第5章数控机床的机械传动结构

第5章数控机床的机械传动结构5.1数控机床机械结构的主要特点5.2数控机床的主传动系统5.3数控机床的进给传动系统5.4数控机床的导轨5.1数控机床机械结构的主要特点1.高刚度和高抗震性2.高灵敏度3.热变形小4.高精度保持性5.高可靠性6.结构简单、操作方便、自动化程度高返回5.2数控机床的主传动系统5.2.1数控机床主传动系统的要求与特点1.数控机床对主传动系统的要求(1)宽调速、无级变速(2)高刚度、低噪声(3)高抗震性、高热稳定性2.数控机床主传动系统的特点(1)较高的主轴转速和较宽的调速范围。(2)较大的刚度和较高的精度。(3)良好的抗震性和热稳定性。(4)良好的适用性。上一页下一页返回5.2数控机床的主传动系统5.2.2主传动的变速方式1.具有变速齿轮的主传动如图5一7所示具有变速齿轮的主传动，一般大、中型数控机床多采用这种方式。它通过几对齿轮降速，扩大了输出扭矩，确保低速时的输出扭矩特性的要求。有一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压油缸带动齿轮实现。上一页下一页返回5.2数控机床的主传动系统2.通过带传动的主传动如图5-8所示为通过带传动的主传动，这种方式主要应用在小型数控机床上，可克服齿轮传动时引起振动和噪声的缺点，但它只能适用于低扭矩特性要求。数控机床上采用的带传动通常是同步齿形带传动，如图5一9所示。它是综合了带、链传动优点的新型传动方式，主要特点有:①传动效率高，可达98%以上②无滑动，传动比准确③传动平稳，噪声小④使用范围较广，速度可达50m/s，传递功率由几瓦至数千瓦⑤维修保养方便，不需要润滑⑥安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高上一页下一页返回5.2数控机床的主传动系统3.由调速电机直接驱动的主传动如图5一10所示为由调速电机直接驱动的主传动，电动机直接带动主轴运动，简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。其优点是主轴部件结构紧凑、惯性小、重量轻，可提高启动和停止的响应特性，有利于控制振动和噪声;缺点是电动机运转产生的热量使主轴产生热变形，并且主轴输出扭矩较小，电动机发热对主轴的精度影响较大。上一页下一页返回5.2数控机床的主传动系统5.2.3主轴部件(一)数控机床的主轴与主轴箱1.数控机床的主轴主轴是主轴组件的重要组成部分。它的结构尺寸和形状、制造精度、材料及热处理等，对主轴组件的工作性能有很大的影响。主轴结构随主轴系统设计要求的不同而有多种形式。主轴的主要尺寸参数包括:主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨度。评价和考虑主轴主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适用范围。主轴的轴端用于安装夹具和刀具，要求夹具和刀具在轴端定位精度高，定位刚度好，装卸方便，同时使主轴的悬伸长度短。主轴端部的结构形状都已标准化了，如图5一11所示为几种机床上通用的结构形式。上一页下一页返回5.2数控机床的主传动系统2.数控机床的主轴箱对于一般数控机床和加工中心来说，由于采用了电动机无级变速，减少了机械变速装置，因此，主轴箱的结构较普通机床简化，但主轴箱材料要求较高，一般用HT250或HT300，制造与装配精度也较普通机床要高。对于数控落地铣锁床来说，主轴箱结构比较复杂，主轴箱可沿立柱上的垂直导轨作上下移动，主轴可在主轴箱内作轴向进给运动，除此以外，大型落地铣锁床的主轴箱结构还有携带主轴的部件作前后进给运动的功能，它的进给方向与主轴的轴向进给方向相同。此类机床的主轴箱结构通常有两种方案，即滑枕式和主轴箱移动式上一页下一页返回5.2数控机床的主传动系统(二)主轴组件1.主轴组件的类型(1)只作旋转运动的主轴组件。此类主轴结构较为简单，如车床、铣床和磨床等的主轴组件。(2)既有旋转运动又有轴向进给运动的主轴组件。如钻床和锁床等的主轴组件。其主轴组件与轴承装在套筒内，主轴在套筒内作旋转主运动，套筒在主轴箱的导向孔内作直线进给运动。(3)既有旋转运动又有轴向调整移动的主轴组件。如滚齿机、部分立式铣床等的主轴组件。主轴在套筒内作旋转主运动，并可根据需要随主轴套筒一起作轴向调整移动。上一页下一页返回5.2数控机床的主传动系统(4)既有旋转运动又有径向进给运动的主轴组件。如卧式锁床的平旋盘主轴部件、组合机床的锁孔车端面头主轴组件。主轴作旋转运动时，装在主轴前端平旋盘上的径向块可带动刀具作径向进给运动。(5)主轴作旋转运动又作行星运动的主轴组件2.