数控机床典型结构及部.ppt

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1、第三章 数控机床典型结构及部件技能目标1、了解数控机床的结构特点及要求2、熟悉数控机床主传动系统的主轴变速方式、典型主轴部件结构及原理3、熟悉并掌握进给传动系统中典型部件结构及原理4、熟悉并掌握一般转塔回转刀架及自动换刀机构的组成及工作原理5、熟悉并掌握数控机床典型位置检测装置结构及工作原理6、了解数控机床排屑装置的作用与种类一、数控机床的结构特点及要求 数控机床与普通机床在机械传动和结构上有显著的不同：采用高性能的无级变速主轴及伺服传动系统刚度和抗振性较好优良的传动元件多主轴、多刀架及刀具与工件的自动夹角紧装置，ATC，自动排屑装置、自动润滑冷却装置采取减小机床热变形的措施数控车床的机械结构

2、数控加工中心机械结构 回转交换式APC 移动交换式APC二、主传动系统主要包括：主轴电机、主传动系统和主轴组件决定了零件的加工精度要求：更大的调速范围并实现无级变速。一般要求主轴具备一般要求主轴具备1（1001000）的恒转矩调速范围和）的恒转矩调速范围和1 10的恒功率的恒功率调速范围。调速范围。较高的精度和刚度良好的抗振性和热稳定性在车削中心上，要求有C轴控制功能（螺纹车削）在加工中心上，高精度的准停功能恒线速度切削控制功能1、主轴传动方式（1）带有变速齿轮的主传动 大中型数控机床较常采用的配置方式，确保低速时大中型数控机床较常采用的配置方式，确保低速时有较大的扭矩，滑移齿轮的移位大多采用

3、液压拨叉或直接有较大的扭矩，滑移齿轮的移位大多采用液压拨叉或直接由液压缸驱动齿轮来实现。由液压缸驱动齿轮来实现。数控机床主传动的四种配置方式数控机床主传动的四种配置方式(a)齿轮变速；齿轮变速；(b)带传动；带传动；(c)两个电机分别驱动；两个电机分别驱动；(d)调速电机直接驱动调速电机直接驱动（2）通过带传动的主传动 主要用在转速较高、变速范围不大的小型数控机床上。主要用在转速较高、变速范围不大的小型数控机床上。可以避免由齿轮传动所引起的振动和噪声。适用于高速低可以避免由齿轮传动所引起的振动和噪声。适用于高速低转矩特性的主轴，常用有转矩特性的主轴，常用有多楔带多楔带和和同步齿形带同步齿形带。

4、带的结构形式带的结构形式 (a)多楔带多楔带;(b)同步齿形带同步齿形带 同同步步齿齿形形带带传传动动是是一一种种综综合合了了带带传传动动和和链链传传动动优优点点的的新新型传动方式，带型有梯形齿和圆弧齿。型传动方式，带型有梯形齿和圆弧齿。同步齿形带的结构和传动同步齿形带的结构和传动（3）用两个电机分别驱动主轴传动 高速时，由一个电机通过带传动；低速时，由另一个高速时，由一个电机通过带传动；低速时，由另一个电机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，电机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，使恒功率区增大，扩大了变速范围，避免了低速时转矩不使恒功率区增大，扩大了变速范围，避免了

5、低速时转矩不够且电机功率不能充分利用的问题。够且电机功率不能充分利用的问题。（4 4）调速电机直接驱动主轴传动）调速电机直接驱动主轴传动 大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴大大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，但主轴输出的扭矩小，电机发热对主轴的精度部件的刚度，但主轴输出的扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。影响较大。直接驱动式直接驱动式（5）电主轴 电主轴是高频主轴的简称。实现了机床的“零传动”，如瑞士的FISCHER，德国的GMN，美国的PERCISE，意大利的GAMFIOR及日本的NSK等公司。电主轴的结构见图3.4(b)电主轴的轴承：决定主轴寿命和

