第二章 机械结构

滚珠丝杠螺母副


丝杠螺母副是运动变换机构，其功用是将旋转运动变换成直线运 动。按丝杠与螺母的摩擦性质分类：①滑动丝杠螺母副，主要用 于旧机床的数控化改造、经济型数控机床等；② 滚珠丝杠螺母副， 广泛用于中、高档数控机床；③ 静压丝杠螺母副，主要用于高精 度数控机床、重型机床。 工作原理 丝杠（螺母）旋转，滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使 螺母（丝杠）轴向移动，从而实现将旋转运动变换成直线运动。
该配置方式是一种 传统的配置方式， 它能够满足各种切 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， 其他已很少采用。
变频器—交流电机—1～2级机械变速—主轴部件配置方式 特点：





变频电机经一对齿轮变 速后，再通过二联滑移 齿轮传动主轴，使主轴 获得高速段和低速段转 速。 优点是能够满足各种切 削运动的转矩输出，且 具有大范围的速度变化 能力； 具有结构简单、安装调 试方便，且在传动上能 满足转速与转矩的输出 要求； 调速范围及动力特性相 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。

数控机床对主运动系统的要求




动力功率高 由于对高效率的要求日益增长，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 调速范围宽 除了功率方面的要求外，还应使主轴转速具有足够大的调整范围。 调速范围是指最高转速与最低转速之比，即Rn=nmax/nmin 控制功能多样化 性能要求高
控制功能多样化
由于NC机床的种类繁多，不同的机床对主轴功能有不同的要 求。 NC车床车螺纹时要求有同步控制功能；

加工中心为了能进行自动换刀需要主轴准停功能； 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，需要恒线速切 削功能； 还有些NC机床有C轴控制功能
交、直流主轴电机 — 主轴部件配置方式
特点：

电机经同步齿形带传动主轴 电机是性能更好的交、直流主轴 电机，变速范围宽，最高转速可 达 8000 r/min 在传动上能基本能满足目前大多 数数控机床的要求，易于实现丰 富的控制功能


结构简单、安装调试方便，可满 足现在中高档数控机床的控制要 求
结 构
数 控 机 床 的 机 械
第 二 章
第二章 数控机床机械结构 对数控机床机械结构的要求 数控机床的主传动及主轴部件 数控机床的进给运动及传动机构 自动换刀装置 其它辅助装置

第一节 对数控机床机械结构的要求
提高机床的动、静刚度 减少机床的热变形 减少运动副的摩擦，提高传动精度 提高机床的寿命和精度保持性 自动化的机构，宜人的操作性 安全防护和宜人的造型
滚珠丝杠螺母副


滚珠循环方式 滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式常用的有两种：滚珠在循 环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接 触的称内循环。滚珠丝杠螺母副的每个循环称为一列，每个导程 称为一圈。 外循环 下图为常用的一种外循环方式，这种结构是在螺母体上轴向 相隔2.5圈或3.5圈螺纹处钻两个孔与螺旋槽相切，作为滚珠的进 口与出口。再用弧形铜管插入进口和出口内，形成滚珠返回通道， 由弯管的端部来引导滚珠；这种弯管由两半合成，采用冲压件， 工艺性好。 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，故刚性差、易磨损，噪音较大。外循环 的工作圈数是2.5圈或3.5圈 ，1～2列。
对于越来越高的速度的需求， 该配置方式已难以满足

电主轴



这种电机由三个基本部分组成：空心轴转子、带绕组的定子、速 度检测元件。空心轴转子，它既是电机的转子，也是主轴，中间 是空心的，用于装夹刀具或工件；带绕组的定子，它和其他电机 相似。这种电机构成了较简单的主运动部 件。 它不仅可以使转速提高，若在其内应用较先进的轴承（如陶瓷轴 承、磁悬浮轴承等）而且可使主轴部件结构紧凑、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200000 r/min。它的出现大大简化了主运动系 统结构，实现了所谓的“零传动”，因而使传动精度大大提高， 由于它具有上述特点，在高速数控机床大量采用。 在目前也存在着一些缺点，主要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 是内装式主轴电机的关键问题。
进给传动系统装置


