第2章数控机床的机械结构

第2章数控机床的机械结构2.1概述2.2数控机床主传动系统结构2.3数控机床进给传动系统结构2.4数控回转工作台2.5典型数控机床传动系统2.1.1数控机床本体组成1主传动系统；2进给传动系统;3实现工件回转、定位的装置和附件；4实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置，如液压、气压、润滑、冷却等系统和排屑、防护等装置；5刀库、刀架和自动换刀装置（ATC）；6自动托盘交换装置（APC）；7特殊功能装置，如刀具破损监控、精度检测和监控装置等；8为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。数控机床的机械结构除机床基础件，由以下几部分组成机床基础件通常是指:床身底座立柱横梁滑座工作台2.1.1数控机床本体组成1-主轴头2-刀库3-立柱4-立柱底座5-工作台6-工作台底座立式数控铣床移动立柱卧式加工中心立式数控铣床数控机床数控车床的主要内部结构影响数控机床对传统的机械结构变革的最基本功能和性能主要有以下几个方面：1.自动化2.大功率和高精度3.高速度4.工艺复合化和功能集成化5.高可靠性2.1.2数控机床机械结构的特点和要求2.1.2数控机床机械结构的特点和要求数控机床的机械结构具有不同于普通机床特点和要求，主要体现在以下几个方面：①高的静、动刚度提高刚度的措施有：G.合理选用构件的材料E.合理的结构布局F.采用补偿变形的措施H.通过加配重或液压平衡负载以减小有关零部件的静力变形I.通过在支承件内腔或表面填加阻尼材料等来改善阻尼特性，以增大动刚度A.合理选择支承件的结构形式B.合理布置支承件隔板的筋条结构C.增加导轨与支承件的连接部分的刚度D.增加机床各部件的接触刚度和承载能力②高灵敏度③高抗振性改善动态特性的措施是：提高系统的静刚度、增加阻尼（例如，采用三支承主轴，后支承就有利于消振）以及调整构件的质量和自振动频率，对高速回转部件或零件进行动平衡等。④热变形小产生热变形的原因：①内外热源的影响；②不能人工修正热变形误差。2.1.2数控机床机械结构的特点和要求减小热变形的措施：1.主运动采用直流或交流调速电动机进行无级调速；2.采用热对称结构及热平衡措施，使机床主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上，如下图所示；2.1.2数控机床机械结构的特点和要求热对称结构立柱2.1.2数控机床机械结构的特点和要求3.改善主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动导轨副的摩擦特性；4.对机床发热部件采取散热、风冷或液冷等控制温升，对切削部位采取大流量强制冷却；主轴冷却风管对机床热源进行强制冷却2.1.2数控机床机械结构的特点和要求冷却风管主轴对机床热源进行强制冷却2.1.2数控机床机械结构的特点和要求5.预测热变形规律，采取热位移补偿等；6.采用排屑系统，如图所示。2.1.2数控机床机械结构的特点和要求⑤高效率、无间隙、低摩擦传动⑥高精度保持性⑦高可靠性⑧简化传动链⑨先进刀具⑩满足人机工程学的要求便于操作的机床结构2.1.2数控机床机械结构的特点和要求2.2数控机床主传动系统结构2.2.1数控机床主传动系统的特点数控机床与普通机床比较，具有下列特点：(1)所选用电机的区别普通的交流异步电机或传统的直流调速电机已逐步被新型的交流伺服电机和直流伺服电机所代替。(2)变速范围大(3)转速高，功率大(4)主轴速度的变换迅速可靠100minmaxnnRn主轴脉冲编码器同步齿形带主轴电机主轴数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式：（1）带有变速齿轮的主传动（如图a）（2）通过带传动的主传动（如图b）（3）由伺服电动机直接驱动的主传动（如图c）2.2.2数控机床主轴的变速形式2.2.2数控机床主轴的变速形式(1)带有变速齿轮的主传动通过少数几对齿轮变速，使之成为分段无级变速，确保低速时有足够的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。