数控机床的机械结构.ppt

第一节 数控机床的结构与性能要求,第二节 常见数控机床的布局,第三节 数控机床的主传动系统及主轴部件,第四节 进给系统的机械传动机构,第三章 数控机床的机械结构,第七节 数控机床的回转工作台,第八节 数控加工用辅助装置,第五节 数控机床的床身与导轨,第六节 数控机床的刀库与换刀装置,第一节 数控机床的结构和性能要求,从本质上说，数控机床和普通机床一样，也是一种经过切削将金属材料加工成各种不同形状零件的设备。 早期的数控机床，包括目前部分改造、改装的数控机床，大都是在普通机床的基础上，通过对进给系统的改造而成的。 因此，在许多场合，普通机床的构成模式、零部件的设计计算方法仍然适用于数控机床。 但是，随着数控技术（包括伺服驱动、主轴驱动）的迅速发展，为了适应现代制造业对生产效率、加工精度、安全环保等方面越来越高的要求，现代数控机床的机械结构已经从初期对普通机床的局部改造，逐步发展形成了自己独特的结构。 特别是随着电主轴、直线电动机等新技术、新产品在数控机床上的推广应用，部分机械结构日趋简化，新的结构、功能部件不断涌现，数控机床的机械机构正在发生重大的变化，虚拟轴机床的出现和实用化，使传统的机床结构面临着更严峻的挑战。,数控机床对机械结构的基本要求,1、具有较高的静、动刚度和良好抗震性,机床的刚度反映了机床机构抵抗变形的能力。 机床变形产生的误差，通常很难通过调整和补偿的方法予以彻底的解决。 为了满足数控机床高效、高精度、高可靠性以及自动化的要求，与普通机床相比，数控机床应具有更高的精刚度。 此外，为了充分发挥机床的效率，加大切削用量，还必须提高机床的抗震性，避免切削时产生的共振和颤振。 而提高机构的动刚度是提高机床抗震性的基本途径。,数控机床对机械结构的基本要求,2、良好的热稳定性,机床的热变性是影响机床加工精度的主要因素之一。 由于数控机床的主轴转速、快速进给都远远超过普通机床，机床又长时间处于连续工作状态，电动机、丝杠、轴承、导轨的发热都比较严重，加上高速切削产生的切屑的影响，使得数控机床的热变性影响比普通机床要严重得多。 虽然在先进的数控系统具有热变性补偿功能，但是它并不能完全消除热变性对于加工精度的影响， 在数控机床上还应采取必要的措施，尽可能减小机床的热变性。,3、具有较高的运动精度和良好的低速稳定性,利用伺服系统代替普通机床的进给系统是数控机床的主要特点。 伺服系统最小的移动量（脉冲当量），一般为0.001 mm；最低进给速度，一般只有1mm/min，甚至更低。这就要求进给系统具有较高的运动精度，良好的跟踪性能和低速稳定性，才能对数控系统的位置指令做出准确的响应，从而得到要求的定位精度。 传动装置的间隙直接影响着机床的定位精度，虽然在数控系统中可以通过间隙补偿、单向定位等措施减小这一影响，但不能完全消除。特别是对于非均匀间隙，必须机械消除间隙措施，才能得到较好的解决。,数控机床对机械结构的基本要求,4、高的机床寿命和精度保持性,措施1 采用耐磨性好的零部件,措施2 机床运动部件间具有良好的润滑,数控机床对机械结构的基本要求,高寿命和精度保持性可以提高数控机床开动率（比普通用机床高23倍），以便缩短数控机床投资的回收时间。 设计时就必须考虑数控机床零部件的耐磨性，如导轨、进给丝杆及主轴部件等的耐磨性，以使数控机床在长期使用过程中不丧失精度。保证数控机床各部件的良好润滑也是提高寿命的重要条件,减少运动件的摩擦和消除传动间隙 1.采用滚动导轨和静压导轨：减小摩擦，避免“低速爬行”，提高定位精度和运动平衡性。 2.使用滚珠丝杠代替滑动丝杠：目前数控机床几乎无例外地采用了滚珠丝杠传动。 3.采用无间隙传动副：用同步带传动代替齿轮传动、采用脉冲补偿装置进行螺距精度补偿。,数控机床对机械结构的基本要求,5、具有良好的操作、安全防护性能,方便、舒适的操作性能，是操作者普遍关心的问题。 在大部分数控机床上，刀具和工件的装卸、刀具和夹具的调整、还需要操作者完成，机床的维修更离不开人，而且由于加工效率的提高，数控机床的工件装卸可能比普通机床更加频繁，因此良好的操作性能是数控机床设计时必须的问题。 数控机床是一种高度自动化的加工设备，动作复杂，高速运动部件较多，对机床动作互锁、安全防护性能的要求也比普通机床要高很多。同时，数控机床一般都有高压、大流量的冷却系统，为了防止切屑、冷却液的飞溅，数控机床通常都应采用封闭和半封闭的防护形式，增加防护性能。,第3章 数控机床的机械结构,一、数控机床的布局特点,数控机床大都采用机、电、液、气一体化布局，全封闭或半封闭防护，机械结构大大简化，易于操作及实现自动化。