数控机床的结构与传动.ppt

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1、数控技术,新疆大学机械工程学院 朱志坚 周建平 陈宏伟 乌尔开西,2019/5/9,2,第五章 数控机床的结构与传动,机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置的各种运动和动作指令，都必须由机床本体转换成真实的、准确的机械运动和动作，才能实现数控机床的功能，并保证数控系统性能的要求。 数控机床的本体由下列各部分组成： 1.机床基础件，床身，底座，立柱，滑座，工作台等。支承作用。 2.主传动系统，实现主运动。 3.进给系统，实现进给运动。 4.实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，液压，气动，润滑，冷却，防护，排屑。 5.实现工件回转、分度定位的装置和附件，回转工作台。 6.刀库、刀架和自动换

2、刀装置（ATC） 7.托盘交换装置(APC) 8.特殊功能装置，如刀具破损监测、精度检测和监控装置等。 其中，1 4为基本件，5 8为可选件。,2019/5/9,3,5-1 数控机床的结构要求,主要结构特性： 静刚度、抗振性、热稳定性、低速运动的平稳性、运动时的摩擦特性、几何精度、传动精度。 一、提高机床结构的静刚度 静刚度：在切削力和其他力的作用下，机床抵抗变形的能力。 合理设计基础件的界面形状和尺寸，采用合理的筋板结构 图5-1 图5-2 图5-3 图5-4 采用合理的结构布局，改善受力状态，提高机床的静刚度 图5-5 图5-6 补偿有关零、部件的静力变形 图5-7 提高机床部件的接触刚度

3、 采用钢板焊接结构,2019/5/9,4,二、提高机床结构的抗振性 基础件内腔充填泥芯、混凝土等阻尼材料。图5-9 表面采用阻尼涂层 采用新材料制造基础件 充分利用结合面间的阻尼 三、减少机床的热变形 改进机床布局和结构设计 采用热对称结构 图5-9 采用预拉伸的滚珠丝杠结构 在机床布局时，尽量减少内部热源 图5-10 控制温升 热变形补偿 图5-11,5-1 数控机床的结构要求,2019/5/9,5,四、改善运动导轨副的摩擦特性 一）塑料滑动导轨 主要有导轨软带和导轨涂层，常与铸铁或钢导轨配成导轨副 聚四氟乙烯导轨软带 摩擦特性好 图5-12 耐磨性好 减振性好 工艺性好 图5-13 环氧型

4、耐磨导轨涂层 抗压强度高 摩擦特性好 图5-12 耐磨性好 具有良好的可加工性 稳定性好 涂层工艺 图5-14,5-1 数控机床的结构要求,2019/5/9,6,二）滚动导轨 滚动导轨块 图5-15 直线滚动导轨 图5-16 主要特点： 对安装基面的要求不高； 制造精度高 可高速运行，运行速度可大于60m/min 能长时间保持高精度 可预加负载，提高刚度 抗振性不如滑动导轨，不宜用在有过大振动和冲击的机床上。,5-1 数控机床的结构要求,2019/5/9,7,三）静压导轨 在两个相对运动的导轨面间通以压力油，将运动件浮起，使导轨面间处于纯液体摩擦状态。 图5-17,5-1 数控机床的结构要求,

5、2019/5/9,8,5-2 数控机床的主运动与主轴部件,数控机床主运动的特点：主轴转速更高、变速范围更宽、消耗功率更大 一、数控机床主运动的参数 运动参数：是指主轴转速和变速范围。 动力参数：是指主运动的功率。 主轴转速和调速速范围 主轴转速： r/min 主轴最低转速： r/min 主轴最高转速： r/min 调速范围： 数控机床的调速范围宽，一般Rn100，有时甚至Rn1000,2019/5/9,9,主运动的功率扭矩特性 PZ-切削力切向分力（N）; V-切削速度（m/min）; T-切削扭矩（Nm）; n-主轴转速（r/min）; 功率扭矩特性曲线,5-2 数控机床的主运动与主轴部件,

