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1、第三章 數(shù)控機床典型結(jié)構(gòu)及部件,技能目標 1、了解數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點及要求 2、熟悉數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的主軸變速方式、典型主軸部件結(jié)構(gòu)及原理 3、熟悉并掌握進給傳動系統(tǒng)中典型部件結(jié)構(gòu)及原理 4、熟悉并掌握一般轉(zhuǎn)塔回轉(zhuǎn)刀架及自動換刀機構(gòu)的組成及工作原理 5、熟悉并掌握數(shù)控機床典型位置檢測裝置結(jié)構(gòu)及工作原理 6、了解數(shù)控機床排屑裝置的作用與種類,一、數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點及要求 數(shù)控機床與普通機床在機械傳動和結(jié)構(gòu)上有顯著的不同： 采用高性能的無級變速主軸及伺服傳動系統(tǒng) 剛度和抗振性較好 優(yōu)良的傳動元件 多主軸、多刀架及刀具與工件的自動夾角緊裝置，ATC，自動排屑裝置、自動潤滑冷卻裝置 采取減小機床熱變
2、形的措施,數(shù)控車床的機械結(jié)構(gòu),數(shù)控加工中心機械結(jié)構(gòu),回轉(zhuǎn)交換式APC 移動交換式APC,二、主傳動系統(tǒng) 主要包括：主軸電機、主傳動系統(tǒng)和主軸組件 決定了零件的加工精度 要求： 更大的調(diào)速范圍并實現(xiàn)無級變速。一般要求主軸具備1（1001000）的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍和110的恒功率調(diào)速范圍。 較高的精度和剛度 良好的抗振性和熱穩(wěn)定性 在車削中心上，要求有C軸控制功能（螺紋車削） 在加工中心上，高精度的準停功能 恒線速度切削控制功能,1、主軸傳動方式 （1）帶有變速齒輪的主傳動 大中型數(shù)控機床較常采用的配置方式，確保低速時有較大的扭矩，滑移齒輪的移位大多采用液壓撥叉或直接由液壓缸驅(qū)動齒輪來實現(xiàn)。 數(shù)控機
3、床主傳動的四種配置方式 (a)齒輪變速；(b)帶傳動；(c)兩個電機分別驅(qū)動；(d)調(diào)速電機直接驅(qū)動,（2）通過帶傳動的主傳動 主要用在轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的小型數(shù)控機床上?？梢员苊庥升X輪傳動所引起的振動和噪聲。適用于高速低轉(zhuǎn)矩特性的主軸，常用有多楔帶和同步齒形帶。,帶的結(jié)構(gòu)形式 (a)多楔帶;(b)同步齒形帶,同步齒形帶傳動是一種綜合了帶傳動和鏈傳動優(yōu)點的新型傳動方式，帶型有梯形齒和圓弧齒。,同步齒形帶的結(jié)構(gòu)和傳動,（3）用兩個電機分別驅(qū)動主軸傳動 高速時，由一個電機通過帶傳動；低速時，由另一個電機通過齒輪傳動，齒輪起到降速和擴大變速范圍的作用，使恒功率區(qū)增大，擴大了變速范圍，避免了低速時
4、轉(zhuǎn)矩不夠且電機功率不能充分利用的問題。,（4）調(diào)速電機直接驅(qū)動主軸傳動 大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出的扭矩小，電機發(fā)熱對主軸的精度影響較大。,直接驅(qū)動式,（5）電主軸,電主軸是高頻主軸的簡稱。實現(xiàn)了機床的“零傳動”，如瑞士的FISCHER，德國的GMN，美國的PERCISE，意大利的GAMFIOR及日本的NSK等公司。 電主軸的結(jié)構(gòu)見圖3.4(b) 電主軸的軸承：決定主軸壽命和承載能力的關(guān)鍵部件，當前主要有：陶瓷球軸承、液體靜壓軸承和磁懸浮軸承。 電主軸的冷卻：強制循環(huán)油冷卻的方式。 電主軸的驅(qū)動：交流異步感應(yīng)電動機 電主軸的基本參數(shù)：套筒直徑（主要參
