第五章數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)與傳動

數(shù)控技術(shù)新疆大學(xué)機械工程學(xué)院朱志堅周建平陳宏偉烏爾開西2/6/20231第五章數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)與傳動機床本體是數(shù)控機床的主體部分。來自于數(shù)控裝置的各種運動和動作指令，都必須由機床本體轉(zhuǎn)換成真實的、準確的機械運動和動作，才能實現(xiàn)數(shù)控機床的功能，并保證數(shù)控系統(tǒng)性能的要求。數(shù)控機床的本體由下列各部分組成：1.機床基礎(chǔ)件，床身，底座，立柱，滑座，工作臺等。支承作用。2.主傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)主運動。3.進給系統(tǒng)，實現(xiàn)進給運動。4.實現(xiàn)某些部件動作和某些輔助功能的裝置，液壓，氣動，潤滑，冷卻，防護，排屑。5.實現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)、分度定位的裝置和附件，回轉(zhuǎn)工作臺。6.刀庫、刀架和自動換刀裝置（ATC）7.托盤交換裝置(APC)8.特殊功能裝置，如刀具破損監(jiān)測、精度檢測和監(jiān)控裝置等。

其中，1—4為基本件，5—8為可選件。2/6/202325-1數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)要求主要結(jié)構(gòu)特性：靜剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性、低速運動的平穩(wěn)性、運動時的摩擦特性、幾何精度、傳動精度。

一、提高機床結(jié)構(gòu)的靜剛度靜剛度：在切削力和其他力的作用下，機床抵抗變形的能力。合理設(shè)計基礎(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)，提高機床的靜剛度

圖5-5圖5-6補償有關(guān)零、部件的靜力變形圖5-7提高機床部件的接觸剛度采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)2/6/20233二、提高機床結(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、減少機床的熱變形改進機床布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用熱對稱結(jié)構(gòu)圖5-9采用預(yù)拉伸的滾珠絲杠結(jié)構(gòu)在機床布局時，盡量減少內(nèi)部熱源

圖5-10控制溫升熱變形補償圖5-115-1數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)要求2/6/20234四、改善運動導(dǎo)軌副的摩擦特性一）塑料滑動導(dǎo)軌主要有導(dǎo)軌軟帶和導(dǎo)軌涂層，常與鑄鐵或鋼導(dǎo)軌配成導(dǎo)軌副聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶摩擦特性好圖5-12耐磨性好減振性好工藝性好圖5-13環(huán)氧型耐磨導(dǎo)軌涂層抗壓強度高摩擦特性好圖5-12耐磨性好具有良好的可加工性穩(wěn)定性好涂層工藝圖5-145-1數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)要求2/6/20235二）滾動導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌塊圖5-15直線滾動導(dǎo)軌圖5-16主要特點：對安裝基面的要求不高；制造精度高可高速運行，運行速度可大于60m/min能長時間保持高精度可預(yù)加負載，提高剛度抗振性不如滑動導(dǎo)軌，不宜用在有過大振動和沖擊的機床上。5-1數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)要求2/6/20236三）靜壓導(dǎo)軌在兩個相對運動的導(dǎo)軌面間通以壓力油，將運動件浮起，使導(dǎo)軌面間處于純液體摩擦狀態(tài)。圖5-175-1數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)要求2/6/202375-2數(shù)控機床的主運動與主軸部件數(shù)控機床主運動的特點：主軸轉(zhuǎn)速更高、變速范圍更寬、消耗功率更大一、數(shù)控機床主運動的參數(shù)運動參數(shù)：是指主軸轉(zhuǎn)速和變速范圍。動力參數(shù)：是指主運動的功率。主軸轉(zhuǎn)速和調(diào)速速范圍主軸轉(zhuǎn)速：

r/min主軸最低轉(zhuǎn)速：r/min主軸最高轉(zhuǎn)速：r/min調(diào)速范圍：數(shù)控機床的調(diào)速范圍寬，一般Rn>100，有時甚至Rn>10002/6/20238主運動的功率扭矩特性

