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第五章数控机床的结构与传动数控机床的机床本体由以下各部分组成：（1）主传动系统（2）进给系统（3）机床基础件（4）实现某些部件动作和某些辅助功能的装置。（5）其他选用部件。第五章数控机床的结构与传动§5－1数控机床的结构要求数控机床的结构要求与普通机床相似，如：静刚度、抗振性、热稳定性、摩擦特性、传动精度等各方面的要求。但数控机床作为一种高精度、高效率的自动化加工设备，其要求更高，且传动系统要简单，辅助、选用装置稍多，如自动换刀装置、自动变速装置。§5－2数控机床的主运动与主轴部件一、主运动的转速、功率特性数控机床的主运动要求：速度高、变速范围更宽（100）、足够的功率，以满足不同的加工要求，并能实现高速、强力切削，且通常能自动无级调速。主运动可采用直流或交流调速电机（电气无级调速）+机械变速（有级调速），机械变速环节一方面可扩大变速范围，另一方面可通过降速来提高输出转矩。对于主轴，其转速不仅取决于切削速度，还取决于工件或刀具的直径，统计表明:较低转速时，多用于大直径工件或刀具，因而输出转矩大；较高转速时，则常用于小直径工件或刀具，因而输出转矩小。即主轴主要以恒功率输出。对于更低的主轴转速，常用于一些特殊工序，如光整、精镗等，需要的输出功率较小，为恒转矩输出。主轴的功率（转矩）特性曲线如图5－18所示。其中的nj为计算转速，也是主轴输出最大功率的最低转速（最大转矩）。二、主运动的传动与变速1、主运动的传动形式主要由主电机来实现主运动的调速，使得数控机床的主传动结构大大简化。数控机床的主传动系统主要有三种传动形式（图5－19）：（1）带变速齿轮（图5－19a）1～3级降速，扩大调速范围，提高输出转矩。采用最多。（2）皮带传动（图5－19b）应用于小型数控机床上，传动平稳、结构简单，但只适用于低转矩特性要求的数控机床上（3）电机直接驱动（图5－19c、d）优点是结构紧凑、效率高、传动误差小。但主轴的转速、变速范围、输出转矩完全决定于电机本身，因而对电机要求较高。2。主传动的自动变速对于采用带有变速齿轮的主传动形式的数控机床，主轴转速的无级变速是由电机的无级调速与齿轮有级变速相配合来实现的。要获得主轴的某一转速，不仅要将电机转速调到（调压或调磁）相应转速上，而且还需要保证相应的齿轮传动比。如图5－21为某数控机床的主传动系统图，有两级变速（三档）.自己看书。数控机床上通常采用液压变速机构或电磁离合器来自动操纵滑移齿轮块，以实现主轴的自动变速。（1）液压变速机构在数控机床上应用较多。需要停车变速。基本原理是通过电磁换向阀改变油缸的通油方式，使油缸的活塞处于不同的位置，活塞上的拨叉拨动滑移齿轮，从而实现变速。图5－21轴II上的三联滑移齿轮，需要有左、中、右三个啮合位置和两个空挡位置，如图5－23。因此，需要一个五位液压变速机构，如图5－22。表5－5给出了各变速档对应的电磁铁和油缸的动作。在自动变速的过程中，为保证顺利啮合而不顶齿，应使电机低速驱动传动系统左、左、右右、左、右右、右、左右、右、右左、右、右C1、C2、C3（2）电磁离合器变速利用电磁效应来接通或切断运动的元件。易于实现自动操作。如图5－24是采用电磁离合器变速的传动系统图，二级齿轮实现四档变速，其中Z1、Z3、Z5、Z7四个齿轮空套在轴上，只有在离合器M1、M2、M3、M4吸合时，空套齿轮才能传动。表5－6为对应的4档变速。（2）电磁离合器变速电磁离合器有摩擦片式和牙嵌式两种，摩擦片式可实现不停车变速，但发热严重，结构尺寸大。牙嵌式能传递较大扭矩，结构紧凑，发热少，啮合过程中无滑动。§5－3进给传动系统进给运动是数字控制的直接对象，影响加工工件的最终精度。