《機(jī)床數(shù)控技術(shù) 第2版》課件 第6章數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)

第6章

數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)

數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由機(jī)床基礎(chǔ)件、主傳動(dòng)裝置、進(jìn)給傳動(dòng)裝置、自動(dòng)換刀裝置及其它輔助裝置等組成。數(shù)控機(jī)床的各機(jī)械部件相互協(xié)調(diào)，組成一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，在數(shù)控系統(tǒng)的指令控制下，實(shí)現(xiàn)零件切削加工。由于數(shù)控機(jī)床的控制方式、加工要求和使用特點(diǎn)等，使數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床在機(jī)械傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)上有著十分顯著的變化，在性能方面也提出了新的要求。6.1

概述

1．?dāng)?shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（1）支承件高剛度化

為了提高數(shù)控機(jī)床的加工精度和抗振性，數(shù)控機(jī)床的床身、立柱等采用靜剛度、動(dòng)剛度、熱剛度特性都較好的支承構(gòu)件。（2）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡約化

為了簡化機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)精度，數(shù)控機(jī)床多數(shù)采用了高性能的無級變速主軸及伺服傳動(dòng)系統(tǒng)。（3）傳動(dòng)元件精密化

為減小摩擦、消除傳動(dòng)間隙、提高加工效率和獲得高加工精度，數(shù)控機(jī)床更多地采用了高效傳動(dòng)部件，如：滾珠絲杠螺母副、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌等。（4）輔助操作自動(dòng)化

為了改善勞動(dòng)條件和操作性能，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，數(shù)控機(jī)床采用了刀具與工件的自動(dòng)夾緊裝置、自動(dòng)換刀裝置、自動(dòng)排屑裝置及自動(dòng)潤滑冷卻裝置等。2．?dāng)?shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本要求根據(jù)數(shù)控機(jī)床的使用場合和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證以下要求：（1）提高機(jī)床的靜、動(dòng)剛度如圖6.1(a)、(b)所示，立式加工中心的龍門式結(jié)構(gòu)布局與單立柱式結(jié)構(gòu)布局相比，機(jī)床的剛度會得到明顯的提高。而且，即使在切削力的作用下，立柱的彎曲和扭曲變形也大為減少。圖6.1立式加工中心的布局圖6.2(a)、(b)為數(shù)控車床為斜床身和平床身的布局。即使兩種床身截面積和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相同，斜床身不僅能有效地改善受力條件提高機(jī)床剛度，而且斜床身可以設(shè)計(jì)成封閉式截面，然后再經(jīng)有限元分析優(yōu)化機(jī)床構(gòu)件的結(jié)構(gòu)靜剛度。圖6.2數(shù)控車床的布局

