1、第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 3.1 主轴传动系统主轴传动系统 3.2 进给传动系统进给传动系统 3.3 自动换刀装置自动换刀装置 习题习题 第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 3.1 主轴传动系统主轴传动系统 3.1.1 主轴传动方式 1.齿轮传动机构 这种传动方式在大、中型数控机床中较为常见。如图3.1（a）所示，它通过几对齿轮的啮合，在完成传动的同时实现主轴的分挡有级变速或分段无级变速，确保在低速时能满足主轴输出扭矩特性的要求。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。第第3 3章章 数控机
2、床的典型结构数控机床的典型结构 图3.1 数控机床主轴传动方式(a)齿轮传动；(b)同步带传动；(c)电动机直接驱动 主轴电动机(a)主轴电动机(b)(c)主轴电动机第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 2.同步带传动机构 同步带传动如图3.1（b）所示，主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.2 同步带的结构与传动原理 1强力层；2带齿；3包布层；4带背4321第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 与一般带传动及齿轮传动相比，同步带传动具有如下
3、优点：（1）无滑动，传动比准确。（2）传动效率高，可达98%以上。（3）使用范围广，速度可达50 m/s，传动比可达10左右，传递功率由几瓦到数千瓦。（4）传动平稳，噪声小。（5）维修保养方便，不需要润滑。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 3.电动机直接驱动 电动机驱动传动中的电动机又叫电主轴，其电动机定子固定，转子和主轴采用一体化设计，如图3.1（c）所示。这种方式大大简化了主轴箱体和主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但输出扭矩小，电动机的发热对主轴的精度影响较大。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 （1）前支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承和双向推力
4、角接触球轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承，如图3.3（a）所示。（2）前轴承采用高精度双列向心推力轴承，后支承采用单列角接触球轴承，如图3.3（b）所示。（3）前、后轴承分别采用双列圆锥滚子轴承和单列圆锥滚子轴承，如图3.3（c）所示。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.3 数控机床主轴轴承配置形式(c)(b)(a)第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 3.1.3 主轴的定向停止 主轴的准停机构设置在主轴的尾端，如图3.4所示。交流调速电动机11通过多联三角带9和皮带轮10带动主轴旋转，当主轴需要停车换刀时，发出降速信号，主轴电机自动减速，使主轴以最
5、低转速运转；延时等待数秒之后，切断主轴电动机电源，使主轴做低速惯性空转。当位于图中带轮5左侧的永久磁铁4对准磁传感器3时，主轴准停制动，同时发出制动完成信号。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.4 自动换刀机床的主轴准停、夹紧机构 1活塞；2螺旋弹簧；3磁传感器；4永久磁铁；5带轮；6钢球；7拉杆；8蝶形弹簧；9多联三角带；10皮带轮；11交流调速电动机；12,13限位开关111098 7 6543211312第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 3.1.4 主轴的刀具自动夹紧和铁屑清除机构 在自动换刀的数控机床中，为了实现刀具的自动装卸，其主轴必须设计
6、有刀具的自动夹紧机构，如图3.4所示。刀柄锥度为7 24，采用大锥度的锥柄既有利于定心，也为松夹带来了方便。在锥柄的尾端轴颈被拉紧的同时，通过锥柄的定心和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端部。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 3.2 进给传动系统进给传动系统 3.2.1 齿轮传动副 齿轮传动副的作用是传递伺服电动机输出的转距和转速，并使伺服电动机与负载之间的转距和负载惯量相匹配。在开环系统中，还可通过齿轮传动匹配系统的脉冲当量。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 1.直齿圆柱齿轮传动 （1）偏心套调整法。（2）锥度齿轮垫片调整法。（3）双齿轮错齿调整法。第第3
7、3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.5 偏心套消除间隙 211电动机；2偏心套第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.6 垫片调整消除间隙 3211,2齿轮；3 垫片第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.7 双齿轮错齿调整 第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 2.斜齿圆柱齿轮传动 （1）垫片调整法。如图3.8所示，宽齿轮4同时与两个相同齿数的薄片齿轮1和2啮合，薄片齿轮经平键与轴连接，相互之间无相对回转。斜齿轮1和2间加厚度为t的垫片，用螺母拧紧，使两齿轮1和2的螺旋线产生错位，其后两齿轮面分别与宽齿轮4的齿面紧贴以消
8、除间隙。垫片3的厚度和齿侧间隙的关系可用下式算出：t=cos 第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 式中：斜齿轮的螺旋角；齿侧间隙；t增加垫片的厚度。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 （2）轴向压簧调整。如图3.9所示，斜齿轮1和2用键滑套在轴上，相互间无相对转动。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.8 垫片调整消除斜齿轮间隙 第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.9 斜齿圆柱齿轮的轴向压簧调整第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 3.锥齿轮传动 （1）周向压簧调整。（2）轴向压簧调整。第第3 3