主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装置在带有刀库的自动换刀数控机床中，为实现刀具在主轴上的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构。自动换刀立式铣锁床主轴的刀具夹紧机构如图5一12所示。上一页下一页返回5.2数控机床的主传动系统自动清除主轴孔中切屑和灰尘是换刀操作中的一个不容忽视的问题。如果在主轴锥孔中掉进了切屑或其他污物，在拉紧刀杆时，主轴锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，甚至使刀杆发生偏斜，破坏了刀具的正确定位，影响加工零件的精度，甚至使零件报废。为了保持主轴锥孔的清洁，常用压缩空气吹屑。图5一13的活塞6的中心钻有压缩空气通道，当活塞向左移动时，压缩空气经拉杆4吹出，将主轴锥孔清理干净。喷气头中的喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀分布，以提高其吹屑效果3.主轴准停装置主轴准停功能又称主轴定位功能(SpindleSpecifiedPositionStop),即当主轴停止时能控制其停于固定位置，它是自动换刀所必需的功能。在自动换刀的锁铣加工中心上，切削的转矩通常是通过刀杆的端面键传递的。这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能，如图5一13所示。上一页下一页返回5.2数控机床的主传动系统(三)数控机床的主轴轴承的配置主轴轴承也是主轴组件的重要组成部分，应根据数控机床的规格、精度采用不同的主轴轴承。一般中、小规格的数控机床(如车床、铣床、钻锁床、加工中心、磨床等)的主轴部件多采用成组高精度滚动轴承，重型数控机床采用液体静压轴承，高精度数控机床(如坐标磨床)采用气体静压轴承，转速达(2~10)x104r/min的主轴可采用磁力轴承或氮化硅材料的陶瓷滚珠轴承上一页返回5.3数控机床的进给传动系统5.3.1数控机床对进给传动系统的要求1.低惯量2.高刚度3.无传动间隙4.高谐振5.低摩擦阻力下一页返回5.3数控机床的进给传动系统5.3.2滚珠丝杠螺母副1.滚珠丝杠螺母副的结构为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠螺母副。滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上几乎没有什么差别。它可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠通常由专门工厂制造，如图5一18所示为各类滚珠丝杠螺母副。上一页下一页返回5.3数控机床的进给传动系统2.滚珠丝杠螺母副的工作原理滚珠丝杠螺母副工作原理，如图5-22所示。图中丝杠和螺母上都加工有圆弧形的螺旋槽，当它们对合起来就形成了螺旋滚道。在滚道内装有滚珠，当丝杠与螺母相对运动时，滚珠沿螺旋槽向前滚动，在丝杠上滚过数圈以后通过回程引导装置，逐个地又滚回到丝杠与螺母之间，构成一个闭合的回路上一页下一页返回5.3数控机床的进给传动系统3.滚珠丝杠螺母副的特点(1)传动效率高，磨损损失小。(2)给予适当预紧，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)有可逆性(5)磨损小，使用寿命长(6)制造工艺复杂，成本高。(7)不能自锁。上一页下一页返回5.3数控机床的进给传动系统4.滚珠丝杠螺母副的循环方式(1)外循环。外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。外循环结构和制造工艺简单，使用较广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚道的平稳性，甚至发生卜珠现象，噪声也较大(2)内循环。如图5一24所示为内循环滚珠丝杠。内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种类型:圆柱凸键和扁圆镶块反向器。圆柱凸键反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键定位，以保证对准螺纹滚道方向。扁圆镶块反向器为一半圆头平键形镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽，用镶块的外轮廓定位。