1、第一节第一节 概概 述述第七章第七章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构一、主要组成一、主要组成 主轴传动系统主轴传动系统 进给传动系统进给传动系统1 1、主传动系统主传动系统特点特点 1)1)电机采用新型的交流调速电机和直流调电机采用新型的交流调速电机和直流调速电机；速电机；2)2)转速高，功率大；转速高，功率大；3)3)变速范围大；变速范围大；4)4)速度的变换迅速可靠。速度的变换迅速可靠。二、数控机床机械结构特点二、数控机床机械结构特点 1 1）尽量采用低摩擦的传动副；）尽量采用低摩擦的传动副；2 2）选用最佳的降速比；）选用最佳的降速比；3 3）缩短传动链以及用预紧的方法提高传动系）
2、缩短传动链以及用预紧的方法提高传动系统的刚度；统的刚度；4 4）尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。）尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。2 2、进给传动系统特点、进给传动系统特点一、对主传动系统的要求一、对主传动系统的要求 1 1具有更大的调速范围，并能实现无级调速具有更大的调速范围，并能实现无级调速；2 2有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低；齿轮齿面齿轮齿面应具有应具有高高耐磨性；耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动最后一级采用斜齿轮传动 用精度高的轴承及合理的支承跨距用精度高的轴承及合理的支承跨距 3 3良好的抗振性和热稳定性。良好的抗振性和热稳定性。第二
3、节第二节 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 具有变速齿轮的主传动具有变速齿轮的主传动 通过带传动的主传动通过带传动的主传动由调速电机直接驱动的主传动由调速电机直接驱动的主传动 内装电动机主轴内装电动机主轴二、主传动的变速方式二、主传动的变速方式 通过几对齿轮降速，增大输出扭矩，通过几对齿轮降速，增大输出扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求以满足主轴输出扭矩特性的要求。变速操纵方法变速操纵方法：液压拨叉液压拨叉 电磁离合器电磁离合器 大、中型数控机床采用较多大、中型数控机床采用较多 1 1具有变速齿轮的主传动具有变速齿轮的主传动z=2 9z=6 3图 7-1 X K 5 0 4 0 型 数
4、 控 立 式 铣 床 主 传 动 系 统 图z=2 8P=5.5 k Wn=1 5 0 0 r/m i n 1 1 5z=1 9z=3 3z=2 2z=1 8z=3 8 2 4 0z=3 6z=3 7z=3 9z=1 6z=8 2z=4 7z=2 6z=1 9z=7 1z=4 7z=2 9三位液压拨叉的作用原理图三位液压拨叉的作用原理图 图 7-2 三 位 液 压 拨 叉 作 用 原 理 图1、5-液 压 缸 2-活 塞 杆 3-拨 叉 4-套 筒c)b)54a)321缺点：缺点：增 加 了 数增 加 了 数控机床液压系控机床液压系统的复杂性统的复杂性；且 必 须 将且 必 须 将数控装置送来
5、数控装置送来的信号先转换的信号先转换成电磁阀的机成电磁阀的机械动作械动作。电磁离合器电磁离合器 图7-3 THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统M1M2M3M4M5M6n=1440/2880r/minP=5.5/7.5kWz=80z=18z=48z=80z=75z=25z=87z=57z=74z=25z=30100z=85220z=20 用电磁效应接通或切断运动的元件用电磁效应接通或切断运动的元件数控镗铣床的主传动系统：双速电动机、数控镗铣床的主传动系统：双速电动机、六个电磁离合器，实现六个电磁离合器，实现18级速度的变换级速度的变换 同步齿形带或三角同步齿形带或三角带传动，它可避免齿
