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第三节数控机床的主传动与主轴部件一、对主传动的基本要求和变速方式数控机床的主传动消耗功率最大，是对机床的切削能力影响最大的部件之一。1．基本要求1）调速范围要广；2）负载变动时主轴的转速波动小；3）能满足高速、大功率加工要求；4）过载能力强；5）对于加工中心，能控制主轴准停；6）车削中心能实现C轴控制（主轴任意转角及定位控制）。第三节数控机床的主传动与主轴部件一、对主传动的基本要求和变速方式2．主要传动与变速方式1）定比带传动+电动机无级调速主要用于中小型数控机床，结构简单，主轴的变速范围有限，与电动机的变速范围相等。全功能或适用型数控机床的无级变速多采用交流伺服调速，具有较好的变速性能；经济型数控机床的无级变速主要采用普通变频调速，成本较低，但变速范围较小，且机械特性不够理想。第三节数控机床的主传动与主轴部件2．主要传动与变速方式2）有级变速+电动机无级调速主要用于大型或高性能的数控机床。通过有级的机械变速，扩大电动机的变速范围，在低速时有足够的输出力矩。主轴的变速范围：电动机的变速范围×机械有级变速范围。有级变速方式：塔式带轮：结构简单，用人工调整。在加工时，主轴的变速范围与电动机变速范围相等，主要用于批量生产。滑移齿轮。操纵方式：液压缸推动；电磁离合器接合。数控系统根据编程指令，自动判断控制。第三节数控机床的主传动与主轴部件第三节数控机床的主传动与主轴部件第三节数控机床的主传动与主轴部件第三节数控机床的主传动与主轴部件一、对主传动的基本要求和变速方式2．主要传动与变速方式1）定比带传动+电动机无级调速2）有级变速+电动机无级调速3）电主轴调速电动机与主轴成一体。主要应用于高速加工机床。第三节数控机床的主传动与主轴部件（1）电主轴的特点无机械传动，结构简单；转速高，调速范围受电机的调速范围限制；形成功能化部件。（2）电主轴结构形式电机置于前后轴承之间；电机置于后轴承之后。第三节数控机床的主传动与主轴部件二、主传动的机械特性指主轴转速与输出功率、扭矩间的关系。1．对于主轴：在低速时主要是粗加工，或加工大直径工件、用大直径刀具加工，要求大的输出扭矩。因此，主轴的使用主要受可承载的最大扭矩限制，认为是恒扭矩的。在高速时，要么精加工，要么高速强力切削，主轴的使用主要受可传递的最大功率限制，认为是恒功率的。第三节数控机床的主传动与主轴部件二、主传动的机械特性1．对于主轴：计算转速nj——机床设计时，在主轴的变速范围Rn内，用来作为设计主传动系统的一个转速值。不同的机床nj不同，取主轴转速在恒功率段的最低转速。当主轴转速n≤nj时，为恒扭矩传动；当主轴转速n≥nj时，为恒功率传动。jn第三节数控机床的主传动与主轴部件2．对于主轴电动机：在额定功率时，大于额定转速，采取恒功率调速控制；小于额定转速，采取恒扭矩调速控制。因此，电机的额定转速对应主轴的计算转速。3．机械特性曲线的应用：1）在机械特性曲线范围内工作当使用额定功率时，随着转速的提高，其输出扭矩将成线性减小；在额定扭矩段，使用全扭矩时，随着转速的提高，其功率成线性增大。第三节数控机床的主传动与主轴部件3．机械特性曲线的应用：2）发挥机床的最大效能全功能数控机床的主轴电机有较强的过载能力，大约是额定功率的1.2—1.5倍。其中提供了允许30分钟的过载曲线，有的还提供了允许10分钟的过载曲线，在允许的时间内可以使用这些曲线，以获得机床的最大效能。具有齿轮变速的机械特性曲线如右图第三节数控机床的主传动与主轴部件三、主轴部件（一）主轴的支承1．主轴轴承1）角接触球轴承用于高速主轴，即能承受径向力，也能承受轴向力。为了提高承载能力，常多个并列使用；2）双列圆柱滚子轴承承载能力和刚度最大，适用于中高速；3）双列推力角接触球轴承接触角为60˚，只用于承受双向轴向载荷。因钢球直径小数量多，具有较大的轴向刚度，能适应较高转速。