,第二节、常见数控机床的布局,如图 2-7 所示均为数控铣床，但四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。 其中， (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。,1、不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量,图 2-8 所示为数控镗铣床的三种布局方案。其中： （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，可完成工件上更多内容的加工。,2、不同布局有不同的运动分配及工艺范围,图2-9所示为几种数控卧式镗铣床。其中：（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，其中（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。,3、不同布局有不同的机床结构性能,不同的机床布局使机床操作中不少工作（如工件、刀具装卸、切屑清理、加工观察等）方便程度不同。 图2-10为数控车床的三种不同布局方案，其中： （a）横床身，加工观察与排屑均不易。 （b）斜床身，排屑亦较方便； （c）立床身，排屑最方便，切屑直接落入自动排屑运输装置；,4、不同布局影响机床操作方便程度,二、数控车床的布局结构特点,平床身 斜床身 立式床身,图2-1 数控车床的三种常用布局 (a)平床身布局(b)斜床身布局(c)立式床身布局,常用布局形式,这三种布局方式各有特点，一般经济型、普及型数控车床以及数控化改造的车床，大都采用平床身；性能要求较高的中、小规格数控车床采用斜床身（有的机床是用平床身斜滑板）；大型数控车床或精密数控车床采用立式床身。,常用布局形式,斜床身布局的数控车床（导轨倾斜角度通常选择45º、60º或75º），不仅可以在同等条件下，改善受力情况，而且还可通过整体封闭式截面设计，提高床身的刚度，特别是自动换刀装置的布置较方便。而平床身、立式床身布局的机床受结构的局限，布置比较困难，限制了机床性能。因此，斜床身布局的数控车床应用比较广泛。,常用布局形式,在其他方面则三种布局方式各具特点： （1）热稳定性：当主轴箱因发热使主轴轴线产生热变位时，斜床身的影响最小；斜床身、立式床身因排屑性能好，受切屑产生的热量影响也小。 （2）运动精度：平床身布局由于刀架水平布置，不受刀架、滑板自重的影响，容易提高定位精度；立式床身受自重的影响最大，有时需要加平衡机构消除；斜床身介于两者之间。,常用布局形式,（3）加工制造 ： 平床身的加工工艺性较好，部件精度较容易保证。另外，平床身机床工件重量产生的变形方向竖直向下，它和刀具运动方向垂直，对加工精度的影响较小；立式床身产生的变形方向正好沿着运动方向，对精度影响最大；斜床身介于两者之间。 （4）操作、防护、排屑性能 ：斜床身的观察角度最好、工件的调整比较方便，平床身有刀架的影响，加上滑板突出前方，观察、调整较困难。但是，在大型工件和刀具的装卸方面，平床身因其敞开面宽，起吊容易，装卸比较方便。立式床身因切屑可以自由落下，排屑性能最好，导轨防护也较容易。在防护罩的设计上，斜床身和立式床身结构较简单，安装也比较方便；而平床身则需要三面封闭，结构较复杂，制造成本较高。,三、加工中心的布局结构特点 1.卧式加工中心 卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的布局形式种类较多，其主要区别在于立柱的结构形式和X、Z坐标轴的移动方式上（Y轴移动方式无区别）。,单立柱 框架结构双立柱,图2-2卧式数控镗铣床（卧式加工中心）常见的布局形式,常用的立柱,Z坐标轴的移动方式有工作台移动式（图2-2a、b）和立柱移动式（图2-2c）两种。以上基本形式通过不同组合，还可以派生其他多种变形，如X、Z两轴都采用立柱移动，工作台完全固定的结构形式；或X轴为立柱移动、Z轴为工作台移动的结构形式等。,在图2-2所示的三种中、小规格卧式数控镗铣床（卧式加工中心）常见的布局形式中，图2-2a所示的结构形式和传统的卧式镗床相同，多见于早期的数控机床或数控化改造的机床；图2-2b所示的采用了框架结构双立柱、Z轴工作台移动式布局，为中、小规格卧式数控机床常用的结构形式。图2-2c所示的采用了T形床身、框架结构双立柱、立柱移动式（Z轴）布局，为卧式数控机床典型结构。