9、章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.10 周向压簧调整 第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.11 锥齿轮的轴向压簧调整 第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 3.2.2 滚珠丝杠副 1.滚珠丝杠副的工作原理和特点 滚珠丝杠副的结构如图3.12所示。在传动时，滚珠与丝杠、螺母之间为滚动摩擦，因此具有以下许多优点：（1）摩擦损失小，传动效率高。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.12 丝杠的结构(a)外循环式；(b)内循环式2134455(a)(b)1丝杠；2螺母；3回珠器；4回珠管；5反向器第第3 3章章 数控机床的典
10、型结构数控机床的典型结构 （2）经预紧后可以消除轴向间隙，反向运动时无空行程，传动精度高，系统刚度好。（3）摩擦阻力小，动、静摩擦系数相近，因此传动灵敏，运动平稳，低速不易爬行，随动精度和定位精度高。（4）磨损小，使用寿命长。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 2.滚珠丝杠副的间隙消除机构 消除间隙的方法中，较少使用微量过盈滚珠的单螺母来消除间隙，常用的方法是用双螺母消除丝杠、螺母间隙。图3.13是双螺母垫片调隙式结构，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。这种方法结构简单，刚性好，装卸方便、可靠；但缺点是调整费时，很难在一次修磨中调
11、整完成，调整精度不高，仅适用于一般精度的数控机床。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.13 双螺母垫片调隙式结构 1丝杠；2,4螺母；3螺母座；5垫片；6螺钉654321第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.14 双螺母齿差调隙式结构 1,4内齿圈；2,5螺母；3螺母座；6丝杠456z2z1321第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.14是双螺母齿差调隙式结构，在两个螺母2和5的凸缘上各制有一个圆柱齿轮，两个齿轮的齿数只相差一个，即z2-z1=1。两个内齿圈1和4与外齿轮齿数分别相同，并用螺钉和销钉固定在螺母座3的两端。调整时
12、先将内齿圈取下，根据间隙的大小调整两个螺母2、5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。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 间隙消除量可用下式简便地计算出来：tzznzznt2121,或式中：n螺母在同一方向转过的齿数；t滚珠丝杠的导程；z1，z2齿轮的齿数。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.15 双螺母螺纹调隙式结构 2134561,2圆螺母；3丝杠；4垫片；5螺母；6螺母座第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 3.滚珠丝杠的支承（1）一端装推力轴承，另一端自由。（2）一端装推力
13、轴承，另一端装向心轴承。（3）两端装推力轴承。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.16 滚珠丝杠两端支承形式(a)一端装推力轴承，另一端自由；(b)一端装推力轴承，另一端装向心轴承；(c)两端装推力轴承(a)(b)(c)第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 60图3.17 滚珠丝杠用60角接触秋轴承第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 4.滚珠丝杠的防护 滚珠丝杠副如果在滚道上落入了脏物，或使用不净的润滑油，不仅会妨碍滚珠的正常运转，而且使磨损急剧增加。通常采用毛毡圈对螺母进行密封。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 3
14、.2.3 回转进给坐标系统的典型结构 1.分度工作台 分度工作台按照数控系统的指令，在需要分度时工作台连同工件回转规定的角度，有时也可采用手动分度。分度工作台只能够完成分度运动而不能实现圆周运动，并且它的分度运动只能完成一定角度的回转，如90、60或45等。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 1)鼠牙盘式分度工作台 鼠牙盘式分度工作台主要由工作台面底座、夹紧液压缸、分度液压缸和鼠牙盘等零件组成，其结构如图3.18所示。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.18 鼠牙盘式分度工作台 第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.18 鼠牙盘式
15、分度工作台 第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.18 鼠牙盘式分度工作台 1,2,15推杆；3,4鼠齿盘；5,13推力轴承；6活塞；7工作台；8齿条活塞；9夹紧液压缸上腔；10夹紧液压缸下腔；11齿轮；12内齿轮；14,17挡块；16顶针；18分度液压缸右腔；19分度液压缸左腔；20,21,22,23油孔 S1BBS3S22322910第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 2）定位销式分度工作台 图3.19所示是自动换刀数控卧式镗铣床的分度工作台。分度工作台1位于长方形工作台10的中间，在不单独使用分度工作台1时，两个工作台可以作为一个整体来使用。第第3
16、 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.19 定位销式分度工作台 123456789101112131415161718192022211分度工作台；2锥套；3螺钉；4支座；5间隙消除液压缸；6定位孔衬套；7定位销；8锁紧液压缸；9大齿轮；10长方形工作台；11活塞；12弹簧；13下底座；14加长型圆锥孔双列圆柱滚子轴承；15螺柱；16活塞；17中央液压缸；18管道；19滚针轴承；20止推轴承；21下底座；22上底座第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 2.数控回转工作台 数控回转工作台主要用于数控镗床和铣床。从外形上看，它与分度工作台没有多大差别，但在内部结构和
