数控机床的机械传动结构

第五章机械传动结构第五章数控机床的机械传动结构内容提要本章将讨论数控机床的主运动系统、进给系统机械结构、运动传动机构以及典型部件等的功能、实现方法和安装调试方法。第五章数控机床的机械传动结构第五章机械传动结构一、概述1。定义、功用、组成定义主运动系统：指驱动主轴运动的系统。主轴：指带动刀具和工件旋转，产生切削运动且消耗功率最大的运动轴。功用：传递动力：传递切削加工所需要的动力传递运动：传递切削加工所需要的运动运动控制：控制主运动的大小方向开停第一节数控机床的主运动结构第五章数控机床的机械传动结构第五章机械传动结构.组成：（1）动力源：电机（2）传动系统：定比传动机构、变速装置（3）运动控制装置:离合器、制动器等（4）执行件：主轴第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构动力功率高由于日益增长的对高效率要求，加之刀具材料和技术的进步，大多数NC机床均要求有足够高的功率来满足高速强力切削。一般NC机床的主轴驱动功率在3.7kw~250kw之间。第一节数控机床的主运动结构1.对主传动系统要求第五章机械传动结构第一节数控机床的主运动结构调速范围宽调速范围：有恒扭矩、恒功率调速范围之分。现在，数控机床的主轴的调速范围一般在：100～10000，且能无级调速。要求恒功率调速范围尽可能大，以便在尽可能低的速度下，利用其全功率。变速范围负载波动时，速度应稳定。第五章机械传动结构控制功能的多样化•同步控制功能：NC车床车螺纹用；•主轴准停功能：加工中心自动换刀、NC车床车螺纹用；•恒线速切削功能：NC车床和NC磨床在进行端面加工时，为了保证端面加工的粗糙度要求，要求接触点处的线速度为恒值；•C轴控制功能：车削中心。第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构性能要求高电机过载能力强。要求有较长时间(1~30min)和较大倍数的过载能力在断续负载下，电机转速波动要小。速度响应要快，升降速时间要短。电机温升低，振动和噪音小。可靠性高，寿命长，维护容易。体积小，重量轻，与机床联接容易。第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构2。主运动变速系统的参数运动参数：主运动速度有关的参数：变速范围、转速等。动力参数：电机功率、扭矩。第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构)(85.0~70.0min)/().(min)/()()(95500060000消耗在传动链上的功率主运动的总效率主轴转速切削扭矩切削速度切削力的切向分力切削功率rncmNMmvNpkwMnvpNzzc动力参数主运动的功率N=Nc/(kw)第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构主运动的调速范围主轴的调速范围是指主轴变速能力：minmaxnnRn式中：maxn----主轴最高输出转速minn----主轴最低输出转速通常数控机床的都较普通机床要高，Rn：100~10000第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构二、主运动的配置形式和驱动电机根据数控机床的要求，主运动系统的配置有以下四类第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构1)普通电机—机械变速系统—主轴部件第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构第一节数控机床的主运动结构优点：能够满足各种切削运动转矩输出的要求，但变速范围不大，由于是有级变速使切削速度的选择受到限制，而且该配置的结构较复杂，所以现在仅有少数经济型数控机床采用该配置，其它已很少采用。第五章机械传动结构2)变频器—交流电机—1~2机械变速—主轴部件第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构第一节数控机床的主运动结构这种配置的结构简单、安装调试方便，且在传动上能满足转速与转矩的输出要求，但其调速范围及特性相对于交、直流主轴电机系统而言要差一些。主要用于经济型或中低档数控机床上。