第五章数控机床的机械系统

预拉伸结构图
滚珠丝杠的制动
滚珠丝杠的防护
5.3.4 回转工作台
数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回 转工作台。 分度工作台的功用只是将工件转位换面，和自动换刀 装置配合使用，实现工件一次安装能完成几个面的多种 工序，因此，大大提高了工作效率。 数控回转工作台除了分度和转位的功能之外，还能实 现数控圆周进给运动。 另外，在FMC中还有交换工作台，在FMS中还有工件缓 冲台、工件上下料台、工件运输台。
分度工作台——分度流程
分度流程
主要内容 数控分度指令(M指令) 油缸下腔 进油 伺服电机 旋转
油缸上腔 进油 分度完成 工作台上升 活塞上升，上、下端齿盘脱开
大小齿轮啮合 行程开关发分度信号 分度 电机→蜗杆蜗轮→齿轮副→工作台旋转 发下降信号
工作台下降 活塞下降, 上、下端齿盘啮，定位夹紧 大小齿轮脱开 行程开关发分度结束信号
5.1 概述
采用框式结构 减小热变形
5.1 概述
对机床热源进行强制冷却减小热变形
冷却风管
主轴
5.2 数控机床主传动系统
1.主传动系统 定义：将主轴电动机的原动力通过该传动系统变成可供 切削加工用的切削力矩和切削速度。 2、对主传动系统的要求 有较宽的调速范围 有足够的功率和扭矩 有足够的传动精度 噪声低，运动平稳
5.3 数控机床的进给传动系统
5.3.1 齿轮传动副 齿轮副传动设计应考虑的问题:
1）齿轮传动的传动级数和速比分配 2）消除传动齿轮间隙 措施: 刚性调整法 柔性调整法
进给系统传动齿轮间隙的消除
• 刚性调整法
– 直齿轮偏心轴套式 – 锥度齿轮垫片调整式 – 斜齿轮（双片薄齿轮 ＋垫片）式
• 柔性调整法
主要内容
主传动系统 机床的床身、立柱、导轨、工作台 刀架和刀库 自动换刀装置 其他辅助装置
5.1 概述
数控机床机械结构的特点：
主要内容
支承件的高刚度化 传动机构简约化 传动元件精密化 辅助操作自动化
5.1 概述
5.1.2 数控机床机械结构的基本要求
提高数控机床构件的刚度 增强数控机床结构的抗振性 减小机床的热变形
5.滚珠丝杠副轴向间隙的调整 预紧目的是消除运动间隙,提高运动精度及传动刚 度；而滚珠丝杠副的运动间隙是轴向间隙。 滚 实现方法： 珠 （1）垫片调隙式 丝 杠 通过圆螺母调整，使滚珠丝杠的左右螺母不相对旋 螺 转，只作轴向位移，消除间隙并产生预紧力，再用锁紧 母 螺母锁紧，结构紧凑，调整方便。 预拉方向 预拉方向 副 调整垫片
5.3 数控机床的进给传动系统
定义： 将伺服电动机的旋转运动变为工作台直线运动的 整个机械传动部链。即进给驱动装置，主要包括减速装 置、丝杠螺母副及导向元件等。 要求的三要素： 传动精度，包括动态误差、稳态误差和静态误差，即 伺服系统的输入量与驱动装置实际位移量的精确程度。 系统的稳定性，系统在外界干犹下迅速稳定的能力。 动态响应特性，系统的响应时间以及驱动装置的加速 能力。
2）内循环 采用圆柱凸键反向器实现滚珠循环，反向器上铣有 S形回珠槽，将相邻两螺纹滚道连接起来。滚珠从螺纹 滚道进入反向器，借助反向器迫使滚珠越过顶芽进入相 邻滚道。 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，不易产生滚珠堵塞，摩擦损失小。缺 点是结构复杂、制造较困难。
5.3 数控机床的进给传动系统
内封 泥沙
实心混 凝土底 座
5.1 概述
采用高刚性材料提高刚度
主要内容
三坐标测量机 测量机的底座、 横梁和工作台 都采用膨胀系 数小、优质的 大理石制成
5.1 概述
3、减少机床的热变形
措施： （1）控制热源和发热量 （2）加强冷却散热 （3）改进机床布局和结构设计 （4）恒温处理 （5）采用热变形补偿装置
5.2 数控机床主传动系统
5.2.1 主传动方式 1. 带二级齿轮变速的主传动方式
多采用齿轮变速结构，因使用可调速无级变速交、直 流电动机，所以经齿轮变速后实现分段无级变速，调速 范围增加。 应用：大中型 数控机床
滑移齿轮
5.2 数控机床主传动系统
