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第七章第七章 数控机床机械数控机床机械结构构n与普通机床相比，数控机床的机械与普通机床相比，数控机床的机械结构有以下特点：构有以下特点：（1）由于采用了高性能的无）由于采用了高性能的无级变速主速主轴及伺服及伺服传动系系统，数控机床的数控机床的机械机械传动结构大构大为简化，化，传动链也大大也大大缩短短；（2）为适适应连续的自的自动化加工和提高加工生化加工和提高加工生产率，数控机率，数控机床机械床机械结构具有构具有较高的静、高的静、动态刚度，以及度，以及较高的耐磨性，高的耐磨性，而且而且热变形小；形小；（3）为减小摩擦、消除减小摩擦、消除传动间隙和隙和获得更高的加工精度，得更高的加工精度，更多地采用了高效更多地采用了高效传动部件部件，如，如滚珠珠丝杠副和杠副和滚动导轨、消隙消隙齿轮传动副等；副等；（4）为了改善了改善劳动条件、减少条件、减少辅助助时间、改善操作性、提、改善操作性、提高高劳动生生产率，采用了率，采用了刀具自刀具自动夹紧装置、刀装置、刀库与自与自动换刀装置及自刀装置及自动排屑装置等排屑装置等辅助装置助装置。7.3 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统一、数控机床一、数控机床对主主传动系系统的基本要求的基本要求1、机床主、机床主传动系系统功能功能n主主传动系系统是是实现机床主运机床主运动的的传动系系统，通通过变速，使速，使主主轴获得不得不同的同的转速，以适速，以适应不同的加工要求。在不同的加工要求。在变速速的同的同时，还要求要求传递一定的功率和足一定的功率和足够的扭矩，的扭矩，满足切足切削的需要。削的需要。n传统机床主机床主传动系系统：从：从动力源（力源（电动机）到机）到执行件（主行件（主轴、工作台），中、工作台），中间需要需要经过一系列的一系列的传动机构：皮机构：皮带轮、齿轮。存在。存在问题：转动惯量大、振量大、振动和噪声、摩擦磨和噪声、摩擦磨损、传动误差等。不能达到高差等。不能达到高转速。速。2、数控机床主、数控机床主传动系系统的基本要求：的基本要求：转速高，功率大速高，功率大，能使数控机床，能使数控机床进行大功率切削行大功率切削和高速切削，和高速切削，实现高效率加工。高效率加工。主主轴转速的速的变换迅速可靠，迅速可靠，调速范速范围广广，无无级变速速，使切削工作始，使切削工作始终在最佳状在最佳状态下下进行。行。为实现刀具的快速或自刀具的快速或自动装卸，主装卸，主轴上上还必必须设有刀具自有刀具自动装卸、主装卸、主轴定向停止和主定向停止和主轴孔内的切孔内的切屑清除装置。屑清除装置。为实现对C轴位置（主位置（主轴回回转角度）的控制，主角度）的控制，主轴还需要安装需要安装位置位置检测装置。装置。3、主、主传动的无的无级变速方法速方法：采用采用交流交流电动机机驱动系系统实现无无级变速速传动，在，在早期的数控机床或大型数控机床上，也有采用直早期的数控机床或大型数控机床上，也有采用直流主流主轴驱动系系统的情况。的情况。在在经济型、普及型数控机床上，型、普及型数控机床上，为了降低成本，了降低成本，可以采用可以采用变频器器带变频电动机或普通交流机或普通交流电动机机实现无无级变速速的方式。的方式。在高速加工机床上，广泛使用主在高速加工机床上，广泛使用主轴和和电动机一体机一体化的新化的新颖功能部件功能部件电主主轴。电主主轴的的电动机机转子和主子和主轴一体，无需任何一体，无需任何传动件，可以使主件，可以使主轴达到数万达到数万转、甚至十几万、甚至十几万转的高速。的高速。二、主传动变速方式二、主传动变速方式1 1、电动机机+变速速齿轮+主主轴n应用于大、中型数控机床上，目的是使主用于大、中型数控机床上，目的是使主轴在低速在低速时获得得大扭矩和大扭矩和扩大恒功率大恒功率调速范速范围，满足机床重切削足机床重切削时对扭矩扭矩的要求。的要求。n通常采用通常采用2-3级齿轮变速。速。额定扭矩定扭矩140N.m，额定定转速速1500rpm，22KW的交流无的交流无级变速速电动机，机，经过机械机械变速后的扭矩、功率曲速后的扭矩、功率曲线2、无、无级调速速电动机机+带传动+主主轴n一般采用同步一般采用同步齿形形带，多，多见于数控于数控车床。减少了床。减少了噪声和振噪声和振动。TND360型数控机床的主传动系统型数控机床的主传动系统3、电主主轴（Electrospindle,Motor Spindle)Electrospindle,Motor Spindle)n主主轴电动机与机床主机与机床主轴合而合而为一，一，传动链为零，又称零，又称“零零传动”。优点：点：结构构轻、惯性小、高性小、高转速、高精度、高功率，高速、高精度、高功率，高刚度，度，结构构紧凑。凑。应用：用：高速数控机床高速数控机床电主主轴结构构n结构构q轴壳：壳：通常将通常将轴承座孔直接承座孔直接设计在在轴壳上。壳上。电主主轴为加加装装电动机定子，必机定子，必须开放一端。大型或特种开放一端。大型或特种电主主轴，为方便制造、方便制造、节省材料，可将省材料，可将轴壳两端均壳两端均设计成开放型。成开放型。