合理布置支承件的筋板也可以提高構(gòu)件的靜剛度和動(dòng)剛度。以交叉布置筋板時(shí)，可以得到較好的靜剛度和動(dòng)剛度。如圖為龍門式加工中心支承件的筋板布置圖。機(jī)床的導(dǎo)軌和支承件的連接部分，局部剛度很弱，一般用增加筋板或加強(qiáng)連接部分尺寸，以提高其局部剛度。（2）減少機(jī)床的熱變形機(jī)床的主軸、工作臺、刀架等運(yùn)動(dòng)部件，在運(yùn)動(dòng)中極易產(chǎn)生熱量，還有電機(jī)、液壓系統(tǒng)等也會產(chǎn)生的大量熱量，若這些熱量傳遞給機(jī)床的各個(gè)部件，引起溫升，產(chǎn)生熱膨脹，就會改變刀具與工件的正確相對位置，影響了加工精度。機(jī)床布局時(shí)，為減少內(nèi)部熱源，盡量將電機(jī)、液壓系統(tǒng)等置于機(jī)床本體之外。另外，加工過程產(chǎn)生的切屑也是一個(gè)不可忽視的熱源，為了快速排除切屑，機(jī)床的床身呈傾斜布局，且設(shè)置自動(dòng)排屑裝置，隨時(shí)將切屑排到機(jī)床外。同時(shí)，在工作臺或?qū)к壣显O(shè)置隔熱防護(hù)罩，隔離切屑的熱量。對于難以分離出去的熱源，可采取散熱、冷卻等辦法來降溫，如大流量冷卻液直接噴射切削部位，可迅速地將熾熱切屑帶走，使熱量排出，如圖6.4所示。圖6.4冷卻液直接噴射冷卻裝置有時(shí)為控制溫升，采用風(fēng)冷、油冷或用附加的致冷系統(tǒng)降低溫度。如圖6.5所示為數(shù)控車床主軸箱安裝了兩個(gè)冷卻風(fēng)管進(jìn)行循環(huán)散熱。圖6.5主軸箱循環(huán)風(fēng)散熱裝置（3）減少運(yùn)動(dòng)間的摩擦和消除傳動(dòng)間隙數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度和定位精度不僅受機(jī)床零部件的加工精度、裝配精度、剛度及熱變形的影響，而且與運(yùn)動(dòng)件的摩擦特性有關(guān)。（4）提高機(jī)床的壽命和精度保持性為了提高機(jī)床的壽命和精度保持性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮數(shù)控機(jī)床零部件的耐磨性，尤其是機(jī)床導(dǎo)軌、進(jìn)給傳動(dòng)絲杠以及主軸部件等影響加工精度的主要零件的耐磨性。（5）減少輔助時(shí)間和改善操作性能在數(shù)控機(jī)床的單件加工中，輔助時(shí)間（非切屑時(shí)間）占有較大的比重。要進(jìn)一步提高機(jī)床的生產(chǎn)率，就必須采取措施最大限度地壓縮輔助時(shí)間。（6）安全防護(hù)和宜人的造型數(shù)控機(jī)床切削速度高，一般都有大流量與高壓力的冷卻液用于冷卻和沖屑；機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件也采用自動(dòng)潤滑裝置，為了防止切屑與冷卻液飛濺，將機(jī)床設(shè)計(jì)成全封閉結(jié)構(gòu)，只在工作區(qū)留有可以自動(dòng)開閉的安全門窗，用于觀察和裝卸工件。6.2

數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)

針對不同的機(jī)床類型和加工工藝特點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床對其主傳動(dòng)系統(tǒng)提出了一些特定要求，具體如下：（1）

調(diào)速功能

為了適應(yīng)各種切削工藝的要求，主軸必須能實(shí)現(xiàn)無級變速，并具有一定的調(diào)速范圍，以保證加工時(shí)選用合理的切削用量，獲得最佳切削效率、加工精度和表面質(zhì)量。（2）功率要求

要求主軸具有足夠的驅(qū)動(dòng)功率或輸出扭矩，能在整個(gè)變速范圍內(nèi)提供切削加工所需的功率和扭矩，特別是滿足機(jī)床強(qiáng)力切削加工時(shí)的要求。（3）精度要求

主要指主軸的回轉(zhuǎn)精度。同時(shí)，要求主軸要有足夠的剛度、抗振性及較好的熱穩(wěn)定性。（4）動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能

要求主軸升降速時(shí)間短，調(diào)速時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。6.2.1

主傳動(dòng)方式

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)廣泛采用交流調(diào)速電機(jī)或直流調(diào)速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，隨著電機(jī)性能的日趨完善，能方便地實(shí)現(xiàn)寬范圍的無級變速，且傳動(dòng)鏈短，傳動(dòng)件少，變速的可靠性高。數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)方式主要有三種，如圖所示。（a）齒輪變速主傳動(dòng)方式（b）帶傳動(dòng)主傳動(dòng)方式（c）主軸電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式圖6.6數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)方式1.齒輪變速的主傳動(dòng)方式如圖6.6（a）所示，主軸電機(jī)經(jīng)過二級齒輪變速，使主軸獲得低速和高速兩種轉(zhuǎn)速系列，這種分段無級變速，確保低速時(shí)的大扭矩，滿足機(jī)床對扭矩特性的要求，是大中型數(shù)控機(jī)床采用較多的一種配置方式。2.帶傳動(dòng)主傳動(dòng)方式

如圖6.6（b）所示，主軸電機(jī)經(jīng)帶傳動(dòng)傳遞給主軸，帶傳動(dòng)主要采用

V型帶或齒形帶傳動(dòng)，可以避免齒輪傳動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)與噪聲，且其結(jié)構(gòu)簡單、安裝調(diào)試方便，應(yīng)用廣泛。3.主軸電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式如圖6.6（c）所示。電機(jī)軸與主軸用聯(lián)軸器同軸連接。這種方式大大簡化了主軸結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸剛度。但主軸輸出扭矩小，電機(jī)的發(fā)熱對主軸精度影響較大。近年來高速加工中心應(yīng)用較多是電主軸，該主軸本身就是電機(jī)的轉(zhuǎn)子，主軸箱體與電子定子相連。其優(yōu)點(diǎn)是主軸部件結(jié)構(gòu)更緊湊，質(zhì)量小，慣性小，可提高啟動(dòng)、停止的響應(yīng)特性；缺點(diǎn)同樣是熱變形問題。

