数控机床机械机构.ppt

第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 数控机床机械机构￿￿￿￿Still￿waters￿run￿deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深￿￿￿￿Where￿there￿is￿life,￿there￿is￿hope有生命必有希望有生命必有希望第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 本章内容：本章内容：         5.1            5.1   概述概述            5.2           5.2  数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统         5.3           5.3  数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动系统              5.4           5.4  自动换刀装置自动换刀装置         5.5           5.5  数控机床的主要辅助装置数控机床的主要辅助装置                     5.6  5.6  数控机床其它进给传动设计数控机床其它进给传动设计            5.7           5.7  小结小结         5.8           5.8  思考题与习题思考题与习题 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构    本章教学要求：本章教学要求：                      本章主要让学生了解数控机床对主传动本章主要让学生了解数控机床对主传动系统、进给传动系统的要求；了解主轴的调系统、进给传动系统的要求；了解主轴的调速方法；熟悉主轴部件、滚珠丝杠螺母副、速方法；熟悉主轴部件、滚珠丝杠螺母副、直线电动机、数控机床的导轨、自动换刀装直线电动机、数控机床的导轨、自动换刀装置；认识数控回转工作台、分度工作台等主置；认识数控回转工作台、分度工作台等主要辅助装置。

为学生初步具有设计机床传动要辅助装置为学生初步具有设计机床传动系统的能力打下基础系统的能力打下基础第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构  5.1  概概 述述 v数控机床主体结构具有的特点数控机床主体结构具有的特点数控机床主体结构具有的特点数控机床主体结构具有的特点            1. 数控机床多数采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统；              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. 数控机床更多地采用了高效传动部件，如：滚珠丝杠螺母副、静压蜗杆副、塑料导轨、滚动导轨、静压导轨等；              4. 数控机床采用了多主轴、多刀架结构以及刀具与工件的自动夹紧装置、自动换刀装置、自动排屑装置及自动润滑冷却装置等              5. 为了保证机床精度的稳定性、获得可靠的加工质量，数控机床多采取减小热变性的措施 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 v对机床的机械结构设计应保证以下要求对机床的机械结构设计应保证以下要求对机床的机械结构设计应保证以下要求对机床的机械结构设计应保证以下要求1）提高机床的静、动刚度 2）减少机床的热变形 3）减少运动间的摩擦和消除传动间隙 4）提高机床的寿命和精度保持性 5）减少辅助时间和改善操作性能 6）安全防护和宜人的造型 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构  数控机床主传动系统是指驱动主轴运动的系统，数控机床主传动系统是指驱动主轴运动的系统，主轴是数控机床上带动刀具和工件旋转，产生切削运主轴是数控机床上带动刀具和工件旋转，产生切削运动的运动轴，它往往是数控机床上单轴功率消耗最大动的运动轴，它往往是数控机床上单轴功率消耗最大的运动轴。

与普通机床一样数控机床也必须通过变速，的运动轴与普通机床一样数控机床也必须通过变速，才能使主轴获得不同的转速，以适应不同的加工要求才能使主轴获得不同的转速，以适应不同的加工要求在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的转矩，在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的转矩，满足切削的需要满足切削的需要   5.2  数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 为为为为了了了了能能能能达达达达到到到到最最最最佳佳佳佳的的的的切切切切削削削削效效效效果果果果，，，，一一一一般般般般都都都都应应应应在在在在最最最最佳佳佳佳的的的的切切切切削削削削条条条条件件件件下下下下工工工工作，因此，主轴一般都要求能实现无级变速作，因此，主轴一般都要求能实现无级变速作，因此，主轴一般都要求能实现无级变速作，因此，主轴一般都要求能实现无级变速要要要要求求求求机机机机床床床床主主主主轴轴轴轴系系系系统统统统必必必必须须须须具具具具有有有有足足足足够够够够高高高高的的的的转转转转速速速速和和和和足足足足够够够够大大大大的的的的功功功功率率率率，，，，以以以以适应高速、高效的加工需求。