6、2019/5/9,10,二、主运动的传动与变速 主运动的传动形式 带有变速齿轮的主传动 特点：齿轮变速组即可降速，扩大输出扭矩和恒功率变速范围，适用于大中型机床。,5-2 数控机床的主运动与主轴部件,通过皮带传动的主传动 特点：传动平稳、结构简单、输出扭矩和变速范围小，适用于小型机床,2019/5/9,11,电机直接驱动的主传动 精密联轴器连接：结构紧凑、传动效率高，但主轴的转速和扭矩与电机完全一致，低速性能的改善是其广泛应用的关键。,5-2 数控机床的主运动与主轴部件,内装电机主轴：主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，振动噪声小、动态响应特性和刚度好。但发热对主轴精度影响较大。 用于立式加工中

7、心的内装电机主轴如图（最高转速可达20000rpm）,2019/5/9,12,主传动的自动变速 无级调速：一般由电机调速与齿轮变速实现联合调速 自动变速：齿轮变速组的自动变速一般由液压拨叉或电磁离合器自动操纵。 图5-21为某数控车床电机与齿轮联合调速主传动系统,5-2 数控机床的主运动与主轴部件,2019/5/9,13,液压变速机构 图5-21所示三联滑移齿轮的液压变速原理如下,5-2 数控机床的主运动与主轴部件,对应的动作示意图如下,2019/5/9,14,5-2 数控机床的主运动与主轴部件,三联滑移齿轮液压变速动作示意图,2019/5/9,15,电磁离合器变速,5-2 数控机床的主运动与

8、主轴部件,2019/5/9,16,电磁离合器种类： 摩擦片式 牙嵌式两种 无滑环摩擦片式电磁离合器 特点：可在运转中变速、具有过载保护功能，但尺寸大、摩擦发热大。,5-2 数控机床的主运动与主轴部件,2019/5/9,17,牙嵌式电磁离合器 特点：传递扭矩大、尺寸小，传动比准确，可用于内联系传动链中。,5-2 数控机床的主运动与主轴部件,2019/5/9,18,三、主轴部件 主轴部件包括：主轴、主轴支承及安装在主轴上的传动零件，对于自动换刀数控机床还包括自动夹紧、清屑、准停等装置。 一）主轴端部结构和主轴支承 主轴端部结构 图5-27,5-2 数控机床的主运动与主轴部件,主轴支承 主轴支承的选

9、用 主轴支承一般应根据主轴转速、承载能力、回转精度等性能选用。 中小型机床：多采用滚动轴承。 重型机床：多采用液体静压轴承 高精度机床：多采用气体静压轴承 超高速机床（210104rpm）：多采用磁力轴承或陶瓷滚珠轴承。,2019/5/9,19,数控机床常用滚动轴承的结构形式如图5-28,5-2 数控机床的主运动与主轴部件,2019/5/9,20,数控机床常用主轴轴承的配置形式如图,5-2 数控机床的主运动与主轴部件,2019/5/9,21,二）刀具自动夹紧、切屑清除和主轴准停装置 刀具自动夹紧、切屑清除,5-2 数控机床的主运动与主轴部件,2019/5/9,22,主轴准停装置 作用：以保证加

10、工中型机床实现刀具自动交换。,5-2 数控机床的主运动与主轴部件,2019/5/9,23,一、自动换刀装置的结构类型 回转刀架换刀装置（常用于数控车床） 多主轴转塔头换刀装置（常用于数控镗铣床） 带刀库的自动换刀装置 只带刀库的自动换刀系统 刀库机械手自动换刀系统,5-3 自动换刀装置,2019/5/9,24,二、刀库类型及刀具的选择与识别 刀库类型 盘形刀库（储存量一般为1540把刀） 链式刀库（储存量一般为30120把刀） 格子式刀库（选刀及取刀动作复杂，应用最少）,5-3 自动换刀装置,选刀方式 顺序选择方式 任意选择方式 刀座编码方式 刀具编码方式 编码附件方式,2019/5/9,25