q转轴：成品：成品转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高。且的形位公差和尺寸精度要求都很高。且必必须对转轴进行行严格的格的动平衡。平衡。q轴承承：高速精密：高速精密轴承。具有高速性能好、承。具有高速性能好、动载荷承荷承载能力高、能力高、润滑性能好、滑性能好、发热量小等量小等优点。点。n定子与定子与转子：子：定子由具有高磁定子由具有高磁导率的率的优质矽钢片叠片叠压而成，而成，叠叠压成型的定子内腔成型的定子内腔带有冲制嵌有冲制嵌线槽。定子通槽。定子通过一个冷却一个冷却套固装在套固装在电主主轴的壳体上。的壳体上。n转子由子由转子子铁心、鼠心、鼠笼、转轴三部分三部分组成。位于前后成。位于前后轴承承之之间，用，用热压装配法装配法与主与主轴产生生过盈配合，用由盈配合，用由过盈力盈力传递扭矩。扭矩。n电主主轴制造商：制造商：国外：德国国外：德国GMN公司；瑞士公司；瑞士FISCHER公司、公司、IBAG公司；公司；国内：洛阳国内：洛阳轴承研究所承研究所n发热问题的解决的解决 热源：内置源：内置电动机的机的发热和主和主轴轴承的承的发热。可用循可用循环切削液冷却。切削液冷却。电主轴内置电动机的发热与散热电主轴内置电动机的发热与散热高速主高速主轴单元的油元的油-水冷却系水冷却系统三、主轴组件三、主轴组件主主轴组件包括主件包括主轴、主、主轴轴承、承、传动零件等。零件等。1、主、主轴轴承承n一般采用一般采用滚动轴承承轴承类型轴承类型（a）锥孔双列圆柱滚子轴承锥孔双列圆柱滚子轴承：内：内圈为圈为1：12的锥孔，当内圈沿锥的锥孔，当内圈沿锥形轴轴向移动时，内圈胀大，可形轴轴向移动时，内圈胀大，可以调整滚道间隙。滚子与内外圈以调整滚道间隙。滚子与内外圈线性接触，承载能力大，刚性好。线性接触，承载能力大，刚性好。允许极限转速较高。对箱体孔、允许极限转速较高。对箱体孔、主轴颈的加工精度要求高，且只主轴颈的加工精度要求高，且只能承受径向载荷。能承受径向载荷。（b）双列推力向心球）双列推力向心球轴承承，接触角，接触角为60。球径小、数量多，允球径小、数量多，允许转速高，速高，轴向向刚度度较高，能承受双向高，能承受双向轴向向载荷。荷。该种种轴承一承一般与双列般与双列圆柱柱滚子子轴承配套用作主承配套用作主轴的前的前支承。支承。（c）双列）双列圆锥滚子子轴承。承。这种种轴承的特点是内、承的特点是内、外列外列滚子数量相差一个，子数量相差一个，能使振能使振动频率不一致，率不一致，因此，可以改善因此，可以改善轴承的承的动态性能。性能。轴承可以同承可以同时承受径向承受径向载荷和荷和轴向向载荷，通常用作主荷，通常用作主轴的的前支承。前支承。（d）带凸肩的双列凸肩的双列圆锥滚子子轴承承。结构和构和图（c）相似，特点是）相似，特点是滚子被做成空心，故能子被做成空心，故能进行有效行有效润滑和冷却；此滑和冷却；此外，外，还能在承受冲能在承受冲击载荷荷时产生微小生微小变形，增形，增加接触面加接触面积，起到有效，起到有效吸振和吸振和缓冲作用。冲作用。（e）高速）高速电主主轴轴承：承：n随着速度的提高，随着速度的提高，轴承的温度升高，离心力增加承的温度升高，离心力增加,振振动和噪声增大，寿命降低。和噪声增大，寿命降低。n可采用可采用磁浮磁浮轴承、液体承、液体动静静压轴承、陶瓷球承、陶瓷球轴承承三种形式。磁浮三种形式。磁浮轴承的高速性能好、精度高，容承的高速性能好、精度高，容易易实现诊断和在断和在线监控，但控，但电磁磁测控系控系统过于复于复杂。液体。液体动静静压轴承承综合了液体静合了液体静压轴承和液体承和液体动压轴承的承的优点，但点，但这种种轴承必承必须根据具体机床根据具体机床专门进行行设计，单独生独生产，标准化程度低，准化程度低，维护保养也困保养也困难。n应用最多是用最多是混合陶瓷球混合陶瓷球轴承承，即，即滚动体使用体使用热压或或热等静等静压Si3N4陶瓷球，陶瓷球，轴承套圈仍承套圈仍为钢圈。圈。n滚动体采用氮化硅陶瓷球的原因：体采用氮化硅陶瓷球的原因：质量量轻，相当于，相当于钢球球的的40%，因而离心力下降；，因而离心力下降；弹性模量高，性模量高，为钢球的球的1.5倍，因而主倍，因而主轴和和轴承的承的刚度、度、临界界转速提高。速提高。线膨膨胀系系数低，数低，约为钢球的球的25%25%；硬度高，硬度高，1600-1700HV.1600-1700HV.为钢球球的的2.52.5倍；倍；陶瓷与金属不陶瓷与金属不产生咬合。生咬合。轴承配置：承配置：（a）后端定位：）后端定位：推力推力轴承布置在后支承两承布置在后支承两侧，并承受双向，并承受双向轴向向载荷。荷。优点：点：简化主化主轴端部端部结构，缺点：主构，缺点：主轴热膨膨胀，向前端伸向前端伸长或横向弯曲，影响精度。或横向弯曲，影响精度。（b）前后两端定位：）前后两端定位：推力推力轴承布置在前、后支承的两外承布置在前、后支承的两外侧，轴向向载荷分荷分别由前后支承承受。由前后支承承受。轴向向间隙一般由后端隙一般由后端调整。整。在主在主轴受受热伸伸长时，会改，会改变支承的支承的轴向、径向向、径向间隙，影响隙，影响加工精度。加工精度。设计时应考考虑对主主轴的自的自动预紧。