電主軸電動(dòng)機(jī)主要由軸承1和5、密封圈2、帶繞組的定子3、空心軸轉(zhuǎn)子4、冷卻裝置6和8、速度檢測元件7等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6.7所示。圖6.7電主軸結(jié)構(gòu)及外觀圖1、5-陶瓷球軸承2-密封圈3-定子4-轉(zhuǎn)子6、8-冷卻水出入口7-旋轉(zhuǎn)變壓器6.2.2

數(shù)控機(jī)床的主軸部件

數(shù)控機(jī)床的主軸部件是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分之一，包括主軸的支承和安裝在主軸上的傳動(dòng)零件等。它的回轉(zhuǎn)精度影響工件的加工精度，它的功率大小與回轉(zhuǎn)速度影響加工效率，它的自動(dòng)變速、準(zhǔn)停和換刀影響機(jī)床的自動(dòng)化程度。因此，要求主軸部件具有良好的回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性及部件的耐磨性和精度的保持性。1．主軸部件的支承與潤滑根據(jù)主軸部件的工作精度、剛度、溫升和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，合理配置軸承，可以提高主傳動(dòng)系統(tǒng)的精度。目前數(shù)控機(jī)床主軸滾動(dòng)軸承的配置主要有如圖所示的四種形式。2．常用卡盤結(jié)構(gòu)為了減少裝夾工件的輔助時(shí)間，數(shù)控車床廣泛采用液壓（或氣壓）動(dòng)力自定心卡盤和彈簧夾頭等，如圖6.9所示?？ūP是機(jī)床上夾緊工件的常用機(jī)械裝置。（a）中空自定心卡盤（b）中實(shí)自定心卡盤（c）彈簧夾頭圖6.9數(shù)控車床工件夾緊裝置3．主軸準(zhǔn)停裝置

在加工中心上，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，使機(jī)械手準(zhǔn)確地將刀具裝入主軸孔中，刀具的鍵槽必須與主軸的鍵位在周向?qū)?zhǔn)；在鏜孔退刀時(shí)，還要求刀具向刀尖徑向的反方向移動(dòng)一段距離后才能退出，以免劃傷工件，這也需要主軸具有周向定位功能；另外，在通過前壁小孔鏜內(nèi)壁的同軸大孔，或進(jìn)行反倒角等加工時(shí)，也要求主軸實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停，以便穿過刀具和退刀。圖6.11為加工中心主軸電氣準(zhǔn)停裝置。圖6.11加工中心主軸準(zhǔn)停裝置1-主軸2-同步齒形帶3-主軸電機(jī)4-永久磁鐵5-磁傳感器4．主軸部件的結(jié)構(gòu)（1）數(shù)控車床主軸部件的結(jié)構(gòu)數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)一般采用交流無級調(diào)速電動(dòng)機(jī)，通過皮帶傳動(dòng)，帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。圖6.12為數(shù)控車床主軸外觀圖。圖6.13為數(shù)控車床主軸部件的典型結(jié)構(gòu)圖。主軸電動(dòng)機(jī)通過帶輪15把運(yùn)動(dòng)傳給主軸7。圖6.12數(shù)控車床主軸圖6.13數(shù)控車床主軸部件結(jié)構(gòu)1，6，8—螺母；2—同步齒形帶；3，16—同步帶輪；4—脈沖編碼器；5，12，13，17—螺釘；7—主軸；9—箱體；10—角接觸球軸承；11，14—圓柱滾子軸承；15—帶輪

（2）加工中心主軸部件結(jié)構(gòu)及刀具自動(dòng)夾緊裝置在加工中心上，為了實(shí)現(xiàn)夾持刀具的刀柄在主軸上的自動(dòng)裝卸，除了要保證刀柄在主軸上正確定位之外，還必須設(shè)計(jì)自動(dòng)夾緊裝置。自動(dòng)清除主軸孔內(nèi)的灰塵和切屑也是換刀過程中的一個(gè)重要問題。如果主軸錐孔中落入切屑、灰塵等，在拉緊刀桿時(shí)，主軸錐孔表面和刀桿的錐柄就會被劃傷，甚至?xí)沟稐U發(fā)生偏斜，破壞刀桿的正確定位，影響零件的加工精度。6.3

