第3章 数控机床的机械系统 《数控机床》教学课件_786

（1）减少机床内部热源和发热量
如采用低摩擦系数的导轨和轴承；液压系统中 采用变量泵；数控车床采用斜床身、平床身和 斜滑板结构；配置倾斜的防护罩和自动排屑装 置等。
（2）控制温升
数控机床普遍对各发热部位采取散热、风冷、 液冷等控制温升的办法改善散热条件，控制温 升。如主轴箱采用强制外循环润滑冷却；采用 恒温冷却装置，减少主轴轴承在运转中产生的 热量；在电动机上安装有散热装置和热管消热 装置等。
3.1.2 主传动系统的主轴部件
数控机床的主轴部件是主运动的执行部件，它 夹持刀具或工件，并带动其旋转。主轴部件既 要满足精加工时高精度的要求，又要具备粗加 工时高效切削的能力，因此在旋转精度、刚度、 抗振性和热变形等方面，都有很高的要求。主 轴部件包括主轴、主轴的支承以及安装在主轴 上的传动零件，对于具有自动换刀功能的数控 机床还有刀具自动装卸及吹屑装置、主轴准停 装置等。
一、滚珠丝杠螺母副原理与结构 1．滚珠丝杠螺母副原理 滚珠丝杠螺母副（简称滚珠丝杠副）是结构特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚 珠作为中间传动元件，以减少摩擦。
2．滚珠丝杠螺母副分类
滚珠丝杠螺母副按滚珠的循环方式有外循环和 内循环两种。
图3-13（a）所示，滚珠循环过程中与丝杠始 终接触称为内循环式。螺母螺旋槽的两相邻滚 道之间由滚珠反向器实现滚珠的循环运动，并 防止滚珠在管道内作循环运动。
键槽 刀具柄
主轴锥孔 键
刀具
磁力传感器
（a）主轴准停换刀
4.主轴组件的润滑与密封
1）主轴润滑 主轴润滑的作用减少摩擦，降低机床温度，是带走摩
擦所产生的热量，减少机床热变形。机床的润滑凡是 主要有以下两种： （1）油气润滑方式。油气润滑是定时定量地把油雾 送进轴承空隙中，这种送油方式是间歇式的；而油雾 润滑则是连续供给油雾。 （2）喷注润滑方式。它用较大流量的恒温油喷注到 主轴轴承上，然后由排油泵强制排油到恒温邮箱，以 达到润滑、冷却的目的。
（d）
（e）
（f）
图3-4主轴端部的结构形式
图3-4（a）适用于为车床的主轴端部，为短锥法兰式 结构。
图3-4（b）适用于铣、镗类机床的主轴端部。铣刀或 刀杆由前端7:24的锥孔定位，并用拉杆从主轴后端拉 紧，前端的端面键用于传递扭矩。
图3-4（c）适用于外圆磨床砂轮主轴的端部。
图3-4（d）适用于内圆磨床砂轮主轴的端部。
2．主轴的密封
主轴的密封有接触式和非接触式两种。 接触式: 有摩擦和磨损，发热严重，用于低速
主轴。 非接触式: 迷宫式和隙缝式，发热很小，应用
广泛。 为保证密封作用，旋转部分与固定部分之间的
径向间隙应小于0.2～0.3mm，还要有回孔油， 以防漏油。
图3-9 非接触式密封
a)
b)
c)
3.1.3 机床主传动系统的要求
运动件的摩擦阻力主要来自导轨副，普通机床 的滑动导轨副不仅静、动摩擦系数大，而且其 差值也大。因此，数控机床普遍采用滚动导轨、 静压导轨和塑料导轨，以改善运动件间的耐磨 性和摩擦特性。数控机床的进给系统中采用滚 珠丝杠传动替代滑动丝杠，也可收到同样的效 果。
2.机床设计中对主传动系统的要求
1）有较宽的调速范围 2）有足够的功率和扭矩 3）有足够的传动精度 4）噪声低，运动平稳
（5）选用合理材料
长期以来，机床基础件主要采用铸铁件。近年 来，机床床身、立柱等支承件采用钢板或型钢 焊接而成，具有减轻重量提高刚度的显著特点。 将型砂或混凝土等阻尼材料填充在支承件的夹 壁中，可以有效地提高阻尼特性，增加支承件 的动刚度。人造大理石由于具有很高的热稳定 性，良好的吸振性，并能根据需要制作最合理 的机床结构，近年来应用广泛。
图3-4（e）、3-4（f）为钻床主轴的端部，刀具由莫 氏锥孔定位，锥孔后端第一个扁孔用于传递扭矩，第 二个扁孔用于拆卸刀具。
2.主轴的支撑
图3-6 数控机床主轴轴承配置形式
（1）前支承采用双列端圆柱滚子轴承和60°角接触 双列推力向心球轴承组合，承受径向和轴向载荷，后 支承采用成对角接触球轴承，如图3-6（a）所示。这 种结构配置形式是现代数控机床主轴结构中刚性最好 的一种，它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，目前各类数控机床的主轴普遍 采用这种配置形式。
（2）前支承采用角接触球轴承，由2～3个轴承组成 一套，背靠背安装，承受径向和轴向载荷，后支承采 用双列短圆柱滚子轴承，如图3-6（b）所示。这种配 置能承受的轴向载荷较前一配置小，但主轴部件精度 较好，适合较高转速，较重切削载荷的主轴。
（3）前、后支承均采用角接触球轴承，用以 承受径向和轴向载荷，如图3-6（c）所示。这 种配置适合于高速、轻载和精密的数控机床主 轴。
（4）前支承采用双列圆锥滚子轴承，用以承 受径向和轴向载荷，后支承采用单列圆锥滚子 轴承，如图3-6（d）所示。这种配置能承受重 载荷和较强动载荷，但主轴转速受到限制，适 合于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。
