第8章数控机床的机械结构素材

数控铣镗床 的主轴部件
1-调整半环； 2-3182120型 锥孔双列圆柱 滚子轴承； 3-2268120型 双向向心球轴 承； 4、9-调 整环 ；5-双 瓣卡爪；6-弹 簧 ；7-拉杆 ；8-46115型 向心推力球轴 承 ；10-油缸 ； 11-碟型弹 簧； 12-活塞 ； 13-喷气头 ； 14-套筒
2．结构类型
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２ 的数目与滚珠圈数相 等。这种形式结构紧 凑，刚度好，滚珠流 通性好，摩擦损失小， 但制造较困难。适用 于高灵敏、高精度的 进给系统，不宜用于 重载传动中。
3．滚珠丝杆副间隙的调整
为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度，必须消除 滚珠丝杆螺母副轴向间隙。消除间隙的方法常采用双螺母结 构，利用两个螺母的相对轴向位移，使每个螺母中的滚珠分
1、带有变速齿轮的主传动
这是大、中型数 控机床采用较多 的一种方式。 这主要应用在小 型数控机床上。 这种主传动方式大大简 化了主轴箱体结构，提 高了主轴部件的刚度。
2、通过皮带传动的主传动
3、由调速电机直接驱动的主传动 4、两台电动机分别传动 5、电主轴传动
变速齿轮传动
同步齿形带传动
主轴电机直接驱动
2．斜齿轮传动消除间隙（3）
轴向压簧调整法 如图所示是斜齿轮轴向压簧错齿消除间隙结构。该结构消 隙原理与轴向垫片调整法相似，所不同的是利用齿轮2右面的弹簧压力使两个 薄片齿轮产生相对轴向位移，从而它们的左、右齿面分别与宽齿轮的左右齿 面贴紧，以消除齿侧间隙。图a采用的是压簧，图b采用的是碟形弹簧。
１．工作原理和特点
滚珠丝杆螺母副由 于在丝杆和螺母之间放 入了滚珠，使丝杆与螺 母间变为滚动摩擦，因 而大大地减小了摩擦阻 力，提高了传动效率。 图示为滚珠丝杆副的结 构示意图。丝杆１和螺 母３上均制有圆弧型面 的螺旋槽，将它们装在 一起便形成了螺旋滚道， 滚珠４在其间既自转又 循环滚动。
1-丝杠
及切削热等。机床的热膨胀不均是影响刀具与工件正确位 臵的一个主要因素。机床的热稳定性好包括机床的温升小， 产生温升后使温升对机床的变形影响小，机床产生热变形 时对精度的影响较小
4.灵敏度高 数控机床要求在相当大的进给速度范围内能达到较高的精
度，因而运动部件应具有较高的灵敏度。导轨通常用滚动
导轨，塑料导轨，静压导轨等以减小摩擦力，使其无低速 爬行现象。工作台、刀架等部件的移动由伺服电机驱动， 经过滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需的驱动扭矩，提 高定位精度和运动平稳性。
电主轴
8.2.2 主轴组件结构
一、主轴轴承的配臵方式 1、前支撑采用双列滚子轴承和双列角接触球轴承组合 此配臵形式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强 力切屑的要求，因此普遍应用于各类数控机床。 2、前轴承采用多个高精度角接触球轴承 角接触球轴承高速时性能良好。但是，它的承载能力小， 因而适用于高速、轻载和紧密的数控车床。 3、前轴承采用双列圆锥滚子轴承 这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承 受较强的动载荷，安装与调整性能也好。但是，这种轴承限 制了主轴的最高转 速和精度，因此使用中等精度、低速与 重载的数控机床。
别接触丝杆滚道的左右两侧。用这种方法预紧消除轴向间隙
时，预紧力一般应为最大轴向负载的l/3。当要求不太高时， 预紧力可小于此值。
3．滚珠丝杆副间隙的调整
双螺母垫片消隙式
此种形式结构简单可靠、
刚度好，应用最为广泛， 在双螺母间加垫片的形式 可由专业生产厂根据用户 要求事先调整好预紧力，
使用时装卸非常方便。
二、刀具自动装卸与切屑清除装臵
刀夹
自动夹紧装置
在带有刀库的数控机床中，为了实现刀具在的 自动装卸，主轴内设有刀具自动夹紧装置。 图5-11所示为自动换刀数控铣镗床的主轴部件 ，其主轴前端的7：24锥最孔用于装夹锥柄刀具 或刀杆。 刀具夹紧时，蝶形弹簧11通过拉杆7，双瓣卡 爪5，在套筒14的作用下，将刀柄的尾端拉紧。 当换刀时，在主轴上端油缸的上腔A通入压力 油，活塞12的端部推动拉杆7向下移动，同时压 缩蝶形弹簧11，当拉杆7下移到使双瓣卡爪5的 下端移出套筒14时，在弹簧6的作用下，卡爪张 开，喷气头13将刀柄顶松，刀具即可由机械手 拔除。 待机械手将新刀装入后，油缸10的下腔通入 压力油，活塞12向上移，蝶形弹簧伸长将拉杆7 和双瓣卡爪5拉着向上，双瓣卡爪5重新进入套 筒14，将刀柄拉紧。 活塞12移动的二个极限位置都有相应的行程 开关（LS1，LS2）作用，作为刀具松开和夹紧 的回答信号。
具有运动的可逆性 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，即丝杆和螺母均可作主动件或从动件。
１．工作原理和特点
滚珠丝杠螺母副的缺点 由于结构复杂，丝杆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。
由于不能自锁，特别是垂直安装的滚珠丝杆传动，会因部