5、數(shù)）、最高轉(zhuǎn)速、輸出功率、轉(zhuǎn)矩和刀具接口。,2、主軸部件 包括主軸的支撐和安裝在主軸上的傳動零件 （1）主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀（標準化）：用于安裝刀具或夾持工件的夾具,主軸軸承常見的支撐形式 (a)形式一；(b)形式二；(c)形式三,（2）主軸部件的支撐 a）前支撐采用雙列短圓柱滾子軸承和60角接觸雙列向心推力球軸承組合，后支撐采用成對向心推力球軸承?？商岣咧鬏S的綜合剛度，滿足強力切削的要求。普遍用于各類數(shù)控機床主軸。,c）前后支撐分別采用雙列和單列圓錐滾子軸承。徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，其安裝、調(diào)整性能好，但限制了主軸轉(zhuǎn)速和精度，因此可用于中等精度、低速、重載的數(shù)控機床的主軸。,b）前支撐
6、采用高精度雙列向心推力球軸承。向心推力軸承有良好的高速性，主軸最高轉(zhuǎn)速可達4000rmin，但承載能力小，適于高速、輕載、高精密的數(shù)控機床主軸。,(3)刀具自動裝卸切屑清除裝置,加工中心主軸前端有724號錐孔，內(nèi)部和后端安裝的是刀具自動夾緊機構(gòu)。 機床執(zhí)行換刀指令，機械手從主軸拔刀時，主軸需松開刀具。這時，液壓缸上腔通壓力油，活塞推動拉桿向下移動，使碟形彈簧壓縮，鋼球進入主軸錐孔上端的槽內(nèi)，刀柄尾部的拉釘被松開，機械手拔刀。,壓縮空氣進入活塞和拉桿的中孔，吹凈主軸錐孔，為裝入新刀具做好準備。當機械手將下一把刀具插入主軸后，液壓缸上腔無油壓，在碟形彈簧和彈簧的恢復力作用下，拉桿、鋼球和活塞退回到
7、圖示的位置，使刀具被夾緊。刀桿夾緊機構(gòu)用彈簧夾緊，液壓放松，以保證在工作中突然停電時，刀桿不會自行松脫。,(3)刀具自動裝卸切屑清除裝置,（3）刀具自動裝卸切屑清除裝置,機床采用的是724號錐柄刀具，錐柄的尾端安裝有拉釘，拉桿通過4個鋼球拉住拉釘?shù)陌疾郏沟毒咴谥鬏S錐孔內(nèi)定位及夾緊。,排屑裝置是將機械加工過程中產(chǎn)生的切屑收集、輸送到集屑箱中的機械機床功能部件。,（3）刀具自動裝卸切屑清除裝置,鏈板式排屑機,磁性排屑機,刮板式排屑機,螺旋式排屑機,（4）主軸的進給功能 在車削中心的主傳動系統(tǒng)中，增加了主軸的進給功能C軸坐標功能。進給功能即是實現(xiàn)主軸定向停車和圓周進給，并在數(shù)控裝置控制下實現(xiàn)C軸、
8、Z軸插補和C軸、X軸插補。,（5）主軸的準停功能,主軸準停階梯孔或精鏜孔示意圖,當加工階梯孔或精鏜孔后退刀時，為防止刀具與小階梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，必須先讓刀，再退刀，因此，刀具就必須具有定位功能。,1）機械準?？刂?采用機械凸輪機構(gòu)或光電盤方式進行粗定位，然后有一個液動或氣動的定位銷插入主軸上的銷孔或銷槽實現(xiàn)精確定位，完成換刀后定位銷退出，主軸才開始旋轉(zhuǎn)。 結(jié)構(gòu)復雜，在早期數(shù)控機床上使用較多。,典型的V形槽輪定位盤機械準停原理示意圖,2）電氣準?？刂?永久磁鐵與磁傳感器在主軸上的位置,（a）磁傳感器主軸準停控制 在主軸上安裝一個永久磁鐵與主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距離發(fā)磁體旋轉(zhuǎn)外軌跡12mm
