《機(jī)床數(shù)控技術(shù) 第2版》課件 第5、6章 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)

第5章

數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它的高性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的高效率、高精度。為此，數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)、檢測裝置、位置控制、速度控制等方面都有很高的要求。學(xué)習(xí)和研究高性能的數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)一直是掌握現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的關(guān)鍵之一。5.1

概

述

伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)通常是指各坐標(biāo)軸的進(jìn)給伺服系統(tǒng)，它是數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件間的連接環(huán)節(jié)，它把數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)運(yùn)算生成的位置指令，精確地變換為機(jī)床移動(dòng)部件的位移，直接反映了機(jī)床坐標(biāo)軸跟蹤運(yùn)動(dòng)指令和實(shí)際定位的性能。數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求有：1）高精度；2）穩(wěn)定性好；3）響應(yīng)速度快，無超調(diào)；4）電機(jī)調(diào)速范圍寬；5）低速大轉(zhuǎn)矩；6）可靠性高5.2

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件。用于驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的稱為進(jìn)給電動(dòng)機(jī)；用于驅(qū)動(dòng)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的稱為主軸電動(dòng)機(jī)。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)通常用于閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中。伺服電動(dòng)機(jī)又分直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)，直流伺服電動(dòng)機(jī)在上世紀(jì)70~80年代中期在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用較多。5.2.1

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或線位移的電磁裝置。對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)施加一個(gè)電脈沖信號時(shí)，它就旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，通常把它稱為一步，每一步所轉(zhuǎn)過的角度叫做步距角。步距角的計(jì)算公式為

式中

——步距角；

——轉(zhuǎn)子齒數(shù)；

m——定子的相數(shù)；

k——拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)。如三相三拍時(shí)，k=1；三相六拍時(shí)，k=2。1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是采用定子與轉(zhuǎn)子間電磁吸合原理工作，根據(jù)磁場建立方式，主要分為反應(yīng)式和永磁反應(yīng)式（也稱混合式）兩類。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子無繞組，由被勵(lì)磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行；混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子用永久磁鋼，由勵(lì)磁和永磁產(chǎn)生的電磁力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行。按輸出力矩大小分為伺服式和功率式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。伺服式只能驅(qū)動(dòng)較小的負(fù)載，功率式可以直接驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載。2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)(1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)受脈沖的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移和轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的數(shù)量和頻率成正比，沒有累積誤差。控制輸入的脈沖數(shù)就能控制其位移量；改變通電頻率可改變其轉(zhuǎn)速。(2)當(dāng)停止送入脈沖，只要維持控制繞組的電流不變，電動(dòng)機(jī)便停在某一位置上不動(dòng)，不需要機(jī)械制動(dòng)。(3)改變通電順序可改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。(4)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是效率低，拖動(dòng)負(fù)載的能力不大，脈沖當(dāng)量(步距角)不能太小，調(diào)速范圍不大，最高輸入脈沖頻率一般不超過18kHz。3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性(1)步矩誤差。一轉(zhuǎn)內(nèi)各實(shí)際步距角與理論值之間誤差的最大值稱為步距誤差。(2)靜態(tài)矩角特性。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子處于不動(dòng)狀態(tài)。(3)啟動(dòng)頻率。空載時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止突然啟動(dòng)不丟步地進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)所允許的最高啟動(dòng)頻率稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率。(4)連續(xù)運(yùn)行頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)以后其運(yùn)行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運(yùn)行頻率，在實(shí)際運(yùn)用中，連續(xù)運(yùn)行頻率比啟動(dòng)頻率高得多。(5)矩頻特性。矩頻特性是描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出的最大轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系曲線，如圖5.5所示。(6)加減速特性。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速特性用于描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到工作頻率或由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的頻率變化與時(shí)間的關(guān)系，如圖5.6所示。圖5.5步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性圖5.6步進(jìn)電機(jī)的加減速特性5.2.2

伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)具有服從控制信號要求而動(dòng)作的性能，在信號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；信號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)信號消失，轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)。因此有“伺服”性而得名。伺服電動(dòng)機(jī)分直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)，直流伺服電動(dòng)機(jī)又分小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)和大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)，由于小慣量直流電機(jī)最大限度地減小電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以能獲得最快的響應(yīng)速度，在早期的數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用得較多。1.永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)分電勵(lì)磁和永久磁鐵勵(lì)磁兩種，但占主導(dǎo)地位的是永久磁鐵勵(lì)磁(永磁)直流伺服電動(dòng)機(jī)。（1）永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通直流電動(dòng)機(jī)基本相同，主要由定子、轉(zhuǎn)子、電刷與換向片與檢測元件等組成，如圖所示。圖5.7永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖和外觀圖1—檢測元件2—軸承3—電刷4—換向片5—定子6—轉(zhuǎn)子7—線圈（2）永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖所示，當(dāng)電樞繞組通以直流電時(shí)，在定子磁場作用下產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，電刷與換向片保證電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向恒定，從而使轉(zhuǎn)子沿固定方向均勻地帶動(dòng)負(fù)載連續(xù)旋轉(zhuǎn)。只要電樞繞組斷電，電動(dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)，不會出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。2.永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)屬于同步交流伺服電動(dòng)機(jī)，具有響應(yīng)快、控制簡單的特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床。（1）永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖5.11和圖5.12所示，永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)主要由三部分組成：定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件。圖5.11永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)橫剖面1—定子2—永久磁鐵3—軸向通風(fēng)孔

4—轉(zhuǎn)軸圖5.12永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)縱剖面1—定子2—轉(zhuǎn)子3—壓板4—定子三相繞組5—脈沖編碼器

6—出線盒

轉(zhuǎn)子由多塊永久磁鐵和轉(zhuǎn)子鐵心組成。此結(jié)構(gòu)氣隙磁密度較高，極數(shù)較多，同一種鐵心和相同的磁鐵塊數(shù)可以裝成不同的極數(shù)，如圖所示。1—鐵心2—永久磁鐵3—非磁性套筒

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，還有一類稱有極靴星形轉(zhuǎn)子，如圖5.15所示，這種轉(zhuǎn)子可采用矩形磁鐵或整體星形磁鐵構(gòu)成。圖5.15有極靴星形轉(zhuǎn)子1—極靴2—籠條3—永久磁鐵4—轉(zhuǎn)子軛5—轉(zhuǎn)軸2)工作原理如圖所示，以一個(gè)二極永磁轉(zhuǎn)子為例，電樞繞組為三相對稱繞組，當(dāng)通以三相對稱電流時(shí)，定子的合成磁場為一旋轉(zhuǎn)磁場，圖中用一對旋轉(zhuǎn)磁極表示，該旋轉(zhuǎn)磁極以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。由于磁極同性相斥，異性相吸，定子旋轉(zhuǎn)磁極與轉(zhuǎn)子的永磁磁極互相吸引，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)子也將以同步轉(zhuǎn)速ns與旋轉(zhuǎn)磁場一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子加上負(fù)載轉(zhuǎn)矩之后，轉(zhuǎn)子磁極軸線將落后定子磁場軸線一個(gè)θ角，隨著負(fù)載增加，θ角也隨之增大，負(fù)載減小時(shí)，θ角也減小，只要負(fù)載不超過一定限度，轉(zhuǎn)子始終跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場以恒定的同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子速度n為式中

f——交流供電電源頻率（定子供電頻率）（Hz）；p——定子和轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)。

交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖5.17所示。在連續(xù)工作區(qū)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的任何組合都可連續(xù)工作；在斷續(xù)工作區(qū)，電動(dòng)機(jī)可間斷運(yùn)行。圖5.17永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性5.2.3

直線電動(dòng)機(jī)

1.直線電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理直線電動(dòng)機(jī)的類別不一樣，工作原理也不盡相同。交流異步原理是直線電動(dòng)機(jī)的基本形式。直線電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖5.18所示，在一個(gè)有槽的矩形初級部件中鑲嵌三相繞組(相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)的定子)，在板狀次級部件中鑲嵌短路棒(相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)的籠型轉(zhuǎn)子)。圖5.18直線電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖和外觀圖1—直線位移檢測裝置2—測量部件3—初級繞組4—次級繞組2.直線電動(dòng)機(jī)的特性(1)直線電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的力直接作用于移動(dòng)部件，因此省去了滾珠絲杠和螺母等機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，可以減小傳動(dòng)系統(tǒng)的慣性，提高系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度、加速度和精度，避免振動(dòng)的產(chǎn)生。(2)由于動(dòng)態(tài)性能好，可以獲得較高的運(yùn)動(dòng)精度。(3)如果采用拼裝的次級部件，還可以實(shí)現(xiàn)很長的直線運(yùn)動(dòng)距離。(4)運(yùn)動(dòng)功率的傳遞是非接觸的，沒有機(jī)械磨損。5.3數(shù)控機(jī)床常用檢測裝置