(c)(d)均采用前端定位，推力均采用前端定位，推力轴承布置在前支承，承布置在前支承，轴向向载荷荷由前支承承受。由前支承承受。优点是点是结构构刚度度较高；主高；主轴受受热伸伸长，不，不会影响加工精度。会影响加工精度。图(c)的推力的推力轴承安装在前支承两承安装在前支承两侧，会增加主，会增加主轴的的悬伸伸长度，度，对提高提高刚度不利。度不利。图(d)推力推力轴承均布置在前支承内承均布置在前支承内侧，主，主轴的的悬伸伸长度小，度小，刚度大。但前支承度大。但前支承结构构较复复杂，一般用于高速精密数控机，一般用于高速精密数控机床。床。n常常见形式形式:特点特点（a）前支承采用）前支承采用圆锥孔双列孔双列圆柱柱滚子子轴承和双向推力角接承和双向推力角接触触轴承承组合，后支承采用成合，后支承采用成对角接触球角接触球轴承。承。这种配置形种配置形式使主式使主轴的的综合合刚度得到大幅度提高，可以度得到大幅度提高，可以满足足强力切削力切削的要求，所以目前各的要求，所以目前各类数控机床的主数控机床的主轴普遍采用普遍采用这种配置种配置形式。形式。（b）前文承采用高精度双列向心推力球）前文承采用高精度双列向心推力球轴承和角接触球承和角接触球轴承承组合。合。这种配置方式具有种配置方式具有较好的高速性能，主好的高速性能，主轴最高最高转速达速达4000rmin，但是，但是轴承的承承的承载能力小，因而适用于能力小，因而适用于高速、高速、轻载和精密的数控机床主和精密的数控机床主轴。（c）前后支承采用双列）前后支承采用双列圆维波子波子轴承和承和圆锥滚子子轴承。承。这种种轴承径向承径向轴向向刚度高，能承受重度高，能承受重载荷，尤其能承受荷，尤其能承受较大大的的动载荷，安装与荷，安装与调整性能好。但是整性能好。但是这种种轴承配置方式限承配置方式限制了抽的最高制了抽的最高转速和精度，所以速和精度，所以仅适用于中等精度、低速适用于中等精度、低速与重与重载的数控机床主的数控机床主轴。2、主轴组件结构、主轴组件结构n机床主机床主轴部件的部件的结构根据不同的机床有构根据不同的机床有较大的差大的差别。n主主轴组件的分析方法：件的分析方法：轴承承类型、型、轴承配置、承配置、轴向力向力传递方式、方式、轴承承间隙隙调整方法。整方法。数控数控车床主床主轴组件件图n传动件、件、轴承、承、挡圈等均采用先圈等均采用先进的的热套工套工艺进行安装和行安装和调整，主整，主轴上无上无键槽和螺槽和螺纹，既增，既增强了了主主轴刚度，又最大限度地降低了主度，又最大限度地降低了主轴的不平衡量。的不平衡量。n前支承采用成前支承采用成组角接触球角接触球轴承，后支承承，后支承为双列双列圆柱柱滚子子轴承。前端的三个角接触承。前端的三个角接触轴承中，前两个承中，前两个轴承的大端向主承的大端向主轴前端，另一个前端，另一个轴承的大端向主承的大端向主轴后端，前支承可以同后端，前支承可以同时承受径向和承受径向和轴向力。向力。n轴向力向力传递：向左的：向左的轴向力由主向力由主轴前端，通前端，通过轴承承17、轴承承13、挡圈圈11、轴承承10的外圈的外圈传到箱体到箱体上。向右的上。向右的轴向力由向力由热调整套整套8、挡圈圈9、轴承承10的内圈、球、外圈、的内圈、球、外圈、挡圈圈11、轴承承13和和17的外圈、的外圈、联接接盘14、螺、螺钉15传到箱体上。到箱体上。n间隙隙调整整：当：当轴承承间隙隙过大大时，需卸下主，需卸下主轴部件，部件，通通过修磨修磨2个个挡圈圈11和和12，调整整热调整套的整套的轴向向位置位置进行。行。热调整套的内孔与主整套的内孔与主轴外外圆以一很小以一很小锥度配合，以便度配合，以便调整。后支承整。后支承为双列双列圆柱柱滚子子轴承，其承，其调整可通整可通过热套工套工艺，调整整带轮联接接盘2的的轴向位置和修磨向位置和修磨挡圈圈7来来实现。n电主主轴主要由空心主要由空心转子子1、带绕组的定子的定子2和位置和位置检测器（器（图中未示出）三部分中未示出）三部分组成。成。n主主轴4与与电动机合机合为一体，一体，电动机的机的转子子轴就是主就是主轴本身，本身，电动机定子与主机定子与主轴箱体箱体联接，接，n主主轴传动不不仅结构构简单，而且降低了噪声和共振。，而且降低了噪声和共振。主主轴部件部件经过严格的格的动平衡，故可以在高速下运平衡，故可以在高速下运行。行。n为了防止主了防止主轴高速运高速运转时的的发热，主，主轴轴承、承、电主主轴均通入冷却水均通入冷却水进行行强制冷却。主制冷却。主轴前端前端结构构与前与前图相同。相同。3、刀具自、刀具自动夹紧装置装置一、数控机床一、数控机床进给传动系系统的特点的特点1.低摩擦低摩擦传动副副。如采用静。如采用静压导轨、滚动导轨和和滚珠珠丝杠杠等，以减小摩擦力。等，以减小摩擦力。2.选用最佳的降速比用最佳的降速比，以达到提高机床分辨率，使工作台，以达到提高机床分辨率，使工作台尽可能大地加速以达到跟踪指令、系尽可能大地加速以达到跟踪指令、系统折算到折算到驱动轴上上的的惯量尽量小的要求。量尽量小的要求。3.缩短短传动链以及用以及用预紧的方法提高的方法提高传动系系统的的刚度度。如。