进给传动链：电机——（齿轮副）——蜗轮蜗杆副——导轨——工作台（刀具、工件）丝杆螺母副齿轮齿条副蜗杆蜗条副其中各部分的作用：§5－3进给传动系统设计和选用进给系统的机械传动机构时，要求考虑：（1）减少摩擦阻力为提高快速响应特性。摩擦阻力主要来自于传动机构和导轨（2）提高传动精度和刚度，消除传动间隙传动精度和刚度主要取决于丝杆螺母付等及其支承结构的刚度，传动间隙主要来自于各传动付。1°减速传动——降低——提高精度2°预紧——提高刚度，减少变形3°消除传动间隙（3）减少运动惯量（改善启、制动特性）减少运动部件（尤其是高速运动部件）的质量。一、传动齿轮副传动齿轮副的作用：扩大变速范围、降速增大转矩、匹配进给系统的惯量、达到所需的脉冲当量。数控机床中，对传动齿轮副主要考虑传动间隙对加工精度的影响。传动间隙在进给换向时引起误差，且对于降速传动，末端件的间隙影响最大。消除或减少齿轮间隙的原理，大致有两种：一种是减少两齿轮的径向距离，以减少间隙。如图5－46，图5－47另一种是采用双片薄齿轮结构，使两薄齿轮的左、右齿面分别贴在相啮合的厚齿轮的左、右齿面上，从而消除了齿侧间隙。如图5－48，图5－491。刚性调整法调整之后齿侧间隙不能自动补偿。结构比较简单。图5－46，图5－47，图5－48为几种典型方法。2。柔性调整法调整之后齿侧间隙可自动补偿，但结构比较复杂，传动刚度低。如图5－49是双齿轮错齿式消除间隙结构。弹簧3的两头分别固接在两个薄齿轮上，弹簧的拉力使两薄齿轮错位，即两薄齿轮的左、右齿面分别贴在相啮合的厚齿轮的左、右齿面上，从而消除了齿侧间隙。弹簧的拉力可通过螺母6调节，然后可随间隙的变化在一定范围内自动补偿。2。柔性调整法调整之后齿侧间隙可自动补偿，但结构比较复杂，传动刚度低。如图5－51是斜齿轮消除间隙结构。二、滚珠丝杆螺母副丝杆螺母副是常用的将回转运动转换为直线运动的装置，其工作原理是当丝杆相对于螺母旋转时，二者在轴向产生直线相对位移。在数控机床中用得较多的是滚珠丝杆螺母副，其结构原理如图5－38所示。滚珠丝杆螺母副中是滚动摩擦，具有传动效率高、传动平稳、可以预紧（消除间隙）等优点，但不能自锁，具有可逆性。滚珠丝杆使用时必须具备可靠的轴向间隙消除结构、合理的安装结构和有效的防护装置。1。轴向间隙的消除（及预紧）轴向间隙：丝杆和螺母无相对转动时，丝杆和螺母之间的最大轴向窜动。轴向间隙与齿轮间隙一样影响传动精度。通过预紧方法消除间隙，常采用双螺母结构，基本原理类似于双片齿轮结构，都是使两个螺母产生轴向相对位移，以消除轴向间隙，并施加预拉力。工作中因为伸长而受压。常用的预紧方法有三种：（1）双螺母齿差调隙式结构如图5－39，Z1—Z2=1.调整时，使两个螺母在同一方向转过相同的齿数n，则间隙消除量为：这种调整方式结构复杂，但调整量准确。tzzn)11(21（2）双螺母垫片调隙式结构如图5－40所示，改变垫片厚度来调整间隙。结构简单，但垫片厚度难以调整好。（3）双螺母螺纹调隙式结构如图5－41，拧动圆螺母调整间隙，然后锁紧。这种结构简单，调整方便，应用较多。但调整精度较差，预紧力不能准确控制2。滚珠丝杆螺母副的选用滚珠丝杆一做成标准系列。选用时主要考虑名义直径D0、螺距t、（滚珠直径d0）三个参数。由承载能力和刚度要求，首先确定名义直径D0，然后根据名义直径，尽量选较大的螺距t，（滚珠直径d00.6t.。）3。滚珠丝杆的安装为了提高螺母支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承及其支承方式很重要，常用的支承方式由下列几种，如图所示。3。滚珠丝杆的安装为了提高螺母支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承及其支承方式很重要，常用的支承方式由下列几种，如图所示。（a）一端装止推轴承，承载能力小，轴向刚度低，仅适合于短丝杆。（b）一端装止推轴承（固定），另一端装向心球轴承（自由端），滚珠丝杆较长时使用，热变形时可自然伸长。