5.3.1概述在閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，位置控制是指將數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)計(jì)算的理論值與實(shí)際值的檢測值相比較，用二者的差值去控制進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)，使工作臺或刀架運(yùn)動(dòng)到指令位置。實(shí)際值的采集，則需要位置檢測裝置來完成。1.直接測量和間接測量2.增量式測量和絕對式測量3.數(shù)字式測量和模擬式測量5.3.2

旋轉(zhuǎn)編碼器

旋轉(zhuǎn)編碼器通常有增量式和絕對式兩種類型。它通常安裝在被測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。1.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器常用的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器為增量式光電編碼器，如圖5.19所示。光電編碼器由帶聚光鏡的發(fā)光二極管(LED)、光欄板、光電碼盤、光敏元件及信號處理電路組成。圖5.19增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖及外觀圖1—轉(zhuǎn)軸2—發(fā)光二極管3—光欄板4—零標(biāo)志5—光敏元件6—光電碼盤7—印制電路板8—電源及信號連接座2.絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器下面以接觸式碼盤和絕對式光電碼盤分別介紹絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器測量原理。(1)接觸式碼盤。圖5.21所示為接觸式碼盤示意圖。圖5.21(b)為4位BCD（Binary-CodedDecimal?）碼盤。它是在一個(gè)不導(dǎo)電基體上做出許多金屬區(qū)使其導(dǎo)電，其中涂黑部分為導(dǎo)電區(qū)，用“1”表示，其它部分為絕緣區(qū)，用“0”表示。這樣，在每一個(gè)徑向上，都有由“1”、“0”組成的二進(jìn)制代碼。圖5.21接觸式碼盤(2)絕對式光電碼盤。絕對式光電碼盤與接觸式碼盤結(jié)構(gòu)相似，只是其中的黑白區(qū)域不表示導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)，而是表示透光區(qū)和不透光區(qū)。圖5.22為8碼道光電碼盤示意圖。圖5.22絕對式光電碼盤3.編碼器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用(1)位移測量。在數(shù)控機(jī)床中編碼器和伺服電動(dòng)機(jī)同軸連接或連接在滾珠絲杠末端用于工作臺和刀架的直線位移測量。(2)主軸控制。當(dāng)數(shù)控車床主軸安裝編碼器后，則該主軸具有C軸插補(bǔ)功能，可實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)與z坐標(biāo)軸進(jìn)給的同步控制；恒線速切削控制，即隨著刀具的徑向進(jìn)給及切削直徑的逐漸減小或增大，通過提高或降低主軸轉(zhuǎn)速，保持切削線速度不變；主軸定向控制等。(3)測速。光電編碼器輸出脈沖的頻率與其轉(zhuǎn)速成正比，因此，光電編碼器可代替測速發(fā)電機(jī)的模擬測速而成為數(shù)字測速裝置。(4)編碼器應(yīng)用于交流伺服電動(dòng)機(jī)控制中，用于轉(zhuǎn)子位置和速度檢測，提供位置反饋和速度反饋信號。(5)零標(biāo)志脈沖用于回參考點(diǎn)控制。數(shù)控機(jī)床采用增量式的位置檢測裝置時(shí)，在接通電源后要先作回參考點(diǎn)的操作。返回參考點(diǎn)是否正確與檢測裝置中的零標(biāo)志有很大的關(guān)系。5.3.3

旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器是利用當(dāng)變壓器的一次側(cè)外施以交流電壓勵(lì)磁時(shí)，其二次側(cè)的輸出電壓將與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角嚴(yán)格保持某種函數(shù)關(guān)系的一種模擬式角度測量元件，一般用于精度要求不高的機(jī)床上進(jìn)行角度測量。1.工作原理實(shí)際應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)變壓器為正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子各有相互垂直的兩個(gè)繞組，如圖所示為正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖。2.旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)從轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的輸出方式來看，旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷和無刷兩種類型。在有刷結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子繞組的端點(diǎn)通過電刷和滑環(huán)引出。目前數(shù)控機(jī)床常用的是無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。圖5.24無刷旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖及外觀圖1—?dú)んw2—轉(zhuǎn)子軸3—旋轉(zhuǎn)變壓器定子4—旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子5—變壓器定子6—變壓器轉(zhuǎn)子7—變壓器一次繞組8—變壓器二次繞組5.3.4感應(yīng)同步器

