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数控加工工艺学第2章数控机床的机械结构2.1概述2.2数控机床的机械结构2.3数控机床的主传动系统2.4数控机床的进给系统2.5数控机床用导轨2.6自动换刀装置2.7数控工作台与分度工作台2.9金属切削数控机床2.10电加工机床与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特点。在主传动系统方面，具有下列特点：(1)目前数控机床的主传动电机已不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被新型的交流调速电机和直流调速电机所代替。(2)转速高，功率大。(3)变速范围大。(4)主轴速度的变换迅速可靠。2.1概述在进给传动系统方面，具有下列特点：（1）尽量采用低摩擦的传动副。采用静压导轨、滚动导轨和滚珠丝杠等，以减小摩擦力。（2）选用最佳的降速比，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、系统折算到驱动轴上的惯量尽量小的要求。（3）缩短传动链及用预紧的方法提高传动系统的刚度。（4）尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。2.1概述2.2数控机床的机械结构数控机床的机械结构有以下特点：（1）数控机床的传动结构大为简化，传动链也大为缩短。（2）数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小。（3）为减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度，更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、滚动导轨和消除间隙齿轮传动副等。（4）为了改善劳动条件、减少辅助时间、提高劳动生产率，采用刀具自动夹紧装置、刀库与自动换刀装置及自动排屑装置等辅助装置。2.2数控机床的机械结构根据数控机床的适用场合和机构特点，对数控机床结构提出以下要求:一、较高的机床静、动态刚度为了提高数控机床主轴的刚度，不但经常采用三支撑结构，而且选用刚性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承，以减小主轴的径向和轴向变形。为了提高机床部件的刚度，则采用封闭界面的床身和液力平衡，减小移动部件因位置变动造成的机床变形。为了提高机床各部件的接触刚度，增加机床的承载能力，则采用刮研的方法增加单位面积上的接触点，并在结合面之间施加足够大的预加载荷，以增加接触面积。提高动态刚度用的措施主要有提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。二、减少机床热变形为了减小热变形，在数控机床结构中通常采用以下措施。1.减少发热2.控制温升3.改善机床结构2.2数控机床的机械结构三、提高机床的寿命和精度保持性为了提高机床的寿命和精度保持性，在设计时应充分考虑数控机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给丝杠及主轴部件等影响精度的主要零件的耐磨性。在使用过程中，应保证数控机床各部件润滑良好。四、减少辅助时间数控机床在单件生产中，辅助时间(非切屑时间)占有较大的比重。进一步提高机床的生产率，就必须最大限度地压缩辅助时间。目前已经有很多数控机床采用多主轴、多刀架以及带刀库的自动换刀装置等，减少换刀时间。对于切削用量较大的数控机床，床身机构必须有利于排屑。2.2数控机床的机械结构2.3数控机床的主传动系统一、对主传动系统的要求1．具有更大的调速范围，并能实现无级调速2．具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低3．良好的抗震性和热稳定性二、主传动及变速根据数控机床的类型与大小，其主传动主要有以下3种形式：1．带有变速齿轮的主传动，如图2-1(a)所示。2．通过带传动的主传动，如图2-1(b)所示3．内装电动机主轴变速，如图2-1(c)所示。2.3数控机床的主传动系统图2-1数控机床主传动的配置方式三、主轴部件1．主轴的支承数控机床主轴的支承主要采用3种主要形式。如图2-2(a)所示结构的前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列球轴承组合，后支承采用成对安装的角接触轴承。这种结构的综合刚度高，是目前各类数控机床普遍采用的形式。