數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)

6.3.1數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)要求為確保進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，應(yīng)注意以下要求。1）提高傳動(dòng)精度和剛度數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)精度和定位精度對零件的加工精度起著關(guān)鍵性的作用，是數(shù)控機(jī)床的特征指標(biāo)。為此，首先要保證各個(gè)傳動(dòng)件的加工精度，尤其是提高滾珠絲杠螺母副（直線進(jìn)給系統(tǒng)）、蝸桿副（圓周進(jìn)給系統(tǒng)）的傳動(dòng)精度。2）減少各運(yùn)動(dòng)零件的慣量傳動(dòng)件的慣量對進(jìn)給系統(tǒng)的啟動(dòng)和制動(dòng)特性都有影響，尤其是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的零件，其慣量的影響更大。3）減少運(yùn)動(dòng)件的摩擦阻力機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的摩擦阻力，主要來自絲杠螺母副和導(dǎo)軌。4）響應(yīng)速度快快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。它是工件在加工過程中，工作臺在規(guī)定的速度范圍內(nèi)靈敏而精確地跟蹤指令，且不出現(xiàn)丟步現(xiàn)象。5）穩(wěn)定性好、壽命長穩(wěn)定性是伺服進(jìn)給系統(tǒng)能正常工作的基本條件，系統(tǒng)的穩(wěn)定性包括在低速進(jìn)給時(shí)不產(chǎn)生爬行、在交變載荷下不發(fā)生共振。穩(wěn)定性與系統(tǒng)的慣性、剛性、阻尼及增益等多個(gè)因素有關(guān)。6）使用維護(hù)方便數(shù)控機(jī)床屬于高精度自動(dòng)控制機(jī)床，因而進(jìn)給進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)便于維護(hù)和保養(yǎng)，最大限度地減小維修工作量，以提高機(jī)床的利用率。6.3.2

滾珠絲杠螺母副

絲杠螺母副是機(jī)床上常用的運(yùn)動(dòng)變換機(jī)構(gòu)，按絲杠與螺母的摩擦性質(zhì)不同將常用的絲杠螺母運(yùn)動(dòng)副分為：①滑動(dòng)絲杠螺母副。絲杠與螺母間的摩擦是滑動(dòng)摩擦，牙形為梯形，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，但是其定位精度和傳動(dòng)效率低，易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。主要用于普通機(jī)床傳動(dòng)等；②滾珠絲杠螺母副，數(shù)控機(jī)床應(yīng)用最廣泛的一種。下面將詳細(xì)介紹這種絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、原理和應(yīng)用。③靜壓絲杠螺母副。1．滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)組成滾珠絲杠由絲杠、螺母、滾珠和滾珠返回裝置四部分組成。按照滾珠的循環(huán)方式，滾珠絲杠螺母副分內(nèi)循環(huán)方式和外循環(huán)方式兩大類。內(nèi)循環(huán)方式指在循環(huán)過程中滾珠始終保持和絲杠接觸，如圖6.16所示。圖6.16滾珠絲杠內(nèi)循環(huán)方式1-絲杠；2-反向器；3-滾珠；4-螺母

外循環(huán)方式在循環(huán)過程中有時(shí)滾珠與絲杠脫離接觸，如圖6.17所示。插管5兩端插入與螺紋滾道相切的兩個(gè)孔內(nèi)，彎管兩端部引導(dǎo)滾珠4進(jìn)入彎管，形成一個(gè)循環(huán)回路，再用壓板1和螺釘將彎管固定。圖6.17滾珠絲杠外循環(huán)方式1—壓板；2—螺母；3—絲杠；4—滾珠；5—插管2．滾珠絲杠螺母副的特點(diǎn)（1）傳動(dòng)效率高

滾珠絲杠副傳動(dòng)的效率η高達(dá)92%～98%，是普通滑動(dòng)絲杠副的2～4倍。因此，功率消耗只相當(dāng)于普通滑動(dòng)絲杠副的1/4～1/2。（2）定位精度高

滾珠絲杠副發(fā)熱率低，溫升小以及在安裝過程中對絲杠采取預(yù)拉伸并預(yù)緊消除軸向間隙等措施，使?jié)L珠絲杠副具有高的軸向剛度、定位精度和重復(fù)定位精度。（3）靈敏度高