2. 通过定比传动的主传动方式
多采用带传动装置，主要应用在小型数控机床，可 避免齿轮传动引起的振动和噪声，但它只适用于低扭矩 特性要求的主轴。 常用带：多楔带 同步带
5.3.4 回转工作台
数控分度头
5.3.4 回转工作台
5.3 数控机床的进给传动系统
数控机床对进给运动的要求：
1．尽量减少运动件的摩擦阻力 2．提高传动精度和刚度 3．减少各运动部件的惯量 4．系统要有适度阻尼 5．稳定性好、寿命长 6．使用维护方便
6.4 数控机床进给传动系统
• 无极调速 • 电机 → 齿轮副 → 滚珠丝杠螺母副 带轮传动副 齿轮齿条副 联轴节 →工作台移动（导轨）
5.3 数控机床的进给传动系统
3. 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。丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦 。
5.3 数控机床的进给传动系统
4. 滚珠丝杠副的结构 滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式常用的有两种：滚 主要内容 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。 在同一个螺母上只有一个回路管道的叫单循环，有 两个回路管道的叫双列循环 1）外循环 插管式，用弯管作为返回管； 螺旋槽式，在螺母外圆上铣一出螺旋槽，槽的两端钻 出通孔并与螺纹滚道相切形成返回通道。
连轴节
• 伺服电机与丝杠直接相联
5.3 数控机床的进给传动系统
5.3.3 滚珠丝杠螺母副
1、功用 将旋转运动变换成直线运动。 2、分类 按丝杠与螺母的摩擦性质分： 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； 滚珠丝杠螺母副：广泛用于中、高档数控机床； 静压丝杠螺母副：主要用于高精度数控机床、重型机床。
5.1 概述
常见截面抗弯、抗扭惯性矩比较如表： 从表中可以看出： 1）空心结构的刚度比实心结构的刚度大； 2）封闭圆形截面的抗扭刚度好，而封闭方形截面的 抗弯和抗扭都较好； 3）加大横截面轮廓尺寸和减小壁厚时，可提高刚度
5.1 概述
正确选截面的形状提高刚度
主要内容
封闭整体箱形结构
5.1 概述
合理布置隔板提高刚度 纵向隔板 —— 主要提高抗弯 刚度 横向隔板 —— 主要提高抗扭 刚度 斜向隔板 —— 兼有提高抗弯 刚度、抗扭刚 度的效果
转子
5.2 数控机床主传动系统
5.2.3 主轴部件的支承
小型数控机床 滚动轴承 重型数控机床 液体静压轴承 高精度数控机床 气体液压轴承 超高转速(2-10万r/min)数控机床
磁力轴承或陶瓷滚珠轴承
5.2 数控机床主传动系统
5.2.4 主轴的准停
功能： 为保证每次换刀时刀具锥柄处的键槽对准主轴上的 端面键，以及在精镗孔完毕退刀时不会划伤已加工表 面，要求主轴能准确停止在指定位置。 定义： 数控机床的主轴每次能准确停止在一个固定的位置上. 准停装置的种类 机械式 电气式
滚珠丝杠螺母副的预紧
• 轴向间隙：
– 丝杠和螺母无相对转 动时，丝杠和螺母之 间的最大轴向串动。
• 消除方法：预紧
– 单螺母结构： • 微量过盈滚珠 – 双螺母结构 • 齿差调隙 • 垫片调隙 • 双螺母调隙
滚珠丝杠螺母幅轴向间隙
碟型弹簧消除间隙结构
齿差调隙
垫片调隙
双螺母调隙
5.3 数控机床的进给传动系统
5.2 数控机床主传动系统
机械式 主轴处于停止状态 接受主轴准停指令 主轴低速 接通无触点开关1
感应块2和1接触，发信号
主轴电机停转 通压力油，活塞左移 5顶入V型槽， LS2发主轴准停完成信号
5.2 数控机床主传动系统
而现代CNC机床上，一般都采用电气方式定向。
主轴停转 主轴降速 磁传感器对准 磁铁 磁传感器发准停信号
5.1 概述
2、增强数控机床结构的抗振性
抗振性是指承受受迫振动的能力。包括两个方面的含 义： ①抵抗受迫振动的能力，即能限制受迫振动的振幅不 超过允许值的能力。 ②抵抗自激振动的能力。 动刚度是衡量抗振性的主要指标， 动刚度越大，抗振性越好。
