数控技术第7章数控机床的机械结构

第七章数控机床机械结构与普通机床相比，数控机床的机械结构有以下特点：（1）由于采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的机械传动结构大为简化，传动链也大大缩短；（2）为适应连续的自动化加工和提高加工生产率，数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度，以及较高的耐磨性，而且热变形小；（3）为减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度，更多地采用了高效传动部件，如滚珠丝杠副和滚动导轨、消隙齿轮传动副等；（4）为了改善劳动条件、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率，采用了刀具自动夹紧装置、刀库与自动换刀装置及自动排屑装置等辅助装置。§7.3数控机床的主传动系统一、数控机床对主传动系统的基本要求1、机床主传动系统功能主传动系统是实现机床主运动的传动系统，通过变速，使主轴获得不同的转速，以适应不同的加工要求。在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的扭矩，满足切削的需要。传统机床主传动系统：从动力源（电动机）到执行件（主轴、工作台），中间需要经过一系列的传动机构：皮带轮、齿轮。存在问题：转动惯量大、振动和噪声、摩擦磨损、传动误差等。不能达到高转速。2、数控机床主传动系统的基本要求：①转速高，功率大，能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。②主轴转速的变换迅速可靠，调速范围广，无级变速，使切削工作始终在最佳状态下进行。③为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设有刀具自动装卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。④为实现对C轴位置（主轴回转角度）的控制，主轴还需要安装位置检测装置。3、主传动的无级变速方法：①采用交流电动机驱动系统实现无级变速传动，在早期的数控机床或大型数控机床上，也有采用直流主轴驱动系统的情况。②在经济型、普及型数控机床上，为了降低成本，可以采用变频器带变频电动机或普通交流电动机实现无级变速的方式。③在高速加工机床上，广泛使用主轴和电动机一体化的新颖功能部件———电主轴。电主轴的电动机转子和主轴一体，无需任何传动件，可以使主轴达到数万转、甚至十几万转的高速。二、主传动变速方式1、电动机+变速齿轮+主轴应用于大、中型数控机床上，目的是使主轴在低速时获得大扭矩和扩大恒功率调速范围，满足机床重切削时对扭矩的要求。通常采用2-3级齿轮变速。额定扭矩140N.m，额定转速1500rpm，22KW的交流无级变速电动机，经过机械变速后的扭矩、功率曲线2、无级调速电动机+带传动+主轴一般采用同步齿形带，多见于数控车床。减少了噪声和振动。TND360型数控机床的主传动系统3、电主轴（Electrospindle,MotorSpindle)主轴电动机与机床主轴合而为一，传动链为零，又称“零传动”。优点：结构轻、惯性小、高转速、高精度、高功率，高刚度，结构紧凑。应用：高速数控机床电主轴结构结构轴壳：通常将轴承座孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电动机定子，必须开放一端。大型或特种电主轴，为方便制造、节省材料，可将轴壳两端均设计成开放型。转轴：成品转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高。且必须对转轴进行严格的动平衡。轴承：高速精密轴承。具有高速性能好、动载荷承载能力高、润滑性能好、发热量小等优点。定子与转子：定子由具有高磁导率的优质矽钢片叠压而成，叠压成型的定子内腔带有冲制嵌线槽。定子通过一个冷却套固装在电主轴的壳体上。转子由转子铁心、鼠笼、转轴三部分组成。位于前后轴承之间，用热压装配法与主轴产生过盈配合，用由过盈力传递扭矩。电主轴制造商：国外：德国GMN公司；瑞士FISCHER公司、IBAG公司；国内：洛阳轴承研究所发热问题的解决热源：内置电动机的发热和主轴轴承的发热。可用循环切削液冷却。电主轴内置电动机的发热与散热高速主轴单元的油-水冷却系统三、主轴组件主轴组件包括主轴、主轴轴承、传动零件等。