6、承载能力的关键部件，当前主要有：陶瓷球轴承、液体静压轴承和磁悬浮轴承。电主轴的冷却：强制循环油冷却的方式。电主轴的驱动：交流异步感应电动机电主轴的基本参数：套筒直径（主要参数）、最高转速、输出功率、转矩和刀具接口。2、主轴部件包括主轴的支撑和安装在主轴上的传动零件（1）主轴端部的结构形状（标准化）：用于安装刀具或夹持工件的夹具主轴轴承常见的支撑形式主轴轴承常见的支撑形式 (a)形式一；形式一；(b)形式二；形式二；(c)形式三形式三（2）主轴部件的支撑a a）前前支支撑撑采采用用双双列列短短圆圆柱柱滚滚子子轴轴承承和和6060角角接接触触双双列列向向心心推推力力球球轴轴承承组组合合，后后支支撑

7、撑采采用用成成对对向向心心推推力力球球轴轴承承。可可提提高高主主轴轴的的综综合合刚刚度度，满满足足强强力力切切削削的的要要求求。普普遍遍用用于各类数控机床主轴。于各类数控机床主轴。c c）前前后后支支撑撑分分别别采采用用双双列列和和单单列列圆圆锥锥滚滚子子轴轴承承。径径向向和和轴轴向向刚刚度度高高，能能承承受受重重载载荷荷，其其安安装装、调调整整性性能能好好，但但限限制制了了主主轴轴转转速速和和精精度度，因因此此可可用用于于中中等等精精度度、低低速速、重重载载的的数数控机床的主轴。控机床的主轴。b）前支撑采用）前支撑采用高精度双列向心推力球轴承高精度双列向心推力球轴承。向心推力轴承。向心推力轴

8、承有良好的高速性，主轴最高转速可达有良好的高速性，主轴最高转速可达4000rmin，但承载能力，但承载能力小，适于小，适于高速、轻载、高精密高速、轻载、高精密的数控机床主轴。的数控机床主轴。(3)刀具自动装卸切屑清除装置 加工中心主轴前端有加工中心主轴前端有7 24号号锥孔，内部和后端安装的是刀锥孔，内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构。具自动夹紧机构。机床执行换刀指令，机械手机床执行换刀指令，机械手从主轴拔刀时，主轴需松开刀从主轴拔刀时，主轴需松开刀具。这时，液压缸上腔通压力具。这时，液压缸上腔通压力油，活塞推动拉杆向下移动，油，活塞推动拉杆向下移动，使碟形弹簧压缩，钢球进入主使碟形弹簧压缩，

9、钢球进入主轴锥孔上端的槽内，刀柄尾部轴锥孔上端的槽内，刀柄尾部的拉钉被松开，机械手拔刀。的拉钉被松开，机械手拔刀。压缩空气进入活塞和拉杆的中孔，压缩空气进入活塞和拉杆的中孔，吹净主轴锥孔，为装入新刀具做好准吹净主轴锥孔，为装入新刀具做好准备。当机械手将下一把刀具插入主轴备。当机械手将下一把刀具插入主轴后，液压缸上腔无油压，在碟形弹簧后，液压缸上腔无油压，在碟形弹簧和弹簧的恢复力作用下，拉杆、钢球和弹簧的恢复力作用下，拉杆、钢球和活塞退回到图示的位置，使刀具被和活塞退回到图示的位置，使刀具被夹紧。刀杆夹紧机构用弹簧夹紧，液夹紧。刀杆夹紧机构用弹簧夹紧，液压放松，以保证在工作中突然停电时，压放松，

10、以保证在工作中突然停电时，刀杆不会自行松脱。刀杆不会自行松脱。(3)刀具自动装卸切屑清除装置（3）刀具自动装卸切屑清除装置机机床床采采用用的的是是724724号号锥锥柄柄刀刀具具，锥锥柄柄的的尾尾端端安安装装有有拉拉钉钉，拉拉杆杆通通过过4 4个个钢钢球球拉拉住住拉拉钉钉的的凹凹槽槽，使使刀刀具具在在主主轴轴锥锥孔孔内定位及夹紧。内定位及夹紧。排屑装置是将机械加工过程中产生的切屑收集、输送到集屑箱中的机械机床功能部件。（3）刀具自动装卸切屑清除装置链板式排屑机磁性排屑机刮板式排屑机螺旋式排屑机（4）主轴的进给功能 在车削中心的主传动系统中，增加了主轴的进给功能C轴坐标功能。进给功能即是实现主轴

