1、第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 数控机床的机械传动结构数控机床的机械传动结构 内容提要内容提要本章将讨论数控机床的主运动系统、进给系统机械结构、运动传动机构以及典型部件等的功能、实现方法和安装调试方法。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构一、概述 1 1。定义、功用、组成。定义、功用、组成 定义 主运动系统：指驱动主轴运动的系统。主轴：指带动刀具和工件旋转，产生切削运 动且消耗功率最大的运动轴。功用功用：传递动力：传递切削加工所需要的动力 传递运动：传递切削加工所需要的运动 运动控制：控制主运动的大小方向开停第一节第一节 数控机床的主运动结构数控机床的主运动结构第五章第五
2、章 机械传动结构机械传动结构.组成：组成：（1）动力源：电机（2）传动系统：定比传动机构、变速装置（3）运动控制装置:离合器、制动器等（4）执行件：主轴第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 动力功率高由于日益增长的对高效率要求，加之刀具材料和技术的进步，大多数NC机床均要求有足够高的功率来满足高速强力切削。一般NC机床的主轴驱动功率在3.7kw250kw之间。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 调速范围宽调速范围：有恒扭矩、恒功率调速范围之分。现在，数控机床的主轴的调速范围一般在：10010000，且能无级调速。要求恒功率调速范围尽可能大，以便在尽可能低的速度下，利用其全功率。变速范围负
3、载波动时，速度应稳定。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构2。主运动变速系统的参数。主运动变速系统的参数运动参数运动参数：主运动速度有关的参数：变速范围、转速等。动力参数动力参数：电机功率、扭矩。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构)(85.070.0min)/().(min)/()()(95500060000消耗在传动链上的功率主运动的总效率主轴转速切削扭矩切削速度切削力的切向分力切削功率rncmNMmvNpkwMnvpNzzc第五章第五章 机械传动结构机械传动结构q 主运动的调速范围主运动的调速范围 minma
4、xnnRn式中：maxn-主轴最高输出转速 minn-主轴最低输出转速第五章第五章 机械传动结构机械传动结构二、主运动的配置形式和驱动电机第五章第五章 机械传动结构机械传动结构1)普通电机机械变速系统主轴部件第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构2)变频器交流电机12机械变速主轴部件 第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构3)交、直主轴电机 主轴部件 这种配置形式同上面一样，但电机是性能更好交直流主轴电机，其变速范围宽，最高转速可达8000 r/min，且控制功能丰富，可满足中高档数控机床的控制要求 第五章第五章 机械
5、传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 4)电主轴 电主轴又称内装式主轴电机，即主轴与电机转子合为一体，其优点是主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高启动、停止的响应特性，利于控制振动和噪声。转速高，目前最高可达200000 r/min。其缺点是电机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴，因此，主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是内装式电机主轴的关键问题 第五章第五章 机械传动结构机械传动结构车床用电主轴车床用电主轴铣床用电主轴铣床用电主轴第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构三、主轴部件第五章第五章 机械传动结构机械传动结构要求：要求
6、：主轴的精度要高。包括运动精度(回转精度、轴向串动)、和安装刀具或夹持工件的夹具的定位精度(轴向、径向)。部件的结构刚度和抗振性好。较低的运转温升以及较好的热稳定性。部件的耐磨性和精度保持性好。自动可靠的装夹刀具或工件第五章第五章 机械传动结构机械传动结构对数控机床除上述要求外，还应有：(在机械结构方面)刀具的自动夹紧装置主轴的准停装置主轴孔的清理装置等第五章第五章 机械传动结构机械传动结构主轴部件的结构主轴端部的结构形式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。第五章第五章 机
7、械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 主轴部件的支承主轴部件的支承作用作用：支承主轴、承受作用在主轴上的各种作用 力（传动力、切削抗力等）要求要求：转速、精度和相应的承载能力（即有足够 的轴向和径向刚度）。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 主轴部件常用轴承的类型和精度等级主轴部件常用轴承的类型和精度等级类型类型：滚动轴承、滑动轴承（动压、静压）、空气静压轴承、陶瓷轴承、磁悬浮轴承精度等级精度等级 E(高级)、D(精密级)、C(特精级)、B(超精级)普通精度的机床，前支承用C、D，后支承用D、E级，前支承比后支承高一个精度等级。精度较高的机床，前后支承均用B级精度。