1、主轴轴承一般采用滚动轴承①轴承类型（a）锥孔双列圆柱滚子轴承：内圈为1：12的锥孔，当内圈沿锥形轴轴向移动时，内圈胀大，可以调整滚道间隙。滚子与内外圈线性接触，承载能力大，刚性好。允许极限转速较高。对箱体孔、主轴颈的加工精度要求高，且只能承受径向载荷。（b）双列推力向心球轴承，接触角为60°。球径小、数量多，允许转速高，轴向刚度较高，能承受双向轴向载荷。该种轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承。（c）双列圆锥滚子轴承。这种轴承的特点是内、外列滚子数量相差一个，能使振动频率不一致，因此，可以改善轴承的动态性能。轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷，通常用作主轴的前支承。（d）带凸肩的双列圆锥滚子轴承。结构和图（c）相似，特点是滚子被做成空心，故能进行有效润滑和冷却；此外，还能在承受冲击载荷时产生微小变形，增加接触面积，起到有效吸振和缓冲作用。（e）高速电主轴轴承：随着速度的提高，轴承的温度升高，离心力增加,振动和噪声增大，寿命降低。可采用磁浮轴承、液体动静压轴承、陶瓷球轴承三种形式。磁浮轴承的高速性能好、精度高，容易实现诊断和在线监控，但电磁测控系统过于复杂。液体动静压轴承综合了液体静压轴承和液体动压轴承的优点，但这种轴承必须根据具体机床专门进行设计，单独生产，标准化程度低，维护保养也困难。应用最多是混合陶瓷球轴承，即滚动体使用热压或热等静压Si3N4陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈。滚动体采用氮化硅陶瓷球的原因：①质量轻，相当于钢球的40%，因而离心力下降；②弹性模量高，为钢球的1.5倍，因而主轴和轴承的刚度、临界转速提高。③线膨胀系数低，约为钢球的25%；④硬度高，1600-1700HV.为钢球的2.5倍；⑤陶瓷与金属不产生咬合。②轴承配置：（a）后端定位：推力轴承布置在后支承两侧，并承受双向轴向载荷。优点：简化主轴端部结构，缺点：主轴热膨胀，向前端伸长或横向弯曲，影响精度。（b）前后两端定位：推力轴承布置在前、后支承的两外侧，轴向载荷分别由前后支承承受。轴向间隙一般由后端调整。在主轴受热伸长时，会改变支承的轴向、径向间隙，影响加工精度。设计时应考虑对主轴的自动预紧。(c)(d)均采用前端定位，推力轴承布置在前支承，轴向载荷由前支承承受。优点是结构刚度较高；主轴受热伸长，不会影响加工精度。图(c)的推力轴承安装在前支承两侧，会增加主轴的悬伸长度，对提高刚度不利。图(d)推力轴承均布置在前支承内侧，主轴的悬伸长度小，刚度大。但前支承结构较复杂，一般用于高速精密数控机床。常见形式:特点（a）前支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承。这种配置形式使主轴的综合刚度得到大幅度提高，可以满足强力切削的要求，所以目前各类数控机床的主轴普遍采用这种配置形式。（b）前文承采用高精度双列向心推力球轴承和角接触球轴承组合。这种配置方式具有较好的高速性能，主轴最高转速达4000r／min，但是轴承的承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。（c）前后支承采用双列圆维波子轴承和圆锥滚子轴承。这种轴承径向轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较大的动载荷，安装与调整性能好。但是这种轴承配置方式限制了抽的最高转速和精度，所以仅适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。2、主轴组件结构机床主轴部件的结构根据不同的机床有较大的差别。主轴组件的分析方法：轴承类型、轴承配置、轴向力传递方式、轴承间隙调整方法。数控车床主轴组件图传动件、轴承、挡圈等均采用先进的热套工艺进行安装和调整，主轴上无键槽和螺纹，既增强了主轴刚度，又最大限度地降低了主轴的不平衡量。前支承采用成组角接触球轴承，后支承为双列圆柱滚子轴承。前端的三个角接触轴承中，前两个轴承的大端向主轴前端，另一个轴承的大端向主轴后端，前支承可以同时承受径向和轴向力。轴向力传递：向左的轴向力由主轴前端，通过轴承17、轴承13、挡圈11、轴承10的外圈传到箱体上。向右的轴向力由热调整套8、挡圈9、轴承10的内圈、球、外圈、挡圈11、轴承13和17的外圈、联接盘14、螺钉15传到箱体上。间隙调整：当轴承间隙过大时，需卸下主轴部件，通过修磨2个挡圈11和12，调整热调整套的轴向位置进行。