第五章机械传动结构3)交、直主轴电机—主轴部件这种配置形式同上面一样，但电机是性能更好交直流主轴电机，其变速范围宽，最高转速可达8000r/min，且控制功能丰富，可满足中高档数控机床的控制要求第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构4)电主轴电主轴又称内装式主轴电机，即主轴与电机转子合为一体，其优点是主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高启动、停止的响应特性，利于控制振动和噪声。转速高，目前最高可达200000r/min。其缺点是电机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴，因此，主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是内装式电机主轴的关键问题第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构车床用电主轴第一节数控机床的主运动结构铣床用电主轴第五章机械传动结构第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构三、主轴部件1。概述功用：夹持工件或刀具实现切削运动；传递运动及切削加工所需要的动力。组成：主轴、支承、传动零件、装夹刀具或工件的附件及辅助零部件。第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构要求：主轴的精度要高。包括运动精度(回转精度、轴向串动)、和安装刀具或夹持工件的夹具的定位精度(轴向、径向)。部件的结构刚度和抗振性好。较低的运转温升以及较好的热稳定性。部件的耐磨性和精度保持性好。自动可靠的装夹刀具或工件第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构对数控机床除上述要求外，还应有：(在机械结构方面)刀具的自动夹紧装置主轴的准停装置主轴孔的清理装置等三、主轴部件第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构主轴部件的结构主轴端部的结构形式端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，因此，要保证刀具或夹具定位（轴向、定心）准确，装夹可靠、牢固，而且装卸方便。目前，主轴的端部形状已标准化。第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构主轴部件的支承作用：支承主轴、承受作用在主轴上的各种作用力（传动力、切削抗力等）要求：转速、精度和相应的承载能力（即有足够的轴向和径向刚度）。第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构主轴部件常用轴承的类型和精度等级类型：滚动轴承、滑动轴承（动压、静压）、空气静压轴承、陶瓷轴承、磁悬浮轴承精度等级E(高级)、D(精密级)、C(特精级)、B(超精级)普通精度的机床，前支承用C、D，后支承用D、E级，前支承比后支承高一个精度等级。精度较高的机床，前后支承均用B级精度。第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构第一节数控机床的主运动结构滚动轴承第五章机械传动结构第一节数控机床的主运动结构动压轴承第五章机械传动结构第一节数控机床的主运动结构静压轴承第五章机械传动结构第一节数控机床的主运动结构空气轴承第五章机械传动结构第一节数控机床的主运动结构磁力（磁悬浮）轴承第五章机械传动结构主轴轴承的配置对主轴支承的基本要求是：A．前后支承都应有承受径向载荷的轴承。支承方式：两支承、三支承等。B．要有承受双向轴向载荷式的推动轴承。定位方式：前端定位:后端定位:两端定位:第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构型式前端定位后段定位两端定位发热变形前支承发热大受热向后伸长前支承发热小受热向前伸长受热向两端伸长使主轴弯曲承载变形受轴压部分短变形小受轴压部分长变形大精度低轴向载荷均匀间隙调整不方便方便较方便悬伸量两侧时长一侧时短短外侧时长内侧时短应用对轴向精度和刚度要求较高的精密机床普通精度机床较短主轴机床第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构主轴滚动轴承的预紧预紧：是对轴承轴向和径向间隙进行调整，并使轴承滚道预先承受一定的载荷。作用：a.消除间隙b.