PZ----切削力切向分力（N）;V----切削速度（m/min）;T----切削扭矩（N·m）;n----主軸轉(zhuǎn)速（r/min）;功率扭矩特性曲線5-2數(shù)控機床的主運動與主軸部件2/6/20239二、主運動的傳動與變速主運動的傳動形式帶有變速齒輪的主傳動特點：齒輪變速組即可降速，擴大輸出扭矩和恒功率變速范圍，適用于大中型機床。5-2數(shù)控機床的主運動與主軸部件通過皮帶傳動的主傳動特點：傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、輸出扭矩和變速范圍小，適用于小型機床2/6/202310電機直接驅(qū)動的主傳動精密聯(lián)軸器連接：結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高，但主軸的轉(zhuǎn)速和扭矩與電機完全一致，低速性能的改善是其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。5-2數(shù)控機床的主運動與主軸部件內(nèi)裝電機主軸：主軸部件結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣量小，振動噪聲小、動態(tài)響應(yīng)特性和剛度好。但發(fā)熱對主軸精度影響較大。用于立式加工中心的內(nèi)裝電機主軸如圖（最高轉(zhuǎn)速可達20000rpm）2/6/202311主傳動的自動變速無級調(diào)速：一般由電機調(diào)速與齒輪變速實現(xiàn)聯(lián)合調(diào)速自動變速：齒輪變速組的自動變速一般由液壓撥叉或電磁離合器自動操縱。圖5-21為某數(shù)控車床電機與齒輪聯(lián)合調(diào)速主傳動系統(tǒng)5-2數(shù)控機床的主運動與主軸部件2/6/202312液壓變速機構(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)控機床的主運動與主軸部件對應(yīng)的動作示意圖如下2/6/2023135-2數(shù)控機床的主運動與主軸部件三聯(lián)滑移齒輪液壓變速動作示意圖2/6/202314電磁離合器變速5-2數(shù)控機床的主運動與主軸部件2/6/202315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：可在運轉(zhuǎn)中變速、具有過載保護功能，但尺寸大、摩擦發(fā)熱大。5-2數(shù)控機床的主運動與主軸部件2/6/202316牙嵌式電磁離合器特點：傳遞扭矩大、尺寸小，傳動比準確，可用于內(nèi)聯(lián)系傳動鏈中。5-2數(shù)控機床的主運動與主軸部件2/6/202317三、主軸部件主軸部件包括：主軸、主軸支承及安裝在主軸上的傳動零件，對于自動換刀數(shù)控機床還包括自動夾緊、清屑、準停等裝置。一）主軸端部結(jié)構(gòu)和主軸支承主軸端部結(jié)構(gòu)圖5-275-2數(shù)控機床的主運動與主軸部件主軸支承主軸支承的選用主軸支承一般應(yīng)根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速、承載能力、回轉(zhuǎn)精度等性能選用。中小型機床：多采用滾動軸承。重型機床：多采用液體靜壓軸承高精度機床：多采用氣體靜壓軸承超高速機床（2~10×104rpm）：多采用磁力軸承或陶瓷滾珠軸承。2/6/202318數(shù)控機床常用滾動軸承的結(jié)構(gòu)形式如圖5-285-2數(shù)控機床的主運動與主軸部件2/6/202319數(shù)控機床常用主軸軸承的配置形式如圖5-2數(shù)控機床的主運動與主軸部件2/6/202320二）刀具自動夾緊、切屑清除和主軸準停裝置刀具自動夾緊、切屑清除5-2數(shù)控機床的主運動與主軸部件2/6/202321主軸準停裝置作用：以保證加工中型機床實現(xiàn)刀具自動交換。5-2數(shù)控機床的主運動與主軸部件2/6/202322一、自動換刀裝置的結(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）帶刀庫的自動換刀裝置

只帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)刀庫—機械手自動換刀系統(tǒng)5-3自動換刀裝置2/6/202323二、刀庫類型及刀具的選擇與識別刀庫類型盤形刀庫（儲存量一般為15—40把刀）鏈式刀庫（儲存量一般為30—120把刀）格子式刀庫（選刀及取刀動作復(fù)雜，應(yīng)用最少）5-3自動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2/6/202324刀具識別裝置5-3自動換刀裝置非接觸式刀具識別裝置接觸式刀具識別裝置2/6/2023255-4回轉(zhuǎn)工作臺作用：按照數(shù)控裝置的指令作回轉(zhuǎn)分度或連續(xù)回轉(zhuǎn)進給運動，以使數(shù)控機床完成指定的加工工序。種類：分度工作臺和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。一、分度工作臺功能：完成一定角度的回轉(zhuǎn)分度運動。作用：在加工中自動完成工件的轉(zhuǎn)位換面，實現(xiàn)工件一次安裝完成幾個面的加工。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和鼠齒盤式分度工作臺。定位銷式分度工作臺主要特點定位精度取決于定位銷和定位孔的精度，最高可達±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。2/6/202326定位銷式分度工作臺結(jié)構(gòu)工作過程分為三步：工作臺松開并抬起工作臺回轉(zhuǎn)分度工作臺下降并鎖緊5-4回轉(zhuǎn)工作臺2/6/202327鼠齒盤式分度工作臺主要特點定位精度高，可達±2〃，最高可達±0.4〃。采用多齒重復(fù)定位，重復(fù)定位精度穩(wěn)定。由于多齒嚙合，嚙合率高，所以定位剛度好，承載能力強。最小分度為360o/Z，分度數(shù)目多，適用于多工位分度。由于離合過程具有磨合作用，其定位精度不斷提高，使用壽命長。缺點是鼠齒盤制造比較困難。5-4回轉(zhuǎn)工作臺2/6/2023285-4回轉(zhuǎn)工作臺鼠齒盤及齒形結(jié)構(gòu)如圖工作過程分為三步：工作臺抬起工作臺回轉(zhuǎn)分度工作臺下降并定位鎖緊2/6/202329二、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺功能：完成工作臺的連續(xù)回轉(zhuǎn)進給和任意角度的分度。作用：即能作為回轉(zhuǎn)坐標軸實現(xiàn)坐標聯(lián)動加工，又能作為分度頭完成工件的轉(zhuǎn)位換面。特點：采用伺服系統(tǒng)實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、精確分度和定位。種類：開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺和閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺5-4回轉(zhuǎn)工作臺2/6/2023305-4回轉(zhuǎn)工作臺一）開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺特點：采用電液脈沖馬達或功率步進電機驅(qū)動，如圖2/6/202331二）閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺特點：采用交、直流伺服電機驅(qū)動，并帶有轉(zhuǎn)角檢測元件。5-4回轉(zhuǎn)工作臺2/6/202332三）雙導(dǎo)程（變齒厚）蝸桿傳動作用：用于回轉(zhuǎn)工作臺的連續(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），通過軸向移動蝸桿的方法來消除或調(diào)整嚙合間隙。5-4回轉(zhuǎn)工作臺2/6/202333雙導(dǎo)程蝸桿傳動特殊參數(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)差與節(jié)距5-4回轉(zhuǎn)工作臺2/6/2023345-4進給傳動系統(tǒng)進給運動是數(shù)字控制的直接對象，被加工工件的最終位置精度和輪廓精度都與進給運動的傳動精度、靈敏度、和穩(wěn)定性有關(guān)。因此在設(shè)計傳動機構(gòu)，選用傳動元件時應(yīng)充分注意：⑴減小摩擦阻力⑵提高傳動精度和剛度⑶消除傳動間隙和減小運動慣量。一、滾珠絲杠螺母副作用：實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)到直線運動的轉(zhuǎn)換工作原理：在絲杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，當它們套裝在一起時形成螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。當絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)時，兩者發(fā)生軸向位移，而滾珠則沿著滾道流動。2/6/202335特點：傳動效率高、運動平穩(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，普遍用于中小型機床的直線進給系統(tǒng)中（大型機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)和有效的防護裝置。軸向間隙消除目的：消除反向死區(qū)、提高傳動精度和運動平穩(wěn)性。常用消間隙措施：單螺母結(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進給傳動系統(tǒng)2/6/202336滾珠絲杠的安裝注意事項：螺母座孔與螺母座之間保持良好的配合，并保證孔對端面的垂直度。要保證螺母座的局部剛度和接觸剛度。合理選擇滾動軸承、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)簡單、剛度高，但成本也較高。

5-4進給傳動系統(tǒng)2/6/202337滾珠絲杠的防護作用：防止贓物落入滾道，保證滾珠的正常運行并避免滾珠和滾道的磨損。防護措施：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。運動式密封裝置：用于暴露在外的絲桿的防護。鋼帶纏卷式絲杠防護裝置，如圖5-4進給傳動系統(tǒng)2/6/202338二、靜壓蝸桿蝸條副和齒輪齒條副絲杠傳動的局限性：長絲杠制造困難，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，蝸桿相當于絲杠，蝸條相當于螺母。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入靜壓油腔的問題。配油原理圖5-445-4進給傳動系統(tǒng)2/6/202339齒輪齒條副：特點：速度高、傳動比大、剛度及效率高，但傳動不夠平穩(wěn)、傳動精度差、不能自鎖。消間隙措施：雙薄片齒輪消間隙結(jié)構(gòu)：用于小負載機床。雙片厚齒輪消間隙結(jié)構(gòu)：用于大負載機床。

雙片厚齒輪消間隙結(jié)構(gòu)如右圖5-4進給傳動系統(tǒng)2/6/202340三、進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除目的：消除反向死區(qū)、提高傳動精度和運動平穩(wěn)性。剛性調(diào)整法概念：是指調(diào)整之后齒側(cè)間隙不能自動補償?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