数控机床的典型结构

第3章数控机床的典型结构数控机床的典型结构3.1主轴传动系统3.2进给传动系统3.3自动换刀装置习题第3章数控机床的典型结构3.1主轴传动系统3.1.1主轴传动方式1.齿轮传动机构这种传动方式在大、中型数控机床中较为常见。如图3.1（a）所示，它通过几对齿轮的啮合，在完成传动的同时实现主轴的分挡有级变速或分段无级变速，确保在低速时能满足主轴输出扭矩特性的要求。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。第3章数控机床的典型结构图3.1数控机床主轴传动方式(a)齿轮传动；(b)同步带传动；(c)电动机直接驱动主轴电动机(a)主轴电动机(b)(c)主轴电动机第3章数控机床的典型结构2.同步带传动机构同步带传动如图3.1（b）所示，主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。第3章数控机床的典型结构图3.2同步带的结构与传动原理1—强力层；2—带齿；3—包布层；4—带背4321第3章数控机床的典型结构与一般带传动及齿轮传动相比，同步带传动具有如下优点：（1）无滑动，传动比准确。（2）传动效率高，可达98%以上。（3）使用范围广，速度可达50m/s，传动比可达10左右，传递功率由几瓦到数千瓦。（4）传动平稳，噪声小。（5）维修保养方便，不需要润滑。第3章数控机床的典型结构3.电动机直接驱动电动机驱动传动中的电动机又叫电主轴，其电动机定子固定，转子和主轴采用一体化设计，如图3.1（c）所示。这种方式大大简化了主轴箱体和主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但输出扭矩小，电动机的发热对主轴的精度影响较大。第3章数控机床的典型结构（1）前支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承，如图3.3（a）所示。（2）前轴承采用高精度双列向心推力轴承，后支承采用单列角接触球轴承，如图3.3（b）所示。（3）前、后轴承分别采用双列圆锥滚子轴承和单列圆锥滚子轴承，如图3.3（c）所示。第3章数控机床的典型结构图3.3数控机床主轴轴承配置形式(c)(b)(a)第3章数控机床的典型结构3.1.3主轴的定向停止主轴的准停机构设置在主轴的尾端，如图3.4所示。交流调速电动机11通过多联三角带9和皮带轮10带动主轴旋转，当主轴需要停车换刀时，发出降速信号，主轴电机自动减速，使主轴以最低转速运转；延时等待数秒之后，切断主轴电动机电源，使主轴做低速惯性空转。当位于图中带轮5左侧的永久磁铁4对准磁传感器3时，主轴准停制动，同时发出制动完成信号。第3章数控机床的典型结构图3.4自动换刀机床的主轴准停、夹紧机构1—活塞；2—螺旋弹簧；3—磁传感器；4—永久磁铁；5—带轮；6—钢球；7—拉杆；8—蝶形弹簧；9—多联三角带；10—皮带轮；11—交流调速电动机；12,13—限位开关11109876543211312第3章数控机床的典型结构3.1.4主轴的刀具自动夹紧和铁屑清除机构在自动换刀的数控机床中，为了实现刀具的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构，如图3.4所示。刀柄锥度为7∶24，采用大锥度的锥柄既有利于定心，也为松夹带来了方便。在锥柄的尾端轴颈被拉紧的同时，通过锥柄的定心和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端部。第3章数控机床的典型结构3.2进给传动系统3.2.1齿轮传动副齿轮传动副的作用是传递伺服电动机输出的转距和转速，并使伺服电动机与负载之间的转距和负载惯量相匹配。在开环系统中，还可通过齿轮传动匹配系统的脉冲当量。第3章数控机床的典型结构1.直齿圆柱齿轮传动（1）偏心套调整法。（2）锥度齿轮垫片调整法。（3）双齿轮错齿调整法。