11、,刀具识别装置,5-3 自动换刀装置,非接触式刀具识别装置,接触式刀具识别装置,2019/5/9,26,5-4 回转工作台,作用：按照数控装置的指令作回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床完成指定的加工工序。 种类：分度工作台和数控回转工作台。 一、分度工作台 功能：完成一定角度的回转分度运动。 作用：在加工中自动完成工件的转位换面，实现工件一次安装完成几个面的加工。 精度保证：采用专门定位元件来保证。 种类：定位销式分度工作台和鼠齿盘式分度工作台。 定位销式分度工作台 主要特点 定位精度取决于定位销和定位孔的精度，最高可达5。 定位销和定位孔衬套制造和装配精度要求高。 定位销和定位孔衬套硬

12、度和耐磨性要求高。,2019/5/9,27,定位销式分度工作台结构 工作过程分为三步： 工作台松开并抬起 工作台回转分度 工作台下降并锁紧,5-4 回转工作台,2019/5/9,28,鼠齿盘式分度工作台 主要特点 定位精度高，可达2，最高可达0.4。 采用多齿重复定位，重复定位精度稳定。 由于多齿啮合，啮合率高，所以定位刚度好，承载能力强。 最小分度为360/Z，分度数目多，适用于多工位分度。 由于离合过程具有磨合作用，其定位精度不断提高，使用寿命长。 缺点是鼠齿盘制造比较困难。,5-4 回转工作台,2019/5/9,29,5-4 回转工作台,鼠齿盘及齿形结构如图 工作过程分为三步： 工作台抬

13、起 工作台回转分度 工作台下降并定位锁紧,2019/5/9,30,二、数控回转工作台 功能：完成工作台的连续回转进给和任意角度的分度。 作用：即能作为回转坐标轴实现坐标联动加工，又能作为分度头完成工件的转位换面。 特点：采用伺服系统实现回转、精确分度和定位。 种类：开环数控回转工作台 和闭环数控回转工作台,5-4 回转工作台,2019/5/9,31,5-4 回转工作台,一）开环数控回转工作台 特点： 采用电液脉冲马达或功率步进电机驱动，如图,2019/5/9,32,二）闭环数控回转工作台 特点： 采用交、直流伺服电机驱动，并带有转角检测元件。,5-4 回转工作台,2019/5/9,33,三）双

14、导程（变齿厚）蜗杆传动 作用：用于回转工作台的连续精确分度。 基本原理：利用蜗杆齿左右两侧不同的齿矩（左右两侧模数不同），通过轴向移动蜗杆的方法来消除或调整啮合间隙。,5-4 回转工作台,2019/5/9,34,双导程蜗杆传动特殊参数的选择 公称模数、齿厚增量系数、齿厚调整量、模数差与节距,5-4 回转工作台,2019/5/9,35,5-4 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。因此在设计传动机构，选用传动元件时应充分注意： 减小摩擦阻力 提高传动精度和刚度 消除传动间隙和减小运动惯量。 一、滚珠丝杠螺母副

15、作用：实现旋转到直线运动的转换 工作原理：在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则沿着滚道流动。,2019/5/9,36,特点：传动效率高、运动平稳、寿命高以及可预紧消除间隙并提高系统刚度等特点，普遍用于中小型机床的直线进给系统中（大型机床因距离大而采用齿条或蜗条）。 种类：内循环和外循环两种。 内循环：结构紧凑、流畅性好，但工艺性差。 外循环：工艺性好，但径向尺寸较大、流畅性稍差。 使用要求：应具有可靠的轴向间隙消除结构、合理的安装结构和有效的防护装置。 轴向间隙消除 目的：消除反向死区、提高传动精