（c）两端装止推轴承，并施加预紧力。有助于提高传动刚度，但对热伸长较敏感。（d）两端装止推轴承及向心轴承，可使丝杆的热变形转化为止推轴承的预紧力国外采用一种滚珠丝杆专用轴承，如图5－42所示。是一种能够承受很大轴向力的特殊角接触滚珠轴承，轴向刚度提高两倍以上，使用极为方便。当用在垂直伸降传动或水平放置的高速大惯量传动中，由于滚珠丝杆不具备自锁性，需要有锁紧装置，可以采用离合器。4。滚珠丝杆的防护重要性：如图5－43为一种防护装置三、静压丝杆螺母副在丝杆和螺母的螺纹之间保持一定厚度，且具有一定刚度的压力油膜，使丝杆和螺母之间为液体摩擦，比滚动摩擦还好。如图优点：（1）摩擦小，传动灵敏，避免了低速爬行（2）油膜可以吸振，提高了运动的平稳性。油液不断流动，有利于散热和减少热变形。（3）油膜对丝杆螺距误差有均化作用，减少了传动误差（4）承载能力于供油压力成正比，与转速无关缺点：要有一套供油系统，而且对油的清洁度要求较高，成本高。四、静压蜗杆蜗条副大型数控机床不宜采用丝杆传动，因长丝杆制造困难，且容易弯曲下垂，影响传动精度。丝杆直径小，则刚度不够。丝杆直径太大，则惯量过大可用静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副。静压蜗杆蜗条副的工作原理与静压丝杆螺母副相同，蜗条相当于长螺母的一部分，蜗杆相当于一根短丝杆。特点:类似于静压丝杆螺母副。五、齿轮齿条副齿轮齿条副常用于行程较长的大型机床上（如火焰切割机），可以得到较大的传动比，还易得到高速直线运动，刚度及机械效率也高；但传动不够平稳，传动精度不够高，且不能自锁。采用齿轮齿条副传动时，必须采取措施消除齿侧间隙。可采用双片齿轮调整法，将两齿轮分别于齿条齿槽的左、右两侧贴紧，从而消除间隙。图5－45是这种消除间隙方法的原理图。进给运动由轴2输入，该轴上装有两个螺旋线方向相反的斜齿轮，当在轴2上施加轴向力F时，能使斜齿轮产生微量的轴向移动。此时，轴1和轴3便以相反的方向转过微小的角度，使齿轮4和5分别与齿条齿槽的左、右两侧面贴紧，从而消除齿侧间隙。总结：几种旋转运动转换为直线运动的机构，各自的特点，应用场合。滑动丝杆螺母副滚珠丝杆螺母副静压丝杆螺母副静压蜗杆蜗条副齿轮齿条副六、蜗轮蜗杆副数控回转工作台用于实现回转进给运动，如图5－34。其进给传动常采用：电机——齿轮副——蜗轮蜗杆副——回转工作台。数控转台中，蜗轮副的啮合侧隙对精度影响大，消除间隙的措施有：双蜗杆法、蜗杆沿蜗轮径向移动、双导程蜗杆。其中采用双导程蜗杆传动来改变啮合侧隙，结构紧凑，调整方便。双导程蜗杆的缺点是：蜗杆加工麻烦双导程蜗杆齿的左、右两侧面具有不同的齿距（导程），或者说齿的左右两侧面具有不同的模数，如图5－36。因此，该蜗杆的齿厚从一端均匀的逐渐增厚和减薄，故又称变齿厚蜗杆，如图5－36上，可用轴向移动蜗杆的方法来消除或调整啮合间隙。因为同一侧面齿距相同，没有破坏啮合条件，所以当轴向移动蜗杆后，也能保证良好的啮合。普通蜗杆副是采用蜗杆沿蜗轮径向移动来调整啮合间隙，改变了中心距，齿面接触情况变差，甚至加剧磨损。且径向调整量较难掌握。双导程蜗杆是用修磨调整环，使蜗杆产生轴向移动，来控制调整量，调整准确方便。七、导轨导轨的功用是导向和支承。对导轨的基本要求：（1）有一定的导向精度（制造保证）（2）有良好的精度保持性（耐磨性）（3）有足够的刚度（4）有良好的摩擦特性（平稳、无爬行）数控机床对导轨的摩擦特性要求较高，采用的导轨有：滚动导轨、静压导轨、塑料粘接导轨1。滚动导轨导轨工作面之间有滚动件，使导轨面之间为滚动摩擦。2。静压导轨导轨工作面之间有压力油，形成纯液体摩擦。缺点：结构复杂，成本高3。塑料粘接导轨优点：干摩擦、自润滑，耐磨，成本低，可直接在滑动导轨上粘接，且易于更换，很有潜力。本章总结：