數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)課件

1、數(shù)控技術(shù)新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院朱志堅(jiān) 周建平 陳宏偉 烏爾開西9/16/20221第五章 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng) 機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的主體部分。來自于數(shù)控裝置的各種運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作指令，都必須由機(jī)床本體轉(zhuǎn)換成真實(shí)的、準(zhǔn)確的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的功能，并保證數(shù)控系統(tǒng)性能的要求。數(shù)控機(jī)床的本體由下列各部分組成：1.機(jī)床基礎(chǔ)件，床身，底座，立柱，滑座，工作臺(tái)等。支承作用。2.主傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)。3.進(jìn)給系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。4.實(shí)現(xiàn)某些部件動(dòng)作和某些輔助功能的裝置，液壓，氣動(dòng)，潤(rùn)滑，冷卻，防護(hù)，排屑。5.實(shí)現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)、分度定位的裝置和附件，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。6.刀庫(kù)、刀架和自動(dòng)換刀裝置（ATC）7.托

2、盤交換裝置(APC)8.特殊功能裝置，如刀具破損監(jiān)測(cè)、精度檢測(cè)和監(jiān)控裝置等。 其中，1 4為基本件，5 8為可選件。9/16/202225-1 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)要求主要結(jié)構(gòu)特性： 靜剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性、低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性、運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦特性、幾何精度、傳動(dòng)精度。一、提高機(jī)床結(jié)構(gòu)的靜剛度靜剛度：在切削力和其他力的作用下，機(jī)床抵抗變形的能力。合理設(shè)計(jì)基礎(chǔ)件的界面形狀和尺寸，采用合理的筋板結(jié)構(gòu) 圖5-1 圖5-2 圖5-3 圖5-4采用合理的結(jié)構(gòu)布局，改善受力狀態(tài)，提高機(jī)床的靜剛度 圖5-5 圖5-6補(bǔ)償有關(guān)零、部件的靜力變形 圖5-7提高機(jī)床部件的接觸剛度 采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)9/16/20223二、提

3、高機(jī)床結(jié)構(gòu)的抗振性基礎(chǔ)件內(nèi)腔充填泥芯、混凝土等阻尼材料。圖5-9表面采用阻尼涂層采用新材料制造基礎(chǔ)件充分利用結(jié)合面間的阻尼 三、減少機(jī)床的熱變形改進(jìn)機(jī)床布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 采用熱對(duì)稱結(jié)構(gòu) 圖5-9采用預(yù)拉伸的滾珠絲杠結(jié)構(gòu)在機(jī)床布局時(shí)，盡量減少內(nèi)部熱源 圖5-10控制溫升熱變形補(bǔ)償 圖5-115-1 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)要求9/16/20224二）滾動(dòng)導(dǎo)軌滾動(dòng)導(dǎo)軌塊 圖5-15直線滾動(dòng)導(dǎo)軌 圖5-16主要特點(diǎn)：對(duì)安裝基面的要求不高；制造精度高 可高速運(yùn)行，運(yùn)行速度可大于60m/min能長(zhǎng)時(shí)間保持高精度可預(yù)加負(fù)載，提高剛度抗振性不如滑動(dòng)導(dǎo)軌，不宜用在有過大振動(dòng)和沖擊的機(jī)床上。 5-1 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)要求9/

4、16/20226三）靜壓導(dǎo)軌 在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌面間通以壓力油，將運(yùn)動(dòng)件浮起，使導(dǎo)軌面間處于純液體摩擦狀態(tài)。 圖5-175-1 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)要求9/16/20227主運(yùn)動(dòng)的功率扭矩特性 PZ-切削力切向分力（N）;V-切削速度（m/min）;T-切削扭矩（Nm）;n-主軸轉(zhuǎn)速（r/min）;功率扭矩特性曲線5-2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)與主軸部件9/16/20229二、主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)與變速主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)形式帶有變速齒輪的主傳動(dòng)特點(diǎn)：齒輪變速組即可降速，擴(kuò)大輸出扭矩和恒功率變速范圍，適用于大中型機(jī)床。5-2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)與主軸部件通過皮帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)特點(diǎn)：傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出扭矩和變速范圍小，