17、功用上则有较大的不同。如图3.20所示，数控回转工作台由传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置等组成。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.20 数控回转工作台 18171615141312AA10911AA1012345678(a)第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.20 数控回转工作台 P1电液步进电动机；2,4齿轮；3偏心环；5楔形拉紧圆柱销；6压块；7螺母；8锁紧螺钉；9蜗杆；10蜗轮；11调整套；12,13夹紧块；14夹紧液压缸；15活塞；16弹簧；17钢球；18光栅19 20P向第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 3.2
18、.4 导轨 1.滚动导轨 滚动导轨在导轨工作面之间安排有滚动件，使两导轨面之间形成滚动摩擦，摩擦系数小。滚动导轨的动、静摩擦系数相差很小，运动轻便、灵活，所需功率小，精度高，无爬行。滚动导轨由标准导轨块构成，装拆方便，润滑简单。图3.21所示为滚动导轨块的应用结构示意图。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.21 滚动导轨块的应用结构示意图 76543211床身；2右导轨；3,7楔铁；4压板；5滚动导轨块；6移动部件第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 2.贴塑导轨 这是一种金属对塑料的摩擦形式，属滑动摩擦导轨。导轨的一个滑动面上有一层抗摩软带，另一滑动面
19、为淬火磨削面。软带是以聚四氟乙烯为基材，添加合金粉和氧化物的高分子复合材料。塑料导轨刚度好，动、静摩擦系数差值小，耐磨性好，无爬行，减振性好。软带应粘贴在机床导轨副的短导轨面上，如图3.22所示,圆形导轨应粘贴在下导轨面上。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.22 贴塑导轨的粘接沟槽导轨宽度导轨软带粘接材料粘接层厚度0.050.10.51.03.21.6第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 3.3 自动换刀装置自动换刀装置 3.3.1 自动换刀装置的形式 1.回转刀架换刀 数控机床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置。根据不同的适用对象，刀架可设计
20、为四方形、六角形或其它形式。回转刀架可分别安装四把、六把以及更多的刀具并按数控装置发出的脉冲指令回转、换刀。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.23所示为数控机床回转刀架。刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀控制，具体过程如下。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.23 数控机床回转刀架(a)自动回转刀架结构图；(b)12位和8位刀盘布置图第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.23 数控机床回转刀架(a)自动回转刀架结构图；(b)12位和8位刀盘布置图第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 2.更换主轴
21、头换刀 在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头换刀是一种简单的换刀方式。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。3.带刀库的自动换刀系统 带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成，目前这种换刀方法在数控机床上的应用最为广泛。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 3.3.2 刀具交换装置 数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具的交换装置。刀具的交换方式通常有两种：采用机械手交换刀具方式和由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的方式。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.24 无机械手换刀
22、系统的换刀过程(a)(b)(c)(d)(e)(f)第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.25 双臂机械手常用结构(a)钩手；(b)抱手；(c)伸缩手；(d)插手 第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.26所示为双刀库机械手装置，其特点是两个刀库和两个单臂机械手进行工作，因此机械手的工作行程大为缩短，可有效节省换刀时间。另外，还因刀库分两处设立，故使机床整体布局较为合理。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 图3.26 双刀库机械手换刀装置 主轴刀库刀库第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 3.3.3 刀库 1.刀库的类
23、型 根据刀库的容量和取刀方式的不同，可以将刀库设计成各种形式，常用的有以下几种：（1）盘式刀库。（2）链式刀库。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 2.刀库的容量 刀库中的刀具并不是越多越好，太大的容量会增加刀库的尺寸和占地面积，使选刀过程时间增长。3.刀具的选择方式 常用的刀具选择方式有顺序选刀和任意选刀两种。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 习习 题题 3.1 在机械结构上，数控机床与普通机床有何区别？3.2 数控机床的机械结构主要包括哪几个部分？3.3 数控机床的主轴有哪些特点？3.4 主轴传动有哪几种传动方式？各有什么特点？3.5 有哪几种常见的主
24、轴支承方式？比较其优缺点。3.6 进给传动主要包括哪些部件？3.7 简述滚珠丝杠螺母副间隙调整的方法。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 3.8 简述齿轮传动的消除间隙措施。3.9 有哪几种常见的齿轮传动？3.10 滚珠丝杠螺母副传动有何特点？3.11 某滚珠丝杠螺母副采用双螺母齿差式调隙，z1=99，z2=100。若调试时发现该系统的螺距t=10 mm，反向间隙为0.004 mm，试简述应如何消除间隙(不考虑方向)并计算齿数。3.12 简述滚珠丝杠的支承方法。第第3 3章章 数控机床的典型结构数控机床的典型结构 3.13 数控机床的导轨有哪几种？比较各自的特点。3.14 自动换刀装置分为哪几种形式？3.15 有哪几种常见的刀具交换装置？3.16 有哪几种常见的刀库形式？