如采用大采用大转矩矩宽调速的直流速的直流电动机与机与丝杠直接相杠直接相连应用用预加加负载的的滚动导轨和和滚珠珠丝杠副，杠副，丝杠支承杠支承设计成两端成两端轴向固定的、并可向固定的、并可预拉伸的拉伸的结构等构等办法来提高法来提高传动系系统的的刚度。度。4.无无间隙隙传动，消除反向死区，消除反向死区误差差。如采用消除。如采用消除间隙的隙的联轴器，采用有消除器，采用有消除间隙措施的隙措施的传动副等。副等。7.3 数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动系统二、进给传动机构二、进给传动机构1、类型型n直直线进给运运动：q通通过丝杠螺母副（通常杠螺母副（通常为滚珠珠丝杠或静杠或静压丝杠）杠），将伺，将伺服服电动机的旋机的旋转运运动变成直成直线运运动。q通通过齿轮、齿条副条副，将伺服，将伺服电动机的旋机的旋转运运动变成直成直线运运动。q直接采用直直接采用直线电动机机进行行驱动。n圆周周进给运运动：q除少数情况直接使用除少数情况直接使用齿轮副外，一般都采用副外，一般都采用蜗轮蜗杆副杆副。2、减速机构、减速机构n通过降速来通过降速来匹配进给系统的转动惯量和获得要求匹配进给系统的转动惯量和获得要求的输出机械特性的输出机械特性，对开环系统，还起匹配所需的，对开环系统，还起匹配所需的脉冲当量的作用。脉冲当量的作用。n一般采用齿轮机构或同步齿形带传动一般采用齿轮机构或同步齿形带传动。n近年来，由于伺服电机及其控制单元性能的提高，近年来，由于伺服电机及其控制单元性能的提高，许多数控机床的进给传动系统去掉了降速齿轮副，许多数控机床的进给传动系统去掉了降速齿轮副，直接将伺服电动机与滚珠丝杠连接。直接将伺服电动机与滚珠丝杠连接。开环系统降速比开环系统降速比开环系统降速比开环系统降速比运动平衡式：运动平衡式：运动平衡式：运动平衡式：闭环系统降速比闭环系统降速比闭环系统降速比闭环系统降速比二、滚珠丝杠螺母副二、滚珠丝杠螺母副1、工作原理及特点、工作原理及特点内循环滚珠丝杠内循环滚珠丝杠外循外循环滚珠珠丝杠杠n在在丝杠和螺母上都有半杠和螺母上都有半圆形的螺旋槽，当它形的螺旋槽，当它们套套装在一起装在一起时便成了便成了滚珠的螺旋珠的螺旋滚道。螺母上有道。螺母上有滚珠回珠珠回珠滚道，将数圈螺旋道，将数圈螺旋滚道的两端道的两端连接成封接成封闭的循的循环滚道，道，滚道内装道内装满滚珠，当珠，当丝杠旋杠旋转时，滚珠在珠在滚道内自道内自转，同，同时又在封又在封闭滚道内循道内循环，使使丝杠和螺母相杠和螺母相对产生生轴向运向运动。当。当丝杠（或螺杠（或螺母）固定母）固定时，螺母（或，螺母（或丝杠）即可以杠）即可以产生相生相对直直线运运动，从而，从而带动工作台作直工作台作直线运运动。n滚珠循珠循环方式有两种：方式有两种：外循外循环：回珠回珠滚道布置在螺母外部，道布置在螺母外部，滚珠在循珠在循环过程中，有部分程中，有部分时间滚珠与珠与丝杠脱离接触；制造工杠脱离接触；制造工艺简单。缺点是。缺点是对滚道接道接缝处的要求高，通常很的要求高，通常很难做到平滑，影响做到平滑，影响滚珠珠滚动的平的平稳性，性，严重重时甚甚至会至会发生卡珠生卡珠现象，其噪声也象，其噪声也较大。大。内循内循环：回珠回珠滚道布置在螺母内部，循道布置在螺母内部，循环过程中程中滚珠始珠始终与与丝杠保持接触。杠保持接触。结构构紧凑，定位可靠，凑，定位可靠，刚性好，且不易性好，且不易发生磨生磨损和和滚珠堵塞珠堵塞现象；其缺象；其缺点是点是结构复构复杂，制造，制造较困困难，且内循，且内循环结构的构的滚珠珠丝杠螺母不能作成多杠螺母不能作成多头螺螺纹传动。n n滚滚珠珠珠珠丝丝杠螺母副具有以下特点：杠螺母副具有以下特点：杠螺母副具有以下特点：杠螺母副具有以下特点：摩擦摩擦摩擦摩擦损损失小失小失小失小，传动传动效率高；效率高；效率高；效率高；给给予适当予适当予适当予适当预紧预紧，可消除，可消除，可消除，可消除丝丝杠和螺母的螺杠和螺母的螺杠和螺母的螺杠和螺母的螺纹间纹间隙，隙，隙，隙，定位精度高，定位精度高，定位精度高，定位精度高，刚刚度好度好度好度好。反向。反向。反向。反向时时就可以消除空行程就可以消除空行程就可以消除空行程就可以消除空行程死区。死区。死区。死区。运运运运动动平平平平稳稳。摩擦力几乎与运。摩擦力几乎与运。摩擦力几乎与运。摩擦力几乎与运动动速度无关，速度无关，速度无关，速度无关，动动、静、静、静、静摩擦力的摩擦力的摩擦力的摩擦力的变变化也很小，故不易化也很小，故不易化也很小，故不易化也很小，故不易产产生低速爬行生低速爬行生低速爬行生低速爬行现现象；象；象；象；传动传动精度高。精度高。精度高。精度高。运运运运动动具有可逆性具有可逆性具有可逆性具有可逆性，可以从旋，可以从旋，可以从旋，可以从旋转转运运运运动转换为动转换为直直直直线线运运运运动动，也可以从直，也可以从直，也可以从直，也可以从直线线运运运运动转换为动转换为旋旋旋旋转转运运运运动动，即，即，即，即丝丝杠杠杠杠和螺母都可以作和螺母都可以作和螺母都可以作和螺母都可以作为为主主主主动动件。件。件。件。磨磨磨磨损损小，使用寿命小，使用寿命小，使用寿命小，使用寿命长长。制造工制造工制造工制造工艺艺复复复复杂杂。