第3章数控机床的典型结构图3.5偏心套消除间隙211—电动机；2—偏心套第3章数控机床的典型结构图3.6垫片调整消除间隙3211,2—齿轮；3—垫片第3章数控机床的典型结构图3.7双齿轮错齿调整12341,2—薄片齿轮；3—短圆柱；4—弹簧第3章数控机床的典型结构2.斜齿圆柱齿轮传动（1）垫片调整法。如图3.8所示，宽齿轮4同时与两个相同齿数的薄片齿轮1和2啮合，薄片齿轮经平键与轴连接，相互之间无相对回转。斜齿轮1和2间加厚度为t的垫片，用螺母拧紧，使两齿轮1和2的螺旋线产生错位，其后两齿轮面分别与宽齿轮4的齿面紧贴以消除间隙。垫片3的厚度和齿侧间隙Δ的关系可用下式算出：t=Δcosβ第3章数控机床的典型结构式中：β——斜齿轮的螺旋角；Δ——齿侧间隙；t——增加垫片的厚度。第3章数控机床的典型结构（2）轴向压簧调整。如图3.9所示，斜齿轮1和2用键滑套在轴上，相互间无相对转动。第3章数控机床的典型结构图3.8垫片调整消除斜齿轮间隙12t341,2—薄片齿轮；3—垫片；4—宽齿轮第3章数控机床的典型结构图3.9斜齿圆柱齿轮的轴向压簧调整123451,2—斜齿轮；3—螺母；4—蝶形弹簧；5—宽齿轮第3章数控机床的典型结构3.锥齿轮传动（1）周向压簧调整。（2）轴向压簧调整。第3章数控机床的典型结构图3.10周向压簧调整3AA—A21A456781—齿轮外圈；2—齿轮内圈；3—小锥齿轮；4—凸爪；5—螺钉；6—弹簧；7—镶块；8—圆弧槽第3章数控机床的典型结构图3.11锥齿轮的轴向压簧调整215431,2—锥齿轮；3—压簧；4—螺母；5—轴第3章数控机床的典型结构3.2.2滚珠丝杠副1.滚珠丝杠副的工作原理和特点滚珠丝杠副的结构如图3.12所示。在传动时，滚珠与丝杠、螺母之间为滚动摩擦，因此具有以下许多优点：（1）摩擦损失小，传动效率高。第3章数控机床的典型结构图3.12丝杠的结构(a)外循环式；(b)内循环式2134455(a)(b)1—丝杠；2—螺母；3—回珠器；4—回珠管；5—反向器第3章数控机床的典型结构（2）经预紧后可以消除轴向间隙，反向运动时无空行程，传动精度高，系统刚度好。（3）摩擦阻力小，动、静摩擦系数相近，因此传动灵敏，运动平稳，低速不易爬行，随动精度和定位精度高。（4）磨损小，使用寿命长。第3章数控机床的典型结构2.滚珠丝杠副的间隙消除机构消除间隙的方法中，较少使用微量过盈滚珠的单螺母来消除间隙，常用的方法是用双螺母消除丝杠、螺母间隙。图3.13是双螺母垫片调隙式结构，通过调整垫片的厚度使左、右螺母产生轴向位移，就可达到消除间隙和产生预紧力的作用。这种方法结构简单，刚性好，装卸方便、可靠；但缺点是调整费时，很难在一次修磨中调整完成，调整精度不高，仅适用于一般精度的数控机床。第3章数控机床的典型结构图3.13双螺母垫片调隙式结构1—丝杠；2,4—螺母；3—螺母座；5—垫片；6—螺钉654321第3章数控机床的典型结构图3.14双螺母齿差调隙式结构1,4—内齿圈；2,5—螺母；3—螺母座；6—丝杠456z2z1321第3章数控机床的典型结构图3.14是双螺母齿差调隙式结构，在两个螺母2和5的凸缘上各制有一个圆柱齿轮，两个齿轮的齿数只相差一个，即z2-z1=1。两个内齿圈1和4与外齿轮齿数分别相同，并用螺钉和销钉固定在螺母座3的两端。调整时先将内齿圈取下，根据间隙的大小调整两个螺母2、5分别向相同的方向转过一个或多个齿,使两个螺母在轴向移近了相应的距离，达到调整间隙和预紧的目的。第3章数控机床的典型结构间隙消除量Δ可用下式简便地计算出来：tzznzznt2121,,或式中：n——螺母在同一方向转过的齿数；t——滚珠丝杠的导程；z1，z2——齿轮的齿数。第3章数控机床的典型结构图3.15双螺母螺纹调隙式结构2134561,2—圆螺母；3—丝杠；4—垫片；5—螺母；6—螺母座第3章数控机床的典型结构3.滚珠丝杠的支承（1）一端装推力轴承，另一端自由。（2）一端装推力轴承，另一端装向心轴承。（3）两端装推力轴承。第3章数控机床的典型结构图3.16滚珠丝杠两端支承形式(a)一端装推力轴承，另一端自由；(b)一端装推力轴承，另一端装向心轴承；(c)两端装推力轴承(a)(b)(c)第3章数控机床的典型结构60图3.17滚珠丝杠用60角接触秋轴承第3章数控机床的典型结构4.