数控机床的机械结构与传动

数控机床的进给传动系统数控机床的主传动系统数控机床的典型机械结构概述第二章数控机床的机械结构与传动第二章数控机床的机械结构与传动为了简化机械传动结构、缩短传动链，数控机床多采用高性能的无级变速主轴及伺服传动系统为了适应连续的自动化加工和提高生产效率，数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小第一节概述1.1数控机床机械结构的特点为了改善劳动条件、改善操作性能、提高劳动生产率，数控机床采用多主轴、多刀架结构，刀具与工件的自动夹紧装置，自动换刀装置，自动排屑装置及自动润滑冷却装置等为了保证机床精度的稳定性、获得可靠的加工质量，数控机床多采取减小热变形的措施为了减小摩擦、消除传动间隙和获得高加工精度，数控机床更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠螺母副、塑料导轨、滚动导轨、静压导轨等第一节概述1.2数控机床对机械结构的基本要求第二章数控机床的机械结构与传动1）较高的机床静、动刚度及良好的抗振性；2）减小机床的热变形；3）减少运动件间的摩擦和消除传动间隙；4）提高机床的寿命和精度保持性；5）操作方便安全可靠。第二节数控机床的典型机械结构2.1滚珠丝杠螺母结构滚珠丝杠螺母副是机床上常用的将旋转运动转换为直线运动的传动机构。1—螺母；2—滚珠；3—丝杠；a—滚珠出口；b—滚珠回路通道；c—滚珠入口图2-1滚珠丝杠螺母副的结构原理滚珠丝杠螺母副的工作原理第二章数控机床的机械结构与传动第二节数控机床的典型机械结构滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环按滚珠在滚道内的循环方式分滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的称为内循环滚珠丝杠螺母副的循环方式第二章数控机床的机械结构与传动2.1滚珠丝杠螺母结构第二节数控机床的典型机械结构滚珠丝杠螺母副的循环方式外循环这种结构是在螺母体上轴向相隔数个导程处钻两个孔与螺旋槽相切，作为滚珠的进口与出口，再在螺母的外表面上铣出回珠槽并沟通两孔。另外在螺母内进口、出口处各装一挡珠器，并在螺母外表面装一套筒，这样构成封闭的循环滚道。图2-2外循环方式示意图第二章数控机床的机械结构与传动2.1滚珠丝杠螺母结构第二节数控机床的典型机械结构滚珠丝杠螺母副的循环方式内循环内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种形式。图2-3（a）所示为圆柱凸键反向器，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽2。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键1定位，以保证对准螺纹滚道方向。图2-3（b）所示为扁圆镶块反向器，反向器为一半圆头平键形镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽3，用镶块的外廓定位。图2-3两种形式的内循环方式示意图第二章数控机床的机械结构与传动2.1滚珠丝杠螺母结构第二节数控机床的典型机械结构滚珠丝杠螺母副的选用滚珠丝杠螺母副的选择包括其精度、尺寸规格、支撑方式等几个方面。根据机床精度选用丝杠副的精度，根据机床载荷来选定丝杠直径，对细长而又承受轴向压缩载荷的滚珠丝杠，需核算压杆稳定性；对转速高，支撑距离大的滚珠丝杠副需校核临界转速；对精度要求高的滚珠丝杠需校核刚度。1）精度等级的选择；2）结构尺寸的选择；3）验算。第二章数控机床的机械结构与传动2.1滚珠丝杠螺母结构第二节数控机床的典型机械结构滚珠丝杠的支撑形式为了提高螺母支撑的轴向刚度，选择适当的滚动轴承及其支撑方式是十分重要的。常用的支撑方式有下列几种，如图2-4所示。图2-4常用的几种支撑方式第二章数控机床的机械结构与传动2.1滚珠丝杠螺母结构第二节数控机床的典型机械结构滚珠丝杠的制动滚珠丝杠螺母副传动效率很高，但不能自锁，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。常用的制动方法有超越离合器、电磁摩擦离合器或使用具有制动装置的伺服驱动电动机。第二章数控机床的机械结构与传动2.1滚珠丝杠螺母结构第二节数控机床的典型机械结构滚珠丝杠螺母副的轴向间隙消除和预紧滚珠丝杠副对轴向间隙有严格的要求，以保证反向时的运动精度。