,框架结构双立柱采用了对称结构，主轴箱在两立柱中间上、下运动，与传统的主轴箱侧挂式结构相比，大大提高了结构刚度。另外，主轴箱是从左、右两导轨的内侧进行定位，热变形产生的主轴轴线变位被限制在垂直方向上，因此，可以通过对Y轴的补偿，减小热变形的影响。,T形床身布局可以使工作台沿床身做X 方向移动时，在全行程范围内，工作台和工件完全支承在床身上，因此，机床刚性好，工作台承载能力强，加工精度容易得到保证。而且，这种结构可以很方便地增加X轴行程，便于机床品种的系列化、零部件的通用化和标准化。,立柱移动式结构的优点是：首先，这种形式减少了机床的结构层次，使床身上只有回转工作台、工作台，共三层结构，它比传统的四层十字工作台，更容易保证大件结构刚性；同时又降低了工件的装卸高度，提高了操作性能。其次，Z轴的移动在后床身上进行，进给力与轴向切削力在同一平面内，承受的扭曲力小，镗孔和铣削精度高。此外，由于Z轴的导轨的承重是固定不变的，它不随工件重量改变而改变，因此有利于提高Z轴的定位精度和精度的稳定性。但是，由于Z轴承载较重，对提高Z轴的快速性不利，这是其不足之处。,立式数控镗铣床（立式加工中心）的布局形式与卧式数控镗铣床类似，图2-3所示的是三种常见布局形式。,这三种布局形式中，图2-3a所示的结构形式是常见的工作台移动式数控镗铣床（立式加工中心）的布局，为中、小规格机床的常用结构形式；图2-3b所示的采用了T形床身，X、Y、Z三轴都是立柱移动式的布局，多见于长床身（大X轴行程）或采用交换工作台的立式数控机床。这三种布局形式的结构特点，基本和卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的对应结构相同。,同样，以上基本形式通过不同组合，还可以派生其他多种变形，如X、Z两轴都采用立柱移动、工作台完全固定的结构形式，或X轴为立柱移动、Z轴为工作台移动的结构形式等等。,图2-3立式数控镗铣床（立式加工中心）常见的布局形式,应用：适合于加工盘类工件，配合各种附件后，可满足各种工件的加工。,2.立式加工中心,特点：五面加工中心具有立式和卧式加工中心的功能，通过回转工作台的旋转和主轴头的旋转，能在工件一次装夹后，完成除安装面以外的所有五个面的加工。,3.五面加工中心与多坐标加工中心,第三节 数控机床的主传动及主轴部件,数控机床和普通机床一样，主传动系统也必须通过变速，才能使主轴获得不同的传递，以适应不同的加工要求，并且，在变速的同时，还要求传递一定的功率和 足够的转矩，满足切削的需要。 主轴转速更高； 变速范围更宽； 提供的动力更强。 主运动的自动变速、准停； C轴控制； 同步速度控制。,(1)调速功能：各种不同的机床对调速范围的要求不同。 (2)功率要求：要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的驱动功率或输出扭矩，以适应高效、高速和强力切削的加工需要。 (3)精度要求：主轴的旋转精度和运动精度。主轴的静刚度和抗振性。 (4)动态响应性能：升降速时间短、调速平稳。,对主传动系统的要求,31,一、 数控机床主传动形式,1、带有简单变速机构的主传动,优点：能满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围调节速度的能力。 缺点：结构复杂，需要润滑及温度控制装置；成本较高；制造和维修难。 应用：一般大中型铣床多采用这种结构。,32,2、通过皮带传动的主传动,优点：结构简单，安装调试方便，传动平衡，在一定条件下能满足转速与转矩的输出要求。 缺点：调速范围比（恒功率调速范围与恒扭矩调速范围之比）受电机调速范围比的约束。 应用：低扭矩输出要求的小型数控机床主轴上。,2.通过带传动的主传动 带传动主要应用在小型数控机床上，可克服齿轮传动时引起振动和噪声的缺点，但它只能适用于低扭矩特性要求 数控机床上应用的多楔带又称复合三角带能够满足主传动要求的高速、大转矩和不打滑的要求。多楔带安装时需较大的张紧力，使得主轴和电动机承受较大的径向负载，这是多楔带的一大缺点,同步齿形带传动。它是综合了带、链传动优点的新型传动方式 (1)传动效率高，可达98以上。 (2)无滑动，传动比准确。 (3)传动平稳，噪声小。 (4)使用范围较广，速度可达50ms，速比可达 10左右，传递功率由几瓦至数千瓦。 (5)维修保养方便，不需要润滑。 (6)安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高,3.