由于滾珠與絲杠和螺母之間的摩擦是滾動(dòng)摩擦，靜摩擦阻力及動(dòng)靜摩擦阻力差值小，配以滾動(dòng)導(dǎo)軌，驅(qū)動(dòng)力矩比普通滑動(dòng)絲杠副減少2/3以上，運(yùn)行極其靈敏，在高速時(shí)不顫動(dòng)，低速時(shí)無爬行。（4）使用壽命長

由于滾珠絲杠副的磨損小，同時(shí)對滾道形狀的準(zhǔn)確性、表面硬度、材料的選擇等方面又加以嚴(yán)格控制，滾珠絲杠副的精度保持性好，使用壽命長。（5）無自鎖能力

滾珠絲杠副具有傳動(dòng)的可逆性，無自鎖能力，所以對垂直使用的滾珠絲杠，因于重力的作用，當(dāng)傳動(dòng)切斷時(shí)不能立即停止運(yùn)動(dòng)，應(yīng)增加自鎖裝置。（6）制造成本高

滾珠絲杠副制造工藝復(fù)雜，制造成本較高。3．滾珠絲杠螺母副的選用滾珠絲杠副應(yīng)該根據(jù)機(jī)床的載荷和加工要求來合理選用，并進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的校核。選擇內(nèi)容包括其精度等級、公稱直徑、導(dǎo)程、長度、支承和預(yù)緊等。1）精度等級的選擇根據(jù)GB/T17587.3-1998標(biāo)準(zhǔn)，滾珠絲杠副分為定位型(P)和傳動(dòng)型(T)兩種。精度分為7級，即1、2、3、4、5、7和10級。1級精度最高，依次遞減。2）結(jié)構(gòu)尺寸的選擇滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)尺寸主要有絲杠的公稱直徑D0、螺距t、長度L、滾珠直徑d0等。（1）公稱直徑D0滾珠與螺紋軌道在理論接觸角狀態(tài)時(shí)包絡(luò)滾珠球心的圓柱直徑，是滾珠絲杠的特征尺寸。常見規(guī)格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、90、100mm。（2）螺距t

t越小，螺旋升角小，摩擦力矩小，分辨率高，但傳動(dòng)效率低，承載能力低，應(yīng)折中考慮。一般t=4～20mm。（3）絲桿長度L

一般為工作行程＋螺母長度＋（5～10）mm。（4）滾珠直徑d0

滾珠直徑d0越大，承載能力越高，盡量取大值。一般取d0＝0.6t。（5）滾珠的工作圈數(shù)、列數(shù)和工作滾珠總數(shù)對絲桿工作特性影響較大；當(dāng)前面三項(xiàng)確定后，后兩項(xiàng)也確定了，一般不用用戶考慮。4．滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)要獲得較高傳動(dòng)剛度，除了加強(qiáng)滾珠絲杠副本身的剛度外，滾珠絲杠的正確安裝及支承也是不可忽視的。常用的滾珠絲杠支承形式如圖6.18所示。圖6.18滾珠絲杠在機(jī)床上的支承形式（1）一端推力軸承（圖6.18a）

這種安裝方式適用于短絲杠，它的承載能力小，軸向剛度低。一般用于數(shù)控機(jī)床的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)或升降臺式數(shù)控銑床的垂直方向。（2）一端推力軸承，另一端深溝球軸承（圖6.18b）

此種方式用于絲杠較長的情況，當(dāng)熱變形造成絲杠伸長時(shí)，其一端固定，另一端能作微量的軸向浮動(dòng)。（3）兩端裝推力軸承（圖6.18c）

把推力軸承裝在滾珠絲杠的兩端，并施加預(yù)緊拉力，產(chǎn)生預(yù)拉伸，可以提高軸向剛度，其軸向剛度為一端固定的4倍左右，但這種安裝方式對絲杠的熱變形較為敏感。（4）兩端推力軸承及深溝球軸承（圖6.18d）

