第2章-數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)

第2章數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)概述2.1數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)2.2數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)2.3數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌2.4數(shù)控機(jī)床的自動換刀裝置2.52.1概述

2.1.1數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)和普通機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)相比，具有如下特點。1．支承件的高剛度化2．傳動機(jī)構(gòu)簡約化3．傳動元件精密化4．輔助操作自動化2.1.2數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本要求1．提高數(shù)控機(jī)床構(gòu)件的剛度通常，為了提高機(jī)床系統(tǒng)的剛度，可以通過采用合理的機(jī)床結(jié)構(gòu)布局、優(yōu)化設(shè)計機(jī)床構(gòu)件的截面形狀和尺寸、適當(dāng)布置筋板、采用焊接件、提高構(gòu)件的局部剛度等方法來實現(xiàn)。（1）采用合理的機(jī)床結(jié)構(gòu)布局。圖2.1幾種機(jī)床的布局形式圖2.1幾種機(jī)床的布局形式（續(xù)）圖2.2所示為床身正置和斜置時的受力情況。當(dāng)兩種床身截面積和轉(zhuǎn)動慣量相同時，斜置床身將能改善受力條件以提高剛度。此外，將斜置床身設(shè)計成封閉式截面，也能提高床身的剛度。圖2.2正置床身和斜置床身的受力情況（2）優(yōu)化設(shè)計構(gòu)件的截面形狀和尺寸。

圖2.3所示為數(shù)控車床的床身截面，截面形狀采用封閉式箱體結(jié)構(gòu)，其截面的外輪廓尺寸大于普通車床的截面外輪廓尺寸，該床身具有很高的抗彎剛度和抗扭剛度。圖2.3數(shù)控車床的床身截面結(jié)構(gòu)圖2.4所示為臥式加工中心普遍采用的框架式立柱和主軸箱嵌入式結(jié)構(gòu)。從正面看，立柱截面是封閉的框架形，輪廓尺寸大，具有較高的抗扭剛度，能承受由切削力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)載荷。從俯視截面看，兩個立柱截面形狀為矩形，矩形尺寸大的方向正是因切削力作用產(chǎn)生大的彎曲載荷的方向，因而這種結(jié)構(gòu)具有很高的抗彎和抗扭剛度。1—立柱；2—主軸箱圖2.4臥式加工中心的框式立柱和主軸箱嵌入式結(jié)構(gòu)（3）合理選擇和布置筋板。合理布置支承件的筋板可以提高構(gòu)件的靜剛度和動剛度。圖2.5立式加工中心立柱的橫截面圖（4）提高構(gòu)件的局部剛度。機(jī)床的導(dǎo)軌和支承件的連接部分，局部剛度很弱，但是連接方式對局部剛度的影響很大。圖2.6導(dǎo)軌和床身連接的幾種形式（5）采用焊接結(jié)構(gòu)。數(shù)控機(jī)床的構(gòu)件可以采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)。一般焊接床身的剛度高于鑄造床身，另外，鋼板焊接結(jié)構(gòu)能夠按剛度要求布置筋板的形式，充分發(fā)揮壁板和筋板的承載及抵抗變形的作用。2．增強(qiáng)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的抗振性

（1）減少機(jī)床的內(nèi)部振源。（2）提高靜剛度。（3）提高阻尼比。圖2.7板狀減振焊接件3．減小機(jī)床的熱變形（1）控制熱源和發(fā)熱量。（2）加強(qiáng)冷卻散熱。（3）改進(jìn)機(jī)床布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計。圖2.8臥式坐標(biāo)鏜床熱變形示意圖圖2.9刀具切入方向與熱變形方向垂直（4）恒溫處理。（5）采用熱變形補(bǔ)償裝置。2.2數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)

2.2.1主傳動方式數(shù)控機(jī)床的主傳動方式主要有3種，如圖2.10所示。圖2.10數(shù)控機(jī)床的主傳動方式1．帶有二級齒輪變速的主傳動方式2．通過定比傳動的主傳動方式3．由主軸電動機(jī)直接驅(qū)動的主傳動方式2.2.2主軸部件的結(jié)構(gòu)