8、第五章第五章 机械传动结构机械传动结构滚动轴承滚动轴承第五章第五章 机械传动结构机械传动结构动压轴承动压轴承第五章第五章 机械传动结构机械传动结构静压轴承静压轴承第五章第五章 机械传动结构机械传动结构空气轴承空气轴承第五章第五章 机械传动结构机械传动结构磁力（磁悬浮）轴承磁力（磁悬浮）轴承第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 主轴轴承的配置主轴轴承的配置 对主轴支承的基本要求是：A前后支承都应有承受径向载荷的轴承。支承方式：两支承、三支承等。B要有承受双向轴向载荷式的推动轴承。定位方式：前端定位:后端定位:两端定位:第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构
9、主轴滚动轴承的预紧主轴滚动轴承的预紧预紧预紧：是对轴承轴向和径向间隙进行调整，并使 轴承滚道预先承受一定的载荷。作用作用：a.消除间隙 b.提高轴承的接触刚度第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 防松第五章第五章 机械传动结构机械传动结构数控机床的典型主轴部件数控机床的典型主轴部件第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构）第五章第五章 机械传动结构机械传动结构工作台导轨副第五章第五章 机械传动结构机械传动结
10、构3、主要要求、主要要求1.减小摩擦力 采用摩擦力及动静摩擦力差值较小的传动件及导轨.2.提高传动精度和刚度 消除传动间隙,增加传动系统刚度.3.减小运动惯量 快速响应.减小运动部件质量.第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构2、消除传动间隙作用：消除反向间隙，提高传动精度方法：使啮合状态轮齿的两侧均处于接触状态。实现：偏心轴调整、轴向垫片调整 （刚性）轴向压簧调整、周向压簧调整（柔性）第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 由于伺服电机性能的提高，目前许多场合都采用伺服电机与丝杠
11、直接相联 第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 弹性联轴节 第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 滚珠循环方式 外循环外循环滚珠在循环过程中回珠时与丝杠脱离接触的结构；采用弧形铜管形成滚珠返回通道，由弯管的端部引导滚珠；其工作圈数是2.5圈或3.5圈，12列。丝杆第五章第五章 机械传动结构机械传动结构内循环内循环 滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的结构。采用圆柱凸键反向器实现滚珠循环，反向器嵌入螺母内 工作圈数是3列 第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 比较比较外循环方式制造工艺简单、应用广泛，但螺母径向尺寸
12、较大，因用弯管端部作挡珠器，易磨损，噪音较大。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，不易发生滚珠堵塞，摩擦损失小。缺点是结构复杂、制造较困难。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 精度等级选择精度等级选择滚珠丝杠的精度对数控机床的定位精度有直接影响。主要精度指标：螺距（导程）误差、累积误差/300mm。普通数控机床选用D级，精密数控机床选用C级；。滚珠丝杠的热变形对数控机床定位精度的影响也不容忽视；第五章第五章 机械传动结构机械传动结构丝杆D0td0第五章第五章 机械传动结构机械传动结构长长 度
13、度L L：L=工作行程+螺母长度+（510）名义直径名义直径D D0 0：D0，丝杠承载能力和刚度越大。通常大于 L/30-L/35。螺螺 距距t t：t 小，螺旋升角小，摩擦力矩小，分辨率高；但传动效率低，承载能力低，应折中考虑。滚珠直径滚珠直径d d0 0：d0 越大，承载能力越高，尽量取大值。一般取 d0=0.6t.滚珠的工作圈数、列数和工作滚珠总数对丝杠工作特性影响较大。确定尺寸参数确定尺寸参数:第五章第五章 机械传动结构机械传动结构422221021.7236032rrdTLGdTL3600L第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 临界转速nc 滚珠丝杠的最高转速是指数控机床快移时的
14、转速nmax。该转速不能超过临界转速nc；从自振频率角度校核的临界转速 nc nc=要求：nmax 0.8 ncAEIgL222260第五章第五章 机械传动结构机械传动结构图5-16（a）=1.875，图5-16(b)=3.972，图5-16(c)=4.730。=1.875=3.972=4.730 第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 寿命验算：允许回转圈数、计算寿命。滚珠丝杠副的寿命，主要是指疲劳寿命。考核：不发生疲劳剥落情况下运转的最长时间、长度：允许转数L=（r）（额定寿命）时间寿命Lt=（h）长度寿命Ls=（km）要求：Lt20000（h)6310waafFCnL606010LL第五