两种方向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种方向器的外轮廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。上一页下一页返回5.3数控机床的进给传动系统5.滚珠丝杠螺母副的安装滚珠丝杠副的安装方式最常用的通常有以下几种:(1)双推—自由方式。如图5-25(a)所示，丝杆一端固定，另一端自由。固定端轴承同时承受轴向力和径向力。这种支承方式用于行程小的短丝杆。(2)双推—支承方式。如图5一25(b)所示，丝杆一端固定，另一端支承。固定端同时承受轴向力和径向力;支承端只承受径向力，而且能作微量的轴向浮动，可以减少或避免因丝杆自重而出现的弯曲，同时丝杆热变形可以自由地向一端伸长(3)双推—双推方式。如图5-25(c)所示，丝杆两端均固定。固定端轴承都可以同时承受轴向力，这种支承方式，可以对丝杆施加适当的预紧力，提高丝杆支承刚度，可以部分补偿丝杆的热变形。上一页下一页返回5.3数控机床的进给传动系统6.滚珠丝杠螺母副间隙的消除滚珠丝杠螺母副的间隙是轴向间隙。轴向间隙是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动量，除了结构本身所有的游隙之外，还包括施加轴向载荷后丝杠产生弹性变形所造成的轴向窜动量。为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。在用预紧方法消除间隙时应注意预加载荷应能够有效地减少弹性变形所带来的轴向位移，但预紧力不宜过大。过大的预加载荷将增加摩擦力，使传动效率降低，缩短丝杠的使用寿命。所以一般需要经过多次调整才能保证机床在最大轴向载荷下既能消除间隙，又能灵活运转。上一页下一页返回5.3数控机床的进给传动系统常用的滚珠丝杠螺母副消除间隙的方法有单螺母调隙和双螺母调隙两类(1)单螺母调隙①单螺母变位导程预加负荷。如图5一26所示为单螺母变位导程预加负荷，它是在滚珠螺母体内的两列循环珠链之间，使内螺母滚道在轴向产生一个L。的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位实现预紧。这种调隙方法结构简单，但负荷量须预先设定且不能改变。②单螺母螺钉预紧。螺母的专业生产工作完成精磨之后，沿径向开一浅槽，通过内六角调整螺钉实现间隙的调整和预紧。该专利技术成功地解决了开槽后滚珠在螺母中良好的通过性，单螺母结构不仅具有很好的性能价格比，而且间隙的调整和预紧极为方便。上一页下一页返回5.3数控机床的进给传动系统(2)双螺母调隙①垫片调隙式。如图5-27所示为垫片调隙式，调整垫片厚度使左右两螺母产生轴向位移，即可消除间隙和产生预紧力。这种方法结构简单，刚性好，但调整不便，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。②螺纹调整式。如图5-28所示为螺纹调整式，是用键限制螺母在螺母座内的转动调整时，拧动圆螺母将螺母沿轴向移动一定距离，在消除间隙之后用圆螺母将其锁紧。这种方法结构简单紧凑，调整方便，但调整精度较差，且易于松动

上一页下一页返回5.3数控机床的进给传动系统③齿差调隙式。如图5-29所示为齿差调隙式，两个螺母的凸缘上各制有一个圆柱外齿轮，两个齿轮的齿数相差一个齿，两个内齿圈与外齿轮齿数分别相同，并用预紧螺钉和销钉固定在螺母座的两端。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7.滚珠丝杠螺母副的支承与制动(1)滚珠丝杠螺母副的支承方式①一端装推力轴承。②一端装推力轴承，另一端装向心球轴承③两端装推力轴承。④两端装推力轴承及向心球轴承。上一页下一页返回5.3数控机床的进给传动系统(2)滚珠丝杠螺母副的制动方式。由于滚珠丝杠螺母副的传动效率高，无自锁作用(特别是滚珠丝杠处于垂直传动时)，为防止因自重下降，因此必须装有制动装置。

图5一31所示为数控卧式铣锁床主轴箱进给丝杠的制动装置示意图。5.3.3齿轮传动副在机电伺服系统中，除了滚珠丝杠螺母副将执行元件(电动机或液压马达)输出的高转速、低转矩转换成被控对象所需的低转速、大转矩外，其中齿轮传动副应用也较广泛。另外，由于数控机床进给系统经常处于自动变向状态，齿轮副的侧隙会造成进给运动反向时丢失指令脉冲，并产生反向死区，从而影响加工精度，因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙。上一页下一页返回5.3数控机床的进给传动系统1.直齿圆柱齿轮传动如图5一32所示为偏心轴套式调整间隙结构，齿轮1装在偏心轴套2上，可以通过偏心轴套2调整齿轮1和齿轮3之间的中心距来消除齿轮传动副的齿侧间隙。