所谓轴向间隙是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动。它除了结构本身的游隙之外，还包括在施加轴向载荷之后弹性变形所造成的窜动。因此要把轴向间隙完全消除比较困难，通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形控制在允许的范围内。1）用锁紧螺母预紧；2）修磨垫片调间隙；3）齿差式调整第二章数控机床的机械结构与传动2.1滚珠丝杠螺母结构第二节数控机床的典型机械结构2.2齿轮传动间隙消除结构刚性调整法是调整后齿侧间隙不能自动补偿的调整法消除间隙的方法柔性调整法是调整之后齿侧间隙仍可自动补偿的调整法第二章数控机床的机械结构与传动第二节数控机床的典型机械结构2.3机床导轨第二章数控机床的机械结构与传动对导轨的基本要求导轨质量对机床的刚度、加工精度和使用寿命具有很大的影响，作为机床进给系统的重要环节，数控机床的导轨比普通机床的导轨要求更高。1）导向精度高；2）足够的刚度；3）良好的耐磨性；4）摩擦特性好；5）抗振性与结构工艺性好。第二节数控机床的典型机械结构2.3机床导轨第二章数控机床的机械结构与传动塑料滑动导轨塑料滑动导轨具有摩擦系数低，且动、静摩擦系数差值小；减振性好，具有良好的阻尼性；耐磨性好，有自润滑作用，结构简单，维修方便，成本低等特点。贴塑导轨按照成形方法分注塑导轨第二节数控机床的典型机械结构2.3机床导轨第二章数控机床的机械结构与传动滚动导轨动摩擦导轨具有摩擦系数小，动静摩擦系数差别小，启动阻力小，能微量准确移动，低速运动平稳，不宜发生爬行的特点，运动灵活，定位精度高，通过预紧可以提高刚度和抗振性，承受较大的冲击和振动载荷，寿命长，是适合数控机床进给系统应用，比较理想的导轨元件，常用的滚动导轨有：滚动导轨块和直线滚动导轨两种。第二节数控机床的典型机械结构2.3机床导轨第二章数控机床的机械结构与传动静压导轨液体静压导轨是将具有一定压力的油液，经节流器输送到导轨面上的油腔中，形成承载油膜，将相互接触的导轨表面隔开，实现液体摩擦。开式静压导轨按承载方式的不同闭式静压导轨第二节数控机床的典型机械结构2.4刀库与自动换刀装置第二章数控机床的机械结构与传动类型特点适用范围转塔刀架回转刀架多为顺序换刀，换刀时间短，结构简单紧凑，容纳刀具少各种数控车床，车削中心机床转塔头顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑，但刚性较差，刀具主轴数受限数控钻床、镗床、铣床刀库式刀库与主轴之间直接换刀换刀运动集中，运动部件少。但刀库运动多。布局不灵活，适应性差各种自动换刀数控机床，尤其是对使用回转类刀具的数控镗铣，钻镗类立式、卧式加工中心机床，要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置类型，用于加工工艺范围广的立、卧式车削中心机床用机械手配合刀库进行换刀刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，比刀库做换刀运动惯性小，速度快用机械手、运输装置配合刀库换刀换刀运动分散，由多个部件实现，运动部件多，但布局灵活，适应性好有刀库的转塔头换刀装置弥补转塔换刀刀具数量不足的缺点，换刀时间短扩大工艺范围的各类转塔式数控机床表2-1自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围第二节数控机床的典型机械结构2.4刀库与自动换刀装置第二章数控机床的机械结构与传动刀库的种类刀库的作用是储备一定数量的刀具，通过机械手实现与主轴上刀具的交换。根据刀库存放刀具的数目和取刀方式，刀库可设计成不同的形式。刀具在刀库中直线排列、结构简单直线刀库刀库的种类圆盘刀库存刀量少则6至8把，多则50至60把，有多种形式链式刀库刀座固定在链节上，常用的有单排链式刀库，多排链刀库等其他刀库例如格子箱式刀库，刀库容量较大，可以使整箱刀库与机外交换第二节数控机床的典型机械结构第二章数控机床的机械结构与传动换刀方式数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式和具体结构对机床的生产效率、工作可靠性，有着直接的影响。刀具的交换方式一般可分为两大类。