滚滚珠珠珠珠丝丝杠和螺母等元件的加工精杠和螺母等元件的加工精杠和螺母等元件的加工精杠和螺母等元件的加工精度和表面粗糙度要求高，成本高。度和表面粗糙度要求高，成本高。度和表面粗糙度要求高，成本高。度和表面粗糙度要求高，成本高。不能不能不能不能实现实现自自自自锁锁。当用在垂直当用在垂直当用在垂直当用在垂直传动传动或水平放置的高或水平放置的高或水平放置的高或水平放置的高速大速大速大速大惯惯量量量量传动传动中必中必中必中必须须装有制装有制装有制装有制动动装置。装置。装置。装置。为为了防止安了防止安了防止安了防止安装、使用装、使用装、使用装、使用时时螺母脱离螺母脱离螺母脱离螺母脱离丝丝杠杠杠杠滚滚道，在机床上道，在机床上道，在机床上道，在机床上还还必必必必须须配置超程保配置超程保配置超程保配置超程保护护装置。装置。装置。装置。2、滚珠丝杠副的参数、滚珠丝杠副的参数n n名名名名义义直径直径直径直径d0d0：滚滚珠与螺珠与螺珠与螺珠与螺纹滚纹滚道在理道在理道在理道在理论论接触角状接触角状接触角状接触角状态时态时包包包包络滚络滚珠球心的珠球心的珠球心的珠球心的圆圆珠直径。珠直径。珠直径。珠直径。n n导导程程程程P P：丝丝杠相杠相杠相杠相对对于螺母旋于螺母旋于螺母旋于螺母旋转转任意弧度任意弧度任意弧度任意弧度时时，螺母上基准点，螺母上基准点，螺母上基准点，螺母上基准点的的的的轴轴向位移向位移向位移向位移n n基本基本基本基本导导程程程程P0P0：丝丝杠相杠相杠相杠相对对于螺母旋于螺母旋于螺母旋于螺母旋转转2 2弧度弧度弧度弧度时时，螺母上基，螺母上基，螺母上基，螺母上基准点的准点的准点的准点的轴轴向位移向位移向位移向位移n n接触角接触角接触角接触角:法向剖面内，法向剖面内，法向剖面内，法向剖面内，滚滚珠球心与珠球心与珠球心与珠球心与滚滚道接触点道接触点道接触点道接触点连线连线和螺和螺和螺和螺纹轴线纹轴线垂直垂直垂直垂直线间线间的的的的夹夹角。角。角。角。n螺螺纹滚道型面的形状道型面的形状单圆弧型单圆弧型双圆弧双圆弧型型3、滚珠丝杠螺母副轴向间隙调整和预紧、滚珠丝杠螺母副轴向间隙调整和预紧n轴向向间隙隙通常是指通常是指丝杠和螺母无相杠和螺母无相对转动时，丝杠和杠和螺母之螺母之间的最大的最大轴向向窜动。除了。除了结构本身的游隙之外，构本身的游隙之外，在施加在施加轴向向载荷之后，荷之后，轴向向间隙隙还包括包括弹性性变形所造形所造成的成的窜动。n可通可通过预紧方法消除方法消除滚珠珠丝杠副杠副间隙，并能提高隙，并能提高刚度度。滚珠珠丝杠螺母副的杠螺母副的预紧方法与螺母的型式有关。方法与螺母的型式有关。n注意点注意点：预紧虽能有效地减小能有效地减小弹性性变形所形所带来的来的轴向向位移，但位移，但过大的大的预加加载荷将增加摩擦阻力，降低荷将增加摩擦阻力，降低传动效率，并使寿命大效率，并使寿命大为缩短。所以，一般要短。所以，一般要经过几次几次调整才能保整才能保证机床在最大机床在最大轴向向载荷下，既消除了荷下，既消除了间隙，隙，又能灵活运又能灵活运转。（1）对于于单螺母螺母结构主要有三种：构主要有三种：增加增加滚珠直径珠直径预紧法：法：通通过筛选滚珠的大小珠的大小进行行预紧。无。无须改改变螺母螺母结构，构，简单可靠，可靠，刚性好；但它一旦配好，就性好；但它一旦配好，就不能不能对预紧力再力再进行行调整。当整。当预紧力力调整整为额定定动载荷的荷的2%5%左右左右时，性能最佳；允，性能最佳；允许最大最大预紧力力为额定定动载荷荷的的5%。螺母螺母夹紧预紧法法(b)：在螺母的在螺母的单边加工一条加工一条0.1mm的的缝隙，再通隙，再通过螺栓螺栓4径向径向夹紧螺母。制造成本低，螺母。制造成本低，调整整简单，预紧力力调整方便；但整方便；但对刚性有一定的影响。允性有一定的影响。允许最大最大预紧力力为额定定动载荷的荷的5%。整体螺母整体螺母变位螺距位螺距预紧法法(c)：通通过整体螺母整体螺母变位，使螺母相位，使螺母相对丝杠杠产生生轴向移向移动。这种方法的种方法的特点是特点是结构构紧凑，工作可靠，凑，工作可靠，调整方便；但整方便；但调整整位移量不易。位移量不易。（2）对于双螺母结构的滚珠丝杠螺母副）对于双螺母结构的滚珠丝杠螺母副n双螺母双螺母垫片片预紧法法(a)(a)。它是通它是通过改改变垫片片4 4的厚度，使螺的厚度，使螺母相母相对丝杠杠产生生轴向位移的向位移的预紧方法。方法。这种方法的特点是种方法的特点是结构构简单可靠，可靠，刚性好；但性好；但调整整较费时间，且不能在工作，且不能在工作中随意中随意调整。最大整。最大预紧力不能超力不能超过平均工作平均工作载荷的荷的33%33%，通常通常调整整为额定定动载荷的荷的10%10%左右。左右。n双螺母螺双螺母螺纹调隙式：隙式：螺母螺母1的外端有凸的外端有凸缘。螺母。螺母2外端无凸外端无凸缘但有螺但有螺纹，并伸出套筒外，并用两个，并伸出套筒外，并用两个圆螺母螺母4固定。旋固定。旋转圆螺母螺母4，即可消除，即可消除间隙，并隙，并产生生预紧力。力。n齿差差调隙式：隙式：在两个螺母的凸在两个螺母的凸缘上各制有上各制有圆柱外柱外齿轮，齿数差数差为1，两个内，两个内齿圈的圈的齿数与外数与外齿轮的的齿数相同，并用数相同，并用螺螺钉和和销钉固定在螺母座的两端。