（2）通过带传动的主传动2.2.2数控机床主轴的变速形式带传动主要应用在小型数控机床上，具有如下优点：①无滑动，传动比准确；②传动效率高，可达98％以上；③传动平稳，噪声小；④使用范围较广，速度可达50m/s，传动比可达10左右，传递功率由几瓦至数十千瓦。⑤维修保养方便，不需要润滑。同步带传动也有许多不足之处，如其安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。2.2.2数控机床主轴的变速形式2.2.2数控机床主轴的变速形式同步带又称复合三角带，端面为多楔型，它利用同步带的齿形与同步带轮的轮齿依次相啮合来传递运动或动力。同步带传动能满足数控机床主传动高速、大转矩和不打滑的传动要求，在数控机床主传动系统中得到广泛的应用。2.2.2数控机床主轴的变速形式常用同步带轮结构2.2.2数控机床主轴的变速形式RPP同步带梯形齿同步带圆弧齿同步带梯形齿双面同步带交错双面齿同步带圆弧齿双面同步带常用同步带结构2.2.2数控机床主轴的变速形式(3)由伺服电动机直接驱动的主传动这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大，主要用于高速轻载的中小型机床。2.2.2数控机床主轴的变速形式这种主传动所采用的电动机一般为直流主轴电机，在低于特定转速时为恒扭矩输出，高于特定转速时为恒功率输出。直流主轴电动机的速度和扭矩关系图2.2.3数控机床的主轴部件机床的主轴部件是机床重要的部件之一，它带动工件或刀具执行机床的切削运动。因此数控机床主轴部件的精度、抗振性和热变形对加工质量有直接的影响。主轴部件包括：1主轴轴承2刀具的自动夹紧机构3主轴的准停装置2.2.3数控机床的主轴部件(1)数控机床的主轴轴承配置形式如图所示：①前支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承（a）。②前轴承采用高精度角接触球轴承（b）。③双列圆锥滚子轴承和单列圆锥滚子轴承（c）。2.2.3数控机床的主轴部件（2）主轴结构数控车床主轴结构2.2.3数控机床的主轴部件①刀具的自动夹紧机构它主要由拉杆7、拉杆端部的四个钢球3、碟形弹簧8、活塞10、液压缸11等组成。2.2.3数控机床的主轴部件②主轴的准停装置。主轴准停装置具有准确定位的功能，将主轴准确地停在某一固定位置，以便在该处进行换刀等动作。主轴准停装置主要分为机械方式和电气方式两种。机械式主轴准停装置1-定位盘；2-接近体；3-无触点开关；4-定位液压缸2.2.3数控机床的主轴部件1-指令2-强电时序电路3-伺服单元4-主轴电机5-同步齿形带6-位置控制电路7-主轴端面键8-主轴9-发磁体10-磁传感器11-放大器12-定向电路电气式主轴准停装置原理图2.2.3数控机床的主轴部件(3)电主轴与高速主轴系统在高速机床上，大多数使用电动机转子和主轴一体的电主轴，可以使主轴的转速达到数万转，甚至几十万转每分钟，主轴传动系统的结构简单、刚性更高。电主轴结构原理图1-引出线2-定子3-转子4-套筒5-绕组6-外壳2.2.3数控机床的主轴部件电主轴传动的特点：(1)机械结构最为简单，传动惯量小，因而快速响应性好，能实现极高的速度、加（减）速度和定角速度的快速准停（C轴控制）。(2)通过采用交流变频调速或磁场矢量控制的交流主轴驱动装置，输出功率大，调速范围宽，并有比较理想的转矩——功率特性。(3)可以实现了主轴部件的单元化。2.3数控机床进给传动系统结构2.3.1概述进给传动系统的作用：接受数控系统发出的进给脉冲，经放大和转换后驱动执行元件实现预期的运动。进给传动系统的特点：数控机床的进给传动系统必须对进给运动的位置和速度同时实现自动控制，除了要求具有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应特性。主要采取的措施：1)采用贴塑导轨、静压导轨、滚动导轨和滚珠丝杠螺母副等低摩擦的传动副，减小运动副之间的摩擦力；2)减小传动系统折算到驱动轴上的转动惯量，提高工作台跟踪指令的快速反应能力。2.3.1概述滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副2.3.1概述爬行现象是指低速时运动不平衡的现象，如下图所示。