如图2-2(b)所示结构的前支承采用高精度双列（或三列）角接触球轴承，后支承采用单列（或双列）角接触球轴承。这种配置的高速性能好，但承载能力较小，适用于高速、轻载和精密数控机床。如图2-2(c)所示结构为前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承。这种配置的径向和轴向刚度很高，可承受重载荷，但这种结构限制主轴最高转速和精度，因而仅适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。2.3数控机床的主传动系统2.3数控机床的主传动系统图2-2主轴支承配置2.3数控机床的主传动系统2．主轴内部刀具自动夹紧机构主轴内部刀具自动夹紧机构是数控机床特别是加工中心的特有机构。如图2-3所示为ZHS-K63加工中心主轴结构部件图，其刀具可以在主轴上自动装卸并进行自动夹紧。其工作原理为当刀具2装到主轴孔后，其刀柄后部的拉钉3便被送到主轴拉杆7的前端，在碟形弹簧9的作用下，通过弹性卡爪5将刀具拉紧。当需要换刀时，电气控制指令给液压系统发出信号，使液压缸14的活塞左移，带动推杆13向左移动，推动固定在拉杆7上的轴套10，使整个拉杆7向左移动，当弹性卡爪5向前伸出一段距离后，在弹性力作用下，卡爪5自动松开拉钉3，此时拉杆7继续向左移动，喷气嘴6的端部把刀具顶松，机械手便可把刀具取出进行换刀。装刀之前，压缩空气从喷气嘴6中喷出，吹掉锥孔内脏物，当机械手把刀具装入之后，压力油通入液压缸14的左腔，使推杆退回原处，在碟形弹簧的作用下，通过拉杆7又把刀具拉紧。冷却液喷嘴1用来在切削时对刀具进行大流量冷却。2.3数控机床的主传动系统1-冷却液喷嘴；2-刀具；3-拉钉；4-主轴；5-弹性卡爪；6-喷气嘴7-拉杆；8-定位凸轮；9-碟形弹簧；10-轴套；11-固定螺母；12-旋转接头；13-推杆；14-液压缸；15-交流伺服电机；16-换挡齿轮图2-3ZHS-K63加工中心主轴内部刀具夹紧机构2.4数控机床的进给系统一、数控机床对进给系统的要求为确保数控机床进给系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，应满足如下要求。1．高的传动精度与定位精度2．宽的进给调速范围3．快速响应特性4．无间隙传动5．稳定性好、寿命长6．使用维护方便二、滚珠丝杠螺母副机构1.滚珠丝杠螺母副的工作原理滚珠丝杠螺母副是一种新型的传动机构，它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动件，以减小摩擦，如图2-4所示。2.4数控机床的进给系统图2-4滚珠丝杠螺母副2.滚珠丝杠螺母副的特点（1）传动效率高，摩擦损失小。通常滚珠丝杠螺母副的传动效率达到0.92～0.96，比常规的丝杠螺母副高3～4倍。因此，功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的1/4～1/3。（2）适当给予预紧，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，定位精度高，刚度好。（3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。（4）运动具有可逆性，可以从直线运动转换为旋转运动，也可以从旋转运动转换为直线运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。（5）磨损小，使用寿命长。（6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度要求也高，故制造成本高。（7）不能自锁。2.4数控机床的进给系统2.4数控机床的进给系统3.滚珠丝杠螺母副的参数。(b)滚珠丝杠螺母副法向剖面图(a)滚珠丝杠螺母副轴向剖面图图2-5滚珠丝杠螺母副基本参数2.4数控机床的进给系统（1）名义直径d0。滚珠与螺纹滚道在理论接触状态时，包络滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝杠螺母副的特征尺寸。（2）接触角β。在螺纹滚道法向剖面内，滚珠球心与滚道接触点的连线和螺纹轴线的垂直线间的夹角.此外还有丝杠螺纹大径d、丝杠螺纹小径d1、滚珠直径db、螺母螺纹大径D、螺母螺纹小径D1、滚道圆弧偏心距e以及滚道圆弧半径R等参数。4.滚珠丝杠螺母副的结构和轴向间隙的调整方法各种不同结构的滚珠丝杠副，其主要区别是螺纹滚道型面的形状、滚珠循环方式及轴向间隙的调整和预加预紧力的方法等。（1）螺纹滚道型面的形状及其主要尺寸。