固定在螺母座的两端。调整整时先将内先将内齿圈取出，圈取出，根据根据间隙的大小使两个螺母分隙的大小使两个螺母分别在相同方向在相同方向转过一个一个齿或或几个几个齿，使螺母在，使螺母在轴向彼此移近向彼此移近(或移开或移开)相相应的距离。的距离。间隙消除量间隙消除量的计算：的计算：n n n n：两螺母在同：两螺母在同：两螺母在同：两螺母在同一方向转过的齿数；一方向转过的齿数；一方向转过的齿数；一方向转过的齿数；t:t:t:t:滚珠丝杆的导程；滚珠丝杆的导程；滚珠丝杆的导程；滚珠丝杆的导程；Z:Z:Z:Z:齿轮的齿数齿轮的齿数齿轮的齿数齿轮的齿数、。（1）滚珠丝杠螺母副的支承轴承）滚珠丝杠螺母副的支承轴承n双向推力角接触球双向推力角接触球轴承承.接触角接触角为60，可以承受双向，可以承受双向轴向向载荷荷和径向和径向载荷，装配后可以采用荷，装配后可以采用精密精密锁紧螺母螺母预紧。轴向向刚度度高，可以承受很大的高，可以承受很大的轴向力，向力，是一种是一种专门用于用于滚珠珠丝杠的杠的轴承。承。4、滚珠丝杠螺母副的安装、滚珠丝杠螺母副的安装n滚针/推力推力圆柱柱滚子子轴承。承。由一个由一个带向心和推力向心和推力滚道道的外圈、两个的外圈、两个轴圈、一个圈、一个内圈、一个向心内圈、一个向心滚针、两、两个推力个推力圆柱柱滚珠等珠等组成的成的完整完整单元。可以承受双向元。可以承受双向轴向向载荷和径向荷和径向载荷，装荷，装配后可以采用精密配后可以采用精密锁紧螺螺母母预紧。可以承受很大的。可以承受很大的轴向力，也是一种向力，也是一种专门用用于于滚珠珠丝杠的杠的轴承。承。（2）滚珠珠丝杠螺母副的支承型式杠螺母副的支承型式(a)(a)一端固定、一端自由。一端固定、一端自由。仅在一端装可以承受双向在一端装可以承受双向轴向向载荷与径向荷与径向载荷的推力角接触球荷的推力角接触球轴承或承或滚针-推力推力圆柱柱滚子子轴承，并承，并进行行轴向向预紧；另一端完全自由，不作支撑。；另一端完全自由，不作支撑。结构构简单，但承，但承载能力能力较小，小，总刚度度较低，且随着螺母位置低，且随着螺母位置的的变化化刚度度变化化较大。通常适用于大。通常适用于丝杠杠长度、行程不度、行程不长的的情况。情况。（b b）一端固定、一端游动。）一端固定、一端游动。在一端装可以承受双向轴向载在一端装可以承受双向轴向载荷与径向载荷的推力角接触球轴承或滚针推力圆柱滚子轴荷与径向载荷的推力角接触球轴承或滚针推力圆柱滚子轴承，另一端装向心球轴承，仅作径向支撑，轴向游动。提承，另一端装向心球轴承，仅作径向支撑，轴向游动。提高了临界转速和抗弯强度，可以防止丝杠高速旋转时的弯高了临界转速和抗弯强度，可以防止丝杠高速旋转时的弯曲变形，可以适用于丝杠长度、行程较长的情况。曲变形，可以适用于丝杠长度、行程较长的情况。（c c）两端支承方式）两端支承方式：在：在滚珠珠丝杠的两端装推力杠的两端装推力轴承，并承，并进行行轴向向预紧，有助于提高，有助于提高传动刚度。度。丝杠杠热变形伸形伸长时，将使将使轴承去承去载，产生生轴向向间隙。隙。（d d）两端装推力）两端装推力轴承及深沟球承及深沟球轴承承。为使使丝杠具有杠具有较大大刚度，它的两端可用双重支承，即推力度，它的两端可用双重支承，即推力轴承加深沟球承加深沟球轴承，承，并施加并施加预紧拉力。拉力。这种种结构方式可使构方式可使丝杠的温度杠的温度变形形转化化为推力推力轴承的承的预紧力，但力，但设计时要求提高推力要求提高推力轴承的承承的承载能力和支架能力和支架刚度。度。（3）制动装置）制动装置n当机床工作当机床工作时，电磁磁铁线圈圈吸住吸住压簧，打开摩擦离合器。簧，打开摩擦离合器。此此时步步进电动机接受控制机的机接受控制机的指令脉冲后，将旋指令脉冲后，将旋转运运动通通过液液压转矩放大器及减速矩放大器及减速齿轮传动，带动滚珠珠丝杠副杠副转换为主主轴箱的垂直移箱的垂直移动。n当步当步进电动机停止机停止转动时，电磁磁铁线圈亦同圈亦同时断断电，在，在弹簧簧作用下摩擦离合器作用下摩擦离合器压紧，使得，使得滚珠珠丝杠不能自由杠不能自由转动，主，主轴箱就不会因自重而下沉了。箱就不会因自重而下沉了。数控卧式铣镗床数控卧式铣镗床主轴箱进给丝杠的制动装置主轴箱进给丝杠的制动装置（4）滚珠丝杠螺母副与驱动电动机的联接）滚珠丝杠螺母副与驱动电动机的联接联轴器直接器直接联接接n优点：具有最大的扭点：具有最大的扭转刚度；度；传动机构本身无机构本身无间隙，隙，传动精度高；而且精度高；而且结构构简单，安装、，安装、调整方便。整方便。n在大、中型机床上使用，在大、中型机床上使用，难以以发挥伺服伺服电动机高速、低机高速、低转矩的特性；通常适用于矩的特性；通常适用于输出扭矩要求在出扭矩要求在15NM40NM左右左右的中、小型机床或高速加工机床。的中、小型机床或高速加工机床。n挠性性联轴器：器：能能补偿因同因同轴度及垂直度度及垂直度误差引起差引起的的“干涉干涉”现象。象。通过齿轮联接通过齿轮联接n优点：点：可以降低可以降低丝杠、工作台的杠、工作台的惯量在系量在系统中所中所占的比重，提高占的比重，提高进给系系统的快速性。的快速性。