5、適用于小型機(jī)床9/16/202210電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng)精密聯(lián)軸器連接：結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高，但主軸的轉(zhuǎn)速和扭矩與電機(jī)完全一致，低速性能的改善是其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。5-2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)與主軸部件內(nèi)裝電機(jī)主軸：主軸部件結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣量小，振動(dòng)噪聲小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和剛度好。但發(fā)熱對(duì)主軸精度影響較大。用于立式加工中心的內(nèi)裝電機(jī)主軸如圖（最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20000rpm）9/16/202211主傳動(dòng)的自動(dòng)變速無級(jí)調(diào)速：一般由電機(jī)調(diào)速與齒輪變速實(shí)現(xiàn)聯(lián)合調(diào)速自動(dòng)變速：齒輪變速組的自動(dòng)變速一般由液壓撥叉或電磁離合器自動(dòng)操縱。 圖5-21為某數(shù)控車床電機(jī)與齒輪聯(lián)合調(diào)速主傳動(dòng)系統(tǒng) 5-2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)與

6、主軸部件9/16/202212液壓變速機(jī)構(gòu)圖5-21所示三聯(lián)滑移齒輪的液壓變速原理如下5-2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)與主軸部件對(duì)應(yīng)的動(dòng)作示意圖如下9/16/2022135-2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)與主軸部件三聯(lián)滑移齒輪液壓變速動(dòng)作示意圖9/16/202214電磁離合器種類： 摩擦片式 牙嵌式兩種無滑環(huán)摩擦片式電磁離合器特點(diǎn)：可在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速、具有過載保護(hù)功能，但尺寸大、摩擦發(fā)熱大。5-2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)與主軸部件9/16/202216牙嵌式電磁離合器特點(diǎn)：傳遞扭矩大、尺寸小，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，可用于內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈中。5-2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)與主軸部件9/16/202217數(shù)控機(jī)床常用滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)形式如圖5-2

7、85-2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)與主軸部件9/16/202219數(shù)控機(jī)床常用主軸軸承的配置形式如圖5-2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)與主軸部件9/16/202220二）刀具自動(dòng)夾緊、切屑清除和主軸準(zhǔn)停裝置刀具自動(dòng)夾緊、切屑清除5-2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)與主軸部件9/16/202221主軸準(zhǔn)停裝置作用：以保證加工中型機(jī)床實(shí)現(xiàn)刀具自動(dòng)交換。5-2 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)與主軸部件9/16/202222一、自動(dòng)換刀裝置的結(jié)構(gòu)類型回轉(zhuǎn)刀架換刀裝置（常用于數(shù)控車床）多主軸轉(zhuǎn)塔頭換刀裝置（常用于數(shù)控鏜銑床）帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置 只帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng) 刀庫(kù)機(jī)械手自動(dòng)換刀系統(tǒng)5-3 自動(dòng)換刀裝置9/16/202223二、刀庫(kù)類型及

8、刀具的選擇與識(shí)別刀庫(kù)類型盤形刀庫(kù)（儲(chǔ)存量一般為1540把刀）鏈?zhǔn)降稁?kù)（儲(chǔ)存量一般為30120把刀）格子式刀庫(kù)（選刀及取刀動(dòng)作復(fù)雜，應(yīng)用最少）5-3 自動(dòng)換刀裝置選刀方式順序選擇方式任意選擇方式 刀座編碼方式 刀具編碼方式 編碼附件方式9/16/2022245-4 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)作用：按照數(shù)控裝置的指令作回轉(zhuǎn)分度或連續(xù)回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以使數(shù)控機(jī)床完成指定的加工工序。種類：分度工作臺(tái)和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。一、分度工作臺(tái)功能：完成一定角度的回轉(zhuǎn)分度運(yùn)動(dòng)。作用：在加工中自動(dòng)完成工件的轉(zhuǎn)位換面，實(shí)現(xiàn)工件一次安裝完成幾個(gè)面的加工。精度保證：采用專門定位元件來保證。種類：定位銷式分度工作臺(tái)和鼠齒盤式分度工作臺(tái)。定位銷