螺纹滚道型面的形状有多种，国内投产的仅有单圆弧型面和双圆弧型面两种。在图2-6中，滚珠与滚道型面接触点法线与丝杠轴线的垂直线间夹角称为接触角β。2.4数控机床的进给系统2.4数控机床的进给系统①单圆弧型面。如图2-6(a)所示。②双圆弧型面。如图2-6(b)所示。图2-6滚珠丝杠螺母副螺纹滚道型面的截形（2）滚珠循环方式。目前国内外生产的滚珠丝杠螺母副，可分为外循环和内循环两类。如图2-7所示为外循环螺旋槽式滚珠丝杠副如图2-8所示为内循环滚珠丝杠螺母副。2.4数控机床的进给系统图2-7外循环螺旋槽式滚珠丝杠副图2.4数控机床的进给系统图2-8内循环滚珠丝杠螺母副表2-1列出国产滚珠丝杠螺母副的几种不同循环方式的比较。2.4数控机床的进给系统2.4数控机床的进给系统（3）滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法。通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形量控制在最小限度内。应用这一方法来消除轴向间隙时需要注意以下两点：①通过预紧力产生预拉变形，以减小弹性变形所引起的位移，该预紧力不能过大，否则会引起驱动力矩增大、传动效率降低和使用寿命缩短。②注意减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙。2.4数控机床的进给系统常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有以下3种。（a）垫片调隙式（图2-9）1、2-单螺母；3-螺母座；4-调整垫片图2-9垫片调隙式2.4数控机床的进给系统（b）螺纹调隙式（图2-10）1、2-单螺母；3-平键；4-调整螺母图2-10螺纹调隙式2.4数控机床的进给系统（c）齿差调隙式（图2-11）。1、4-内齿圈；2、3-单螺母图2-11齿差调隙式2.4数控机床的进给系统各种滚珠丝杠螺母副预紧方式及其特点，见表2-2。2.4数控机床的进给系统(4)滚珠丝杠螺母副的精度。滚珠丝杠螺母副的精度等级为1、2、3、4、5、7、10级精度，代号分别为1、2、3、4、5、7、10。其中1级为最高，依次逐级降低。滚珠丝杠副的精度包括各元件的精度和装配后的综合精度，其中包括导程误差、丝杠大径对螺纹轴线的径向圆跳动、丝杠和螺母表面粗糙度、有预加载荷时螺母安装端面对丝杠螺纹轴线的圆跳动、有预加载荷时螺母安装直径对丝杠螺纹轴线的径向圆跳动以及滚珠丝杠名义直径尺寸变动量等。2.4数控机床的进给系统a）任意300mm螺纹长度内，螺纹全长内导程误差曲线的带宽b）2π弧度内导程误差图2-12当方向目标值T不等于零时的导程误差值滚珠丝杠导程误差曲线如图2-12所示。2.4数控机床的进给系统(5)滚珠丝杠副的标注方法滚珠丝杠副的型号根据其结构、规格、精度和螺纹旋向等特征按下列格式编写。循环方式代号见表2-1，预紧方式代号见表2-2。负荷滚珠总圈数为1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5圈，代号分别为1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5。螺旋旋向为左、右旋，只标左旋代号为LH，右旋不标。滚珠螺纹的代号用GQ表示，标注在公称直径前，如GQ50×8—32.4数控机床的进给系统例CTC63×10—3.5—3.5/2000×1600表示为插管突出式外循环（CT），双螺母齿差预紧（C）的滚珠丝杠副，公称直径63mm，基本导程10mm，负荷滚珠总圈数3.5圈，精度等级3.5级，螺纹旋向为右旋，丝杠全长为2000mm，螺纹长度为1600mm。2.4数控机床的进给系统滚珠丝杠及螺母零件图上螺纹尺寸的标注方法见图2-13。“GQ”为滚珠丝杠螺纹的代号，50为公称直径（φ50mm），8表示基本导程为8mm，2为精度等级，左旋螺纹应在最后标“LH”字，右旋不标。(a)滚珠螺母尺寸的标注(b)滚珠丝杠尺寸的标注图2-13滚珠丝杠副尺寸的标注(6)滚珠丝杠副在机床上的安装方式(1)支承方式滚珠丝杠的支承方式有以下几种：①一端装推力轴承，见图2-14a。这种安装方式只适用于短丝杠，它的承载能力小、轴向刚度低，一般用于数控机床的调节环节或升降台式数控机床的立向（垂直）坐标中。②一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承，见图2-14b。③两端装推力轴承，见图2-14c。④两端装推力轴承及深沟球轴承，见图2-14d。2.4数控机床的进给系统2.4数控机床的进给系统图2-14滚珠丝杠在机床上的支承方式(2)制动装置2