概述 进给系统机械传动结构是进给伺服系统的重要组成 部分，它是实现成形加工运动所需的运动及动力的执 行机构。它主要由传动机构、运动变换机构、导向机 构、执行件组成。如下图所示。其中常用的传动机构 有传动齿轮和同步带； 运动变换机构有丝杠螺母副、 蜗杆齿条副、齿轮齿条副等；导向机构有滑动导轨、 滚动导轨、静压导轨、轴承等。 数控机床对进给运动的要求 减少摩擦阻力 提高传动精度和刚度 消除传动间隙 减小运动件的惯量
调速范围宽

主运动为旋转运动的机床，主轴转速n(r/min)由切削速度v(m/min)和工件 或刀具的直径d(mm)来确定

对于数控机床，为了适应切削速度和工件（或刀具）直径的变化，主轴 的最低和最高转速可根据下式确定
数控机床的主传动变速方式



无级变速 分段无级变速 内置电动机主轴变速（电主轴） 有级变速（机械变速）
现代数控机床均采用交流主轴电机及交流变频驱 动装置，下图为主轴输出特性曲线
（极限）
功率（kw)
连续）
主轴转速（r/min) 主轴输出特性曲线----转速功率特性
转矩（N.m)
（极限）
标准型22.5-2250r/min
转矩（N.m)
连续）
高速型45-4500r/min
Leabharlann Baidu
主轴转速（r/min) 主轴输出特性曲线----转速转矩特性
电主轴结构图
电主轴外观图
三位液压拨叉作用原理图
三位液压拨叉作用原理图 1、5-液压缸 2-活塞杆 3-拨叉 4-套筒
啮合式电磁离合器
1-线圈 2-衔铁 3-螺钉 4-弹簧 5-定位环 6-隔离环 7-螺钉 8-磁轭 9-旋转环
啮合式电磁离合器
加 工 中 心 典 型 主 轴 部 件
数控机床的主轴部件

组成：主轴部件由主轴的支承、安装在主轴上的传动零件及装夹 刀具或工件的附件组成。 主要作用：①夹持工件或刀具实现切削运动；②传递运动及切削 加工所需要的动力。


机床对其主轴部件的主要要求有： ① 主轴的精度要高。精度包括运动精度(回转精度、轴向窜 动)和安装刀具或夹持工件的夹具的定位精度(轴向、径向)。 ② 部件的结构刚度和抗振性。 ③ 运转温升不能太高以及较好的热稳定性。 ④ 部件的耐磨性和精度保持能力。 对数控机床除上述要求外，在机械结构方面还应有： ① 刀具的自动夹紧装置。 ② 主轴的准停装置。 ③ 主轴孔的清理装置等

第一节 对数控机床机械结构的要求
一. 提高机床的静、动刚度
合理选择支承件的结构形式 合理的结构布局 采用补偿变形的措施 合理选用构件的材料

第一节 对数控机床机械结构的要求 二.减少机床热变形的措施

减少机内发热 改善散热和隔热条件 合理设计机床的结构与布局 进行热变形补偿

性能要求高
对主轴电机的性能要求如下： 电机抗过载能力强，要求有较长时间(1～30min)和较大倍数的抗过载能 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
普通电机—机械变速系统—主轴部件配置方式
第一节 对数控机床机械结构的要求 三. 减少运动副的摩擦

采用滚动导轨或静压导轨 采用贴塑滑动导轨 用滚珠丝杠代替滑动丝杠 采用无间隙滚珠丝杠传动和无间隙齿轮传动以提高传动精度
第二节 数控机床的主传动系统

数控机床的主传动系统概述 主运动系统是指驱动主轴运动的系统，主轴是数控机床上带动刀具 和工件旋转，产生切削运动的运动轴，它往往是数控机床上单轴功率消 耗最大的运动轴。 主传动系统的作用： ① 传递动力，传递切削加工所需要的动力 ② 传递运动，传递切削加工所需要的运动； ③ 运动控制，控制主运动运行速度的大小、方向和起停。 与进给伺服系统相比，它具有转速高、传递的功率大等特点，是数 控机床的关键部件之一，对它的运动精度、刚度、噪声、温升、热变形 都有较高的要求。
主传动功率


