第五章數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與傳動

數(shù)控技術(shù)新疆大學(xué)機(jī)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(jī)床的結(jié)構(gòu)與傳動機(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)動和動作指令，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)動和動作，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，工作臺等。支承作用。2.主傳動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動。3.進(jìn)給系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動。4.實(shí)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(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。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(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)動的平穩(wěn)性、運(yùn)動時的摩擦特性、幾何精度、傳動精度。

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)2/6/20233二、提高機(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

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(jī)床布局時，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2/6/20234四、改善運(yùn)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(qiáng)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(jī)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(diǎn)：對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能長時間保持高精度可預(yù)加負(fù)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(jī)床上。5-1數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)要求2/6/20236三）靜壓導(dǎo)軌在兩個相對運(yùn)動的導(dǎo)軌面間通以壓力油，將運(yùn)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(jī)床的結(jié)構(gòu)要求2/6/202375-2數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動與主軸部件數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動的特點(diǎn)：主軸轉(zhuǎn)速更高、變速范圍更寬、消耗功率更大一、數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動的參數(shù)運(yùn)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(yùn)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(jī)床的調(diào)速范圍寬，一般Rn>100，有時甚至Rn>10002/6/20238主運(yùn)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(jī)床的主運(yùn)動與主軸部件2/6/20239二、主運(yùn)動的傳動與變速主運(yùn)動的傳動形式帶有變速齒輪的主傳動特點(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)動與主軸部件通過皮帶傳動的主傳動特點(diǎn)：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(jī)床2/6/202310電機(jī)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(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(jī)主軸如圖（最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20000rpm）2/6/202311主傳動的自動變速無級調(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(jī)與齒輪聯(lián)合調(diào)速主傳動系統(tǒng)5-2數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動與主軸部件2/6/202312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)動與主軸部件對應(yīng)的動作示意圖如下2/6/2023135-2數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)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(jī)床的主運(yùn)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(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)動與主軸部件2/6/202316牙嵌式電磁離合器特點(diǎn)：傳遞扭矩大、尺寸小，傳動比準(zhǔn)確，可用于內(nèi)聯(lián)系傳動鏈中。5-2數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)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(jī)床還包括自動夾緊、清屑、準(zhǔn)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(jī)床的主運(yùn)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(jī)床：多采用滾動軸承。重型機(jī)床：多采用液體靜壓軸承高精度機(jī)床：多采用氣體靜壓軸承超高速機(jī)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(jī)床常用滾動軸承的結(jié)構(gòu)形式如圖5-285-2數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動與主軸部件2/6/202319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)動與主軸部件2/6/202320二）刀具自動夾緊、切屑清除和主軸準(zhǔn)停裝置刀具自動夾緊、切屑清除5-2數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動與主軸部件2/6/202321主軸準(zhǔn)停裝置作用：以保證加工中型機(jī)床實(shí)現(xiàn)刀具自動交換。5-2數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)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(jī)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?zhǔn)降稁欤▋Υ媪恳话銥?0—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(jìn)給運(yùn)動，以使數(shù)控機(jī)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(yùn)動。作用：在加工中自動完成工件的轉(zhuǎn)位換面，實(shí)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(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。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(diǎn)定位精度高，可達(dá)±2〃，最高可達(dá)±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(qiáng)。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(diǎn)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(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(diǎn)：采用電液脈沖馬達(dá)或功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，如圖2/6/202331二）閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺特點(diǎn)：采用交、直流伺服電機(jī)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?；驹恚豪梦仐U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(jìn)給傳動系統(tǒng)進(jìn)給運(yùn)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(jìn)給運(yùn)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(jī)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(yùn)動慣量。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)它們套裝在一起時形成螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。當(dāng)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(diǎn)：傳動效率高、運(yùn)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(diǎn)，普遍用于中小型機(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)、提高傳動精度和運(yùn)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(jìn)給傳動系統(tǒng)2/6/202336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(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(jìn)給傳動系統(tǒng)2/6/202337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)動式密封裝置：用于暴露在外的絲桿的防護(hù)。鋼帶纏卷式絲杠防護(hù)裝置，如圖5-4進(jìn)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(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)給傳動系統(tǒng)2/6/202339齒輪齒條副：特點(diǎn)：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(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。

雙片厚齒輪消間隙結(jié)構(gòu)如右圖5-4進(jìn)給傳動系統(tǒng)2/6/202340三、進(jìn)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(yùn)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(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