件的自重而自动下降。当部件向下运动且切断动力源时，由 于部件的自重和惯性，不能立即停止运动。因此必须增加制 动装臵。 结论 由于其优点显著，虽成本较高，仍被广泛应用在数
第八章 数控机床的机械结构
8.1 概
述
数控机床的机械结构一般由以下几部分组成：
1.主传动系统:包括动力源、传动件及主运动执行件（如主轴）等
2.进给传动系统:包括动力源、传动件及主运动执行件（ 如工作台、
刀架）等 3.基础支撑件：包括床身、立柱、导轨、工作台等 4.辅助装置：包括自动换刀装置、液压气动系统、润滑冷却装置等
轴向垫片调整法（锥度齿 轮调整法） 如图所示将一对齿轮 １和２的轮齿沿齿宽方向 制成小锥度，使齿厚在齿 轮的轴向稍有变化。调整 时改变垫片３的厚度就能 改变齿轮１和２的轴向相 对位臵，从而消除齿侧间 隙。
1．直齿圆柱齿轮传动间隙的消除（3）
双片齿轮错齿调整法 图示是双片齿轮周向可调弹簧错齿消 隙结构。两个相同齿数的薄片齿轮1 和2与另—个宽齿轮啮合，两薄片齿 轮可相对回转。在两个薄片齿轮1和2 的端面均匀分布着四个螺孔，分别装 上凸耳3和8。齿轮1的端面还有另外 四个通孔，凸耳可以在其中穿过，弹 簧4的两端分别钩在凸耳3和调节螺钉 7上。通过螺母5调节弹簧4的拉力， 调节完后用螺母6锁紧。弹簧的拉力 使薄片齿轮错位，即两个薄齿轮的左 右齿面分别贴在宽齿轮齿槽的左右齿 面上，从而消除了齿侧间隙。
垫片调整法 （端部加垫片）图例
3．滚珠丝杆副间隙的调整
螺纹调隙式 如图所示，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臵实现预紧，调整好后用另一个圆螺 母锁紧，这种结构调整方便，且可在使用过程中，随时调整，但 预紧力大小不能准确控制。
2-滚道
3-螺母
4-滚珠
１．工作原理和特点
滚珠丝杠螺母副的优点
传动效率高，摩擦损失小
可实现高速运动。 运动平稳无爬行
滚珠丝杆螺母副的传动效率η＝0.92～0.96，
由于摩擦阻力小，动、静摩擦系数之差极小，故运动
平稳，不易Leabharlann 现爬行现象。传动精度高，反向时无空程,滚珠丝杆副经预紧后，可消除轴向间隙。 磨损小,精度保持性好，使用寿命长。
a 轴向压簧法
b 蝶形弹簧法
8.3.3 滚珠丝杠螺母副
为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必 须要降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之 差。因此，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副。
滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上几乎没有什么差别。
它可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚 度。滚珠丝杠由专门工厂制造。
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。
螺母 电机 丝杠 支承
三、进给传动系统种类
1、步进伺服电机伺服进给系统 一般用于经济型数控机床。 2、直流伺服电机伺服进给系统 功率稳定，但因采用电刷，其磨损导致在使用中需进行 更换。一般用于中档数控机床。 3、交流伺服电机伺服进给系统 应用极为普遍，主要用于中高档数控机床。 4、直线电机伺服进给系统 无中间传动链，精度高，进给快，无长度限制；但散热 差，防护要求特别高，主要用于高速机床。
2.抗震性好 机床工作时可能产生两种形态的振动：强迫振动和自激振动。
数控机床在高速重切削情况下应无振动，以保证加工工件的
高精度和高的表面质量，特别要注意的是避免切削时的自激 振动，因此对数控机床的动态特性提出更高的要求。
3.热稳定性好 数控机床的热变形是影响加工精度的重要因素。引起热变
形的热源主要是机床的内部热源，如电动机发热、摩擦热
2．斜齿轮传动消除间隙（2）
轴向垫片错齿调整法 如图所示是 斜齿轮垫片错齿消隙结构。宽齿轮4 同时与两个相同薄片齿轮1和2啮合， 薄片齿轮由平键和轴联接，互相不 能相对回转。斜齿轮1和2的齿形拼 装后一起加工，并与键槽保持确定 的相对位臵。装配时在两薄齿轮之 间装入厚度为δ的垫片3，使薄片齿 轮1、2的螺旋线产生错位，其左右 两齿面分别与宽齿轮4的齿贴紧，消 除齿侧间隙。
2．斜齿轮传动消除间隙（1）
基本思想 斜齿轮传动消除侧隙的方法与直齿圆柱齿轮传动中双片薄齿 轮消除间隙的思路相似，也是用两个薄片齿轮和一个宽齿轮
啮合，只是通过不同的方法使两个薄片齿轮沿轴向移动合适
的距离后，相当于两薄片斜齿圆柱齿轮的螺旋线错开了一定 的角度。两个齿轮与宽齿轮啮合时分别负责不同的方向（正 向和反向），起到消除侧隙的作用。
主传动系统应当具有较大的调速范围以保证加工时能选用合
理的切削用量，同时主传动系统还需要较高的精度及刚度，尽
量降低噪声，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。 8.2.1 主传动系统配臵方式 数控机床的主传动系统多采用交流主轴电动机和直流主轴
电动机无级调速系统，为了适应低速大扭矩的要求，也经常采
用齿轮有机调速和电动机无级调速相结合的方式。