提高轴承的接触刚度第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构方法：径向间隙的消除方法在锥面上轴向移动-薄壁胀大-径向间隙消除第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构内外圈相对移动-错位-消除径向和轴向间隙第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构防松第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构数控机床的典型主轴部件第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构第一节数控机床的主运动结构第五章机械传动结构第二节进给系统的机械传动结构第六章数控机床的机械传动结构一、概述1、进给系统的功用协助完成加工表面的成形运动，传递所需的运动及动力。2、进给系统机械部分的组成传动机构+运动变换机构+导向机构+执行件（工作台）传动机构:齿轮传动、同步带传动运动变换：丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等导向机构：导轨（滑动导轨、滚动导轨、静压导轨）第五章机械传动结构第二节进给系统的机械传动结构工作台导轨副第五章机械传动结构3、主要要求1.减小摩擦力采用摩擦力及动静摩擦力差值较小的传动件及导轨.2.提高传动精度和刚度消除传动间隙,增加传动系统刚度.3.减小运动惯量快速响应.减小运动部件质量.第二节进给系统的机械传动结构第五章机械传动结构1、功用：扭矩匹配惯量匹配脉冲当量匹配降速二、齿轮传动第二节进给系统的机械传动结构第五章机械传动结构2、消除传动间隙作用：消除反向间隙，提高传动精度方法：使啮合状态轮齿的两侧均处于接触状态。实现：偏心轴调整、轴向垫片调整（刚性）轴向压簧调整、周向压簧调整（柔性）第二节进给系统的机械传动结构第五章机械传动结构第二节进给系统的机械传动结构第五章机械传动结构第二节进给系统的机械传动结构第五章机械传动结构由于伺服电机性能的提高，目前许多场合都采用伺服电机与丝杠直接相联第二节进给系统的机械传动结构三、联轴节第五章机械传动结构弹性联轴节第二节进给系统的机械传动结构第五章机械传动结构四、丝杠螺母副功用：将旋转运动变换成直线运动分类：滑动丝杠螺母副（旧机床数控化改造、经济型）滚珠丝杠螺母副（广泛采用、普及型、高档型）静压丝杠螺母副（用于高精度数控机床）第二节进给系统的机械传动结构第五章机械传动结构1、滚珠丝杠螺母副概述工作原理：丝杆（螺母）旋转，滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使螺母（丝杆）轴向移动第二节进给系统的机械传动结构第五章机械传动结构滚珠循环方式外循环滚珠在循环过程中回珠时与丝杠脱离接触的结构；采用弧形铜管形成滚珠返回通道，由弯管的端部引导滚珠；其工作圈数是2.5圈或3.5圈，1～2列。丝杆第二节进给系统的机械传动结构第五章机械传动结构内循环滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的结构。采用圆柱凸键反向器实现滚珠循环，反向器嵌入螺母内工作圈数是3第二节进给系统的机械传动结构第五章机械传动结构比较外循环方式制造工艺简单、应用广泛，但螺母径向尺寸较大，因用弯管端部作挡珠器，易磨损，噪音较大。内循环螺母结构紧凑，定位可靠，刚性好，不易磨损，反回滚道短，不易发生滚珠堵塞，摩擦损失小。缺点是结构复杂、制造较困难。第二节进给系统的机械传动结构第五章机械传动结构特点：传动效率高：0.90到0.96传动精度高:可消除间隙摩擦阻力小:静摩擦阻力及动静摩擦阻力差值小不能自锁第二节进给系统的机械传动结构第五章机械传动结构2.滚珠丝杠螺母副的选用原则：机床精度→选用滚珠丝杠精度，机床载荷→选定丝杠尺寸参数，验算：扭转刚度、压曲刚度、临界转速与工作寿命第二节进给系统的机械传动结构第五章机械传动结构精度等级选择滚珠丝杠的精度对数控机床的定位精度有直接影响。主要精度指标：螺距（导程）误差、累积误差/300mm。普通数控机床选用D级，精密数控机床选用C级；。滚珠丝杠的热变形对数控机床定位精度的影响也不容忽视；第二节进给系统的机械传动结构第五章机械传动结构丝杆D0第二节进给系统的机械传动结构第五章机械传动结构长度L：L=工作行程+螺母长度+（5～10）名义直径D0：D0↑，丝杠承载能力和刚度越大。通常大于L/30--L/35。螺距t：t小，螺旋升角小，摩擦力矩小，分辨率高；但传动效率低，承载能力低，应折中考虑。滚珠直径d0：d0越大，承载能力越高，尽量取大值。一般取d0=0.6t.滚珠的工作圈数、列数和工作滚珠总数对丝杠工作特性影响较大。第二节进给系统的机械传动结构确定尺寸