6、带传动，它可避免齿轮传动时引起的振动轮传动时引起的振动和噪声。和噪声。多见于数控车床多见于数控车床2 2通过带传动的主传动通过带传动的主传动 图7-4 TND360型数控车床的主传动变速液压缸直流电动机273.183842测速发电机圆光栅202.5602483.183602862.5 主传动是由电动机直接驱动主轴，即电动机的主传动是由电动机直接驱动主轴，即电动机的转子直接转子直接与与主轴主轴连接。连接。简化了结构，提高了主轴部件的刚度，但主轴简化了结构，提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大 3 3、由调速电机直接驱动的主传
7、动、由调速电机直接驱动的主传动 1-刀具系统 2、9-陶瓷轴承 3、8-传感器 4、7-径向轴承 5-轴向推力轴承 6-高频电机 10-冷却水管路 11-气-液压力放大器 4 4、内装电动机主轴内装电动机主轴 主轴与电动机转子合为一体主轴与电动机转子合为一体优点优点：主轴组件主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪高起动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。声。缺点缺点：电动机运转产生的热量使主轴产生热变形。电动机运转产生的热量使主轴产生热变形。温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关键温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关
8、键问题。问题。三、主轴箱与主轴组件三、主轴箱与主轴组件 1 1主轴箱主轴箱 由于采用了电动机无级变速，减少了机械变速装置，因由于采用了电动机无级变速，减少了机械变速装置，因此，主轴箱的结构较普通机床简化。此，主轴箱的结构较普通机床简化。但主轴箱对材料要求较高，制造与装配精度也较普通机但主轴箱对材料要求较高，制造与装配精度也较普通机床要高。床要高。图7-6 数控落地铣镗床的矩形滑枕落地镗铣床主轴箱：落地镗铣床主轴箱：可沿立可沿立柱上的垂直导轨作上下移动，柱上的垂直导轨作上下移动，主轴可在主轴箱内作轴向进主轴可在主轴箱内作轴向进给运动。给运动。滑枕进给传动的齿轮和电动机是与滑枕分离的，滑枕进给传动
9、的齿轮和电动机是与滑枕分离的，通过花键轴或其它系统将运动传给滑枕以实现进给通过花键轴或其它系统将运动传给滑枕以实现进给运动。运动。1 1）主轴箱主轴箱结构结构 图7-6 数控落地铣镗床的矩形滑枕滑枕式、主轴箱移动式滑枕式、主轴箱移动式（1 1）滑枕式）滑枕式（2 2）主轴箱移动式主轴箱移动式 主轴箱移动式主轴箱移动式、滑枕滑枕主轴箱移动式主轴箱移动式1 1）主轴箱移动式：）主轴箱移动式：主轴箱内装有铣轴和主轴箱内装有铣轴和镗轴，主轴箱箱体在滑镗轴，主轴箱箱体在滑板上沿镗轴轴线方向移板上沿镗轴轴线方向移动，实现镗轴的轴向进动，实现镗轴的轴向进给。给。2 2）滑枕主轴箱移动式）滑枕主轴箱移动式 1
10、 1）主轴轴承的配置形式）主轴轴承的配置形式 a a 前支承采用前支承采用双列圆柱滚子轴承双列圆柱滚子轴承和双列和双列6060o o角角接触球轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承接触球轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承。此种配置形式此种配置形式使使主轴的综合刚度大幅度提高，主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强力切削的要求，因此普遍应用于各类可以满足强力切削的要求，因此普遍应用于各类数控机床的主轴中。数控机床的主轴中。2 2主轴组件主轴组件图7-8 数控机床主轴轴承配置形式c)b)a)b b 采用高精度双列角接触球轴承采用高精度双列角接触球轴承 角接触球轴承具有良好的高速性能，主轴最角接触球轴
