试谈数控机床的机械结构

第六章第六章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 着重介绍数控机床主传动、进给传动机构，滚珠丝杠螺母副、导轨副、自动换刀装置及回转工作台等典型机械结构。第一节第一节 主传动结构主传动结构 一、对主传动的要求一、对主传动的要求1)转速高、功率大，能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。2)主轴必须具有较宽的调速范围，能迅速可靠地实现无级调速，使切削始终处于最佳运行状态。3)主轴必须具有较高的回转精度，足够的刚度和抗振性，较好的热稳定性，动态响应好。4)有些数控机床还具有自动换刀功能、主轴准停功能等。二、主轴调速方法二、主轴调速方法1电动机调速用于主轴驱动的调速电动机主要分为直流和交流两大类。图6-1 直流主轴电动机特性曲线（1）直流电动机调速 通常数控机床的调速范围较大，对直流电动机的调速同时采用调压和调磁两种方法。如图6-1（2）交流电动机调速 目前数控机床交流主轴驱动中均采用笼型感应电动机，广泛采用矢量控制变频调速的方法。2机械齿轮变速 三、主传动的配置方式三、主传动的配置方式采用电动机调速的主传动变速系统，通常有以下三种配置方式，如图6-2所示。图6-2 主传动的配置方式 四、主轴轴承的配置方式四、主轴轴承的配置方式 一般中、小型数控机床的主轴部件多数采用滚动轴承作为主轴支承，目前主要有以下三种配置方式，如图6-3所示。图6-3 数控机床主轴轴承配置方式 五、典型主轴部件简介五、典型主轴部件简介 图6-4 MJ-50型数控车床主轴箱的结构简图 刀具自动装卸及切屑清除刀具自动装卸及切屑清除装置装置 主轴前端有主轴前端有7 7：2424的锥的锥孔，端面键孔，端面键1313既做刀具既做刀具定位用，又可通过它传定位用，又可通过它传递扭矩。递扭矩。7：24 图6-5 立式加工中心主轴部件的结构简图1活塞 2拉杆 3弹簧 4钢球 5拉钉 6主轴 7、8行程开关 六、电主轴六、电主轴图6-6 陶瓷轴承高速主轴工作原理图 1陶瓷轴承高速主轴 2磁浮轴承高速主轴图6-7 磁浮轴承高速主轴工作原理图 七、主轴准停装置七、主轴准停装置 2)控制准停装置控制准停装置 机械控制准停装置机械控制准停装置 电气控制准停装置（见图电气控制准停装置（见图6-8所示）所示）1)作用作用:使主轴每次都准确地停止在固定的周向位使主轴每次都准确地停止在固定的周向位置上置上,以保证换刀时主轴上的端面键能对准刀夹上的键以保证换刀时主轴上的端面键能对准刀夹上的键槽槽,同时使每次装刀时刀夹与主轴的相对位置不变同时使每次装刀时刀夹与主轴的相对位置不变,提高提高刀具的重复安装精度刀具的重复安装精度,从而提高孔加工时孔径的一致性从而提高孔加工时孔径的一致性.端面键端面键图6-8 主轴准停装置结构原理图 第二节第二节 进给传动结构进给传动结构 一、对进给运动的要求一、对进给运动的要求 1减小摩擦阻力 2提高传动精度和刚度，消除传动间隙3减小运动部件惯量 二、电动机与丝杠间的联接二、电动机与丝杠间的联接 图6-9 电动机与丝杠的联接形式 三、进给系统传动齿轮间隙的消除三、进给系统传动齿轮间隙的消除 1刚性调整法图6-10 偏心轴消隙结构 图6-11 轴向垫片消隙结构 2柔性调整法 图6-12 轴向压簧消隙结构 图6-13周向弹簧消隙结构 第三节第三节 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副 一、滚珠丝杠螺母副的工作原理、特点及类型一、滚珠丝杠螺母副的工作原理、特点及类型 1滚珠丝杠螺母副的工作原理 图6-14 滚珠丝杠螺母副结构原理图 2滚珠丝杠螺母副的特点1）滚珠丝杠螺母副中是滚动摩擦，摩擦损失小，传动效率高，可达90%以上；2）丝杠螺母预紧后，可以很好地消除间隙，传动精度高，轴向刚性好；3）摩擦阻力小，不易产生低速爬行现象，能保证运动平稳；4）磨损小，使用寿命长，精度保持性好；5）有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，也可将直线运动转换为旋转运动；6）不能自锁，立式使用时应增加制动装置。3滚珠丝杠螺母副的分类滚珠丝杠螺母副通常可根据其特征进行分类，按制造方法分为：普通滚珠丝杠螺母副和滚轧滚珠丝杠螺母副两类；按螺纹滚道型面分为：单圆弧型面和双圆弧型面两类；按滚珠的循环方式分为：外循环式和内循环式两类；按螺母型式分为：单侧法兰盘双螺母型、单侧法兰盘单螺母型、双法兰盘双螺母型、圆柱双螺母型、圆柱单螺母型、简易螺母型和方螺母型等七类；按预加负载形式分为：单螺母无预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母加大钢球径向预紧、双螺母垫片预紧、双螺母齿差预紧和双螺母螺纹预紧等六类。