它的兩端均采用雙重支承并施加預(yù)緊，使絲杠具有較大的剛度，這種方式還可使絲杠的溫度變形轉(zhuǎn)化為推力軸承的預(yù)緊力。但設(shè)計(jì)時(shí)要求提高推力軸承的承載能力和支承剛度。5．滾珠絲杠的制動(dòng)滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率高但不能自鎖，在垂直傳動(dòng)或高速大慣量場合時(shí)，需要設(shè)置制動(dòng)裝置。最見的制動(dòng)方式是電氣方式，即采用電磁制動(dòng)器，且這種制動(dòng)器就做在電機(jī)內(nèi)部。圖6.19為FANUC公司伺服電機(jī)帶制動(dòng)器的示意圖。圖6.19電磁制動(dòng)1-編碼器2-永久磁鐵3-電機(jī)轉(zhuǎn)子4-電磁線圈5-外齒輪6-內(nèi)齒輪6．滾珠絲杠螺母副的軸向間隙消除和預(yù)緊滾珠絲杠副對軸向間隙有嚴(yán)格的要求，以保證反向時(shí)的運(yùn)動(dòng)精度。所謂軸向間隙是指絲杠和螺母無相對轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絲杠和螺母之間最大軸向竄動(dòng)。它除了結(jié)構(gòu)本身的游隙之外，還包括在施加軸向載荷之后彈性變形所造成的竄動(dòng)。因此要把軸向間隙完全消除比較困難，通常采用雙螺母預(yù)緊的方法，把彈性變形控制在最小的限度內(nèi)。目前常用的雙螺母預(yù)緊結(jié)構(gòu)形式有以下三種。1）雙螺母預(yù)緊圖6.20所示為利用雙螺母來調(diào)整間隙實(shí)現(xiàn)預(yù)緊的結(jié)構(gòu)，左螺母1和右螺母7以平鍵2與外套3相聯(lián)，其中右螺母7的外伸端沒有凸緣并制有外螺紋。圖6.20雙螺母預(yù)緊式滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)1-左螺母2-平鍵3-外套4-墊片5-調(diào)整圓螺母6-鎖緊圓螺母7-右螺母8-絲杠