1.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和原理感應(yīng)同步器也是一種電磁式位置檢測傳感器，主要部件由定尺和滑尺組成，它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床中。圖5.25所示為直線式感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5.25直線式感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)示意圖1—定部件（床身）2—運(yùn)動(dòng)部件（工作臺或刀架）3—定尺繞組引線4—定尺座5—防護(hù)罩6—滑尺7—滑尺座

8—滑尺繞組引線9—調(diào)整墊10—定尺11—正弦勵(lì)磁繞組12—余弦勵(lì)磁繞組2.感應(yīng)同步器的特點(diǎn)1)精度高。因?yàn)槎ǔ叩墓?jié)距誤差有平均補(bǔ)償作用，所以尺子本身的精度能做得較高。直線式感應(yīng)同步器對機(jī)床位移的測量是直接測量，不經(jīng)過任何機(jī)械傳動(dòng)裝置，測量精度取決于尺子的精度。2)測量長度不受限制。當(dāng)測量長度大于50mm時(shí)，可以采用多塊定尺接長的方法進(jìn)行測量。3)對環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)。因?yàn)楦袘?yīng)同步器定尺和滑尺的繞組是在基板上用光學(xué)腐蝕方法制成的銅箔鋸齒形的印制電路繞組，銅箔與基板之間有一層極薄的絕緣層。4)維修簡單、壽命長。感應(yīng)同步器的定尺和滑尺互不接觸，因此無任何摩擦、磨損，使用壽命長，不怕灰塵、油污及沖擊振動(dòng)。5)工藝性好，成本較低，便于成批生產(chǎn)。5.3.5

光柵尺

光柵尺(又稱光柵)是一種高精度的直線位移傳感器，是數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的測量裝置。由光源、聚光鏡、標(biāo)尺光柵(長光柵)、指示光柵(短光柵)和硅光電池等光敏元件組成。光柵尺外觀圖如所示。1—光柵尺2—掃描頭3—電纜

數(shù)控機(jī)床中用于直線位移檢測的光柵尺有透射光柵和反射光柵兩大類，如圖所示。在玻璃表面上制成透明與不透明間隔相等的線紋，稱透射光柵；在金屬的鏡面上制成全反射與漫反射間隔相等的線紋，稱為反射光柵。1—光敏元件2、4—透鏡3—狹縫5—光源G1—標(biāo)尺光柵G2—指示光柵

光柵尺上相鄰兩條光柵線紋間的距離稱為柵距或節(jié)距

，線密度是指每毫米長度上的線紋數(shù)，用k表示，則=1/k。安裝時(shí)，要求標(biāo)尺光柵和指示光柵相互平行，它們之間有0.05mm～0.1mm的間隙，并且其線紋相互偏斜一個(gè)很小的角度θ，兩光柵線紋相交，形成透光和不透光的菱形條紋。在相交處出現(xiàn)的黑色條紋，稱為莫爾條紋。（a）莫爾條紋形成原理

（b）莫爾條紋放大原理

光柵尺輸出有兩種：一種是正弦波信號，一種是方波信號。正弦波輸出有電流型和電壓型，對正弦波輸出信號需經(jīng)差動(dòng)放大、整形后得到脈沖信號。下圖所示為HEIDENHAIN光柵電流型輸出信號經(jīng)5倍頻處理后的信號波形。(a)正弦測量信號(b)整形后的測量信號(c)5倍頻處理后的測量信號5.3.6

磁柵

磁柵是一種計(jì)算磁波數(shù)目的位置檢測元件。它由磁性標(biāo)尺、磁頭和檢測電路組成。按其結(jié)構(gòu)分為直線形和圓形磁柵，分別用于直線位移和角位移的檢測。1.磁性標(biāo)尺磁性標(biāo)尺通常采用熱脹系數(shù)與普通鋼相同的不導(dǎo)磁材料做基體，在基體上鍍上一層10～30厚的高導(dǎo)磁性材料，形成均勻磁膜。如圖所示。2.拾磁磁頭拾磁磁頭是一種磁電轉(zhuǎn)換器，用來把磁性標(biāo)尺上的磁化信號檢測出來變成電信號送給檢測電路。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的要求，為了在低速運(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)也能進(jìn)行位置檢測，必須采用磁通響應(yīng)型磁頭，如圖所示。5.4