用两个电动机分别驱动主轴,4由主轴电动机直接驱动的主传动 电动机直接带动主轴运动，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，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大,40,4、电机直接驱动的主轴结构（两种类型）,电机通过精密联轴器与主轴联接。 特点：结构紧凑、传动效率高的，主轴的特性完全与电机输出特性一致，因而在使用上受到一定限制。,主轴与电机转子为一体，称电主轴。 特点：结构紧凑，惯量小，响应快。制造和控制要求高。如主轴的散热、动平衡、支承、润滑及控制等。造价高。 应用：多用于高速加工。,5.电主轴传动,在高速加工机床上，广泛使用主轴和电动机一体化的新颖功能部件-电主轴。电主轴的电动机转子和主轴一体，无须任何传动件，可以使主轴达到每分钟数万转，甚至十几万转的高速。,二、数控机床主轴轴承的一般配置形式,轴承的配置 合理配置轴承,可以提高主轴精度,降低温升,简化支承结构。在数控机床上配制轴承时,前后轴承都应能承受径向载荷,支承间的距离要选择合理,并根据机床的实际情况配制轴向力的轴承。常用轴承的结构形式：,44,（2）前支承采用高精度双列向心推力球轴承 向心推力球轴承具有良好的高速性能，主轴最高转速可达1000r/min，但是它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。 （3）双列和单列圆锥滚子轴承 这组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，安装与调整性能好。但是这组轴承配置方式限制了主轴的最高转速和可以达到的精度，因此适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。,（1）双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承，后支承采用成对向心推力球轴承。 主轴的综合刚度大幅度提高，满足强力切削要求，普遍应用于数控机床的主轴。,47,主轴端部的结构形式：端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，因此，要保证刀具或夹具定位（轴向、定心）准确，装夹可靠、牢固，而且装卸方便。 目前，主轴的端部形状已标准化。,48,数控加工使用的刀具: 刀具组成：由刀柄、中间接杆和适用刀具。 主轴刀柄与主轴孔大多锥度为7：24。 刀柄规格:40、45、50号 图2-33为最常用的标准锥形刀柄结构 图2-34为圆柱结合面的主轴刀柄,49,50,三、刀具自动装卸及切削清除装置 自动夹紧一般由液压或气压装置予以实现；而切屑清除则是通过设于主轴孔内的压缩空气喷嘴来实现，其孔眼分布及其角度是影响清除效果的关键。,52,刀具自动夹紧装置、切屑清除装置,自动换刀卧式镗床（镗铣加工中心）的主轴部件,53,54,55,56,57,刀具自动夹紧、切屑清除,四、主轴准停装置 每次机械手自动装取刀具时，必须保证刀柄上的键槽对准主轴的端面键 为满足主轴这一功能而设计的装置称为主轴准停装置或称主轴定向装置 在加工精密的坐标孔时，由于每次都能在主轴的固定圆周位置换刀，故能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而减少被加工孔的尺寸分散度,60,主轴准停装置,机械式准停装置：,功能：当特殊加工或自动换刀，主轴能实现准确的停止在一个固定位置上。,1-无触点开关 2-感应块 3-凸轮定位盘 4-定位液压缸 5-定向滚轮 6-定位活塞,机械准停装置比较准确可靠，但结构较复杂。,61,主轴准停装置 作用：以保证加工中型机床实现刀具自动交换。,62,电气式准停装置：,1-主轴 2-同步感应器 3-主轴电动机 4-永久磁铁 5-磁传感器,磁力传感器准停装置工作原理： 数控装置发出主轴停转指令时，主轴电动机3立即降速，当永久磁铁4对准磁传感器5时，磁传感器发出准停信号，由定向电路使电动机准确地停止在规定的周向位置上。,1）利用主轴上光电脉冲产生准停信号。 2）利用磁力传感器检产生准停信号。,63,五、电主轴 电主轴是将主轴电机的定子、转子直接装入主轴单元内部，通过交 流变频控制系统，使主轴获得所需的工作速度和扭矩。 电主轴结构紧凑、速度快、转动效率高，取消了传动带、带轮和齿 轮等环节，解决了主轴高速运转时的振动和噪声问题。,图2 -11 加工中心用电主轴,图2 -12 电主轴的组成,1.电主轴的结构,图1. 1.编码盘 2.电主轴壳体 3.