11、承具有良好的高速性能，主轴最高转速可达高转速可达40004000r/min;r/min;承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。在加工中心的主轴中，为了的数控机床主轴。在加工中心的主轴中，为了提高承载能力，有时应用提高承载能力，有时应用3 3个或个或4 4个角接触球轴个角接触球轴承组合的前支承，并用隔套实现预紧。承组合的前支承，并用隔套实现预紧。图7-8 数控机床主轴轴承配置形式c)b)a)c c 采用双列和单列圆锥轴承采用双列和单列圆锥轴承 轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤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
12、装与调整性能好。其能承受较强的动载荷，安装与调整性能好。但这种轴承配置限制了主轴的最高转速和精但这种轴承配置限制了主轴的最高转速和精度，因此适用于中等精度、低速与重载的数控度，因此适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。机床主轴。图7-8 数控机床主轴轴承配置形式c)b)a)图 7-9 自 动 换 刀 数 控 立 式 镗 铣 床 主 轴 部 件（J C S-0 1 8）1-刀 夹 2-拉 钉 3-主 轴 4-拉 杆 5-碟 形 弹 簧 6-活 塞 7-液 压 缸 8、1 0-行 程 开 关 9-压 缩 空 气 管 接 头 1 1-弹 簧 1 2-钢 球 1 3-端 面 键b)2141 21
13、31 254321Fa)1 11 097682 2）刀具的自动夹紧）刀具的自动夹紧装置装置刀具的自动夹紧刀具的自动夹紧：在带有刀库的自动换刀在带有刀库的自动换刀数控机床中，为实现刀具数控机床中，为实现刀具在主轴上的自动装卸，其在主轴上的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构动夹紧机构。图 7-9 自 动 换 刀 数 控 立 式 镗 铣 床 主 轴 部 件（J C S-0 1 8）1-刀 夹 2-拉 钉 3-主 轴 4-拉 杆 5-碟 形 弹 簧 6-活 塞 7-液 压 缸 8、1 0-行 程 开 关 9-压 缩 空 气 管 接 头 1 1-弹 簧 1 2-钢 球 1
14、 3-端 面 键b)2141 21 31 254321Fa)1 11 09768一、数控机床对进给传动系统的要求一、数控机床对进给传动系统的要求 1 1、高的传动精度与定位精度高的传动精度与定位精度 2 2、宽的进给调速范围宽的进给调速范围 3 3、响应速度要快响应速度要快 4 4、无间隙传动无间隙传动 5 5、稳定性好、寿命长稳定性好、寿命长 6 6、使用维护方便使用维护方便 第三节第三节 数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动系统 设计时：设计时：用低摩擦传动副用低摩擦传动副以减小摩擦力；以减小摩擦力；用最佳降速比用最佳降速比降低惯量降低惯量 用预紧的办法用预紧的办法提高传动刚度提高传动
15、刚度 用消隙的办法用消隙的办法减小反向死区误差。减小反向死区误差。二、进给传动机构二、进给传动机构 1 1、齿轮传动装置齿轮传动装置 （一）（一）减速机构减速机构 1 1）目的目的：将高转速低转矩的伺服电机的输出改变为低将高转速低转矩的伺服电机的输出改变为低转速大转矩的执行件的输出；转速大转矩的执行件的输出；使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中占使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中占有较小的比重。有较小的比重。开环系统开环系统 2 2）速比的确定）速比的确定 因素：脉冲当量、步进电机步矩角及滚珠丝杠导程因素：脉冲当量、步进电机步矩角及滚珠丝杠导程 运动位移决定于脉冲数目，故算出的运动位移决定于
16、脉冲数目，故算出的速比不能随速比不能随意更改意更改。PPmi360miP P工作台图7-11 开环系统丝杠传动i齿轮装置电动机360m 闭环系统闭环系统 速比速比由驱动电机由驱动电机额定转速或转矩与机床要求的额定转速或转矩与机床要求的进给速度或负载转矩决定的进给速度或负载转矩决定的，可适当调整。，可适当调整。n n伺服电机的转速伺服电机的转速 f f脉冲频率（次脉冲频率（次/s s）v v工作台在电动机转速为工作台在电动机转速为n n时的移动速度时的移动速度 (mm/min)mm/min)，vniP nPvi min)/(60rmfn fv60（二）（二）滚珠丝杠螺母副机构滚珠丝杠螺母副机构