位置控制和速度控制

位置控制和速度控制是數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。位置控制根據(jù)計(jì)算機(jī)插補(bǔ)運(yùn)算得到的位置指令，與位置檢測裝置反饋來的機(jī)床坐標(biāo)軸的實(shí)際位置相比較，形成位置偏差，經(jīng)變換得到速度給定電壓。速度控制單元根據(jù)位置控制輸出的速度電壓信號和速度檢測裝置反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)速對伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，以驅(qū)動(dòng)機(jī)床傳動(dòng)部件。5.4.1

位置控制從理論上來說，位置控制的類型可以有很多，但目前在數(shù)控機(jī)床位置進(jìn)給控制中，為了加工出光滑的零件表面，不允許出現(xiàn)位置超調(diào)，采用“比例型”和“比例加前饋型”的位置控制器，可以較容易地達(dá)到上述要求。就閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)而言，位置控制的實(shí)質(zhì)是位置隨動(dòng)控制，其控制原理如圖所示。1.脈沖比較法組成脈沖比較器由可加減的可逆計(jì)數(shù)器和脈沖分離器組成，如圖所示。它是將脈沖信號PC與反饋的脈沖信號Pf相比較，得到脈沖偏差信號Pe。2．脈沖比較法原理當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)要求工作臺向一個(gè)方向進(jìn)給時(shí)，經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算得到一系列進(jìn)給脈沖作為指令脈沖，其數(shù)量代表了工作臺的指令進(jìn)給量，頻率代表了工作臺的進(jìn)給速度，方向代表了工作臺的進(jìn)給方向。以增量式光電編碼器為例，隨著伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，光電編碼器產(chǎn)生序列脈沖輸出，脈沖的頻率將隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢而升降。5.4.2

速度控制

速度控制也稱驅(qū)動(dòng)裝置。數(shù)控機(jī)床中的驅(qū)動(dòng)裝置又因驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的不同而不同。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置有高低壓切換、恒流斬波等。直流伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置有脈寬調(diào)制(PWM)、晶閘管(SCR)控制。交流伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置有他控變頻控制和自控變頻控制。1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置由前述可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用的是脈沖控制方式。只要控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)指令脈沖的數(shù)量即可控制工作臺移動(dòng)的位移量，控制其指令脈沖的頻率即可實(shí)現(xiàn)工作臺移動(dòng)速度的控制。1)環(huán)形分配環(huán)形分配用于控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式，其作用就是將數(shù)控裝置送來的一串指令脈沖按一定的順序和分配方式控制各相繞組的通、斷電。如圖所示。

實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配的方法有兩種：一種是由包括在驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)部的環(huán)形分配器實(shí)現(xiàn)，稱為硬件環(huán)形分配。兩種環(huán)形分配驅(qū)動(dòng)與數(shù)控裝置的連接如圖5.39和5.40所示。圖5.39硬件環(huán)形分配驅(qū)動(dòng)與數(shù)控裝置的連接圖5.40軟件環(huán)形分配驅(qū)動(dòng)與數(shù)控裝置的連接2)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路的主要作用是對控制脈沖進(jìn)行功率放大，以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)獲得足夠大的功率驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常采用高、低壓雙電壓驅(qū)動(dòng)。恒流斬波驅(qū)動(dòng)電源也稱電流驅(qū)動(dòng)電源。圖5.41所示為恒流斬波驅(qū)動(dòng)電源電路及波形圖。圖5.41恒流斬波電源電路及波形2.直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能，可很方便地在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑無級調(diào)速，所以在調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)設(shè)備中常采用直流伺服驅(qū)動(dòng)。PWM基本原理如圖5.42所示。（a）原理圖