15、章第五章 机械传动结构机械传动结构3.3.第五章第五章 机械传动结构机械传动结构一端装止推轴承,另一端装向心球轴承:第五章第五章 机械传动结构机械传动结构两端装双止推轴承第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 滚珠丝杠螺母副的制动滚珠丝杠螺母副的制动为何要制动：传动效率高但不能自锁，用在垂直传动或 高速大惯量场合时需要制动装置。制动方法：制动丝杆、制动伺服电机轴。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构工作时：高压油进入油缸17上腔，17下移压缩弹簧18，16下移，15和16之间分开 间隙达到0.10.3mm，滚珠丝杠便能自由转动；在停机或断电时：17的上腔
16、无高压油，在18作用下，15、16接触；滚珠丝杠5即被制动而不能自由旋转。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构工作时：在线圈7作用下，使齿轮8与内齿轮9脱开，弹簧受压缩；当停机或停电时：7失电，在弹簧恢复力作用下，齿轮8、9啮合，齿轮9与电机端盖为一体，故与电机轴联接的丝杠得到制动。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构滚珠丝杠螺母副的安装滚珠丝杠螺母副的安装 一般要求：滚珠丝杠螺母副相对工作台不能有轴向窜动；螺母座孔中心应与丝杠安装轴线同心；滚珠丝杠螺母副中心线应平行于相应的导轨能方便地进行间隙调整或预紧第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五
17、章 机械传动结构机械传动结构螺纹法（结构较复杂、刚性较好、调整方便）第五章第五章 机械传动结构机械传动结构齿差法（结构复杂、刚性好、能精确控制预紧量）第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 丝杠的预拉伸作用作用：提高传动刚度、补偿热膨胀变形；方法方法：制造时制造时：目标行程=公称行程预拉伸量。安装后安装后：拉伸使其恢复公称行程值，传动刚度提高。工作时工作时：发热膨胀量抵消部分预拉伸量，丝杠拉应力下 降，长度没有变化，精度可得到保证。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第三节第三节 回转工作台和导轨回转工作台和导轨定义定义：实现周向进给和分度运动工作台分类
18、分类：分度工作台分度工作台：实现工作台的定角度回转运动，即分度、转位和定位工作。数控回转工作台数控回转工作台：除了分度和转位的功能之外，还能实现数控圆周进给运动。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构一、分度工作台第五章第五章 机械传动结构机械传动结构工作原理：工作原理：按照控制系统的指令自动地进行，每次转位回转一定的角度，如（1、5、10、15、30、45、90、180）。分类：分类：按定位元件分插销定位；反靠定位；齿盘定位；钢球定位。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 齿盘定位分度工作台齿盘定位分度工作台特点分度定位精度高，一般为3，最高可达0.4。能承受能力强 定位刚度高；精度保持性
19、好。由于齿盘啮合、脱开相当于两齿盘对研过程，因此，随着齿盘使用时间的延续，其定位精度还有不断提高的趋势。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构结构定位机构导向与支承传动机构 消除间隙 第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 工作过程定位夹紧机构松开工作台抬起（完成分度准备工作）工作台进行分度回转运动接近目标位置时电机减速、停机实现粗定位工作台下降，上、下齿盘重新啮合，实现精定位完成定位夹紧。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构准停时位置偏差补偿装置 第五章第五章 机械传动结构机械传动结构二、数控回转工作台 1。概述工作原理：实现圆周进给运动的工作台-数控 回转工作台（数控转台）功 能：除了可
20、以实现圆周进给运动之外，还可以完成分度运动。分 类：开环、闭环。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构4321ZZZZ第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构三、双导程蜗杆传动 为什么要用双导程蜗杆消除蜗杆传动间隙，提高传动精度 在数控机床中分度工作台、数控转台都广泛采用蜗杆、蜗轮传动。蜗轮副的啮合侧隙对其分度定位精度影响最大 避免切削过程中的振动 避免传动机构因承受脉动载荷（如断续铣削）而引起扭转振动 第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 结构特点左、右侧齿距（t左、t右）模数（m左、m右）不同；同侧齿距、模数相等；中间齿距t中相等蜗杆齿厚连续变化，即从