与双列圆柱滚子轴承配套使用；4）双列圆锥滚子轴承两列滚子数差1个，因频率不同，改善动态特性；滚子为空心，能有效地润滑与冷却，并有吸振和缓冲作用。第三节数控机床的主传动与主轴部件三、主轴部件（一）主轴的支承2．轴承的配置1）典型的配置双列圆柱滚子轴承+60˚接触角球轴承。承受轴向载荷的轴承在前端，称为轴向定位在前端。适应中速、较大载荷；双列圆柱滚子轴承+角接触球轴承前端是角接触球轴承，轴向定位在前端；前端采用双列滚子轴承，轴向定位在后端。这两种配置适应于较高转速。并列角接触球轴承前后均用角接触球轴承，为了提高刚度和承载能力，前支承采取多个轴承并列的方式，多为“背靠背”布置。适应于高速。第三节数控机床的主传动与主轴部件三、主轴部件（一）主轴的支承2．轴承的配置2）支承的轴向定位前端定位主轴热变形向后伸长，对加工精度影响小，但前端支承结构会趋向复杂，温升高。数控机床多用此结构。后端定位主轴热变形向前伸长，对加工精度影响大。有两顶尖加工细长轴时，容易引起工件的弯曲变形。两端定位多采用圆锥滚子轴承，热变形时轴承间隙增大。第三节数控机床的主传动与主轴部件三、主轴部件（一）主轴的支承2．轴承的配置3）轴承间隙的调整前支承因“背靠背”结构，修磨挡圈12，用专用工具将热调整套前推，使轴承内圈相对靠紧，同时消除径向和轴向间隙。后支承拆下挡圈7磨薄，装上挡圈及轴承后，通过热套工艺，将带轮联接盘往前推入，使轴承内圈前移而涨大，消除径向间隙。第三节数控机床的主传动与主轴部件三、主轴部件（一）主轴的支承2．轴承的配置3）轴承间隙的调整归纳：对于角接触球轴承、圆锥滚子轴承，主要改变内外圈的相对轴向位置；双列圆柱滚子轴承，使内圈相对轴向前移产生径向涨大。调整内圈轴向位置，常用螺母，但螺纹的位置精度影响调整精度。热调整套可保证位置精度。第三节数控机床的主传动与主轴部件三、主轴部件（二）主轴结构1．数控车床数控车床主轴前端结构1）内孔：莫氏锥度（约3˚）。特点：自锁锥。2）外部：短锥法兰结构（悬伸长度短、定位安装迅速可靠，但工艺性差）C型结构：后面螺母锁紧；D型结构：悬伸长度更短，偏心锁紧。第三节数控机床的主传动与主轴部件三、主轴部件（二）主轴结构2．加工中心（或数控铣床）1）加工中心主轴前端结构端面键：传递转矩内孔：7：24锥度。非自锁锥，要用拉杆锁紧。2）锁紧与松刀结构：主轴后部的拉杆及蝶形弹簧；前部的钢球与限制内孔。第三节数控机床的主传动与主轴部件第四节数控机床的进给传动系统一、对进给传动部件的基本要求进给传动是进给伺服系统的组成部分，其性能对伺服系统有很大的影响，尤其是在半闭环或开环伺服系统中。1．传动精度高定位精度：指机床各坐标轴在数控系统的控制下运动所能达到的位置精度。我国普及型数控机床的定位精度过去用±0.03mm/300mm，每300mm为单位。不同的国家定位精度的定义有所不同，其测量方法不同。例如，日本等一些国家的定位精度是在全长范围内,我国现也采用全长计量。定位精度反映了加工零件的尺寸及几何形状的准确程度。重复定位精度：指各坐标轴在系统的控制下，多次到达同一位置的离散程度。重复定位精度高，加工零件的尺寸一致性好。我国规定普通精度的数控机床，其重复定位精度为±0.01mm。第四节数控机床的进给传动系统一、对进给传动部件的基本要求2．高的传动刚度传动刚度低，影响了系统的定位精度、运动的稳定性和响应的灵敏度。3．能减小或消除传动间隙减小或消除传动间隙，保证传动精度、并达到长期的精度保持性。在减小或消除传动间隙同时，增加摩擦阻力要小。4．摩擦阻力小要求传动件的摩擦因数要小，其动、静摩擦因数要相近。在减小摩擦因数，又要注意提高系统的稳定性。5．减小传动部件的惯量提高进给的快速响应性能。6．使用维护方便第四节数控机床的进给传动系统二、进给传动的基本形式2．电机-齿轮（带）-丝杠；通过齿轮传动。用于步进电机驱动（匹配、增大输出扭矩），大型或重型机床（增大输出扭矩、扩大变速范围）。通过同步齿形带传动。