第4章 数控机床的机械结构

3）良好的抗振性和热稳定性。
4）在车削中心上，要求主轴具有C轴控制功能。 5）在加工中心上，要求主轴具有高精度的准停功能。
6）具有恒线速度切削控制功能。
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4.3 数控机床的主传动系统
4.3.2 数控机床主轴的变速方式 1、带有变速齿轮的主轴传动 大中型数控机床较常采用的配置方式，确保低速时有较 大的扭矩，滑移齿轮的移位大多采用液压拨叉或直接由液 压缸驱动齿轮来实现。
2）传动刚度要高
3）转动惯量要小 4）谐振频率要高 5）传动间隙要小
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4.4 数控机床进给传动系统
4.4.2 滚珠丝杠螺母机构 1、工作原理与特点
滚珠丝杠副结构原理
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4.4.2 滚珠丝杠螺母机构
1、工作原理与特点 滚珠丝杠螺母副优点：
1)传动效率高，摩擦损失小。
2)运动平稳无爬行。 3)传动精度高，反向时无空程。 4)磨损小，精度保持性好，使用寿命长。 5)具有运动的可逆性。
机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，使
恒功率区增大，扩大了变速范围，避免了低速时转矩不够且 电机功率不能充分利用的问题。
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4.3.2 数控机床主轴的变速方式
4、调速电机直接驱动主轴传动 大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的 刚度，但主轴输出的扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。
上更多内容的加工。
二、数控机床布局特点 3、不同布局有不同的机床结构性能 数控卧式镗铣床中，（a）、
（b）为T形床身布局，工作
台支承于床身，刚度好，工 作台承载能力强；(c)、(d)
工作台为十字形布局，（c）
主轴箱悬挂于单立柱一侧， 使立柱受偏载，(d)主轴箱装
在框式立柱中间，对称布局，
受力后变形小，有利于提高 加工精度。
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4.4.2 滚珠丝杠螺母机构
2、滚珠丝杠螺母副的结构类型 1)外循环。滚珠在循环过程结束后，通过螺母外表面上的 螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。 结构简单，工艺性好，承载能力较高，但径向尺寸较大。 应用最为广泛，也可用于重载传动系统。
外循环式滚珠丝杠结构 34
4.4.2 滚珠丝杠螺母机构
二、数控机床布局特点 4、不同布局影响机床操作方便程度 数控车床的四种不同布局方案，（a）为水平床身-水平滑板， 刀架水平放置加大了机床宽度方向的结构尺寸；
床身工艺性好，便于导轨面的加工，下部空间小，故排屑困难，
二、数控机床布局特点 4、不同布局影响机床操作方便程度 （b）为倾斜床身-倾斜滑板，排屑亦较方便，中小规格的数控
削的转矩通常是通过刀
杆的端面键来传递的， 这就要求主轴具有准确
定位于圆周上特定角度
的功能。
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主轴准停换刀示意图
4.3.3 主轴部件
3、主轴的准停 当加工阶梯孔或精
镗孔后退刀时，为防止
刀具与小阶梯孔碰撞或 拉毛已精加工的孔表面，
必须先让刀，再退刀，
因此，刀具就必须具有 定位功能。 主轴准停阶梯孔或精镗孔示意图
刀杆不会自行松脱。
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4.3.3 主轴部件
2、刀具自动装卸切屑清除装置
机床采用的是7∶24号锥 柄刀具，锥柄的尾端安装有拉 钉，拉杆通过4个钢球拉住拉 钉的凹槽，使刀具在主轴锥孔 内定位及夹紧。
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4.3.3 主轴部件
3、主轴的准停 又称为主轴定位功
能，这是自动换刀所必
需的功能。在自动换刀 的镗铣加工中心上，切
4.4.2 滚珠丝杠螺母机构
单螺母消隙 （4）单螺母变位螺距预紧
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4.4.2 滚珠丝杠螺母机构
（5）单螺母螺钉预紧
螺母在专业生产工厂完成精磨之后，沿径向开一薄槽，
通过内六角调整螺钉实现间隙的调整和预紧。间隙的调整和 预紧极为方便。
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4.4.2 滚珠丝杠螺母机构
4、滚珠丝杠的支撑
滚珠丝杠的支撑方式 (a)仅一端装推力轴承；(b)一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承； (c)两端装推力轴承，(d)两端装推力轴承和深沟球轴承 41
筋条结构
5
4.2 数控机床机械结构的特点