冷却水套 4.电动机定子 5.油气喷嘴 6.电动机转子 7.阶梯过盈套 8.平衡盘 9.角接触陶瓷球轴承,65,1.电主轴的结构,66,电主轴的结构,67,68,电主轴采用变频电机与机床的主轴合二为一的结构形式,即变频电机的空心转子与机床主轴零件过盈配合套装（热装）在一起，带冷却套的定子装配（热装）在主轴单元的壳体内直接与机床连接，成为集成式电机主轴电机的转子就是机床的主轴,机床主轴单元的壳体就是电机座。 电主轴实现了变频电机和机床主轴之间的“零传动”，这是数控机床传动系统的重大变革。它克服了传统机床皮带或齿轮传动方式的主轴系统在高速下打滑、振动和噪声大、惯量大等弊病。可良好地实现主轴转速的高速化，有效改善主轴高速综合性能。,电动机置于主轴前、后轴承之间。此结构为主轴的常见型式，基本结构如图1。 优点：主轴轴向尺寸较短，刚度大，扭矩大，适用于中、大型高速加工中心。 电动机置于主轴后轴承之后。如图2 即主轴箱和主电动机作轴向的同轴布置(有的用联轴节) 优点：这种布局方式有利于减小电主轴前端的径向尺寸，电动机的散热条件也较好。 但整个主轴单元的轴向尺寸较大，常用于小型高速数控机床，尤其适合于模具型腔的高速精密加工。,图2. 1.液压缸 2.拉杆 3.主轴轴承 4.碟形弹簧 5.夹头 6.主轴 7.内置电动机,2.电主轴的轴承 高精度、足够的刚度、高寿命、高可靠性，一定的承载能力，更重要的是必须适于高速运行。 支承轴承主要有:角接触球轴承、陶瓷轴承、磁浮轴承以及空气静压轴承和液体动静压轴承等。,3.电主轴的冷却 电机的定子直接安装在壳体内,这种结构对电机的散热极其不利,而靠联轴节联接主轴与电机的直接驱动方式和皮带(或齿轮) 传动结构则相对有利于电机散热；同时,主轴前轴承温升的大小直接影响到主轴的几何精度和定位精度。对这两方面热源必须采取强制冷却措施。,74,解决电主轴的发热问题的措施,75,解决电主轴的发热问题的措施,4.电主轴的驱动,电机 电机是电主轴的核心,正确设计电机的电磁参数是十分重要的。其次,电机的机械特性电气特性,需要和高速加工相适应，满足机床在宽调速度范围内对功率和扭矩的要求。 支承轴承的制造和选配 冷却系统,5.电主轴的基本参数 主轴最高转速和恒功率转速范围 主轴的额定功率和最大扭矩 主轴前轴颈直径和前后轴承的跨距等 其中主轴最高转速、前轴颈直径和额定功率是基本参数。,78,第四节 进给系统的机械传动机构,一、组成、特点和要求 特点 进给传动系统通常是由伺服电动机、同步带轮传动副和滚珠丝杠螺母副所组成，有的机床是直接将伺服电动机与滚珠丝杠连接。 数控机床对进给系统中的传动装置和元件要求具有高的寿命、高的刚度、无传动间隙、高的灵敏度和低摩擦阻力的特点。,对进给传动系统的要求,1.有较高的工作精度 2.响应速度快 3.调速范围宽 4.稳定性好 5.可靠性高,80,二、滚珠丝杠螺母副,1.工作原理和特点 滚珠丝杠副是回转运动与直 线运动相互转换的理想传动装 置，也是数控机床上重要的功 能部件 。 结构特点：在具有螺旋槽的 丝杠螺母间装有滚珠作为中间 传动元件，以减少摩擦。 按滚珠循环方式的不同可以 分为内循环式和外循环式两种。,图2 -13 滚珠丝杠副的结构图,（a） 内循环式,（b） 外循环式,81,导轨与滚珠丝杠,83,滚珠丝杠副的特点 （1）传动效率高。传动效率可达92%98%，是普通 丝杠传动的24 倍。 （2）摩擦力小。滚珠滚动时的动、静摩擦系数相差小， 传动灵敏，运动平稳、随动精度和定位精度高。 （3）使用寿命长。滚珠丝杠副采用优质合金钢，其滚道 表面硬度高达6062HRC，因为是滚动摩擦，故磨损很小. （4） 刚度高。滚珠丝杠副经预紧后可以消除轴向间隙， 提高系统的刚度。 （5）运动精度高。反向运动无空行程，轴向运动精度。 （6）不能实现自锁。当作用于垂直位置时 ，必须加有制动装置 。,84,2.滚珠丝杠螺母副的循环方式,外循环式的滚珠丝杠副按滚珠返回的方式不同，有插管式和螺旋槽式， 图（a）为插管式，其特点是结构工艺性好，但由于回珠管突出于螺母体外，径向尺寸较大。 图（b）为螺旋槽式，螺旋槽式径向尺寸小，但制造上较为复杂。 内循环式的优点是径向尺寸紧凑，刚性好,其返回滚道行程较短，摩擦损失小。,图2 -14 外循环式滚珠丝杠副,（a） 插管式,（b） 螺旋槽式,86,滚珠丝杠副的传动间隙是轴向间隙。消除轴向间隙的常用的方法是用双螺母消除丝杠螺母的间隙。 1）双螺母垫片调隙式： 结构简单、刚性好、装卸方便、 可靠。但调整精度不高，不能 随时消除间隙和进行预紧。 该调整结构仅适用于一般 精度的数控机床。