9、式分度工作臺(tái)主要特點(diǎn)定位精度取決于定位銷和定位孔的精度，最高可達(dá)5。定位銷和定位孔襯套制造和裝配精度要求高。定位銷和定位孔襯套硬度和耐磨性要求高。9/16/202226定位銷式分度工作臺(tái)結(jié)構(gòu)工作過程分為三步：工作臺(tái)松開并抬起 工作臺(tái)回轉(zhuǎn)分度 工作臺(tái)下降并鎖緊5-4 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)9/16/2022275-4 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)鼠齒盤及齒形結(jié)構(gòu)如圖工作過程分為三步：工作臺(tái)抬起 工作臺(tái)回轉(zhuǎn)分度 工作臺(tái)下降并定位鎖緊9/16/202229二、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)功能：完成工作臺(tái)的連續(xù)回轉(zhuǎn)進(jìn)給和任意角度的分度。作用：即能作為回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工，又能作為分度頭完成工件的轉(zhuǎn)位換面。特點(diǎn)：采用伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、精確分

10、度和定位。種類：開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 和閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)5-4 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)9/16/2022305-4 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)一）開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)特點(diǎn)： 采用電液脈沖馬達(dá)或功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，如圖9/16/202231二）閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)特點(diǎn)： 采用交、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并帶有轉(zhuǎn)角檢測(cè)元件。5-4 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)9/16/202232三）雙導(dǎo)程（變齒厚）蝸桿傳動(dòng)作用：用于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的連續(xù)精確分度。基本原理：利用蝸桿齒左右兩側(cè)不同的齒矩（左右兩側(cè)模數(shù)不同），通過軸向移動(dòng)蝸桿的方法來消除或調(diào)整嚙合間隙。5-4 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)9/16/202233雙導(dǎo)程蝸桿傳動(dòng)特殊參數(shù)的選擇 公稱模數(shù)、齒厚增量系數(shù)、齒厚調(diào)整量、模數(shù)

11、差與節(jié)距5-4 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)9/16/2022345-4 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng) 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)字控制的直接對(duì)象，被加工工件的最終位置精度和輪廓精度都與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度、靈敏度、和穩(wěn)定性有關(guān)。因此在設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，選用傳動(dòng)元件時(shí)應(yīng)充分注意：減小摩擦阻力提高傳動(dòng)精度和剛度消除傳動(dòng)間隙和減小運(yùn)動(dòng)慣量。一、滾珠絲杠螺母副作用：實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)到直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換工作原理：在絲杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起時(shí)形成螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。當(dāng)絲杠相對(duì)于螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩者發(fā)生軸向位移，而滾珠則沿著滾道流動(dòng)。9/16/202235特點(diǎn)：傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、壽命高以及可預(yù)緊消除間隙并提高系統(tǒng)剛度等特點(diǎn)，普遍用于中小型

12、機(jī)床的直線進(jìn)給系統(tǒng)中（大型機(jī)床因距離大而采用齒條或蝸條）。種類：內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。內(nèi)循環(huán)：結(jié)構(gòu)緊湊、流暢性好，但工藝性差。外循環(huán)：工藝性好，但徑向尺寸較大、流暢性稍差。使用要求：應(yīng)具有可靠的軸向間隙消除結(jié)構(gòu)、合理的安裝結(jié)構(gòu)和有效的防護(hù)裝置。軸向間隙消除目的：消除反向死區(qū)、提高傳動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。常用消間隙措施：?jiǎn)温菽附Y(jié)構(gòu)和雙螺母結(jié)構(gòu)單螺母結(jié)構(gòu)：過盈滾珠消間隙結(jié)構(gòu)和變導(dǎo)程消間隙結(jié)構(gòu)兩種。雙螺母結(jié)構(gòu)：雙螺母齒差調(diào)隙式、雙螺母墊片調(diào)隙式、雙螺母螺紋調(diào)隙式5-4 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)9/16/202236滾珠絲杠的安裝注意事項(xiàng)：螺母座孔與螺母座之間保持良好的配合，并保證孔對(duì)端面的垂直度。要保證螺母座的局部