數(shù)控機(jī)床的主軸部件包括主軸、主軸的支承軸承、安裝在主軸上的傳動零件等。機(jī)床主軸的端部一般用于安裝刀具、夾持工件或夾具。在結(jié)構(gòu)上，應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的扭矩。目前，主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標(biāo)準(zhǔn)化，圖2.11所示為幾種機(jī)床上通用的結(jié)構(gòu)形式。圖2.11機(jī)床主軸的幾種結(jié)構(gòu)形式2.2.3主軸部件的支承數(shù)控機(jī)床主軸支承根據(jù)主軸部件的轉(zhuǎn)速、承載能力、回轉(zhuǎn)精度等要求的不同而采用不同種類的軸承。一般中小型數(shù)控機(jī)床（如車床、銑床、加工中心、磨床）的主軸部件多數(shù)采用滾動軸承；重型數(shù)控機(jī)床采用液體靜壓軸承；高精度數(shù)控機(jī)床（如坐標(biāo)磨床）采用氣體靜壓軸承；超高轉(zhuǎn)速（2～10萬r/min）的主軸可采用磁力軸承或陶瓷滾珠軸承。圖2.12所示為主軸常用的幾種滾動軸承的類型。圖2.12主軸常用的幾種滾動軸承的結(jié)構(gòu)形式

1．主軸滾動軸承的配置

目前數(shù)控機(jī)床主軸軸承的配置主要有圖2.13所示的幾種形式。圖2.13數(shù)控機(jī)床主軸的配置形式圖2.13數(shù)控機(jī)床主軸的配置形式（續(xù)）2．主軸滾動軸承的預(yù)緊滾動軸承間隙的調(diào)整或預(yù)緊，通常是通過下面兩種方法來實現(xiàn)的。（1）軸承內(nèi)圈移動。這種方法適用于錐孔雙列圓柱滾子軸承。圖2-14滾動軸承的預(yù)緊方法（2）修磨座圈。通過修磨軸承的內(nèi)外座圈，可以調(diào)整軸承的預(yù)緊力。圖2.15修磨軸承座圈2.2.4主軸的準(zhǔn)停裝置主軸的準(zhǔn)停是指數(shù)控機(jī)床的主軸每次能準(zhǔn)確停止在一個固定的位置上。在數(shù)控加工中心上進(jìn)行自動換刀時，需要讓主軸停止轉(zhuǎn)動，并且準(zhǔn)確地停在一個固定的位置上，以便換刀。目前準(zhǔn)停裝置主要有機(jī)械式和電氣式兩種。圖2.16所示為一種利用V型槽輪定位盤的機(jī)械式準(zhǔn)停裝置。

1—無觸點開關(guān)；2—感應(yīng)塊；3—V型槽輪定位盤；

4—定位液壓缸；5—定向滾輪；6—定向活塞圖2.16V型槽輪定位盤準(zhǔn)停裝置機(jī)械準(zhǔn)停裝置比較準(zhǔn)確可靠，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜?，F(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床一般都采用電氣式主軸準(zhǔn)停裝置，只要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號，主軸就可以準(zhǔn)確地定向。圖2.17所示為一種用磁傳感器檢測定向的電氣式主軸準(zhǔn)停裝置。

1—主軸；2—同步齒形帶；3—主軸電動機(jī)；

4—永久磁鐵；5—磁傳感器圖2.17電氣式主軸準(zhǔn)停裝置2.2.5自動換刀裝置為了實現(xiàn)刀具在數(shù)控機(jī)床的主軸上進(jìn)行自動裝卸，一方面要保證主軸能在準(zhǔn)確的位置停下來，這由前述的主軸準(zhǔn)停裝置來實現(xiàn)；另一方面，還需要有相應(yīng)的刀具自動松開和夾緊裝置。圖2.18所示為帶自動換刀功能的數(shù)控銑鏜床的主軸部件。圖2.18具有自動換刀功能的數(shù)控銑鏜床的主軸部件1—調(diào)整半環(huán)；2—3182120型錐孔雙列圓柱滾子軸承；3—2268120型雙向向心球軸承；4，9—調(diào)整環(huán)；5—雙瓣卡爪；6—彈簧；7—拉桿；8—46115型向心推力球軸承；10—油缸；11—碟形彈簧；12—活塞；13—噴氣頭；14—套筒2.3數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)