如图5一33所示为用一个带有锥度的齿轮来消除间隙的结构，一对啮合着的圆柱齿轮，若它们的节圆之间沿着齿厚方向制成一个较小的锥度，只要改变垫片3的厚度就能改变齿轮2和齿轮1的轴向相对位置，从而消除了齿侧间隙2.斜齿圆柱齿轮传动如图5一35所示为斜齿轮垫片调整法上一页下一页返回5.3数控机床的进给传动系统3.锥齿轮传动如图5一37所示为锥齿轮轴向压簧调整法，锥齿轮1和2相互啮合，其中在装锥齿轮1的传动轴上装有压簧3，锥齿轮1在弹簧力的作用下可稍作轴向移动，从而消除侧隙。弹簧力的大小由螺母4调节.4.齿轮齿条传动在大型数控机床(如大型数控龙门铣床)中，工作台的行程很长，因此它的进给运动不宜采用滚珠丝杠螺母副传动，一般采用齿轮齿条传动当载荷很小时，可用双片薄齿轮错齿调整法，分别与齿条槽左、右侧贴紧，从而消除侧隙。当载荷大时，采用径向加载法消除侧隙，如图5-39所示。上一页下一页返回5.3数控机床的进给传动系统5.3.4进给系统传动间隙的补偿机构1.齿隙补偿机构数控机床进给系统由于经常处于自动变向状态，齿侧间隙会造成进给反向时丢失指令脉冲，并产生反向死区从而影响加工精度，因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙

图5一40所示为圆柱齿轮间隙的几种调整结构。齿侧间隙可自动补偿的调整结构，如图5-41所示。相互啮合的一对齿轮中的一个做成两个薄片齿轮，两薄片齿轮套装在一起，彼此可作相对运动。两个齿轮的端面上，分别装有螺纹凸耳，拉簧的一端钩在一个凸耳上，另一端钩在穿过另一个凸耳后的螺钉上，在拉簧的拉力作用下，两薄片齿轮的轮齿相互错位，分别贴紧在与之啮合的齿轮(图中未示出)左、右齿廓面上，消除了它们之间的齿侧间隙，拉簧的拉力大小，可用调整螺母调整。上一页下一页返回5.3数控机床的进给传动系统2.键连接间隙补偿机构数控机床进给传动装置中，齿轮等传动件与轴键的配合间隙，如同齿侧间隙一样，也会影响工件的加工精度，需将其消除。图5一42所示为消除键连接间隙的两种方法。上一页返回5.4数控机床的导轨目前数控机床使用的导轨主要有3种:塑料滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。数控机床导轨应满足以下基本要求:1.高导向精度2.良好的精度保持性3.低速运动平稳性4.耐磨性好5.足够的刚度6.温度变化影响小7.结构简单、工艺性好，要便于加工、装配、调整和维修下一页返回5.4数控机床的导轨5.4.1塑料滑动导轨1.塑料滑动导轨的材料目前，数控机床所使用的塑料导轨材料为铸铁对塑料或镶钢对塑料导轨。导轨塑料常用聚四氟乙烯导轨软带和环氧型耐磨导轨涂层两类。如图5-44所示2.塑料滑动导轨的特点塑料导轨与其他导轨相比，具有以下特点:(1)摩擦因数低而稳定:比铸铁导轨副低一个数量级(2)动静摩擦因数相近:运动平稳性和爬行性能较铸铁导轨副好。

上一页下一页返回5.4数控机床的导轨(3)吸收振动:具有良好的阻尼性，优于接触刚度较低的滚动导轨和易漂浮的静压导轨(4)耐磨性好:有自身润滑作用，无润滑油也能工作，灰尘磨粒的嵌入性好(5)化学稳定性好:耐磨、耐低温、耐强酸、强碱、强氧化剂及各种有机溶剂(6)维护修理方便:软带耐磨，损坏后更换容易。(7)经济性好:结构简单，成本低，约为滚动导轨成本的1/20，为三层复合材料DU导轨成本的1/43.塑料滑动导轨的类型(1)贴塑导轨。(2)注塑导轨。(3)圆周运动导轨上一页下一页返回5.4数控机床的导轨5.4.2滚动导轨1.滚动导轨的特点滚动导轨作为滑动摩擦副的一类，其摩擦因数μ=0.002-0.005，动、静摩擦因数很接近，且不受运动速度变化的影响，因而运动轻便灵活，所需驱动功率小;摩擦发热少、磨损小、精度保持性好;低速运动时，不易出现爬行，定位精度高;滚动导轨可以预紧，显著提高了刚度。适用于要求移动部件运动平稳、灵敏，以及实现精密定位的场合，在精密机床、数控机床、测量机和测量仪器上得到了广泛的应用。滚动导轨的不足是结构较复杂、制造较困难、成本较高。此外，滚动导轨对脏物较敏感，必须要有良好的防护装置上一页下一页返回5.4数控机床的导轨2.滚动导轨的结构形式滚动导轨可分为开式和闭式两种。开式用于加工过程中载荷变化较小，颠覆力矩较小的场合。当颠覆力矩较大，载荷变化较大时则用闭式，此时采用预加载荷，能消除其间隙，减小工作时的振动，并大大提高了导轨的接触刚度。滚动导轨的滚动体，可采用滚珠、滚柱、滚针。滚珠导轨的承载能力小、刚度低，适用于运动部件质量不大，切削力和颠覆力矩都较小的机床;滚柱导轨的承载能力和刚度都比滚珠导轨大，适用于载荷较大的机床;滚针导轨的特点是滚针尺寸小、结构紧凑，适用于导轨尺寸受到限制的机床。如图5-47所示为滚动导轨结