滚珠丝杠的防护滚珠丝杠副如果在滚道上落入了脏物，或使用不净的润滑油，不仅会妨碍滚珠的正常运转，而且使磨损急剧增加。通常采用毛毡圈对螺母进行密封。第3章数控机床的典型结构3.2.3回转进给坐标系统的典型结构1.分度工作台分度工作台按照数控系统的指令，在需要分度时工作台连同工件回转规定的角度，有时也可采用手动分度。分度工作台只能够完成分度运动而不能实现圆周运动，并且它的分度运动只能完成一定角度的回转，如90°、60°或45°等。第3章数控机床的典型结构1)鼠牙盘式分度工作台鼠牙盘式分度工作台主要由工作台面底座、夹紧液压缸、分度液压缸和鼠牙盘等零件组成，其结构如图3.18所示。第3章数控机床的典型结构图3.18鼠牙盘式分度工作台第3章数控机床的典型结构图3.18鼠牙盘式分度工作台第3章数控机床的典型结构图3.18鼠牙盘式分度工作台1,2,15—推杆；3,4—鼠齿盘；5,13—推力轴承；6—活塞；7—工作台；8—齿条活塞；9—夹紧液压缸上腔；10—夹紧液压缸下腔；11—齿轮；12—内齿轮；14,17—挡块；16—顶针；18—分度液压缸右腔；19—分度液压缸左腔；20,21,22,23—油孔S1B—BS3S22322910第3章数控机床的典型结构2）定位销式分度工作台图3.19所示是自动换刀数控卧式镗铣床的分度工作台。分度工作台1位于长方形工作台10的中间，在不单独使用分度工作台1时，两个工作台可以作为一个整体来使用。第3章数控机床的典型结构图3.19定位销式分度工作台123456789101112131415161718192022211—分度工作台；2—锥套；3—螺钉；4—支座；5—间隙消除液压缸；6—定位孔衬套；7—定位销；8—锁紧液压缸；9—大齿轮；10—长方形工作台；11—活塞；12—弹簧；13—下底座；14—加长型圆锥孔双列圆柱滚子轴承；15—螺柱；16—活塞；17—中央液压缸；18—管道；19—滚针轴承；20—止推轴承；21—下底座；22—上底座第3章数控机床的典型结构2.数控回转工作台数控回转工作台主要用于数控镗床和铣床。从外形上看，它与分度工作台没有多大差别，但在内部结构和功用上则有较大的不同。如图3.20所示，数控回转工作台由传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置等组成。第3章数控机床的典型结构图3.20数控回转工作台18171615141312A—A10911AA1012345678(a)第3章数控机床的典型结构图3.20数控回转工作台P1—电液步进电动机；2,4—齿轮；3—偏心环；5—楔形拉紧圆柱销；6—压块；7—螺母；8—锁紧螺钉；9—蜗杆；10—蜗轮；11—调整套；12,13—夹紧块；14—夹紧液压缸；15—活塞；16—弹簧；17—钢球；18—光栅1920P向第3章数控机床的典型结构3.2.4导轨1.滚动导轨滚动导轨在导轨工作面之间安排有滚动件，使两导轨面之间形成滚动摩擦，摩擦系数小。滚动导轨的动、静摩擦系数相差很小，运动轻便、灵活，所需功率小，精度高，无爬行。滚动导轨由标准导轨块构成，装拆方便，润滑简单。图3.21所示为滚动导轨块的应用结构示意图。第3章数控机床的典型结构图3.21滚动导轨块的应用结构示意图76543211—床身；2—右导轨；3,7—楔铁；4—压板；5—滚动导轨块；6—移动部件第3章数控机床的典型结构2.贴塑导轨这是一种金属对塑料的摩擦形式，属滑动摩擦导轨。导轨的一个滑动面上有一层抗摩软带，另一滑动面为淬火磨削面。软带是以聚四氟乙烯为基材，添加合金粉和氧化物的高分子复合材料。塑料导轨刚度好，动、静摩擦系数差值小，耐磨性好，无爬行，减振性好。软带应粘贴在机床导轨副的短导轨面上，如图3.22所示,圆形导轨应粘贴在下导轨面上。第3章数控机床的典型结构图3.22贴塑导轨的粘接沟槽导轨宽度导轨软带粘接材料粘接层厚度0.05～0.10.5～1.03.2～1.6第3章数控机床的典型结构3.3自动换刀装置3.3.1自动换