可以充分利可以充分利用伺服用伺服电动机高机高转速、低扭矩的性能，使其速、低扭矩的性能，使其变为低低转速、大扭矩速、大扭矩输出，出，获得更大的得更大的进给驱动力。力。在在开开环步步进系系统中中还可起到机械、可起到机械、电气气间的匹配作用，的匹配作用，使数控系使数控系统的分辨率和的分辨率和实际工作台的最小移工作台的最小移动单位位统一。一。进给电动机和机和丝杠中心可以不在同一直杠中心可以不在同一直线上，布置灵活。上，布置灵活。n问题：传动装置装置结构复构复杂，降低，降低传动效率，增加效率，增加噪声。噪声。传动级数的增加必将数的增加必将带来来传动部件的部件的间隙隙和摩擦的增加，从而影响和摩擦的增加，从而影响进给系系统的性能。的性能。传动齿轮副的副的间隙存在，在开隙存在，在开环、半、半闭环系系统中，将影中，将影响加工精度；在响加工精度；在闭环系系统中，由于位置反中，由于位置反馈的作用，的作用，间隙隙产生的位置滞后量生的位置滞后量虽然能通然能通过系系统的的闭环自自动调节得到得到补偿，但它将，但它将带来反向来反向时冲冲击，甚至，甚至导致致系系统产生振生振荡而影响系而影响系统的的稳定定具有具有带传动和和链传动的共同的共同优点，与点，与齿轮传动相比它相比它结构更构更简单，制造成本更，制造成本更低，安装低，安装调整更方便。并整更方便。并且且传动不打滑、不需要大不打滑、不需要大的的张紧力；力；传动效率可以效率可以达到达到9899.5%，最高，最高线速速度可以达到度可以达到80m/s，故广泛，故广泛用于一般数控机床和高速、用于一般数控机床和高速、高精度的数控机床高精度的数控机床传动。通过同步齿形带联接通过同步齿形带联接三、齿轮齿条副三、齿轮齿条副n齿轮齿条条传动常用于行程常用于行程较长的大型机床上，可的大型机床上，可以得到以得到较大的大的传动比，比，还易得到高速直易得到高速直线运运动，刚度及机械效率也高；但度及机械效率也高；但传动不不够平平稳，传动精精度不度不够高，不能自高，不能自锁。四、齿轮传动间隙的消除措施四、齿轮传动间隙的消除措施n反向反向进给时，轮齿侧隙会使隙会使进给运运动的反向滞后的反向滞后于指令信号，从而影响其于指令信号，从而影响其驱动精度。精度。1、偏心轴套调整法、偏心轴套调整法。电动机电动机1通过偏心轴通过偏心轴套套2装到壳体上。改装到壳体上。改变偏心轴套的转角，变偏心轴套的转角，可调整两啮合齿轮的可调整两啮合齿轮的中心距，从而消除圆中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的柱齿轮正、反转时的齿侧隙。齿侧隙。2、锥度度齿轮调整法。整法。在加在加工工齿轮1和和2时，将假想的，将假想的分度分度圆柱面改柱面改变成成带有小有小锥度的度的圆锥面，使其面，使其齿厚厚在在齿轮的的轴向稍有向稍有变化。化。装配装配时只要改只要改变垫片片3的的厚度就能厚度就能调整两个整两个齿轮的的轴向相向相对位置，从而消除位置，从而消除齿侧间隙。隙。(3)双向薄双向薄齿轮错齿调整法整法。啮合合齿轮中，其中一个是中，其中一个是宽齿轮，另一个由两相同，另一个由两相同齿数的薄片数的薄片齿轮套装而成，两薄片套装而成，两薄片齿轮可相可相对回回转。装配后，。装配后，应使一个薄片使一个薄片齿轮的的齿左左侧和另和另一个薄片一个薄片齿轮的的齿右右侧分分别紧贴在在宽齿轮的的齿槽左、右两槽左、右两侧，这样错齿后就消除了后就消除了齿侧隙，反向隙，反向时不会出不会出现死区。死区。2-4 2-4 2-4 2-4 画出下列机床的机床坐画出下列机床的机床坐画出下列机床的机床坐画出下列机床的机床坐标标系系系系卧式卧式卧式卧式车车床床床床 +Z+X+Y卧式铣床卧式铣床+Z+X+Y牛头刨床牛头刨床+Y+X+Z立式铣床立式铣床+Y+Y+X+X+Z+Z平面磨床平面磨床+Y+Y+X+X+Z+Z卧轴圆台平面磨床卧轴圆台平面磨床+Z+Z+X+X+Y+Y2-10 刀具补偿有哪几种？为什么要用刀具补偿？指刀具补偿有哪几种？为什么要用刀具补偿？指令是什么？令是什么？答：答：n两种两种：左偏刀具半径左偏刀具半径补偿，即，即顺着刀具前着刀具前进方向方向观察，察，刀具偏在工件刀具偏在工件轮廓的左廓的左边，G41右偏刀具半径右偏刀具半径补偿，即，即顺着刀具前着刀具前进方向方向观察，察，刀具偏在工件刀具偏在工件轮廓的右廓的右边。G42n n为为什么采用刀具半径什么采用刀具半径什么采用刀具半径什么采用刀具半径补偿补偿：数控机床在加工数控机床在加工数控机床在加工数控机床在加工过过程中，控制的是程中，控制的是程中，控制的是程中，控制的是刀具中心刀具中心刀具中心刀具中心的的的的轨轨迹；而用迹；而用迹；而用迹；而用户户是按是按是按是按零件零件零件零件轮轮廓廓廓廓编编制加工程序，因此，制加工程序，因此，制加工程序，因此，制加工程序，因此，加工加工加工加工时时刀具中心必刀具中心必刀具中心必刀具中心必须须偏移一个偏置量。具有刀具偏移一个偏置量。具有刀具偏移一个偏置量。具有刀具偏移一个偏置量。