一、数控机床机械结构特点 3）灵敏度高 4）热变形小 在数控机床结构布局设计中可考虑尽量采用对称结构 （如对称立柱等），进行强制冷却（如采用空冷机），
使排屑通道对称布置等措施。
5）自动化程度高，操作方便
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回转交换式APC
移动交换式APC
二、数控机床布局特点
数控机床主传动的四种配置方式 (a)齿轮变速；(b)带传动；(c)两个电机分别驱动；(d)调速电机直接驱动 14
4.3.2 数控机床主轴的变速方式
2、通过带传动的主轴传动 主要用在转速较高、变速范围不大的小型数控机床上。可
以避免由齿轮传动所引起的振动和噪声。适用于高速低转矩
特性的主轴，常用有多楔带和同步齿形带。
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斜齿轮轴向垫片消除 间隙结构
4.4.3 传动齿轮间隙调整机构
2）斜齿轮轴向压簧错齿调整法 轴向尺寸较大，只适合于负载较小的场合。
47 斜齿轮轴向压簧错齿消除间隙结构
（1）垫片调隙式
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4.4.2 滚珠丝杠螺母机构
3、滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法
（2）螺纹调隙式
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3、滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法 （3）齿差调隙式
在两个螺母的凸缘上各制 有圆柱外齿轮，分别与套筒 两端内齿圈相啮合，其齿数 相差一个齿。调整时，让两 个螺母相对于套筒方向都转 动一个齿，然后再插入内齿 圈，则两个螺母便产生相对 角 位 移 ， 其 轴 向 位 移 量 s= （1/z1-1/z2)Pn。 能精确调整预紧量，调整方便、可靠，结构尺寸较大，多 用于高精度的传动。 齿差调隙式
第4章 数控机床的机械结构
1
2
认识数控机床的机械结构 数控机床机械结构的特点
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数控机床的主传动系统
数控机床进给传动系统 自动换刀装置 数控机床的回转工作台 项目训练
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4.1 认识数控机床的机械结构
1、熟百度文库数控车床的机械结构
2
4.1 认识数控机床的机械结构
2、熟悉加工中心的机械结构
3
控机床的主轴。
4.3.3 主轴部件
2、刀具自动装卸切屑清除装置 加工中心主轴前端有7∶24 号锥孔，内部和后端安装的是 刀具自动夹紧机构。 机床执行换刀指令，机械手 从主轴拔刀时，主轴需松开刀
具。这时，液压缸上腔通压力
油，活塞推动拉杆向下移动， 使碟形弹簧压缩，钢球进入主
轴锥孔上端的槽内，刀柄尾部
来实现准停控制，准停角
度可任意设定。
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编码器主轴准停控制原理图
4.3.3 主轴部件
4、主轴的密封
非接触式密封 (a)形式一；(b)形式二；(c)形式三 29
4.3.3 主轴部件
接触式密封 (a)油毡圈密封；(b)耐油橡胶密封圈密封
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4.4 数控机床进给传动系统
4.4.1 对数控机床进给系统的要求 1）摩擦阻力要小 广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料导轨和静压导轨。
2）电气准停控制 磁传感器主轴准停控制 在主轴上安装一个永久磁铁与主 轴一起旋转，在距离发磁体旋 转外轨迹1~2mm处固定一个
磁传感器，它经过放大器并与
主轴控制单元相连接，当主轴 需要定向时，便可停止在调整
好的位置上。
永久磁铁与磁传感器在 主轴上的位置
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4.3.3 主轴部件
编码器主轴准停控制 通过主轴电动机内置安装 的位置编码器或在机床主 轴箱上安装一个与主轴1： 1同步旋转的位置编码器
车床其床身的倾斜度以60°为宜；（c）水平床身-倾斜滑板，
具有水平床身工艺性好，宽度方向的尺寸小，且排屑方便， 是卧式数控车床的最佳布局形式。
4.3 数控机床的主传动系统
4.3.1 数控机床主传动的特点
1）具有更大的调速范围并实现无级调速。一般要求主轴具 备1∶（100～1000）的恒转矩调速范围和1∶10的恒 功率调速范围。 2）具有较高的精度与刚度，传递平稳，噪声低
的拉钉被松开，机械手拔刀。
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4.3.3 主轴部件
2、刀具自动装卸切屑清除装置 压缩空气进入活塞和拉杆的中孔， 吹净主轴锥孔，为装入新刀具做好准 备。当机械手将下一把刀具插入主轴 后，液压缸上腔无油压，在碟形弹簧 和弹簧的恢复力作用下，拉杆、钢球 和活塞退回到图示的位置，使刀具被 夹紧。刀杆夹紧机构用弹簧夹紧，液 压放松，以保证在工作中突然停电时，