数控机床常用滚动轴承的结构形式
3.刀具自动夹紧装置、切屑清除装置和主 轴准停装置
自动换刀卧式镗铣床主轴部件
机床的主传动系统是数控机床切削动力的主要 来源，是完成切削加工的主要部件。数控机床 主传动系统的作用就是产生不同的主轴切削速 度以满足不同的加工条件要求。为了高效的加 工出高精度的零件，在机床的设计中不但对机 床体本身有较高的要求，同时对机床的主传动 系统有较高的要求。
1.机床设计中对机床本身的要求
2）抗振性高
机床工作时可能强迫振动和自激振动，机床的 抗振性是指抵抗这两种振动的能力。机床的振 动不仅直接影响工件的加工精度和表面质量， 还会降低刀具寿命，严重时甚至使加工无法继 续进行。数控机床常在高速重载情况下切削， 容易产生强迫振动和自激振动，切削过程的自 动化使得振动难以由人工进行控制和消除，因 此对数控机床的抗振性提出更高的要求。
图3-13（b）所示，滚珠再返回过程中与丝杠 脱离接触的称为外循环式。螺旋槽两端通过回 珠管相连，滚珠在管道内作循环运动。
图3-13 滚珠丝杠传动结构原理图
（a）内循环方式
（b）外循环方式
3. 滚珠丝杠副的参数
（a）滚珠丝杠副轴向剖面图 （b）滚珠丝杠副法向剖面图
（3）采用补偿变形措施
在外力的作用下，机床的变形是不可避免的， 采取相应措施，补偿有关零、部件的静力变形， 相当于提高了机床的刚度。
（4）提高机床各部件的接触刚度
影响接触刚度的根本因素是接触面积的大小， 任何增大实际接触面积的方法都能有效地提高 接触刚度。如机床导轨通过刮研，能增加单位 面积上的接触点，并使接触点分布均匀，从而 增加导轨副接合面的实际接触面积，提高接触 刚度。在接合面之间施加足够大的预加载荷也 能达到提高接触刚度的目的
3）热稳定性好
数控机床在内外热源的影响下，各部件会发生 不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对 运动关系遭到破坏，机床精度下降，因此机床 热变形是影响加工精度的重要因素。引起机床 热变形的原因主要是热源及机床各部分的温差。 热源主要是机床的内部热源，如电动机发热、 摩擦热以及切削热等。数控机床的热稳定性好， 主要是在设计时采取了以下措施。
第3章 数控机床的机械系统
2）通过带传动的主传动
如图3-1（b）所示，这种传动主要应用在小型 数控机床上，可克服齿轮传动引起的振动与噪 声，但只能适用于低扭矩特性要求的主轴。电 机本身的调速能够满足变速要求，不用齿轮变 速。同步带传动是综合了带、链传动的优点新 型传动。不打滑、传动准确、效率高、传动平 稳、保养方便，无须润滑，但对安装式中心距 要求高、工艺复杂、造价成本较高。常用的同 步带传动如图3-2所示。
二、进给系统的特点
进给系统通常由伺服电机、同步带轮传动副、 和滚珠丝杠螺母副组成，有些机床是直接将伺 服电机与滚珠丝杠连接。为保证数控机床高的 加工精度，要求其进给传动系统有高的传动精 度、高的灵敏度（响应速度快）、工作稳定、 有高的构件刚度及使用寿命、小的摩擦及运动 惯量，并能清除传动间隙。
3.2.2 滚珠丝杠螺母副
（3）机床结构和布局设计合理
设计热传导对称的结构，使温升一致，以减少 热变形；采用热变形对称结构，以减少热变形 对加工精度的影响。如数控机床立柱一般采取 双壁框式结构，在提高刚度的同时使结构对称， 防止因热变形而产生倾斜偏移。
4）运动件间的摩擦特性好、传动件间的传 动间隙小
数控机床的运动精度和定位精度不仅受到机床 零部件的加工精度和装配精度、刚度及热变形 的影响，而且与运动件的摩擦特性有关。同时， 其进给系统要求运动件既能以高速又能以极低 的速度运动，使工作台能对数控装置的指令做 出准确的响应。为此必须设法提高进给运动的 低速运动的平稳性。采取的主要措施有降低运 动件的质量，减少运动件的静、动摩擦力之差， 减少传动间隙，缩短传动链。
1）静、动刚度高 （1）合理设计基础件的截面形状和尺寸，采
用合理的筋板结构 基础件的整体刚度（包括抗弯刚度和抗扭刚度） 是通过合理地设计基础件的截面形状和尺寸， 采用合理的筋板形状及布置等来保证。
（2）采用合理的结构布局，改善机床的受力 状态
在切削力、自重等外力相同的情况下，如果能 改善机床的受力状态，减少变形，则能达到提 高刚度的目的。
3.2 数控机床的进给传动系统
进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件 的最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传 动精度、灵敏度和稳定性有关。进给系统通常 由伺服电机、同步带轮传动副和滚珠丝杠螺母 副组成。
3.2.1 进给系统的分类与特点
一、进给系统的分类 1．步进伺服电机伺服进给系统 2．直流伺服电机伺服进给系统 3．交流伺服电机伺服进给系统 4．直线电机伺服进给系统
1.主轴端部的结构
1）主轴组件的类型 主轴组件按运动方式可分为五类: (1)只作旋转运动的主轴组件。如车床、铣床和磨床等的主轴组