具有刀具半径半径半径半径补偿补偿功能的数控装置，按零件功能的数控装置，按零件功能的数控装置，按零件功能的数控装置，按零件轮轮廓廓廓廓编编制的程制的程制的程制的程序和序和序和序和预预先先先先设设定的偏置参数，能自定的偏置参数，能自定的偏置参数，能自定的偏置参数，能自动动生成刀具中心生成刀具中心生成刀具中心生成刀具中心轨轨迹的功能，可以迹的功能，可以迹的功能，可以迹的功能，可以带带来如下好来如下好来如下好来如下好处处：刀具磨刀具磨刀具磨刀具磨损损或或或或换换刀刀刀刀时时，无，无，无，无须须重新重新重新重新编编程，只程，只程，只程，只须须修改修改修改修改偏置参数；偏置参数；偏置参数；偏置参数；粗、精加工可用同一套程序，加工余量可通粗、精加工可用同一套程序，加工余量可通粗、精加工可用同一套程序，加工余量可通粗、精加工可用同一套程序，加工余量可通过过修改偏置参数来修改偏置参数来修改偏置参数来修改偏置参数来实现实现。利用利用输入偏置量的大小，控制入偏置量的大小，控制轮廓尺寸的精度廓尺寸的精度.2.递推法递推法：后一步的偏差用前一步的偏差递推出来：后一步的偏差用前一步的偏差递推出来n若若,向向+X方向发出一个脉冲方向发出一个脉冲，新加工点，新加工点的偏差：的偏差：n若若,向向+X方向发出一个脉冲方向发出一个脉冲，新加工点，新加工点的偏差：的偏差：3-3 欲用逐点比较法插补直线欲用逐点比较法插补直线OE，起点，起点O(0,0)，终，终点点E(12,15)，试写出插补计算过程并绘出轨迹。，试写出插补计算过程并绘出轨迹。n总步数总步数n=12+15=27n若若,向向+X方向发出一个脉冲方向发出一个脉冲，新加工点，新加工点的偏差：的偏差：n若若,向向+X方向发出一个脉冲方向发出一个脉冲，新加工点，新加工点的偏差：的偏差：序号序号偏差判别偏差判别进给进给偏差计算偏差计算终点判别终点判别0F0=0n=12+15=271F0=0+xF1=F0-ye=-15n=262F10+yF2=F1+xe=-3n=253F20+xF4=F3-ye=-6n=235F40+xF6=F5-ye=-9n=21序号序号 偏差判别偏差判别进给进给偏差计算偏差计算终点判别终点判别7F60+xF8=-12n=199F80+yF9=0n=1810F9=0+xF10=-15n=1711F100+yF11=-3n=1612F110+xF13=-6n=1414F130+xF15=-9n=1216F150+xF17=-12n=1018F170+yF18=0n=09序号序号 偏差判别偏差判别进给进给偏差计算偏差计算终点判别终点判别19F180+xF19=-15n=0820F190+yF20=-3n=0721F200+xF22=-6n=0523F220+xF24=-9n=0325F240+xF26=-12n=0127F260+yF27=0n=003-12 设欲加工第一象限逆圆设欲加工第一象限逆圆AE，起点，起点A(6,0)，终点，终点E(0,6)，设寄存器位数为，设寄存器位数为4，用，用DDA法插补法插补累加器累加器JVxJRxx xJExJExJVyJRyy yJEy00006600610006660620006612063000662154110668055120661405累加器累加器JVxJRxx xJExJExJVyJRyy yJEy6130664147250661004827066013931006660310313066120311301561121244055602134005511021441205501115511454011656044001175110441201185013415011955033210累加器累加器JVxJRxx xJExJExJVyJRyy yJEy20611033停停00216112322670222361302224631122569011266150112765101286停停0003-16 试用比较积分法插补一条直线试用比较积分法插补一条直线OE，已知起点为，已知起点为O(0,0)，终点为，终点为E(7,3)，试写出插补计算过程并绘出轨，试写出插补计算过程并绘出轨迹。迹。X轴脉间轴脉间A=3，Y轴脉间轴脉间B=7，取，取x轴为基准轴。轴为基准轴。终点判别终点判别N=A+B=10序号序号脉间脉间A脉间脉间B计算计算F判别判别F 进给进给终点判终点判别别07301010=0+x+x+y y82-40+x x73-10+x+x+y y45-20+x+x+y y17-30+x x03-22 设某一设某一CNC系统的插补周期系统的插补周期T=8ms，进给速度，进给速度F=300mm/min，试计算插补步长，试计算插补步长L。n数据采样法插补，一个插补周期内的进给量，称为插补数据采样法插补，一个插补周期内的进给量，称为插补步长。步长。3-23 圆弧插补的径向误差圆弧插补的径向误差er1m，插补周期，插补周期T=8ms，插补圆弧半径为，插补圆弧半径为100mm，允许最大进给速度，允许最大进给速度v（mm/min）为多少？）为多少？n数据采样法圆弧插补，用内接弦线逼近圆弧，会造成插数据采样法圆弧插补，用内接弦线逼近圆弧，会造成插补误差。插补步长越大，插补误差越大。插补步长决定补误差。插补步长越大，插补误差越大。插补步长决定于插补周期和进给量。于插补周期和进给量。
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