2）修磨墊片預(yù)緊如圖6.21所示，通過修磨墊片3的厚度，使?jié)L珠絲杠左右螺母1、4產(chǎn)生軸向位移，實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。這種方式結(jié)構(gòu)簡單、剛性好，調(diào)整間隙時(shí)需卸下調(diào)整墊片修磨，為了裝卸方便，最好將調(diào)整墊片做成半環(huán)結(jié)構(gòu)。圖6.21修磨墊片式滾珠絲杠副預(yù)緊結(jié)構(gòu)1-左螺2-鎖緊螺釘3-調(diào)整墊片4-右螺母3）齒差式螺母預(yù)緊圖6.22為齒差式調(diào)整間隙結(jié)構(gòu)。在左右螺母1、2的端部做成外齒輪，齒數(shù)分別為Z1、Z2，而且Z1和Z2相差一個(gè)齒。圖6.22齒差調(diào)隙式滾珠絲杠副預(yù)緊結(jié)構(gòu)1-左螺母2-右螺母3、4-內(nèi)齒圈6.3.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)與滾珠絲杠的傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)與滾珠絲杠傳動(dòng)方式有聯(lián)軸器傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和同步齒形帶傳動(dòng)等。1．聯(lián)軸器傳動(dòng)如圖6.23所示為無鍵彈性環(huán)聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)，它是數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中常用的聯(lián)軸節(jié)，傳動(dòng)軸1、2分別插入軸套5的兩端。圖6.23無鍵彈性環(huán)聯(lián)軸節(jié)1、2-傳動(dòng)軸3-壓蓋4-彈性環(huán)5-軸套2．齒輪傳動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)采用齒輪傳動(dòng)的目的：一是將高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的伺服電機(jī)的輸出改變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩，獲得更大的驅(qū)動(dòng)力；二是降低滾珠絲杠螺母副、工作臺等進(jìn)給部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在系統(tǒng)中所占的比重，提高進(jìn)給系統(tǒng)的快速性；三是在開環(huán)系統(tǒng)中可歸算所需的脈沖當(dāng)量。齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要問題是速比和傳動(dòng)級數(shù)的確定，以及齒輪間隙的消除等。3．同步齒形帶傳動(dòng)同步齒形帶傳動(dòng)是利用齒形帶的齒形與帶輪的輪齒依次嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的，因而兼有帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，且無相對滑動(dòng)，傳動(dòng)精度高，齒形帶無需特別張緊，故作用在軸和軸承上的載荷小，傳動(dòng)效率也高，現(xiàn)已在數(shù)控機(jī)床上被廣泛應(yīng)用。此外，由于齒形帶的強(qiáng)度高、厚度小、重量輕，可用于高速傳動(dòng)（最高線速度可達(dá)到80m/s）。在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中最常用的同步齒形帶結(jié)構(gòu)如圖6.31所示，其工作面有梯形齒和圓弧齒兩種，其中梯形齒同步帶最為常用。圖6.31同步齒形帶1-強(qiáng)力層2-帶背3-帶齒6.3.4數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌導(dǎo)軌質(zhì)量對機(jī)床的剛度、加工精度和使用壽命具有很大的影響，作為機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌比普通機(jī)床的導(dǎo)軌要求更高?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用的導(dǎo)軌主要有塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。1．對導(dǎo)軌的基本要求1）導(dǎo)向精度高導(dǎo)向精度主要指運(yùn)動(dòng)部件沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)的直線度或圓度。影響導(dǎo)向精度的主要因素有導(dǎo)軌的幾何精度、接觸精度、結(jié)構(gòu)形式、剛度、熱變形及靜壓導(dǎo)軌油膜厚度和油膜剛度。2）足夠的剛度導(dǎo)軌剛度是指導(dǎo)軌在動(dòng)靜載荷下抵抗變形的能力。導(dǎo)軌要有足夠的剛度，保證在靜載荷作用下不產(chǎn)生過大的變形，從而保證各部件間的相對位置和導(dǎo)向精度。3）良好的摩擦特性導(dǎo)軌的長期運(yùn)行會引起導(dǎo)軌面的不均勻磨損，破壞導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，從而影響機(jī)床的加工精度。導(dǎo)軌的磨損形式主要有：硬粒磨損、咬合和熱焊、疲勞和壓潰等幾種形式。4）低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)導(dǎo)軌易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，也就是說機(jī)床動(dòng)導(dǎo)軌在運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)時(shí)走時(shí)?；蛘邥r(shí)快時(shí)慢的現(xiàn)象。導(dǎo)軌爬行會降低工件精度，故要求導(dǎo)軌低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不產(chǎn)生爬行。5）良好的抗振性抗振性主要是指抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力。要求導(dǎo)軌要有適當(dāng)?shù)恼硿枘崽匦裕苑乐箤?dǎo)軌在高速啟動(dòng)、制動(dòng)過程中發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。6）結(jié)構(gòu)工藝性好在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，導(dǎo)軌應(yīng)盡量做到制造、維修、保養(yǎng)方便，成本低廉等。2．塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)小，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差值??；具有良好的阻尼性，減振性好；具有自潤滑作用，耐磨性好；結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、成本低等特點(diǎn)。塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌粘貼在導(dǎo)軌副的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌（上導(dǎo)軌）上，與之相配的金屬導(dǎo)軌采用鑄鐵或鑲鋼淬硬材料。塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌分為注塑導(dǎo)軌和貼塑導(dǎo)軌。（1）貼塑導(dǎo)軌

如圖6.32所示，在動(dòng)導(dǎo)軌基體3的滑動(dòng)面上貼一層抗磨的塑料軟帶1，與之相配的導(dǎo)軌滑動(dòng)面經(jīng)淬火和磨削加工。圖6.32貼塑導(dǎo)軌（2）注塑導(dǎo)軌

如圖6.33所示，導(dǎo)軌注塑或抗氧化涂層的材料是以環(huán)氧樹脂和二硫化鉬為基體，加入增塑劑，混合成液狀或膏狀為一組份，固化劑為另一組分的雙組份材料，稱為環(huán)氧樹脂耐磨涂料。圖6.33注塑導(dǎo)軌1-膠條2-注塑層3-動(dòng)導(dǎo)軌基體3．滾動(dòng)導(dǎo)軌

滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)小（=0.0025～0.005），動(dòng)靜摩擦系數(shù)差別小，啟動(dòng)阻力小，且能微量地準(zhǔn)確移動(dòng)，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，因而運(yùn)動(dòng)靈活，定位精度高，壽命長。（1）滾動(dòng)導(dǎo)軌塊

如圖6.34所示，滾動(dòng)導(dǎo)軌塊是一種圓柱滾動(dòng)體作循環(huán)運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)導(dǎo)軌塊的數(shù)目與導(dǎo)軌的長度和負(fù)載的大小有關(guān)，與之相配的導(dǎo)軌多用鑲鋼淬火導(dǎo)軌。6.34滾動(dòng)導(dǎo)軌塊的結(jié)構(gòu)1—防護(hù)板2—端蓋3—滾柱4—導(dǎo)向片5—保持器6—本體（2）直線滾動(dòng)導(dǎo)軌