二、滚珠丝杠螺母副的结构二、滚珠丝杠螺母副的结构 图6-15 螺旋滚道型面的形状 1螺纹滚道型面的形状 2滚珠的循环方式 图6-16 外循环方式原理图 a）b）a）插管式 b）螺旋槽式 a）b）图6-17 内循环方式原理图a)圆柱凸键反向器 b）扁圆镶块反向器1凸键 2、3反向槽 3滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整和预紧方法6-18 双螺母垫片调隙式结构 图6-19 双螺母齿差调隙式结构1左螺母 2右螺母 3内齿轮 4外齿轮 5丝杠 6套筒图6-20 双螺母螺纹调隙式结构1左螺母 2右螺母 3平键 4丝杠 5内侧圆螺母 三、滚珠丝杠螺母副的精度等级及标注方法三、滚珠丝杠螺母副的精度等级及标注方法1滚珠丝杠螺母副的精度等级根据JB3162.282标准，滚珠丝杠螺母副的精度分成C、D、E、F、G、H六个等级，最高精度为C级，最低精度为H级；而JB3162.291标准将滚珠丝杠螺母副的精度分成1、2、3、4、5、7、10七个等级，最高精度为1级，最低精度为10级。2滚珠丝杠螺母副的标注方法 第四节第四节 导导 轨轨 副副 一、滚动导轨一、滚动导轨 图6-22 滚动导轨块结构示意图1滚动导轨块2直线滚动导轨图6-23 直线滚动导轨结构示意图特点：1）具有自调整能力，安装基面允许误差大；2）制造精度高；3）可高速运行，运行速度可大于10m/s；4）能长时间保持高精度；5）可预加负载以提高刚度。二、静压导轨二、静压导轨 静压导轨是将具有一定压力的油液通过节流器输送到导轨滑动面之间的油腔中，形成压力油膜，将运动件浮起，使导轨面间处于纯液体摩擦状态。根据承载的要求不同，静压导轨分为开式和闭式两种。开式静压导轨只能承受垂直方向的负载，承受颠覆力矩的能力差；闭式静压导轨则具有承受各方面载荷和颠覆力矩的能力。静压导轨的导轨面之间处于纯液体摩擦状态，因此不产生磨损，精度保持性好，寿命长，而且导轨的摩擦系数小（一般为0.00050.001），机械效率高，能长期保持导轨的导向精度。压力油膜承载能力大，刚度好，有良好的吸振性，导轨运行平稳，低速下不易产生爬行现象。三、塑料导轨三、塑料导轨 塑料导轨就是在与床身导轨相配的滑动导轨上粘接上静、动摩擦系数基本相同，耐磨、吸振的塑料软带，或者在定、动导轨之间采用注塑的方法制成塑料导轨。这种塑料导轨具有良好的摩擦特性、耐磨性和吸振性，因此在数控机床上广泛使用。塑料软带是以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结并做成软带状，国内已有牌号为TSF的导轨软带生产，以及配套用的DJ胶合剂。导轨软带使用的工艺简单，只要将导轨粘贴面作半精加工至表面粗糙度Ra1.63.2m，清洗粘贴面后，用胶合剂粘合，加压固化后，再经精加工即可。由于这类导轨软带采用了粘接方法，故习惯上称为“贴塑导轨”。导轨注塑的材料是以环氧树脂和二硫化钼为基体，加入增塑剂，混合为膏状为一组分和固化剂为另一组分的双组分塑料，国内牌号为HNT。第五节第五节 自动换刀装置及回转台自动换刀装置及回转台 一、自动换刀装置一、自动换刀装置目前，数控机床自动换刀装置的形式多种多样，换刀的原理及结构的复杂程度也不同，但绝大多数数控机床都是利用刀库进行换刀。1刀库的形式 图6-24 盘式刀库图6-25 链式刀库 2选刀方式 常用的选刀方式有顺序选刀和任意选刀两种。顺序选刀方式是将刀具按加工工序的要求依次放入刀库中，其控制及刀库运动比较简单。任意选刀方式是预先把刀库中每把刀具（刀座）都编上代码，按照编码选刀，刀具在刀库中不必按工件的加工顺序排列。自动选刀有三种方式，即：刀具编码方式、刀座编码方式和计算机记忆方式，其中计算机记忆方式目前用最广。3刀具交换装置 它是实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具装置。刀具的交换方式通常分为无机械手换刀和有机械手换刀两大类。图6-26 无机械手换刀的过程 图6-27 常用换刀机械手形式 图6-28 钩刀机械手换刀过程a）抓刀 b）拔刀 c）换刀 d）插刀 e）复位 二、回转工作台二、回转工作台 图6-29 鼠牙盘式工作台6-30 定位销式分度工作台的结构 二、数控回转工作台二、数控回转工作台图6-31 数控回转工作台习习 题题1数控机床对主传动系统有哪些要求？2数控机床的主轴调速方法有哪几种？各有何特点？3数控机床对进给传动系统有哪些要求？4数控机床进给传动系统传动齿轮有哪些间隙消除的方法？各有何特点？5滚珠丝杠螺母副与普通丝杠螺母副相比有哪些特点？6试述滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整和预紧方法，有哪几种结构形式？7数控机床常用导轨有哪些？各有何特点？8齿轮消除间隙的方法有哪些？各有何特点？9分度工作台和数控工作台的功用如何？