机床主传动的功率N可根据切削功率Nc与主运动传动链的总 效率η 由下式来确定 N=Nc/η 数控机床的加工范围一般都比较大，切削功率可以根据有代 表性的加工情况，由其主切削力Pz按下式来确定
调速范围宽

在主运动系统中调速范围有恒扭矩、 恒功率调速范围之分，如图所示， 在基本转速(额定转速nc )以下是恒 转速调速范围，通过调整电枢电压 来实现，在nc以上是恒功率调速， 通过调磁调速。而且现在恒功率调 速范围尽可能大，以便在尽可能低 的速度下，利用其全功率(在低速 时往往由于电流的限制，只能进行 恒扭矩调速。因为加工一些难加工 材料所需求的转速范围相差很大， 例如，钛需要低速加工，而铝合金 材料却需要高速加工，而采用齿轮 变速箱扩大变速范围的方法已不能 满足要求。
进给传动系统装置

齿轮传动及齿轮消隙
齿轮传动在伺服进给系统中的作用是：改变运动方向、降速、增大扭 矩、适应不同丝杠螺距和不同脉冲当量的配比等。当在伺服电机和丝杠 之间安装齿轮（直齿、斜齿、锥齿等）时，必然产生齿侧间隙，造成反 向运动的死区，必须设法消除。目前消除齿侧间隙普遍采用双片齿轮结 构，如下图（a），将一对齿轮中的大齿轮分成1、2两部分，并分别与 螺钉3、8固定，再将弹簧4与3、8联接起来，这样齿轮的1、2两部分的 齿轮自然错开，达到自动消除齿侧间隙的目的。图（b）为斜齿轮传动 消隙结构。它是将一个斜齿轮分成两个薄片3、4，且在其中加一垫片2， 改变垫片2的厚度，薄片3、4的螺旋线就会错位，分别与宽齿轮1的齿槽 左、右侧面贴紧，消除了间隙。
进给传动系统装置
进给传动系统装置 对进给传动系统装置的要求： 由于机械传动结构的刚性、制造精度、摩擦阻 尼特性等，对执行件运动特性和运动精度有重要 影响，因此进给伺服系统对机械传动机构提出了 较高的要求，主要有： ①摩擦力小，尤其是动静摩擦系数之差要小，故 广泛采用如滚动摩擦等摩擦力较小的传动件及导 轨； ②传动精度和刚度要高，要求消除传动间隙，并 进行适当的预紧。以增加传动系统刚度； ③运动惯量要小，尽可能减小运动部件质量，以 提高响应速度。
键联接消隙

当齿轮与轴联接时，键两侧的间隙也必须设法消除，其措施 如下图。图（a）为双键消除间隙，用紧定螺钉顶紧。图（b） 将其中一个键灌环氧树酯，但不易拆卸维修。
联轴节

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，由于伺服系统对传动精度要求较高，因而对联轴节也提 出了较高的要求，主要有无间隙、传动中弹性变形小、高速传动平 稳、稳定可靠等。图是较典型的联轴节的结构形式。 图（a）用锥销联接，为防止振松，用螺母加弹簧垫圈锁紧。图 （b）将锥销放在侧边，故可承受较大的剪切力。图（c）为套筒中 心线上互为90°的两个锥销。套筒联接尺寸小、转动惯量小。图 （d）为十字滑块联轴节，接头槽口需研配，适于负载较小的传动。 图（e）是现在广泛采用的直接联接电机轴和丝杠的弹性无键联轴节。 这种联轴节的工作原理是：联轴节的左半部装在电机轴上，当拧紧 螺钉2时，件3和件6相互靠近，挤压内锥环4、外锥环5，使外锥环 内径缩小，内锥环外径胀大，使件6与电机轴1形成无键联接。右半 部也同样形成无键联接。左半部通过弹性钢片组8两个对角孔与螺栓 10、球面垫圈7、9相联。图中表明球面垫圈9与右半部件16没有任 何联接关系。同样，弹簧钢片组8的另两个对角孔，通过球面垫圈 17、18、螺栓19与右半部的件16联接，垫圈18与件6也没有任何联 接关系。这样依靠弹性钢片组对角联接（即弹性）传递扭矩，且与 电机轴和丝杠都无键联接。