11、定向停车和圆周进给，并在数控装置控制下实现C轴、Z轴插补和C轴、X轴插补。（5）主轴的准停功能主轴准停阶梯孔或精镗孔示意图主轴准停阶梯孔或精镗孔示意图 当加工阶梯孔或精当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，拉毛已精加工的孔表面，必须先让刀，再退刀，必须先让刀，再退刀，因此，刀具就必须具有因此，刀具就必须具有定位功能。定位功能。1 1）机械准停控制）机械准停控制 采采用用机机械械凸凸轮轮机机构构或或光光电电盘盘方方式式进进行行粗粗定定位位，然然后后有有一一个个液液动动或或气气动动的的定定位位销销插插入入主主轴轴上上的

12、的销销孔孔或或销销槽槽实实现现精精确确定定位位，完完成成换换刀刀后后定定位位销销退退出出，主主轴才开始旋转。轴才开始旋转。结结构构复复杂杂，在在早早期期数数控机床上使用较多。控机床上使用较多。典型的典型的V形槽轮定位盘机械形槽轮定位盘机械准停原理示意图准停原理示意图 2 2）电气准停控制）电气准停控制永久磁铁与磁传感器在永久磁铁与磁传感器在主轴上的位置主轴上的位置 （a）磁传感器主轴准停控制 在主轴上安装一个永久磁铁与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹12mm处固定一个磁传感器，它经过放大器并与主轴控制单元相连接，当主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。编码器主轴准停控制原理图编码器主轴

13、准停控制原理图（b）编码器主轴准停控制 通过主轴电动机内置安装的位置编码器或在机床主轴箱上安装一个与主轴1：1同步旋转的位置编码器来实现准停控制，准停角度可任意设定。非接触式密封非接触式密封(a)形式一；形式一；(b)形式二；形式二；(c)形式三形式三（6）主轴的密封接触式密封接触式密封 (a)油毡圈密封；油毡圈密封；(b)耐油橡胶密封圈密封耐油橡胶密封圈密封 3、进给传动系统（1）数控机床对进给系统的要求1 1）摩擦阻力要小）摩擦阻力要小 广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料导轨和静压导轨。广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料导轨和静压导轨。2）传动刚度要高）传动刚度要高 3 3）转动惯量要小）

14、转动惯量要小 4 4）谐振频率要高）谐振频率要高 5）传动间隙要小）传动间隙要小（2）联轴器锥环无键消隙联轴器锥环无键消隙联轴器1 1、锥环无键联轴器、锥环无键联轴器挠性联轴器挠性联轴器 2 2、套筒式联轴器、套筒式联轴器套筒式联轴器套筒式联轴器(a)结构一；结构一；(b)结构二；结构二；(c)结构三结构三 其其结结构构简简单单，径径向向尺尺寸寸小小，但但拆拆装装困困难难(要要求求两两中中心心轴轴线线严格对准严格对准)，使用受到一定限制。，使用受到一定限制。直齿圆柱齿轮传动副消除间隙的方法直齿圆柱齿轮传动副消除间隙的方法1 1）偏心套调整法）偏心套调整法偏心套消除间隙结构偏心套消除间隙结构（3

15、）传动齿轮间隙调整机构2 2）锥度齿轮轴向垫片调整法）锥度齿轮轴向垫片调整法锥度齿轮轴向垫片消除间隙结构锥度齿轮轴向垫片消除间隙结构 3 3）双片薄齿轮错齿调整法）双片薄齿轮错齿调整法双片薄齿轮错齿消除间隙结构双片薄齿轮错齿消除间隙结构(a)结构一；结构一；(b)结构二结构二 斜斜齿齿圆圆柱柱齿齿轮轮传传动动副副消消除除间隙的方法间隙的方法 1）斜齿轮轴向垫片调整法）斜齿轮轴向垫片调整法 薄薄片片斜斜齿齿轮轮1和和2的的齿齿形形拼拼装装在在一一起起加加工工，装装配配时时在在两两薄薄片片齿齿轮轮间间装装入入已已知知厚厚度度为为t的的垫垫片片3，这这样样螺螺旋旋线线便便错错开开了了，使使两两薄薄片