17、图7-13 滚珠丝杠螺母内滚道外滚道1 1、滚珠丝杠滚珠丝杠副的结构、工作原理和特点副的结构、工作原理和特点（1 1）结构：）结构：具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动件，以减少摩擦。动件，以减少摩擦。（2 2）工作原理工作原理：图7-13 滚珠丝杠螺母内滚道外滚道 当丝杠回转时，滚珠相对于螺母上的滚道滚动，当丝杠回转时，滚珠相对于螺母上的滚道滚动，因此丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。为了防因此丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有有回程引导装置回程引导装置，使滚
18、珠能循环流动。，使滚珠能循环流动。（3 3）特点：）特点：1 1）传动效率高，摩擦损失小。）传动效率高，摩擦损失小。0.920.920.960.96，功功率消耗为常规的丝杠螺母副的率消耗为常规的丝杠螺母副的1/41/41/31/3。2 2）定位精度高，刚度好。）定位精度高，刚度好。给予适当预紧，可消除丝杠给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空行程死区。和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空行程死区。3 3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。4 4）运动具有可逆性。）运动具有可逆性。旋转运动旋转运动直线运动，直线运直线运动，直线运动动旋转运
19、动，丝杠和螺母都可作为主动件。旋转运动，丝杠和螺母都可作为主动件。5 5）磨损小，使用寿命长。）磨损小，使用寿命长。6 6）制造工艺复杂。）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。7 7）不能自锁。）不能自锁。2 2、滚珠丝杠副的结构和轴向间隙的调整滚珠丝杠副的结构和轴向间隙的调整 （1 1）螺纹滚道型面的形状螺纹滚道型面的形状及主要尺寸及主要尺寸图 7-1 5 滚 珠 丝 杠 副 螺 纹 滚 道 型 面 的 截 形 a）单 圆 弧 b）双 圆 弧 =4 5rb=4 5Ree
20、单圆弧型面：单圆弧型面：通常滚道半径通常滚道半径R R稍大于滚珠半径稍大于滚珠半径r rb b，可取可取R R=（1.041.111.041.11）r rb b。接触角接触角是随轴向负荷是随轴向负荷F F的大小而变化。的大小而变化。双圆弧型面：双圆弧型面：当偏心当偏心e e决定后，只在滚珠直径决定后，只在滚珠直径d db b滚道内相滚道内相切的两点接触，接触角切的两点接触，接触角不变。从有利于提高传动效率不变。从有利于提高传动效率和和承载能力及流动畅通等要求出发，接触角承载能力及流动畅通等要求出发，接触角应选大些，但应选大些，但过大，将使得制造较难（磨滚道型面），建议取过大，将使得制造较难（磨
21、滚道型面），建议取=45=450 0。（2 2）滚珠循环方式滚珠循环方式 外循环：外循环：在螺母的外圆上铣有螺旋槽，并在螺母内部在螺母的外圆上铣有螺旋槽，并在螺母内部装上挡珠器，挡珠器的舌部切断螺纹滚道，迫使滚珠流装上挡珠器，挡珠器的舌部切断螺纹滚道，迫使滚珠流入通向螺旋槽的孔中而完成循环。入通向螺旋槽的孔中而完成循环。内循环：内循环：在螺母外侧孔中装有接通相邻滚道的反向器，在螺母外侧孔中装有接通相邻滚道的反向器，以迫使滚珠翻越丝杠的齿顶而进入相邻滚道。以迫使滚珠翻越丝杠的齿顶而进入相邻滚道。（3 3）滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法4321