9、處固定一個磁傳感器，它經(jīng)過放大器并與主軸控制單元相連接，當主軸需要定向時，便可停止在調(diào)整好的位置上。,編碼器主軸準停控制原理圖,（b）編碼器主軸準?？刂?通過主軸電動機內(nèi)置安裝的位置編碼器或在機床主軸箱上安裝一個與主軸1：1同步旋轉(zhuǎn)的位置編碼器來實現(xiàn)準?？刂?，準停角度可任意設(shè)定。,非接觸式密封 (a)形式一；(b)形式二；(c)形式三,（6）主軸的密封,接觸式密封 (a)油氈圈密封；(b)耐油橡膠密封圈密封,3、進給傳動系統(tǒng) （1）數(shù)控機床對進給系統(tǒng)的要求,1）摩擦阻力要小 廣泛采用滾珠絲杠和滾動導軌以及塑料導軌和靜壓導軌。 2）傳動剛度要高 3）轉(zhuǎn)動慣量要小 4）諧振頻率要高 5）傳動間隙要
10、小,（2）聯(lián)軸器,錐環(huán)無鍵消隙聯(lián)軸器,1、錐環(huán)無鍵聯(lián)軸器,撓性聯(lián)軸器,2、套筒式聯(lián)軸器,套筒式聯(lián)軸器 (a)結(jié)構(gòu)一；(b)結(jié)構(gòu)二；(c)結(jié)構(gòu)三,其結(jié)構(gòu)簡單，徑向尺寸小，但拆裝困難(要求兩中心軸線嚴格對準)，使用受到一定限制。,直齒圓柱齒輪傳動副消除間隙的方法 1）偏心套調(diào)整法,偏心套消除間隙結(jié)構(gòu),（3） 傳動齒輪間隙調(diào)整機構(gòu),2）錐度齒輪軸向墊片調(diào)整法,錐度齒輪軸向墊片消除間隙結(jié)構(gòu),3）雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法,雙片薄齒輪錯齒消除間隙結(jié)構(gòu) (a)結(jié)構(gòu)一；(b)結(jié)構(gòu)二, 斜齒圓柱齒輪傳動副消除間隙的方法 1）斜齒輪軸向墊片調(diào)整法 薄片斜齒輪1和2的齒形拼裝在一起加工，裝配時在兩薄片齒輪間裝入已知厚度
11、為t的墊片3，這樣螺旋線便錯開了，使兩薄片斜齒輪分別與寬齒輪4的左、右齒面貼緊，從而消除間隙。,斜齒輪軸向墊片消除間隙結(jié)構(gòu),承載能力較小，且不能自動補償消除間隙，屬剛性消除間隙的范疇。,2）斜齒輪軸向壓簧錯齒調(diào)整法 軸向尺寸較大，只適合于負載較小的場合。,斜齒輪軸向壓簧錯齒消除間隙結(jié)構(gòu),錐齒輪傳動副消除間隙的方法,錐齒輪軸向壓簧消除間隙結(jié)構(gòu),1）錐齒輪軸向壓簧調(diào)整法,2）錐齒輪周向彈簧調(diào)整法,錐齒輪周向彈簧消除間隙結(jié)構(gòu),齒輪齒條傳動副消除間隙的方法 如果通過彈簧在軸2上作用一個軸向力F，使斜齒輪產(chǎn)生微量軸向移動，這時軸1和軸3便以相反的方向轉(zhuǎn)過微小的角度，使齒輪4和5分別與齒條的兩齒面貼緊，從
12、而消除間隙。,齒輪齒條消除間隙結(jié)構(gòu),工作原理與特點,滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)原理,（4）滾珠絲杠螺母結(jié)構(gòu),滾珠絲杠螺母副優(yōu)點： 1)傳動效率高，摩擦損失小。 2)運動平穩(wěn)無爬行。 3)傳動精度高，反向時無空程。 4)磨損小，精度保持性好，使用壽命長。 5)具有運動的可逆性。,外循環(huán)式滾珠絲杠結(jié)構(gòu),滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)類型 1)外循環(huán)。滾珠在循環(huán)過程結(jié)束后，通過螺母外表面上的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進入循環(huán)。 結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，承載能力較高，但徑向尺寸較大。應(yīng)用最為廣泛，也可用于重載傳動系統(tǒng)。,2）內(nèi)循環(huán)。靠螺母上安裝的反向器接通相鄰滾道，使?jié)L珠成單圈循環(huán)。反向器2的數(shù)目與滾珠圈數(shù)相等。 結(jié)構(gòu)緊湊