16、片斜斜齿齿轮轮分分别别与与宽宽齿齿轮轮4的的左左、右右齿面贴紧，从而消除间隙。齿面贴紧，从而消除间隙。斜齿轮轴向垫片消除斜齿轮轴向垫片消除间隙结构间隙结构 承载能力较小，且不能自动补偿消除间隙，属刚性消除承载能力较小，且不能自动补偿消除间隙，属刚性消除间隙的范畴。间隙的范畴。2 2）斜齿轮轴向压簧错齿调整法）斜齿轮轴向压簧错齿调整法轴向尺寸较大，只适合于负载较小的场合。轴向尺寸较大，只适合于负载较小的场合。斜齿轮轴向压簧错齿消除间隙结构斜齿轮轴向压簧错齿消除间隙结构 锥齿轮传动副消除间隙的方法锥齿轮传动副消除间隙的方法锥齿轮轴向压簧消除间隙结构锥齿轮轴向压簧消除间隙结构 1 1）锥齿轮轴向压簧

17、调整法）锥齿轮轴向压簧调整法2 2）锥齿轮周向弹簧调整法）锥齿轮周向弹簧调整法锥齿轮周向弹簧消除间隙结构锥齿轮周向弹簧消除间隙结构 齿齿轮轮齿齿条条传传动动副副消消除除间间隙的方法隙的方法 如如果果通通过过弹弹簧簧在在轴轴2 2上上作作用用一一个个轴轴向向力力F F，使使斜斜齿齿轮轮产产生生微微量量轴轴向向移移动动，这这时时轴轴1 1和和轴轴3 3便便以以相相反反的的方方向向转转过过微微小小的的角角度度，使使齿齿轮轮4 4和和5分分别别与与齿齿条条的的两两齿齿面面贴贴紧紧，从从而而消消除除间间隙。隙。齿轮齿条消除间隙结构齿轮齿条消除间隙结构 工作原理与特点工作原理与特点滚珠丝杠副结构原理滚珠丝

18、杠副结构原理（4）滚珠丝杠螺母结构滚珠丝杠螺母副优点：滚珠丝杠螺母副优点：1)1)传动效率高，摩擦损失小。传动效率高，摩擦损失小。2)2)运动平稳无爬行。运动平稳无爬行。3)3)传动精度高，反向时无空程。传动精度高，反向时无空程。4)4)磨损小，精度保持性好，使用寿命长。磨损小，精度保持性好，使用寿命长。5)5)具有运动的可逆性。具有运动的可逆性。外循环式滚珠丝杠结构外循环式滚珠丝杠结构 滚珠丝杠螺母副的结构类型滚珠丝杠螺母副的结构类型 1)1)外外循循环环。滚滚珠珠在在循循环环过过程程结结束束后后，通通过过螺螺母母外外表表面面上上的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。的螺旋槽或插管返回丝

19、杠螺母间重新进入循环。结结构构简简单单，工工艺艺性性好好，承承载载能能力力较较高高，但但径径向向尺尺寸寸较较大大。应用最为广泛，也可用于重载传动系统。应用最为广泛，也可用于重载传动系统。2 2）内内循循环环。靠靠螺螺母母上上安安装装的的反反向向器器接接通通相相邻邻滚滚道道，使使滚滚珠珠成成单单圈圈循循环环。反反向向器器2 2的的数数目目与滚珠圈数相等。与滚珠圈数相等。结结构构紧紧凑凑，刚刚度度好好，滚滚珠珠流流通通性性好好，摩摩擦擦损损失失小小，制制造造较较困困难难，适适用用于于高高灵灵敏敏、高高精精度度的进给系统。的进给系统。内循环式滚珠丝杠结构内循环式滚珠丝杠结构 双螺母消隙双螺母消隙 滚