13、剛度和接觸剛度。合理選擇滾動(dòng)軸承、正確安裝滾珠絲杠，確保支承結(jié)構(gòu)的剛度。垂直升降絲杠應(yīng)安裝鎖緊機(jī)構(gòu)。常用軸承組合方式：向心軸承和圓錐軸承組合：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但軸向剛度不足。推力軸承或角接觸軸承與向心軸承組合：軸向剛度較高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、摩擦發(fā)熱大。滾珠絲杠專用軸承：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度高，但成本也較高。 5-4 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)9/16/202237滾珠絲杠的防護(hù)作用：防止贓物落入滾道，保證滾珠的正常運(yùn)行并避免滾珠和滾道的磨損。防護(hù)措施：接觸式密封圈密封： 防塵效果好，但增加了滾珠絲杠副的摩擦阻力矩。非接觸式迷宮密封： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但避免了與滾珠絲杠副的直接接觸。運(yùn)動(dòng)式密封裝置： 用于暴露在外的絲桿的防護(hù)。鋼帶

14、纏卷式絲杠防護(hù)裝置，如圖5-4 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)9/16/202238二、靜壓蝸桿蝸條副和齒輪齒條副絲杠傳動(dòng)的局限性：長(zhǎng)絲杠制造困難，且容易彎曲下垂，軸向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度較差。靜壓蝸桿蝸條副工作原理：同靜壓絲杠螺母副。其中，蝸桿相當(dāng)于絲杠，蝸條相當(dāng)于螺母。配油問題：由于蝸桿是旋轉(zhuǎn)的且與蝸條的接觸區(qū)只有120左右，必須解決壓力油從蝸桿進(jìn)入靜壓油腔的問題。配油原理 圖5-445-4 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)9/16/202239齒輪齒條副：特點(diǎn)： 速度高、傳動(dòng)比大、剛度及效率高，但傳動(dòng)不夠平穩(wěn)、傳動(dòng)精度差、不能自鎖。消間隙措施：雙薄片齒輪消間隙結(jié)構(gòu)： 用于小負(fù)載機(jī)床。雙片厚齒輪消間隙結(jié)構(gòu)： 用于大負(fù)載機(jī)床。 雙片厚

15、齒輪消間隙結(jié)構(gòu)如右圖5-4 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)9/16/202240三、進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)齒輪間隙的消除目的：消除反向死區(qū)、提高傳動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。剛性調(diào)整法概念：是指調(diào)整之后齒側(cè)間隙不能自動(dòng)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整方法。種類：偏心套式、帶錐度齒輪式、雙薄片斜齒輪式。偏心套式 通過轉(zhuǎn)動(dòng)偏心套調(diào)整中心距而調(diào)整間隙帶錐度齒輪式 通過改變墊片厚度調(diào)整齒輪軸向位置而調(diào)整間隙 雙薄片斜齒輪式 通過改變墊片厚度調(diào)整雙薄片斜齒輪軸向距離而調(diào)整齒槽間隙5-4 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)9/16/202241柔性調(diào)整法概念：是指調(diào)整之后齒側(cè)間隙可以自動(dòng)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整方法。種類：雙齒輪錯(cuò)齒式、壓力彈簧式、碟形彈簧式雙齒輪錯(cuò)齒式 套裝結(jié)構(gòu)拉簧式雙薄片直齒輪相對(duì)回轉(zhuǎn)調(diào)整齒槽間隙壓力彈簧式 套裝結(jié)構(gòu)壓簧式內(nèi)外圈式錐齒輪相對(duì)回轉(zhuǎn)調(diào)整齒槽間隙碟形彈簧式 碟形彈簧式雙薄片斜齒輪軸向移動(dòng)調(diào)整齒槽間隙5-4 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)9/16/202242本章結(jié)束 ！請(qǐng)各位同學(xué)認(rèn)真復(fù)習(xí)本章內(nèi)容！9/16/2022439/16/2022449/16/2022459/16/2022469/16/2022479/16/2022489/16/2022499/16/2022509/16/2022519/16/2022529/16/2