5.1 概述
增强数控机床结构抗振性的措施： （1）减少机床的内部振源 （2）提高静刚度 （3）提高阻尼比
5.3 数控机床的进给传动系统
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。
5.3 数控机床的进给传动系统
为了提高其承载能力，开发出了新型的滚珠循环方式 （UHD），为了提高回转精度，一种无螺母的丝杠副被研 制成功。
5.3 数控机床的进给传动系统
第五章 数控机床的机械结构与装置
主要内容 数控机床机械结构的主要特点和一般要求 数控机床的主传动系统 进给传动系统 导轨的结构 其它辅助装置
第五章 数控机床的机械结构与装置
主传动系统
自动换 刀装置
进给传动系统
机床基 础件
自动托盘 交换装置
第五章 数控机床的机械结构与装置
数控机床的机械结构包括：
1、提高数控机床构件的刚度
静刚度：抵抗恒定载荷变形的能力； 动刚度：抵抗交变载荷变形的能力； 在共振条件下，动刚度可用下式表示
动刚度与静刚度、阻尼系数成正比
5.1 概述
提高数控机床构件刚度的措施： （1）采用合理的机床结构布局 （2）优化设计构件的截面形状和尺寸 （3）合理选择和布置筋板 （4）提高构件的局部刚度 （5）采用焊接结构
螺母A 螺母B
丝杠侧
5.3 数控机床的进给传动系统
（2）螺纹调隙式 利用双螺母来调整间隙实现预紧的结构。滚珠丝杠左 右两螺母副以平键与外套相联，用两个锁紧螺母调整丝 杠螺母的预紧量，这样的方式简便易行，但不易精确控 制预紧量。
5.3 数控机床的进给传动系统
（3）齿差调隙法
在左右螺母的端部作成外齿轮，齿数分别为Z1、Z2，而且Z1和 Z2相差一个齿。两个齿轮分别与两端相应的内齿圈相啮合。内齿圈 紧固在螺母座上，预紧时脱开两个内齿圈，使两个螺母同向转动相 同的齿数，然后再合上内齿圈，两螺母的轴向相对位置发生变化从 而实现间隙的调整和施加预紧力。当两齿轮沿同一方向各转过一个 齿时其轴向位移量 当Z1＝99，Z2＝100，t=10mm，则S=10/99×100≈1μm。这种方 法使两个螺母相对轴向位移最小可达1μm，其调整精度高，调整准 确可靠，但结构复杂。
滚珠丝杠螺母副
• 滚珠的循环方式：
– 外循环方式 – 内循环方式
滚珠丝杠的选定
• 根据机床的精度要求来选用滚珠丝杠的精度 • 根据机床的载荷来选定丝杠的直径 • 并且要验算丝杠扭转刚度、压曲刚度与工作寿 命。
滚珠丝杠的支承方式
丝杠的预拉伸
• 为补偿热膨胀，将丝杠预拉伸，预拉伸量应略 大于热膨胀量，发热后热膨胀量抵消了部分预 拉伸量，使丝杠的拉应力下降，长度却没有变 化。 • 目标行程＝公称行程－预拉伸量
5.2 数控机床主传动系统
3. 调速电动机直接驱动的主传动系统
结构紧凑，转换效率高，但主轴转速的变化及转矩的 输出和电动机的输出特性完全一致，使用受到限制。
主轴电机 联轴器同轴连接
能否电机与主轴作为一体？
5.2 数控机床主传动系统
电主轴 基本组成部分： 空心轴转子、带绕组的定子、wenku.baidu.com度检测元件。 空心轴转子既是电机的转子，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 定子 机相似。
5.3.4 回转工作台
蜗轮（与工 作台固定）
转轴
工作台
夹紧油缸及活 塞（均布）
滚柱轴承 蜗杆（由 伺服电动 机带动）
圆光栅
钢球
蜗轮夹紧块
分度信号→锁紧油缸松开工作台→伺服电机旋转 →蜗杆蜗轮→工作台旋转或分度 检测元件：圆光栅
5.3.4 回转工作台
主要内容
分度回转工作台
数控回转工作台
方形工作台
5.3.4 回转工作台
– 直齿轮双齿轮错齿式 – 锥度齿轮压力弹簧式 – 斜齿轮碟型弹簧式
直齿轮偏心轴套式消除间隙结构
锥度齿轮式垫片消除间隙结构
斜齿轮消除间隙结构（双片薄齿轮＋垫片）
双齿轮错齿式消除间隙结构
压力弹簧式消除间隙结构
5.3 数控机床的进给传动系统
5.3.2联轴节 伺服电极与主轴通过联轴节相联 锥销联接 锥销侧方 互为90的锥销 十字滑块 桡性联轴节