20、珠丝杠螺母副间隙的调整方法滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法 通通常常采采用用预预加加载载荷荷的的方方法法来来减减小小弹弹性性变变形形所所带带来来的的轴轴向向间隙，以保证反向传动精度和轴向刚度。间隙，以保证反向传动精度和轴向刚度。（1 1）垫片调隙式）垫片调隙式 滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法 （2 2）螺纹调隙式）螺纹调隙式滚滚珠珠丝丝杠杠螺螺母母副副间间隙隙的的调调整方法整方法 （3）齿差调隙式）齿差调隙式 在在两两个个螺螺母母的的凸凸缘缘上上各各制制有圆柱外齿轮，分别与套筒有圆柱外齿轮，分别与套筒两两端端内内齿齿圈圈相相啮啮合合，其其齿齿数数相相差差一一个个齿齿。调调

21、整整时时，让让两两个个螺螺母母相相对对于于套套筒筒方方向向都都转转动动一一个个齿齿，然然后后再再插插入入内内齿齿圈圈，则则两两个个螺螺母便产生相对角位移，其轴向位移量母便产生相对角位移，其轴向位移量s=（1/z1-1/z2)Pn。能能精精确确调调整整预预紧紧量量，调调整整方方便便、可可靠靠，结结构构尺尺寸寸较较大大，多多用于高精度的传动。用于高精度的传动。单螺母消隙单螺母消隙（4 4）单螺母变位螺距预紧）单螺母变位螺距预紧（5 5）单螺母螺钉预紧）单螺母螺钉预紧 螺螺母母在在专专业业生生产产工工厂厂完完成成精精磨磨之之后后，沿沿径径向向开开一一薄薄槽槽，通通过过内内六六角角调调整整螺螺钉钉实实

22、现现间间隙隙的的调调整整和和预预紧紧。间间隙隙的的调调整整和和预紧极为方便。预紧极为方便。滚珠丝杠螺母副预紧力滚珠丝杠螺母副预紧力 为了保证传动精度及刚度，除消除传动间隙外，还要求预紧。其预紧力计算公式为式中 为轴向最大工作载荷。滚珠丝杠的支撑方式滚珠丝杠的支撑方式(a)(a)仅一端装推力轴承；仅一端装推力轴承；(b)(b)一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承；一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承；(c)两端装推力轴承两端装推力轴承，(d)两端装推力轴承和深沟球轴承两端装推力轴承和深沟球轴承 滚珠丝杠的支撑滚珠丝杠的支撑滚珠丝杠副的制动装置滚珠丝杠副的制动装置 机机床床工工作作时时，电电磁磁铁铁通

23、通电电，使使摩摩擦擦离离合合器器脱脱开开，运运动动由由电电机机经经减减速速齿齿轮轮传传给给丝丝杠杠，使使主主轴轴箱箱上上、下下移移动动。当当加加工工完完毕毕或或中中间间停停车车时时，电电机机和和电电磁磁铁铁同同时时断断电电，借借压压力力弹弹簧簧作作用用合合上上摩摩擦擦离离合合器器，使使丝丝杠杠不不能能转转动动，主主轴轴箱箱便便不不会会下落。下落。数控铣镗床主轴箱进给丝杠数控铣镗床主轴箱进给丝杠制动示意图制动示意图 滚珠丝杠的预拉伸滚珠丝杠的预拉伸 滚珠丝杠在工作时，由于发热将使导程增大，影响定滚珠丝杠在工作时，由于发热将使导程增大，影响定位精度。为了消除此现象，可将丝杠预拉伸。位精度。为了消除

24、此现象，可将丝杠预拉伸。滚珠丝杠副的的参数滚珠丝杠副的的参数公称直径：大于丝杠工作长度的1/30导程：丝杠旋转任意角度时，螺母基准点的轴向位移基本导程：360度时，螺母基准点的轴向位移接触角：45度滚珠的工作圈数：第一圈（50%），第二圈（30%）、第三圈（20%）滚珠的总数：小于150。多流动不畅；少载荷过大其他参数（5）直线电机传动 采用直线电机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节。这也称之为“零传动”。直线电机是指可以直接产生直线运动的电机，可以作为进给驱动系统。在定位精度、运动精度、动态响应、运行维护和行程方面有较大的优势。最常用的直线电机类型是平板式和U 型槽式,和管式。直线电机工作原理 直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。从制造成本及运行费用考虑，常将直线电机做成短初级长次级。对直线电机控制技术的研究基本上可以分为三个方面：一是传统控制技术，二是现代控制技术，三是智能控制技术。