机床爬行现象一般发生在低速度、重载荷的运动情况下当主动件1作匀速运动时，被动件3往往会出现明显的速度不均匀，产生跳跃式的时停时走的运动状态，或时快时慢现象。2.3.2进给传动系统的要求数控机床进给系统的机械传动机构是指将电动机的旋转运动转变为工作台或刀架的运动的整个机械传动链，包括齿轮传动副(或蜗杆蜗轮副)、丝杠螺母副等及其支承部件(轴承座等)。对其进给传动机械装置提出了如下要求：(1)传动精度与定位精度高(2)传动刚度高和抗振性好(3)进给调速范围宽(4)低摩擦和低惯量(5)响应速度快(6)消除传动间隙(7)速度的稳定性好机床的进给运动2.3.3进给传动装置数控机床进给传动系统的机械传动装置有两种组成方案1-伺服电动机2-滚珠丝杆副3-工作台4-减速器2.3.3进给传动装置方案a采用负载能力强的伺服电动机，直接通过丝杠带动工作台进给，传动链短，刚度大，传动精度高，是现代数控机床进给传动的主要组成形式。螺母丝杠电机支承2.3.3进给传动装置采用方案b，原因如下：①细化脉冲当量，以便保证和提高进给的精度；②改变加在电机上的负载扭矩，以实现与电动机输出转矩的最佳匹配；③改变加在电机轴上的负载惯量，以实现与电机惯量的最佳匹配；④改善传动阻尼的需要，或安装联接的需要。传动中，对于起转换运动形式作用的传动机构，除滚珠丝杠副外，还有静压蜗杆一蜗母机构，预加载双齿轮一齿条机构等形式。2.3.3进给传动装置(1)滚珠丝杆副①工作原理和特点滚珠丝杠螺母副由于在丝杠和螺母之间放入了滚珠，滑动摩擦变为滚动摩擦，因而大大地减小了摩擦阻力，提高了传动效率。滚珠丝杠螺母副2.3.3进给传动装置与普通丝杠螺母副相比，滚珠丝杠螺母副其有以下优点：1)传动效率高，摩擦损失小。2)运动平稳无爬行。由于摩擦阻力小，动、静摩擦力之差极小，故运动平稳，不易出现爬行现象。3)传动精度高，反向时无空程。4)磨损小。因摩擦阻力小，磨损小，故精度保持性好，使用寿命长。5)运动其有可逆性。由于摩擦系数小，不会自锁，因而不仅可以将旋转运动转换成直线运动，也可将直线运动转换成旋转运动，即丝杠和螺母均可作主动件或从动件。2.3.3进给传动装置滚珠丝杠螺母副也有不足的地方，主要有：1)结构复杂，且丝杠和螺母等元件的加工精度和表面质量要求高，故制造成本高。2)由于不能自锁，特别是在用作垂直安装的滚珠丝杠传动，会因部件的自重而自动下降。当向下驱动部件时，由于部件的自重和惯性，传动切断时，不能立即停止运动，必须增加制动装置。2.3.3进给传动装置②结构类型滚珠循环方式可分为两种:外循环和内循环。外循环滚珠丝杠副内循环滚珠丝杠副2.3.3进给传动装置1)外循环滚珠在循环过程结束后，通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。2.3.3进给传动装置插管循环滚珠排列方式这种形式结构简单，工艺性好，承载能力较高，但径向尺寸较大。目前这种形式应用最为广泛，也可用于重载传动系统中。2.3.3进给传动装置端盖循环2.3.3进给传动装置2)内循环靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环，如图所示。反向器的数目与滚珠圈数相等。这种形式结构紧凑，刚性好，滚珠流通性好，摩损失小，但制造较难。适用于高灵墩、高精度的进给系统，不宜用于重载传动中。2.3.3进给传动装置（a）反向器（b）滚珠滚珠内循环结构2.3.3进给传动装置③滚珠丝杠螺母副的预紧滚珠丝杠螺母副的预紧是通过改变两个螺母的相对位置，使每个螺母中的滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧实现的。预紧的作用：消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙并提高轴向刚度。常用的预紧方式有以下两种:双螺母垫片式预紧双螺母螺纹式预紧2.3.3进给传动装置1）双螺母垫片式预紧通过改变两螺母间的垫片厚度即可使螺母与丝杠的轴向间隙消除并产生预紧力。2.3.3进给传动装置2）双螺母螺纹式预紧原理是利用一个螺母上的外螺纹，通过圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧，调整好后用另一个圆螺母锁紧。双螺母垫片式预紧2.3.3进给传动装置④滚珠丝