4.4.3 传动齿轮间隙调整机构
2、斜齿圆柱齿轮传动副消除间隙的方法 1）斜齿轮轴向垫片调整法 薄片斜齿轮1和2的齿形拼装 在一起加工，装配时在两薄片齿 轮间装入已知厚度为t的垫片3， 这样螺旋线便错开了，使两薄片 斜齿轮分别与宽齿轮4的左、右 齿面贴紧，从而消除间隙。 承载能力较小，且不能自动 补偿消除间隙，属刚性消除间隙 的范畴。
42
4.4 数控机床进给传动系统
4.4.3 传动齿轮间隙调整机构
1、直齿圆柱齿轮传动副消除间隙的方法
1）偏心套调整法
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偏心套消除间隙结构
4.4.3 传动齿轮间隙调整机构
2）锥度齿轮轴向垫片调整法
锥度齿轮轴向垫片消除间隙结构 44
4.4.3 传动齿轮间隙调整机构
3）双片薄齿轮错齿调整法
双片薄齿轮错齿消除间隙结构 45 (a)结构一；(b)结构二
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4.3.3 主轴部件
1）机械准停控制 采用机械凸轮机构或 光电盘方式进行粗定位， 然后有一个液动或气动的 定位销插入主轴上的销孔 或销槽实现精确定位，完 成换刀后定位销退出，主 轴才开始旋转。
结构复杂，在早期数
控机床上使用较多。
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典型的V形槽轮定位盘机械 准停原理示意图
4.3.3 主轴部件
2）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。反向器2的数目与滚珠圈数相等。 结构紧凑，刚度好，滚珠流通性好，摩擦损失小，制造较 困难，适用于高灵敏、高精度的进给系统。
内循环式滚珠丝杠结构
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4.4.2 滚珠丝杠螺母机构
3、滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法 通常采用预加载荷的方法来减小弹性变形所带来的轴向 间隙，以保证反向传动精度和轴向刚度。 双螺母消隙
1、不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量
数控铣床四种布局方案 适应的工件重量、尺寸 却不同。（a）适应较 轻工件，（b）适应较 大尺寸工件，（c）适
应较重工件，（d）适
应更重更大工件。
二、数控机床布局特点 2、不同布局有不同的运动分配及工艺范围
数控镗铣床的三种布局方案 中，（a）主轴立式布置， 上下运动，对工件顶面进行 加工；（b）主轴卧式布置， 加工工作台上分度工作台的 配合，可加工工件多个侧面； （c）在（b）基础上再增加 一个数控转台，可完成工件
4.2 数控机床机械结构的特点
一、数控机床机械结构特点 1）静刚度和动刚度高
合理选择构件的结构形式，如基础件采用封闭的完整
箱体结构；合理选择及布局隔板和筋条，尽量减小 接合面，提高部件间接触刚度等；合理进行结构布 局；采取补偿构件变形的结构措施。 2）抗振性高
4
4.2 数控机床机械结构的特点
立柱结构
直接驱动式
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4.3 数控机床的主传动系统
4.3.3 主轴部件 1、主轴轴承的支撑形式 1）前支撑采用双列短 圆 柱 滚 子 轴 承 和 60° 角 接 触双 列向 心推 力球 轴承组 合， 后支 撑采 用成 对向心 推力 球轴 承 。 可 提 高主轴
的综 合刚 度 ， 满足 强力切
削的 要求 。普 遍用 于各类 数控机床主轴。 主轴轴承常见的支撑形式 (a)形式一；(b)形式二；(c)形式三
带的结构形式 (a)多楔带;(b)同步齿形带
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4.3.2 数控机床主轴的变速方式
同步齿形带传动是一种综合了带传动和链传动优点的新 型传动方式，带型有梯形齿和圆弧齿。
同步齿形带的结构和传动
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4.3.2 数控机床主轴的变速方式
3、用两个电机分别驱动主轴传动 高速时，由一个电机通过带传动；低速时，由另一个电
4.4.2 滚珠丝杠螺母机构
5、滚珠丝杠副的制动装置
机床工作时，电磁铁通电，
使摩擦离合器脱开，运动由电机 经减速齿轮传给丝杠，使主轴箱 上、下移动。当加工完毕或中间 停车时，电机和电磁铁同时断电， 借压力弹簧作用合上摩擦离合器， 使丝杠不能转动，主轴箱便不会 下落。 数控铣镗床主轴箱进给丝杠 制动示意图
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2）前支撑采用高精度双列
向心推力球轴承。向心推力轴
承有良好的高速性，主轴最高 转 速 可 达 4000r ／ min， 但 承
载能力小，适于高速、轻载、
高精密的数控机床主轴。 3）前后支撑分别采用双 列和单列圆锥滚子轴承。径向 和轴向刚度高，能承受重载荷，
其安装、调整性能好，但限制
了主轴转速和精度，因此可用 于中等精度、低速、重载的数