13、，剛度好，滾珠流通性好，摩擦損失小，制造較困難，適用于高靈敏、高精度的進給系統(tǒng)。,內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠結(jié)構(gòu),雙螺母消隙,滾珠絲杠螺母副間隙的調(diào)整方法 通常采用預加載荷的方法來減小彈性變形所帶來的軸向間隙，以保證反向傳動精度和軸向剛度。,（1）墊片調(diào)隙式,滾珠絲杠螺母副間隙的調(diào)整方法 （2）螺紋調(diào)隙式,滾珠絲杠螺母副間隙的調(diào)整方法 （3）齒差調(diào)隙式 在兩個螺母的凸緣上各制有圓柱外齒輪，分別與套筒,兩端內(nèi)齒圈相嚙合，其齒數(shù)相差一個齒。調(diào)整時，讓兩個螺母相對于套筒方向都轉(zhuǎn)動一個齒，然后再插入內(nèi)齒圈，則兩個螺母便產(chǎn)生相對角位移，其軸向位移量s=（1/z1-1/z2)Pn。 能精確調(diào)整預緊量，調(diào)整方便、可靠
14、，結(jié)構(gòu)尺寸較大，多用于高精度的傳動。,單螺母消隙,（4）單螺母變位螺距預緊,（5）單螺母螺釘預緊 螺母在專業(yè)生產(chǎn)工廠完成精磨之后，沿徑向開一薄槽，通過內(nèi)六角調(diào)整螺釘實現(xiàn)間隙的調(diào)整和預緊。間隙的調(diào)整和預緊極為方便。,滾珠絲杠螺母副預緊力 為了保證傳動精度及剛度，除消除傳動間隙外，還要求預緊。其預緊力計算公式為 式中 為軸向最大工作載荷。,滾珠絲杠的支撐方式 (a)僅一端裝推力軸承；(b)一端裝推力軸承，另一端裝深溝球軸承； (c)兩端裝推力軸承，(d)兩端裝推力軸承和深溝球軸承,滾珠絲杠的支撐,滾珠絲杠副的制動裝置 機床工作時，電磁鐵通電，使摩擦離合器脫開，運動由電機經(jīng)減速齒輪傳給絲杠，使主軸箱
15、上、下移動。當加工完畢或中間停車時，電機和電磁鐵同時斷電，借壓力彈簧作用合上摩擦離合器，使絲杠不能轉(zhuǎn)動，主軸箱便不會下落。,數(shù)控銑鏜床主軸箱進給絲杠制動示意圖,滾珠絲杠的預拉伸 滾珠絲杠在工作時，由于發(fā)熱將使導程增大，影響定位精度。為了消除此現(xiàn)象，可將絲杠預拉伸。,滾珠絲杠副的的參數(shù) 公稱直徑：大于絲杠工作長度的1/30 導程：絲杠旋轉(zhuǎn)任意角度時，螺母基準點的軸向位移 基本導程：360度時，螺母基準點的軸向位移 接觸角：45度 滾珠的工作圈數(shù)：第一圈（50%），第二圈（30%）、第三圈（20%）2.53.5 滾珠的總數(shù)：小于150。多流動不暢；少載荷過大 其他參數(shù),（5）直線電機傳動 采用直線
16、電機直接驅(qū)動與原旋轉(zhuǎn)電機傳動的最大區(qū)別是取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械傳動環(huán)節(jié)。這也稱之為“零傳動”。 直線電機是指可以直接產(chǎn)生直線運動的電機，可以作為進給驅(qū)動系統(tǒng)。 在定位精度、運動精度、動態(tài)響應(yīng)、運行維護和行程方面有較大的優(yōu)勢。 最常用的直線電機類型是平板式和U 型槽式,和管式。,直線電機工作原理 直線電動機的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動機相似。以直線感應(yīng)電動機為例：當初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產(chǎn)生行波磁場，次級在行波磁場切割下，將感應(yīng)出電動勢并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場相作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力作用下做直線運動；反之，則初級做直線運動。 從制造成本及運行費用考慮，常將直線電機做成短初級長次級。 對直線電機控制技術(shù)的研究基本上可以分為三個方面：一是傳統(tǒng)控制技術(shù)，二是現(xiàn)代控制技術(shù)，三是智能控制技術(shù)。,
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