22、 图 7-18 双 螺 母 垫 片 调 隙 式 结 构1、2-单 螺 母 3-螺 母 座 4-调 整 垫 片1 1)垫片调隙式垫片调隙式：用螺钉连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘间加用螺钉连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片。垫片。调整垫片的厚度调整垫片的厚度使螺母产生轴向位移，以达到消除使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预拉紧力的目的。间隙和产生预拉紧力的目的。2 2)螺纹调隙式螺纹调隙式 一个螺母的外端有一个螺母的外端有凸缘凸缘,而另一个螺母的而另一个螺母的外端没有凸缘而制有螺外端没有凸缘而制有螺纹，它伸出套筒外，并纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固定着。用两个圆螺母固定着
23、。旋转圆螺母时，即可消旋转圆螺母时，即可消除间隙，并产生预拉紧除间隙，并产生预拉紧力，调整好后再用另一力，调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧。个圆螺母把它锁紧。图 7-19 双 螺 母 螺 纹 调 隙 式 结 构1、2-单 螺 母 3-平 键 4-调 整 螺 母12343 3)齿差调隙式齿差调隙式 在两个螺母的凸缘上各制在两个螺母的凸缘上各制有圆柱齿轮，两者齿数相差一有圆柱齿轮，两者齿数相差一个齿，个齿，并并装入内齿圈中，内齿装入内齿圈中，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒圈用螺钉或定位销固定在套筒上。调整时，先取下两端的内上。调整时，先取下两端的内齿圈，当两个滚珠螺母相对于齿圈，当两个滚珠螺母相对
24、于套筒同方向转动套筒同方向转动相同相同齿数时，齿数时，一个滚珠螺母对另一个滚珠螺一个滚珠螺母对另一个滚珠螺母产生相对角位移，从而使滚母产生相对角位移，从而使滚珠螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚珠螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道相对移动，道相对移动，达到消除间隙并达到消除间隙并施加预紧力的目的。施加预紧力的目的。图 7-20 双 螺 母 齿 差 调 隙 式 结 构 1、2-单 螺 母 3、4-内 齿 轮z13z21243 3、滚珠丝杠副的精度滚珠丝杠副的精度 滚珠丝杠副的精度等级为滚珠丝杠副的精度等级为1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、7 7、1010级精度，代号分别为级精度，代号分别为1 1、2 2、
25、3 3、4 4、5 5、7 7、1010。其中其中1 1级为最高，依次逐级降低。级为最高，依次逐级降低。滚珠丝杠副的精度包括各滚珠丝杠副的精度包括各元件的精度元件的精度和和装配后装配后的综合精度的综合精度。开环数控机床和精密机床开环数控机床和精密机床：滚珠丝杠的精度直滚珠丝杠的精度直接影响定位精度和随动精度接影响定位精度和随动精度；闭环系统数控机床闭环系统数控机床:丝杠的制造误差使得它在丝杠的制造误差使得它在工作时负载分布不均匀，从而降低承载能力和接工作时负载分布不均匀，从而降低承载能力和接触刚度，并使预紧力和驱动力矩不稳定触刚度，并使预紧力和驱动力矩不稳定。三、齿轮传动间隙的消除措施三、齿轮
26、传动间隙的消除措施 1 1、圆柱齿轮传动圆柱齿轮传动 图 7-2 6 偏 心 轴 套 式 消 除 间 隙 结 构 1-电 动 机 2-偏 心 轴 套21（1 1）偏心轴套调整法偏心轴套调整法 （2 2）锥度齿轮调整法锥度齿轮调整法 图 7-27 带 锥 度 齿 轮 的 消 除 间 隙 结 构 1、2-齿 轮 3-垫 片213 （3 3）双向薄齿轮错齿调整法双向薄齿轮错齿调整法 图 7-28 圆 柱 薄 片 齿 轮 可 调 拉 簧 错 齿 调 整 法1、2-齿 轮 3、8-凸 耳 4-弹 簧 5、6-螺 母 7-螺 钉3546721382 2、斜齿轮传动斜齿轮传动 图 7-29 斜 齿 薄 片 齿 轮 垫 片 错 齿 调 整 法薄 片 斜 齿 轮 2宽 齿 轮薄 片 斜 齿 轮 1垫 片t图 7-30 斜 齿 薄 片 齿 轮 轴 向 压 簧 错 齿 调 整 法调 压 螺 母宽 齿 轮薄 片 斜 齿 轮 2薄 片 斜 齿 轮 1轴 向 压 簧