2.3.1齒輪傳動副1．齒輪傳動副的傳動級數(shù)和速比分配齒輪傳動的傳動級數(shù)和速比分配，一方面影響傳動件的轉(zhuǎn)動慣量大小，另一方面還影響執(zhí)行件的傳動效率。增加傳動級數(shù)，可以減小轉(zhuǎn)動慣量，但導(dǎo)致傳動裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低了傳動效率，增大了噪聲，同時也加大了傳動間隙和摩擦損失，對伺服系統(tǒng)不利。

2．消除傳動齒輪間隙

為了提高數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的性能，可采用下列方法減少或消除齒輪間隙。（1）剛性調(diào)整法。剛性調(diào)整法是指在調(diào)整后，暫時消除了齒輪間隙，但之后產(chǎn)生的齒側(cè)間隙不能自動補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整方法。圖2.20所示為偏心軸套式消除間隙結(jié)構(gòu)。1，3—齒輪；2—偏心軸套；4—電機(jī)；5—減速箱圖2.20偏心軸套式消除間隙機(jī)構(gòu)圖2.21所示為用軸向墊片消除間隙的結(jié)構(gòu)。

1，2—齒輪；3—墊片圖2.21軸向墊片消除間隙結(jié)構(gòu)（2）柔性調(diào)整法。柔性調(diào)整法是指調(diào)整后，消除了齒輪間隙，而且隨后產(chǎn)生的齒側(cè)間隙仍可自動補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整方法。圖2.22所示為圓柱直齒輪的周向拉簧調(diào)整法。

1，2—齒輪；3，8—凸耳；4—彈簧；

5，6—旋轉(zhuǎn)螺母；7—調(diào)節(jié)螺釘

圖2.22周向拉簧調(diào)整圖2.23所示為斜齒輪的軸向壓簧調(diào)整法。1，2—齒輪；3—壓力彈簧；4—鍵；5—螺母；6—軸；7—寬斜齒輪

圖2.23軸向壓簧調(diào)整2.3.2滾珠絲杠螺母副1．滾珠絲杠螺母副的滾珠循環(huán)方式滾珠絲杠螺母副可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種方式。內(nèi)循環(huán)方式的滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠表面保持接觸。1—絲杠；2—螺母；3—滾珠；4—反向器圖2.24滾珠絲杠螺母副的內(nèi)循環(huán)方式外循環(huán)方式中的滾珠在循環(huán)返向時，離開絲杠螺紋滾道，在螺母體內(nèi)或體外作循環(huán)運動。1—彎管；2—壓板；3—絲杠；4—滾環(huán)；5—螺紋滾道圖2.25滾珠絲杠副的插管式外循環(huán)方式

2．滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊方法滾珠絲杠螺母副預(yù)緊的基本原理是使兩個螺母產(chǎn)生軸向位移，以消除它們之間的間隙和施加預(yù)緊力。圖2.26所示的結(jié)構(gòu)通過修磨墊片的厚度來調(diào)整軸向間隙，這種調(diào)整方法具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、剛性好、裝卸方便等優(yōu)點，但調(diào)整較費時間，很難在一次修磨中完成調(diào)整。圖2.26墊片調(diào)整間隙和施加預(yù)緊力圖2.27所示為利用兩個鎖緊螺母來調(diào)整螺母的軸向位移來實現(xiàn)預(yù)緊的結(jié)構(gòu)，兩個螺母靠平鍵與外套相連，其中右邊的一個螺母外伸部分有螺紋。1，2—鎖緊螺母圖2.27鎖緊螺母調(diào)整間隙圖2.28所示為雙螺母齒差式調(diào)整間隙結(jié)構(gòu)。1—外齒輪；2—內(nèi)齒輪圖2.28齒差式調(diào)整間隙結(jié)構(gòu)2.3.3齒輪齒條副

齒輪齒條副傳動也常應(yīng)用于行程較長的大型機(jī)床上，其傳動比大，剛度和效率也比較高，還容易得到高速直線運動。但缺點是傳動不夠平穩(wěn)，傳動精度不夠高，且不能自鎖。1，2，3—軸；4，5—齒輪圖2.29齒輪齒條副消除間隙的方法2.3.4回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)工作臺是數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床和加工中心等數(shù)控機(jī)床不可缺少的重要部件，其作用是使數(shù)控機(jī)床能按照控制指令作分度或回轉(zhuǎn)運動，完成指定的加工工序。常用的回轉(zhuǎn)工作臺有分度工作臺和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。