（b）控制電壓、電樞電壓和電流的波形圖5.42PWM脈寬調(diào)制原理圖若脈沖的周期固定為T，在一個(gè)周期內(nèi)高電平持續(xù)的時(shí)間（導(dǎo)通時(shí)間）為Ton，高電平持續(xù)的時(shí)間與脈沖周期的比值稱為占空比λ，則圖中直流電機(jī)電壓的平均值為：1）PWM系統(tǒng)的組成原理圖5.43為PWM系統(tǒng)組成原理圖。該系統(tǒng)由控制部分、功率晶體管放大器和全波整流器三部分組成?？刂撇糠职ㄋ俣日{(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、固定頻率振蕩器、三角波發(fā)生器、脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動(dòng)電路。圖5.43PWM系統(tǒng)原理2）晶體管脈寬調(diào)制器脈寬調(diào)制器的作用是將電壓量轉(zhuǎn)換成可由控制信號調(diào)節(jié)的矩形脈沖，即為功率晶體管的基極提供一個(gè)寬度可由速度指令信號調(diào)節(jié)且與之成比例的脈寬電壓。在PWM調(diào)速系統(tǒng)中，電壓量為電流調(diào)節(jié)器輸出的直流電壓量，該電壓量是由系統(tǒng)插補(bǔ)器輸出的速度指令轉(zhuǎn)化而來。經(jīng)過脈寬調(diào)制器變?yōu)橹芷诠潭?、脈寬可變的脈沖信號，脈沖寬度的變化隨著速度指令而變化。由于脈沖周期不變，脈沖寬度的改變將使脈沖平均電壓改變。3.交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)控機(jī)床交流主軸電動(dòng)機(jī)采用專門設(shè)計(jì)的三相交流異步電動(dòng)機(jī)或主軸伺服電動(dòng)機(jī)。進(jìn)給用交流伺服電動(dòng)機(jī)多采用三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)。調(diào)速方法常采用變頻調(diào)速，變頻調(diào)速系統(tǒng)可以分為他控變頻和自控變頻兩大類。他控變頻調(diào)速系統(tǒng)是用獨(dú)立的變頻裝置給電動(dòng)機(jī)提供變壓變頻電源。自控變頻調(diào)速系統(tǒng)是用電動(dòng)機(jī)軸上所帶的轉(zhuǎn)子位置檢測器來控制變頻的裝置。1)變頻器工作原理對交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻的裝置叫變頻器。變頻器有很多種分類，大的分類有交-交變頻器、交-直-交變頻器。數(shù)控機(jī)床采用的是后者，其組成有整流電路、濾波電路、逆變電路和控制電路。如圖所示，圖中整流器可以是二極管整流，也可以是可控整流。

圖5.46為SPWM變頻器控制電路圖。正弦波發(fā)生器接收經(jīng)過電壓、電流反饋調(diào)節(jié)的信號，輸出一個(gè)具有與輸入信號相對應(yīng)頻率與幅值的正弦波信號，此信號為調(diào)制信號。圖5.46SPWM變頻器控制電路圖2)通用變頻器通用變頻器可與各種不同性質(zhì)負(fù)載的異步電動(dòng)機(jī)配套使用。通用變頻器控制正弦波的產(chǎn)生是以恒電壓頻率比(U/f)保持磁通不變?yōu)榛A(chǔ)的，再經(jīng)SPWM驅(qū)動(dòng)主電路，產(chǎn)生U、V、W三相交流電驅(qū)動(dòng)三相交流異步電動(dòng)機(jī)。圖所示為通用變頻器的組成框圖。3)永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻控制圖5.49為自控變頻同步電動(dòng)機(jī)控制框圖。它通過電動(dòng)機(jī)軸端上的轉(zhuǎn)子位置檢測器BQ(如霍爾元件、接近開關(guān)等)發(fā)出的信號來控制逆變器的換流，從而改變同步電動(dòng)機(jī)的供電頻率，調(diào)速時(shí)由外部控制逆變器的直流輸入電壓。圖5.49自控變頻同步電動(dòng)機(jī)控制框圖5.5

小

結(jié)

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)通常是指各坐標(biāo)軸的進(jìn)給伺服系統(tǒng)，它是數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件間的連接環(huán)節(jié)。伺服系統(tǒng)的高性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的高效率、高精度，所以說伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，無反饋檢測裝置。伺服電動(dòng)機(jī)通常用于帶有反饋檢測裝置的閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，常用的反饋檢測裝置有光柵、脈沖編碼器、感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器及磁柵等。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。現(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)停或者時(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?，以防止?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)差值小；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)小（一般為0.005～0.001）、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