主要应用于减小横向尺寸或电动机不能与丝杠同轴线的场合。为了减少摩擦阻力，在数控机床上常用的丝杠螺母副：滚珠丝杠螺母副（主要应用形式）；静压丝杠螺母副（大型或重型机床）；1．电机-丝杠电动机与丝杠由联轴器直接传动结构简单、可无间隙传动。广泛应用于输出扭矩在15—40Nm的中、小型数控机床。第四节数控机床的进给传动系统二、进给传动的基本形式3．电机-齿轮齿条齿轮齿条副或齿轮齿条副；蜗杆蜗条副或静压蜗杆蜗条副。主要用在长行程的大型或重型机床。4．直线电机直接驱动第四节数控机床的进给传动系统三、主要传动结构2）滚珠循环形式内循环：径向尺寸小，反向器复杂；外循环：结构简单，径向尺寸大。1．滚珠丝杠螺母副1）组成丝杠、螺母、滚珠。档珠器、回珠管道第四节数控机床的进给传动系统三、主要传动结构4）滚珠丝杠螺母副间隙的调整设置滚珠丝杠螺母副间隙调整结构的目的：提高传动精度，减少反向死区对加工精度的影响；及时调整因使用磨损造成间隙增大，提高机床的精度保持性；通过消除间隙或预紧，提高传动刚度。1．滚珠丝杠螺母副3）滚道截面形状单圆弧：形状简单，接触角受轴向载荷影响大；双圆弧：传动刚度好，空隙可储油及容纳脏物。第四节数控机床的进给传动系统三、主要传动结构（1）垫片式：结构简单，刚性好，必须卸下修磨调整。1．滚珠丝杠螺母副4）滚珠丝杠螺母副间隙的调整调隙螺母由两个组成，通过其相对轴向移位，消除传动间隙。（2）螺纹式：调整方便，对调整工人的要求高。第四节数控机床的进给传动系统三、主要传动结构（3）齿差式：每个螺母的一端分别加工出直齿圆柱齿轮，两个齿轮的齿数相差一个齿（Z1-Z2=1）。内齿轮用于使两个螺母不能相对转动。调整时，当两个螺母同向转过一齿时，其两个螺母的轴向相对位移量：1．滚珠丝杠螺母副4）滚珠丝杠螺母副间隙的调整Lzz)11(21式中：L——滚珠丝杠的导程。L=kP。第四节数控机床的进给传动系统三、主要传动结构1．滚珠丝杠螺母副5）滚珠丝杠传动的应用特点传动效率高；摩擦因数f小，f静与f动相近；可以预紧和消除间隙，有利于提高传动精度和刚度；使用寿命长；结构复杂，成本高；不能自锁。第四节数控机床的进给传动系统三、主要传动结构2．丝杠的支承1）基本要求（1）高的支承刚度（主要是轴向）；（2）小的轴向窜动（轴向回转精度）；（3）适应较高的转速；（4）可调间隙和预紧。第四节数控机床的进给传动系统三、主要传动结构2．丝杠的支承1）基本要求2）支承形式（1）一端固定、一端自由（G—Z）：结构简单，适用于短丝杠；（2）一端固定，一端游动（G—Y）：另一端只做径向支承，减少弯曲变形，适用于较长丝杠；（3）两端支承（J—J）：两端装推力轴承，但热变形时轴向间隙增大；（4）两端固定（G—G）：适用于预应力丝杠，主要用在精密和高刚度传动上。第四节数控机床的进给传动系统三、主要传动结构2．丝杠的支承1）基本要求2）支承形式3）支承的轴承与典型支承结构（1）支承的轴承推力角接触球轴承。60˚大接触角，可预紧,适应转速高。推力滚针（或滚子）轴承（2）典型支承结构第四节数控机床的进给传动系统三、主要传动结构3．电动机的传动联接1）联轴器（1）基本要求易于安装对中，转动灵活、稳定可靠。（2）常用结构刚性：套筒式补调式：十字滑块挠性：挠性联轴器第四节数控机床的进给传动系统三、主要传动结构3．电动机与丝杠的传动联接1）联轴器（1）基本要求易于安装对中，转动灵活、稳定可靠。（2）常用结构刚性：套筒式补调式：十字滑块挠性：挠性联轴器涨套式联接方式第四节数控机床的进给传动系统三、主要传动结构3．电动机与丝杠的传动联接2）齿轮消除间隙结构解决电动机与丝杠匹配、提高输出力矩，但需要消除传动间隙。（1）偏心套调整（2）垫片调整以上均为刚性调整，结构简单，不能完全消除间隙。（3）双片齿轮弹簧调整为弹性结构，间隙自动补偿。第五节数控机床的导轨一、对导轨的基本要求1．导向精度高2．精度保持性好3．足够的刚度4．良好的摩擦特性第五节数控机床的导轨二、数控机床上常用的导