（图520） 丝杠的预拉伸 用于补偿热膨胀,第三节 机械传动结构,04:56,数控技术,40,其它传动结构 静压丝杠螺母副 在丝杠和螺母的螺纹之间供给压力油使之保持一定厚度、一定刚度的静压油膜，将丝杠和螺母之间的摩擦转变为液体摩擦。在重型和精密机床的进给系统中使用。 摩擦系数很小，启动力矩很小，传动灵敏 油膜层可以吸震，提高了运动平稳性,第三节 机械传动结构,5.3 进给伺服系统的机械传动结构,04:56,数控技术,41,5.3 进给伺服系统的机械传动结构,静压涡轮蜗杆副 用于大型的机床,