无机械手换刀换刀方式机械手换刀2.4刀库与自动换刀装置第二节数控机床的典型机械结构第二章数控机床的机械结构与传动刀具的选择方式根据换刀指令，刀具交换装置从刀库中挑选各工序所需刀具的操作称为自动选刀。顺序选刀任意选刀刀具编码选择刀座编码选择记忆式选择常用选刀方式2.4刀库与自动换刀装置第二节数控机床的典型机械结构2.5回转工作台与分度工作台第二章数控机床的机械结构与传动为了扩大机床的工艺范围，数控机床除了具有直线进给功能外，还应具有绕X、Y、Z轴圆周进给或分度的功能。通常，数控机床的圆周进给运动由回转工作台来完成。常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。分度工作台的功能是将工件转位换面，完成分度运动，和自动换刀装置配合使用，实现工件一次安装能完成几个面的多种工序。数控回转工作台除了用来进行各种圆弧加工或与直线进给联动进行曲面加工外，还可实现精确的自动分度工作。第三节数控机床的主传动系统3.1主传动的基本要求和变速方式第二章数控机床的机械结构与传动1）为能达到最佳的切削效果，主轴一般都要求能实现无级变速。2）机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高速、高效加工。3）为了降低噪声、减少发热、减轻振动，主传动系统应简化结构，减少传动件。4）在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确位置。5）有C轴功能要求时，主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制。数控机床主传动系统的基本要求第二章数控机床的机械结构与传动数控机床主传动系统的变速方式主要有：有级变速（机械变速）、无级变速、分段无级变速、电主轴变速几种形式。有级变速仅用于经济型数控机床有级变速（机械变速）主轴调速方法第三节数控机床的主传动系统数控机床主轴的调速方法无级变速分段无级变速主传动采用无级变速，不仅能在一定的速度范围内选择到合理的切削速度，而且还能在运动中自动换速。主传动在中、高速段为恒功率传动，在低速段为恒转矩传动。3.1主传动的基本要求和变速方式第二章数控机床的机械结构与传动机床主轴带动刀具或夹具在支撑中做回转运动，应能传递切削转矩、受切削抗力，并保证必要的旋转精度。第三节数控机床的主传动系统主轴部件的支撑与润滑3.2主轴部件的结构常用卡盘结构数控车床工件夹紧装置可采用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧夹头等。主轴准停装置数控镗床、数控铣床的自动换刀，镗削加工退刀和一些特殊工艺要求都要求主轴上必须设有准停装置。主轴准停装置主要分为机械式和电气式。主轴内刀具自动装卸及吹屑装置第三节数控机床的主传动系统3.3电主轴与高速主轴系统第二章数控机床的机械结构与传动电主轴将机床主轴与电动机轴融为一体，这种变速方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴的转速。电主轴的出现大大简化了主运动系统结构，实现了所谓的“零传动”，它具有结构紧凑、质量小、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的应用。第四节数控机床的进给传动系统4.1数控机床对进给传动系统的基本要求第二章数控机床的机械结构与传动1）提高传动精度和刚度；2）减小各运动零件的惯量；3）减小运动件的摩擦阻力；4）响应速度快；5）较强的过载能力；6）稳定性好，寿命长；7）使用维护方便。第四节数控机床的进给传动系统4.2数控机床进给传动系统的基本形式第二章数控机床的机械结构与传动实现直线进给运动主要有三种形式：1）通过丝杠螺母副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。2）通过齿轮、齿条副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。3）直接采用直线电动机进行驱动。第四节数控机床的进给传动系统4.3直线电动机与高速进给单元第二章数控机床的机械结构与传动滚珠丝杠传动相比，直线电动机高速进给单元驱动系统具有以下优点：1）速度快、加减速过程短。2）精度高。3）刚度好、效率高、噪声低。4）行程长度不受限制。5）宽的速度范围。尽管直线电动机有很多优点，但在选用时应注意以下不足之处：1）与同容量旋转电动机相比，直线电动