,3. 滚珠丝杠螺母副的轴向间隙消除和预加载荷,通过调整垫片的厚度使左、右螺母产生轴向位移，就可达到消除间隙和产生预紧力的作用 简单、刚性好、装卸方便、可靠 调整困难 ，调整精度不高,88,2）双螺母齿差调隙式： 结构较为复杂，尺寸较大，但是调整方便，可获得精确的调整量，预紧可靠不会松动，适用于高精度传动。 调整方法：螺母1和2凸缘上两个圆柱齿轮的齿数相差一 个齿 ，根据滚珠丝杠副间隙的大小调整两个螺母1、2分别 向相同的方向转过一个或 多个齿。使两个螺母在轴 向移近了相应的距离达到 调整间隙和预紧的目的。,1,5,螺母1和2的凸缘上各制有一个圆柱外齿轮，两个齿轮的齿数相差一个齿，两个内齿圈3和4与外齿轮齿数分别相同，并用预紧螺钉和销钉固定在螺母座的两端。调整时先将内齿圈取下，根据间隙的大小调整两个螺母1、2分别向相同的方向转过一个或多个齿，使两个螺母在轴向移近了相应的距离达到调整间隙和预紧的目地。,90,双螺母齿差调隙式结构的间隙消除量 可用下式简便 地计算： = nt（z1·z2 ） 或n=z1·z2/ t N为 螺母在同一方向转过的齿数； t为滚珠丝杠的导程； z1、z2为螺母凸圆上齿轮的齿数 例如，z1 =99、z2 =100， t =10 mm，如果两个螺母各转 过一个齿时，其相对轴向位移量 为 ：s=t/（z1·z2）=10 mm/（100×99）=0.001 mm,1,5,91,3）双螺母螺纹调隙式： 螺母5和螺母座之间用平键连接，以限制 螺母在螺母座内的转。 调整时，拧紧圆螺母1使螺母5沿轴向移动一定距，在消除间隙之后用圆螺母2将其锁紧。这种调整方法的结构简 单紧凑，调整方便但调整精度较差。,用键限制螺母在螺母座内的转动。调整时，拧动圆螺母将螺母沿轴向移动一定距离，在消除间隙之后用圆螺母将其锁紧。 简单紧凑，调整方便，但调整精度较差，且易于松动,93,4.滚珠丝杠副的标识符号、结构类型和标准公差等级 （1）滚珠丝杠副的标识符号 根据国标规定 ，用下面的汉子和字符按给定顺序排列，用以表示滚珠丝杠副的规格、类型、标准公差等级和螺纹旋向等。,94,（2）滚珠丝杠副的公称直径和公称导程 GB/T 17587.2-1998滚珠丝杠副 第2部分：公称 直径和公称导程公制系列中规定， 公称直径系列：6，8，10，12，16，20，25 ， 32， 40，50，63，80，100，125，160， 200 mm 。 公称导程系列： 1，2，2. 5，3，4，5，6，8 ，10， 12， 16，20，25，32，40 mm。,三、传动齿轮间隙消除机构 1.直齿圆柱齿轮传动间隙的调整 图2 -19所示为偏心套调整 ； 图2 -20所示为轴向垫片调整 图2 -21所示为双齿轮错齿调整,图2 -19,图2 -20,图2 -21,2.斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除,图2 -23所示为轴向压簧调整,图2 -22,3.锥齿轮传动间隙的消除 图2 -24所示为周向压簧调整 ；图2 -25所示为轴向压簧调整,图2 -24,图2 -25,98,4齿轮齿条副传动间隙的消除,四、伺服电动机与进给丝杠的联接,滚珠丝杠螺母副与驱动电机的联接形式主要有以下三种 联轴器直接联接 通过齿轮联接 通过同步齿形带联接,电机直接驱动滚珠丝杠的套筒连接结构： 可靠、无间隙。 图2-25a为双键套筒连接。 图2-25b、图2-25c为锥销套筒连接。 它们都是通过锥销和螺母锁紧，有效地消除了因伺服电动机频繁正反向引起的传动间隙。,五、直线电动机进给系统,不需转换装置能直接实现直线运动 可获得较高旋转速度和转速 消除传动环节,精度高、刚度大、稳定性好,采用直线电动机驱动的优点,效率和功率因数低，低速更明显 对驱动器要求高，受电源电压影响大 和导轨、工作台成一体，要采取措施防止磁力和热变形影响,直线电动机的不足之处,直线电动机的主要特点,102,直线电机及驱动,直线电机直接驱动工件台直线运动。取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零，故这种传动方式又称为“直接驱动”，也称“零传动”。适用于进给驱动速度高于60m/min以上，加速度1g以上的高速数控机床。,103,优点： 电机惯量小，系统响应快、速度高，速度和加速度都可提高10倍以上（700m/min，40G）。 运动更加平稳、噪声低、传动效率高，动态刚度高。 