1．分度工作臺分度工作臺的功能是按照數(shù)控指令完成工作臺的自動分度回轉(zhuǎn)動作，將工件轉(zhuǎn)位換面，與自動換刀裝置配合使用，在加工過程中實現(xiàn)工件一次裝夾、多個面加工的工序集中式加工，提高數(shù)控機(jī)床的加工效率。（1）定位銷式分度工作臺。定位銷式分度工作臺作分度運動時，其工作過程分為下面3個步驟。①松開鎖緊機(jī)構(gòu)并拔出定位銷。②工作臺回轉(zhuǎn)分度。③工作臺下降并鎖緊。1—擋塊；2—工作臺；3—錐套；4—螺釘；5—支座；6—油缸；7—定位襯套；8—定位銷；9—鎖緊油缸；10—大齒輪；11—長方形工作臺；12—上底座；13—止推軸承；14—滾針軸承；15—進(jìn)油管道；16—中央油缸；17—活塞；18—螺栓；19—雙列圓柱滾子軸承；20—下底座；21—彈簧；22—活塞拉桿圖2.30定位銷式分度工作臺結(jié)構(gòu)（2）齒盤定位式分度工作臺。圖2.31所示為齒盤定位分度工作臺的一種結(jié)構(gòu)，分度工作臺的分度轉(zhuǎn)位動作過程為下面3大步驟。1—彈簧；2，10，11—軸承；3—蝸桿；4—蝸輪；5，6—齒輪；7—管道；8—活塞；9—工作臺；12—液壓缸；13，14—齒盤圖2.31齒盤定位分度工作臺①工作臺抬起。②回轉(zhuǎn)分度。③工作臺下降定位夾緊。

2．?dāng)?shù)控回轉(zhuǎn)工作臺數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運動，除X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的直線進(jìn)給運動之外，還可以有繞X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的圓周進(jìn)給運動，分別稱為A、B、C軸。數(shù)控機(jī)床的圓周進(jìn)給運動，一般由數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺來實現(xiàn)。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺分為開環(huán)和閉環(huán)兩種。（1）開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。圖2.32所示為自動換刀數(shù)控立式鏜銑床數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)。圖2.32開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺1—偏心環(huán)；2，6—齒輪；3—步進(jìn)電動機(jī)；4—蝸桿；5—墊圈；7—調(diào)整環(huán)；8，10—微動開關(guān)；9，1l—擋塊；

12，13—軸承；14—液壓缸；15—蝸輪；16—柱塞；17—鋼球；18，19—夾緊瓦；

20—彈簧；21—底座；22—圓錐滾子軸承；23—調(diào)整套；24—支座（2）閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)與開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺大致相同，其區(qū)別在于閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺有轉(zhuǎn)動角度的測量元件（圓光柵或圓感應(yīng)同步器）。反饋與指令值進(jìn)行比較，按閉環(huán)原理進(jìn)行工作，使數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的分度精度更高。圖2.33閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺1—工作臺；2—鑲鋼滾柱導(dǎo)軌；3，4—夾緊瓦；5—液壓缸；6—活塞；7—彈簧；8—鋼球；9—光柵；10，11—軸承；12—蝸桿；13—蝸輪；14，16—齒輪；15—電動機(jī)圖2.33閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺2.4數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌

2.4.1帶有塑料層的滑動導(dǎo)軌帶有塑料層的滑動導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)低，且動、靜摩擦系數(shù)差值?。粶p振性好，具有良好的阻尼性；耐磨性好，有自潤滑作用；結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、成本低等特點。數(shù)控機(jī)床采用的帶有塑料層的滑動導(dǎo)軌有鑄鐵-塑料滑動導(dǎo)軌和嵌鋼-塑料滑動導(dǎo)軌。

1．注塑導(dǎo)軌

圖2.34所示為注塑導(dǎo)軌，其注塑層塑料附著力強(qiáng)，具有良好的可加工性，可以進(jìn)行車、銑、刨、鉆、磨削和刮削加工，具有良好的摩擦特性和耐磨性，塑料涂層導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小，在無潤滑油的情況下仍有較好的潤滑和防爬行的效果；抗壓強(qiáng)度比聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶要高，固化時體積不收縮，尺寸穩(wěn)定。1—滑座；2—膠條；3—注塑層圖2.34注塑導(dǎo)軌