16、度和运动平稳性。 常用消间隙措施：单螺母结构和双螺母结构 单螺母结构：过盈滚珠消间隙结构和变导程消间隙结构两种。 双螺母结构：双螺母齿差调隙式、双螺母垫片调隙式、双螺母螺纹调隙式,5-4 进给传动系统,2019/5/9,37,滚珠丝杠的安装 注意事项： 螺母座孔与螺母座之间保持良好的配合，并保证孔对端面的垂直度。 要保证螺母座的局部刚度和接触刚度。 合理选择滚动轴承、正确安装滚珠丝杠，确保支承结构的刚度。 垂直升降丝杠应安装锁紧机构。 常用轴承组合方式： 向心轴承和圆锥轴承组合：结构简单，但轴向刚度不足。 推力轴承或角接触轴承与向心轴承组合：轴向刚度较高，但结构复杂、摩擦发热大。 滚珠丝杠专用

17、轴承：结构简单、刚度高，但成本也较高。,5-4 进给传动系统,2019/5/9,38,滚珠丝杠的防护 作用：防止赃物落入滚道，保证滚珠的正常运行并避免滚珠和滚道的磨损。 防护措施： 接触式密封圈密封： 防尘效果好，但增加了滚珠丝杠副的摩擦阻力矩。 非接触式迷宫密封： 结构复杂，但避免了与滚珠丝杠副的直接接触。 运动式密封装置： 用于暴露在外的丝杆的防护。 钢带缠卷式丝杠防护装置，如图,5-4 进给传动系统,2019/5/9,39,二、静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副 丝杠传动的局限性：长丝杠制造困难，且容易弯曲下垂，轴向刚度和扭转刚度较差。 静压蜗杆蜗条副 工作原理：同静压丝杠螺母副。其中，蜗杆相当

18、于丝杠，蜗条相当于螺母。 配油问题：由于蜗杆是旋转的且与蜗条的接触区只有120左右，必须解决压力油从蜗杆进入静压油腔的问题。 配油原理 图5-44,5-4 进给传动系统,2019/5/9,40,齿轮齿条副： 特点： 速度高、传动比大、刚度及效率高，但传动不够平稳、传动精度差、不能自锁。 消间隙措施： 双薄片齿轮消间隙结构： 用于小负载机床。 双片厚齿轮消间隙结构： 用于大负载机床。 双片厚齿轮消间隙结构如右图,5-4 进给传动系统,2019/5/9,41,三、进给系统传动齿轮间隙的消除 目的：消除反向死区、提高传动精度和运动平稳性。 刚性调整法 概念：是指调整之后齿侧间隙不能自动补偿的调整方法

19、。 种类：偏心套式、带锥度齿轮式、双薄片斜齿轮式。 偏心套式 通过转动偏心套调整中心距而调整间隙 带锥度齿轮式 通过改变垫片厚度调整齿轮轴向位置而调整间隙 双薄片斜齿轮式 通过改变垫片厚度调整双薄片斜齿轮轴向距离而调整齿槽间隙,5-4 进给传动系统,2019/5/9,42,柔性调整法 概念：是指调整之后齿侧间隙可以自动补偿的调整方法。 种类：双齿轮错齿式、压力弹簧式、碟形弹簧式 双齿轮错齿式 套装结构拉簧式双薄片直齿轮相对回转调整齿槽间隙 压力弹簧式 套装结构压簧式内外圈式锥齿轮相对回转调整齿槽间隙 碟形弹簧式 碟形弹簧式双薄片斜齿轮轴向移动调整齿槽间隙,5-4 进给传动系统,2019/5/9

20、,43,本章结束 ！,请各位同学 认真复习本章内容！,2019/5/9,44,2019/5/9,45,2019/5/9,46,2019/5/9,47,2019/5/9,48,2019/5/9,49,2019/5/9,50,2019/5/9,51,2019/5/9,52,2019/5/9,53,2019/5/9,54,2019/5/9,55,彩图超级链接,彩图超级链接,2019/5/9,58,2019/5/9,59,2019/5/9,60,2019/5/9,61,2019/5/9,62,2019/5/9,63,2019/5/9,64,2019/5/9,65,2019/5/9,66,2019/5/9,67,2019/5/9,68,2019/5/9,69,2019/5/9,70,2019/5/9,71,2019/5/9,72,2019/5/9,73,2019/5/9,74,