可设计成均布对称，工作台运动时受力均匀分布，运动推力平衡 可无限延长定子的行程，运动的行程不受限制 并可在全行程上安装使用多个工作台 缺点： 没有机械联接或啮合，垂直轴传动需要外加一个平衡块或制动器 磁铁对电机部件的吸力很大，需解决防护、隔磁问题,104,如果将旋转电机沿过轴线的平面剖开，并将定子、转子圆周展开成平面，便形成了扁平形直线电机。固定不动的部分称为定子，动作部分称为动子。 由感应式旋转电机演变的直线电机称感应式直线电机。 由永磁式旋转电机演变的直线电机称永磁式直线电机。,直线电机的类型和结构,105,感应式直线电机的演变：,106,永磁式直线电机的演变：,107,旋转电机演变为圆筒型直线电机的过程,108,弧型直线电机,圆盘型直线电机,109,直线电机的基本工作原理 直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也与旋转电机相似。,定子,动子,动子,定子,光栅,110,1-初级 2-次级 3-行波磁场,直线电机的电磁推力公式：,同步线速度vs：,初级的运动速度：,：,S滑差率,初级的极距； f 电源频率,111,直线电机伺服系统 原理与旋转型电机相同，只是在端部由于磁场不均匀，推力与电流呈非线性、且有波动，控制难度增加。,112,第五节 数控机床的床身与导轨,一、床身 床身是机床的主体，是整个机床的基础支承件用来放置 导轨、主轴箱等重要部件，为了满足数控机床高速度、高精 度、高生产率、高可靠性和高自动化程度的要求，其床身必 须比普通机床具备更高的静、动刚度，更好的抗振性。根据 数控机床的类型不同，床身的结构形式也多种多样。 加工中心的床身有固定立柱式和移动立柱式两种，前者 适用于中小型立式和卧式加工中心；移动立柱式又分为整体 床身和前后床身分开组装的T形床身， T形床身适用于大中 型卧式加工中心。,采用加强肋板结构提高机床大件的刚度。如立柱增加十字形肋板后，质量增加不多，而扭转刚度提高了17倍。,二、数控机床的导轨 1.对导轨的要求,机床上的直线运动部件都是沿着它的床身、立柱、横梁等上的导轨进行运动的,导轨的作用概括地说是对运动部件起导向和支承作用,导轨的制造精度及精度保持性对机床加工精变有着重要作用的影响。,数控机床对导轨的要求主要有: 导向精度高 精度保持性好 足够的刚度 良好的摩擦特性 此外,导轨结构工艺性要好,便于制造和装配,便于检验、调整和维修,而且有合理的 导轨防护和润滑措施等。,2.滑动导轨,滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点,是机床上使用最广泛的导轨形式。但普通的铸铁一铸铁、铸铁一淬火钢导轨,存在的缺点是静摩擦系数大,而且动摩擦因数随速度变化而变化,摩擦损失大,低速(1 60mm/min)时易出现爬行现象,降低了运动部件的定位精度。 镶粘塑料导轨不仅可以满足机床对导轨的低摩擦、耐磨、无爬行、高刚度的要求,同时又具有生产成本低、应用工艺简单、经济效益显著等特点。因此,在数控机床上得到了广泛的应用。,116,贴塑导轨,1-床身 2-工作台 3-下压板 4-导轨软带 5-帖有塑料软带的镶条,3.滚动导轨,滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠、滚柱、滚针等滚动体,使导轨面之间的滑动摩擦变成为滚动摩擦。滚动导轨与滑动导轨相比的优点是: 灵敏度高,且其动摩擦与静摩擦系数相差甚微,因而运动平稳,低速移动时,不易出现爬行现象。 定位精度高,重复定位精度可达0.2m。 摩擦阻力小,移动轻便,磨损小,精度保持性好,寿命长。但滚动导轨的抗振性较差,对防护要求较高。,118,（1）滚动直线导轨副 如图所示，滚动体为滚珠和滚柱的滚动导轨外观图,119,滚动直线导轨副通常是两根成对使用，其组合安装形式如下图所示:,120,为保证两条导轨平行，通常把一条导轨作为基准导轨（称作基准侧 ），另一侧为非基准侧 如（a）图所示，该组合安装形式为单导轨定位。 其特点是：易于安装，容易保证平行度，非基准侧对床身没有向定位面平行的要求。,图2-32 （a）单导轨定位,121,如（b）图所示，当非基准侧导轨的侧面也需要定位， 称该组合安装形式为双导轨定位。双导轨定位适合于振动 和冲击较大，精度要求较高的场合。,图2-32 （b）双导轨定位,为提高机床的自动化程度，人们经常采用自动上、下料，自动装卸工件，自动交换刀具等措施。卧车刀架只能装4把刀，加上尾架最多只能装5把刀（钻头），有些零件加工表面很多，需要更多的刀具才能完成，因而出现了将尾架去掉，而在此位置上安装可移动的多工位转塔刀具，在转塔上可装6把刀具，加上前刀架，后刀架，这样就可使刀具增加到10把以上，形成转塔车床。