2．貼塑導(dǎo)軌

在導(dǎo)軌滑動面上貼一層抗磨的塑料軟帶，與之相配的導(dǎo)軌滑動面需經(jīng)淬火和磨削加工。軟帶以聚四氟乙烯為基材，添加合金粉和氧化物制成。塑料軟帶可切成任意大小和形狀，用膠黏劑粘結(jié)在導(dǎo)軌基面上。由于這類導(dǎo)軌軟帶用粘結(jié)方法，故稱為貼塑導(dǎo)軌。2.4.2滾動導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌的特點是：摩擦系數(shù)小，摩擦系數(shù)一般為0.002

5～0.005，動、靜摩擦系數(shù)基本相同，啟動阻力小，不易產(chǎn)生沖擊，低速運動穩(wěn)定性好；定位精度高，運動平穩(wěn)，微量移動準(zhǔn)確；磨損小，精度保持性好，壽命長；但是抗振性差，防護(hù)要求較高；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造較困難，成本較高。

1．滾動導(dǎo)軌塊

滾動導(dǎo)軌塊是一種以滾動體作循環(huán)運動的滾動導(dǎo)軌，其結(jié)構(gòu)如圖2.35所示。在使用時，滾動導(dǎo)軌塊安裝在運動部件的導(dǎo)軌面上，每一導(dǎo)軌至少用兩塊，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)軌多用嵌鋼淬火導(dǎo)軌。1—防護(hù)板；2—端蓋；3—滾柱；4—導(dǎo)向片；5—保持器；6—本體圖2.35滾動導(dǎo)軌塊的結(jié)構(gòu)2．直線滾動導(dǎo)軌直線滾動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)如圖2.36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。作為獨立的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌副部件由專門的生產(chǎn)廠家制造，故又稱單元式直線滾動導(dǎo)軌。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（a）結(jié)構(gòu)圖圖2.36直線滾動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)（b）實物圖圖2.36直線滾動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)2.4.3靜壓導(dǎo)軌靜壓導(dǎo)軌的導(dǎo)軌面之間處于純液體摩擦狀態(tài)，不產(chǎn)生磨損，精度保持性好；摩擦系數(shù)低（一般為0.005～0.001），低速時不易產(chǎn)生爬行；承載能力大；剛性好，承載油膜有良好的吸振作用，抗振性好；但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需配置一套專門的供油系統(tǒng)，制造成本較高。靜壓導(dǎo)軌可分為開式靜壓導(dǎo)軌和閉式靜壓導(dǎo)軌兩種。開式靜壓導(dǎo)軌的工作原理如圖2.37所示。1，4—濾油器；2—油泵；3—溢流閥；5—節(jié)流器；6—運動部件；7—固定部件；8—油箱圖2.37靜壓導(dǎo)軌工作原理2.5數(shù)控機(jī)床的自動換刀裝置

2.5.1自動換刀裝置數(shù)控機(jī)床自動換刀裝置的主要類型、特點及適用范圍如表2.1所示。

1．自動回轉(zhuǎn)刀架圖2.38所示為螺旋升降式四方刀架，它的換刀過程如下。1，17—軸；2—蝸輪；3—刀座；4—密封圈；5，6—齒盤；7—壓蓋；8—刀架；9，20—套簡；10—軸套；11—墊圈；12—螺母；13—銷；14—底盤；15—軸承；16—聯(lián)軸套；18—蝸桿；19—微動開關(guān)；21—壓縮彈簧；22—電動機(jī)圖2.38立式四方刀架結(jié)構(gòu)（1）刀架抬起。（2）刀架轉(zhuǎn)位。（3）刀架壓緊。

2．轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置

帶有旋轉(zhuǎn)刀具的數(shù)控機(jī)床常采用轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置，如數(shù)控鉆鏜床的多軸轉(zhuǎn)塔頭等。轉(zhuǎn)塔頭上裝有幾個主軸，每個主軸上均裝一把刀具，加工過程中轉(zhuǎn)塔頭可自動轉(zhuǎn)位實現(xiàn)自動換刀。1—刀庫；2—機(jī)械手；3，4—刀具主軸；5