21、左到右齿厚渐厚。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 消除传动间隙原理任意两相邻齿（沿同一轴向截面上）从左到右齿厚渐厚，当蜗杆向左移动时，啮合侧隙将会逐渐减小。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构调整实例实例一第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构概述概述导轨的作用导轨的作用导向：直线运动直线导轨；圆运动轴承支承、承载数控机床常用导轨形式数控机床常用导轨形式塑料导轨：滑动摩擦滚动导轨：滚动摩擦静压导轨：液体摩擦第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 对导轨的基本要求对导轨的基本要求一定的导向精度；良好的摩擦特性：摩擦系数小（较高的灵敏度），动静摩擦系数
22、之差小（低速平稳性好）；阻尼特性好（高速时不振动）；足够的刚度和强度；良好的精度保持性。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构塑料导轨塑料导轨 什么是塑料导轨什么是塑料导轨金属对塑料型式的滑动导轨，在短导轨面上附有一层塑料，长导轨面仍为淬火磨削面；分类：贴塑导轨（聚四氟乙烯软带）、涂塑导轨（环氧树脂）第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 塑料导轨的特点塑料导轨的特点摩擦系数较小，0.040.06动静摩擦系数之差小，且摩 擦系数曲线具有上扬特性 刚度高，承载能力强加工工艺简单价格低 应用应用 数控化改造机床、重型数控机床（最高速度：Fmax=30 m/min）fv塑料-钢滑动摩擦钢-钢滑动摩擦
23、第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构滚动导轨块滚动导轨块镶钢导轨镶钢导轨滚动导轨块滚动导轨块上导轨上导轨下导轨下导轨第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 滚动导轨组件滚动导轨组件结构、形式结构、形式直 线直 线 滚滚 动动 导 轨导 轨第五章第五章 机械传动结构机械传动结构弧 形 滚 动 导 轨弧 形 滚 动 导 轨第五章第五章 机械传动结构机械传动结构圆 柱 滚 动 导 轨圆 柱 滚 动 导 轨第五章第五章 机械传动结构机械传动结构两维直线滚动导轨两维直线滚动导轨第五章第五章 机械传动结构机械传动结构直 线 滚
24、动 导 轨 单 元直 线 滚 动 导 轨 单 元第五章第五章 机械传动结构机械传动结构组成结构组成结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 安装组合形式标准组合第五章第五章 机械传动结构机械传动结构倒装组合第五章第五章 机械传动结构机械传动结构侧装组合之一第五章第五章 机械传动结构机械传动结构侧装组合之二第五章第五章 机械传动结构机械传动结构混装组合第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 安装步骤 清洁第五章第五章 机械传动结构机械传动结构贴紧基准第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 装入螺钉第五章第五章 机械传动
25、结构机械传动结构安装工作台第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 预紧 调整螺钉第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 塞块（用于高精度、高刚度的场合）第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 偏心插销第五章第五章 机械传动结构机械传动结构 导轨防护专用软式防护罩大型软式防护罩叠层式护罩第五章第五章 机械传动结构机械传动结构一、概述概述 概念概念：数控机床的布局是指机床机械结构部件相对安装位置的总体方案。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构数控机床机械结构数控机床机械结构机床基础件：床身、底座、立柱、横梁、工作台主运动系统（主轴）进给传动系统辅助功能部件：气动、润滑、冷却、排屑、防护等刀架或自
26、动换刀装置（ATC）自动托盘交换装置（APC、AWC）特殊功能装置：刀具破损监控、精度检测等。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构高自动化高自动化：要求自动保证稳定的加工精度。高精度和大功率高精度和大功率：数控机床集高精度与重切削于一身,因此对传动件和基础件的结构和刚度有了更高的要求。高速度高速度:简化传动机构，趋势：“零传动”第五章第五章 机械传动结构机械传动结构工艺复合化和功能集成化工艺复合化和功能集成化：附件和辅助装置增多 工艺复合化是指“一次装夹，多工序加工”功能集成化是指“一机多能”。高可靠性高可靠性 数控机床应能在高负荷下长时间无故障连续工作，因而对机械元、部件的可靠性提出了很高
27、的要求。第五章第五章 机械传动结构机械传动结构数控机床总体布局与工艺因素数控机床总体布局与工艺因素表面形成方法对总体布局的影响 数控车床，数控铣床、数控齿轮加工机床等工序集中 加工中心、五面加工机床、车铣复合机床等工件的尺寸、重量对布局的影响 小型、中型、大型和重型数控机床；第五章第五章 机械传动结构机械传动结构总体布局与刀库配置总体布局与刀库配置盘式刀库、链式刀库等总体布局与操作使用总体布局与操作使用 方便操作、使用等 总体布局与其它总体布局与其它机电一体化结构 全封闭式结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构第五章第五章 机械传动结构机械传动结构