,一、数控车床转塔刀架,第六节 数控机床的刀库与换刀装置,123,1回转刀架,四方刀架,124,圆盘式轴向装刀刀架,5.4 数控机床的换刀运动,二、自动换刀系统 1、自动换刀装置的形式 （1）回转刀架换刀：一种最简单的自动换刀装置。 图2-39为数控车床的六角回转刀架。动作分为四个步骤：,二、自动换刀系统 1、自动换刀装置的形式 （1）回转刀架换刀：一种最简单的自动换刀装置。 图2-39为数控车床的六角回转刀架。动作分为四个步骤：,128,多主轴转塔头结构,8轴立式转塔头,10工位车削中心转塔头,129,特点： 主轴转塔头可看作是一个转塔刀库，它的结构简单，换刀时间短，仅为2s左右。 但由于受到空间位置的限制，主轴数目不能太多，主轴部件的结构刚度也有所下降， 用途： 只适用与工序较少，精度要求不太高的数控机床，如数控钻床、数控铣床等。,二、转塔式自动换刀装置 主轴头通常有卧式和立式两种 常用转塔的转位来更换主轴头以实现自动换刀。 转塔式换刀装置的主要优点是省去了自动松夹、卸刀装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，减少了换刀时间，提高了换刀的可靠性。 主轴部件的刚性差且主轴的数目不可能太多,132,三、盘形自动回转刀架,盘形回转刀架 盘形回转刀架一般应用 于刀架后置的数控车床如图 所示为BA200L回转刀架 工作循环：刀架接收数控装 置的指令，松开刀盘刀盘 转到指令要求的位置夹紧 刀盘，然后发出转位结束信 号。,四、带刀库的自动换刀装置 带刀库的自动换刀装置的数控机床主轴箱和转塔主轴头相比较，主轴部件有足够刚度，因而能够满足各种精密加工的要求。 刀具的交换方式通常分为两种： 机械手交换刀具； 无机械手交换刀具：由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换,1无机械手交换刀具方式 结构简单，成本低，换刀的可靠性较高 刀库因结构所限容量不多。这种换刀系统多为中、小型加工中心采用,2带机械手交换刀具方式 机械手是当主轴上的刀具完成一个工步后，把这一工步的刀具送回刀库，并把下一工步所需要的刀具从刀库中取出来装入主轴继续进行加工的功能部件,刀库 1刀库的类型 按刀库的结构形式可分为： 圆盘式刀库 链式刀库 箱型式刀库-箱型和线型,圆盘式刀库,140,链式刀库,3刀库的选刀方式 加工中心刀库使用的选刀方式： 顺序选刀：是在加工之前，将加工零件所需刀具按照工艺要求依次插入刀库的刀套中，顺序不能有差错。加工时按顺序调刀。 适合加工批量较大、工件品种数量较少的中、小型自动换刀装置。 任意选刀：任选刀具的换刀方式有： 刀套编码 刀具编码 记忆等方式。,刀具编码或刀套编码都需要在刀具或刀套安装用于识别的编码条,一、数控回转工作台 主要用于数控镗床和铣床。下图为卧式镗床的回转工作台。 运动由蜗杆1传给大蜗轮2。回转位移量由光栅10读取，八对夹紧瓦4、3和底座9上的小油缸5用于锁紧工作台。当油缸上腔通压力油时，活塞6压向钢球8，撑开夹紧瓦夹紧蜗轮2。回转时，使小油缸的上腔接通回油路，弹簧7将钢球8抬起，夹紧瓦松开。 工作台导轨面由大型圆柱滚子轴承13支承。圆锥滚柱轴承12及双列向心圆柱滚子轴承11保正回转准确。 回转精度主要取决于蜗轮副的精度。也可以通过实际测量工作台的静态定位误差后，确定需要补偿的脉冲数和方向，记忆在补偿回路中，由数控装置进行误差补偿。 数控回转工作台设有零点。工作台能完成进给驱动，还可以作任意角度的分度和定位。,第七节 数控回转工作台,运动由蜗杆1传给大蜗轮2。光栅10用于读数，夹紧瓦4、3和小油缸5用于锁紧工作台。 工作台导轨面由大型圆柱滚子轴承13支承。圆锥滚柱轴承12及双列向心圆柱滚子轴承11保正回转准确。,二、分度工作台 1.定位销式分度工作台：由定位销和定位孔来分度定位。分度台2的底部均布八个削边圆柱销8，45度角分布，底座12上有一个定位孔衬套7以及供定位销移动的环形槽。 1）松开锁紧机构并拔出定位销 ：底座20上六个锁紧油缸9卸荷。活塞拉杆22在弹簧21作用下上升15mm，使工作台2松开。同时间隙消除油缸6也卸荷，中央油缸16从管道15进压力油，使活塞17上升，通过螺柱18，支座5把止推轴承13上抬，顶在底座12上，通过螺钉4、锥套3使工作台2抬起15mm，圆柱销从衬套7中拔出 2）工作台回转分度 ：伺服电机驱动减速齿轮，带动与工作台2底部连接的大齿轮10回转分度。在大齿轮10上面以45的间隔均布