热调整套的内孔与主轴外圆以一很小锥度配合，以便调整。后支承为双列圆柱滚子轴承，其调整可通过热套工艺，调整带轮联接盘2的轴向位置和修磨挡圈7来实现。电主轴主要由空心转子1、带绕组的定子2和位置检测器（图中未示出）三部分组成。主轴4与电动机合为一体，电动机的转子轴就是主轴本身，电动机定子与主轴箱体联接，主轴传动不仅结构简单，而且降低了噪声和共振。主轴部件经过严格的动平衡，故可以在高速下运行。为了防止主轴高速运转时的发热，主轴轴承、电主轴均通入冷却水进行强制冷却。主轴前端结构与前图相同。3、刀具自动夹紧装置一、数控机床进给传动系统的特点1.低摩擦传动副。如采用静压导轨、滚动导轨和滚珠丝杠等，以减小摩擦力。2.选用最佳的降速比，以达到提高机床分辨率，使工作台尽可能大地加速以达到跟踪指令、系统折算到驱动轴上的惯量尽量小的要求。3.缩短传动链以及用预紧的方法提高传动系统的刚度。如采用大转矩宽调速的直流电动机与丝杠直接相连应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副，丝杠支承设计成两端轴向固定的、并可预拉伸的结构等办法来提高传动系统的刚度。4.无间隙传动，消除反向死区误差。如采用消除间隙的联轴器，采用有消除间隙措施的传动副等。§7.3数控机床的进给传动系统二、进给传动机构1、类型直线进给运动：通过丝杠螺母副（通常为滚珠丝杠或静压丝杠），将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。通过齿轮、齿条副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。直接采用直线电动机进行驱动。圆周进给运动：除少数情况直接使用齿轮副外，一般都采用蜗轮蜗杆副。2、减速机构通过降速来匹配进给系统的转动惯量和获得要求的输出机械特性，对开环系统，还起匹配所需的脉冲当量的作用。一般采用齿轮机构或同步齿形带传动。近年来，由于伺服电机及其控制单元性能的提高，许多数控机床的进给传动系统去掉了降速齿轮副，直接将伺服电动机与滚珠丝杠连接。①开环系统降速比运动平衡式：ipm1ppmi360②闭环系统降速比vnipnpvi二、滚珠丝杠螺母副1、工作原理及特点内循环滚珠丝杠外循环滚珠丝杠在丝杠和螺母上都有半圆形的螺旋槽，当它们套装在一起时便成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回珠滚道，将数圈螺旋滚道的两端连接成封闭的循环滚道，滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内自转，同时又在封闭滚道内循环，使丝杠和螺母相对产生轴向运动。当丝杠（或螺母）固定时，螺母（或丝杠）即可以产生相对直线运动，从而带动工作台作直线运动。滚珠循环方式有两种：外循环：回珠滚道布置在螺母外部，滚珠在循环过程中，有部分时间滚珠与丝杠脱离接触；制造工艺简单。缺点是对滚道接缝处的要求高，通常很难做到平滑，影响滚珠滚动的平稳性，严重时甚至会发生卡珠现象，其噪声也较大。内循环：回珠滚道布置在螺母内部，循环过程中滚珠始终与丝杠保持接触。结构紧凑，定位可靠，刚性好，且不易发生磨损和滚珠堵塞现象；其缺点是结构复杂，制造较困难，且内循环结构的滚珠丝杠螺母不能作成多头螺纹传动。滚珠丝杠螺母副具有以下特点：①摩擦损失小，传动效率高；②给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，定位精度高，刚度好。反向时就可以消除空行程死区。③运动平稳。摩擦力几乎与运动速度无关，动、静摩擦力的变化也很小，故不易产生低速爬行现象；传动精度高。④运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。⑤磨损小，使用寿命长。⑤制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度和表面粗糙度要求高，成本高。⑥不能实现自锁。当用在垂直传动或水平放置的高速大惯量传动中必须装有制动装置。为了防止安装、使用时螺母脱离丝杠滚道，在机床上还必须配置超程保护装置。2、滚珠丝杠副的参数名义直径d0：滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆珠直径。导程P：丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位