直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)如圖6.35、圖6.36所示，主要由導(dǎo)軌體1、滑塊7、滾珠4、保持器3、端蓋6等組成。圖6.35直線滾動(dòng)導(dǎo)軌6.36直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)1—導(dǎo)軌體2—側(cè)面密封墊3—保持器4—滾珠5—端部密封墊6—端蓋7—滑塊8—潤滑油杯4．靜壓導(dǎo)軌液體靜壓導(dǎo)軌是將具有一定壓力的油液，經(jīng)節(jié)流器輸送到導(dǎo)軌面上的油腔中，油膜將上下導(dǎo)軌表面隔開，實(shí)現(xiàn)液體摩擦。這種導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)?。ㄒ话銥?.005～0.001）、效率高，能長期保持導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度；油膜有良好的吸振性，低速下不易產(chǎn)生爬行，所以在機(jī)床上應(yīng)用廣泛。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且需備置一套專門的供油系統(tǒng)，制造成本較高。6.4

自動(dòng)換刀裝置

6.4.1數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架數(shù)控車床的回轉(zhuǎn)刀架是一種最簡單的自動(dòng)換刀裝置，分為立式和臥式兩種。立式回轉(zhuǎn)刀架的回轉(zhuǎn)軸與機(jī)床主軸成垂直布置，有四工位、六工位兩種形式，結(jié)構(gòu)比較簡單，簡易型數(shù)控車床多采用這種刀架，如圖6.38（a）所示。臥式回轉(zhuǎn)刀架的回轉(zhuǎn)軸與機(jī)床主軸平行，有六、八、十二等工位，應(yīng)用廣泛，是數(shù)控車床常用的刀架。如圖6.38（b）所示。圖6.38數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架

圖6.39為立式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)圖。其換刀動(dòng)作是：當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，電機(jī)22正轉(zhuǎn)，并經(jīng)聯(lián)軸套16、軸17，由滑鍵（或花鍵）帶動(dòng)蝸桿18、蝸輪2、軸1、軸套10轉(zhuǎn)動(dòng)。圖6.39立式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)

圖6.40為臥式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)圖。電動(dòng)機(jī)11帶有制動(dòng)器，系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，首先松開電動(dòng)機(jī)制動(dòng)器，電動(dòng)機(jī)通過齒輪10、9、8帶動(dòng)蝸桿7、蝸輪5旋轉(zhuǎn)。圖6.40臥式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)6.4.2

加工中心自動(dòng)換刀裝置

加工中心帶有自動(dòng)換刀裝置及刀庫，可使工件在一次裝夾過程中完成鉆、擴(kuò)、鉸、鏜、攻絲、銑削等多工序的加工，工序高度集中。1．刀庫的種類刀庫的作用是儲備一定數(shù)量的刀具，通過機(jī)械手或其他換刀方式實(shí)現(xiàn)與主軸上刀具的交換。根據(jù)刀庫存放刀具的數(shù)目和取刀方式，刀庫可設(shè)計(jì)成不同的形式。1）盤式刀庫2）鏈?zhǔn)降稁?）斗笠式刀庫2．換刀方式數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置中，實(shí)現(xiàn)刀庫與機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式很多，一般分無機(jī)械手換刀和機(jī)械手換刀兩大類。無機(jī)械手的換刀系統(tǒng)一般是把刀庫放在機(jī)床主軸可以運(yùn)動(dòng)到的位置，或整個(gè)刀庫（或某一刀位）移動(dòng)到主軸箱可以到達(dá)的位置，同時(shí)，刀庫中刀具的存放方向一般與主軸上的裝刀方向一致。

在加工中心中采用機(jī)械手進(jìn)行刀具交換的方式應(yīng)用最為廣泛，這是因?yàn)闄C(jī)械手換刀裝置所需的換刀時(shí)間短，換刀動(dòng)作靈活，如圖6.42所示。圖6.43為換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)。圖6.42機(jī)械手換刀裝置圖6.43換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)6.5

數(shù)控機(jī)床的主要輔助裝置

6.5.1數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)工作臺是數(shù)控銑床、數(shù)控鏜