适应高速、高效的加工需求适应高速、高效的加工需求适应高速、高效的加工需求为为为为了了了了降降降降低低低低噪噪噪噪声声声声、、、、减减减减轻轻轻轻发发发发热热热热、、、、减减减减少少少少振振振振动动动动，，，，主主主主传传传传动动动动系系系系统统统统应应应应简简简简化化化化结结结结构构构构，，，，减少传动件减少传动件减少传动件减少传动件在在在在加加加加工工工工中中中中心心心心上上上上，，，，还还还还必必必必须须须须具具具具有有有有安安安安装装装装刀刀刀刀具具具具和和和和刀刀刀刀具具具具交交交交换换换换所所所所需需需需的的的的自自自自动动动动夹夹夹夹紧紧紧紧装装装装置置置置，，，，以以以以及及及及主主主主轴轴轴轴定定定定向向向向准准准准停停停停装装装装置置置置，，，，以以以以保保保保证证证证刀刀刀刀具具具具和和和和主主主主轴轴轴轴、、、、刀刀刀刀库库库库、、、、机械手的正确啮合机械手的正确啮合机械手的正确啮合机械手的正确啮合为为为为了了了了扩扩扩扩大大大大机机机机床床床床功功功功能能能能，，，，实实实实现现现现对对对对C C C C轴轴轴轴位位位位置置置置( ( ( (主主主主轴轴轴轴回回回回转转转转角角角角度度度度) ) ) )的的的的控控控控制制制制，，，，主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制。

主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制 5.2.1 5.2.1 5.2.1 5.2.1 数控机床主传动系统要求数控机床主传动系统要求数控机床主传动系统要求数控机床主传动系统要求第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 数控机床主传动系统的变速方式主要有：数控机床主传动系统的变速方式主要有：数控机床主传动系统的变速方式主要有：数控机床主传动系统的变速方式主要有：•有级变速（机械变速）有级变速（机械变速）有级变速（机械变速）有级变速（机械变速）•无级变速无级变速无级变速无级变速•分段无级变速分段无级变速分段无级变速分段无级变速•内置电动机主轴变速（电主轴）等形式内置电动机主轴变速（电主轴）等形式内置电动机主轴变速（电主轴）等形式内置电动机主轴变速（电主轴）等形式   5.2.2 数控机床主轴的调速方法 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 1 1．有级变速（机械变速）．有级变速（机械变速）  有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。

图5-1所示：电机不具备变速功能，通过拨叉控制滑移齿轮啮合位置实现主轴变速  图5-1 有级变速系统 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 2 2．无级变速．无级变速    如图5-2所示，电机经同步齿形带传动主轴，电机是性能更好的交、直流主轴电机，其优点是变速范围宽，最高转速可达8000r/min，在传动上能基本能满足目前大多数数控机床的要求，易于实现丰富的控制功能、其结构简单、安装调试方便，可满足现在中高档数控机床的控制要求但对于越来越高的速度需求，该配置方式已难以满足图图5-2 5-2 无级变速传动结构无级变速传动结构    主传动采用无级变速，不仅能在一定的速度范围内选择到合理的切削速度，而且还能在运动中自动换速 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 3 3．分段无级变速．分段无级变速    数控机床在实际生产中，并不需要在整个变速范围内均为恒功率一般要求在中、高速段为恒功率传动，在低速段为恒转矩传动为了保证数控机床主轴低速时有较大的转矩和主轴的变速范围尽可能大，有的数控系统在交流或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速，如图5-3 图5-3 分段无级变速 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构  在小型数控机床上，或主传动系统要求振动小、噪声低的数控机床，也可采用平带、V带、齿形带以及多楔带等带传动形式形成分段无级变速系统。

在带有齿轮变速的分段无级变速系统中，有级变速机构的变速通常采用液压拨叉和电磁离合器两种变速形式1）液压拨叉变速机构： 液压变速机构的原理和形式可以用图5-4来说明 图5.4  三位液压拨叉变速机构的原理和形式1、5—液压缸  2—活塞杆  3—拨叉  4—套筒 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 2 2）电磁离合器变速）电磁离合器变速  电磁离合器能简化变速机构，便于实现自动化操作，它是通过安装在传动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴变速的 图5-5是啮合式电磁离合器（也称牙嵌式电磁离合器）的结构图 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 4 4．内置电动机主轴变速（电主轴）．内置电动机主轴变速（电主轴） 图5-6 电主轴  电主轴的出现大大简化了主运动系统结构，实现了所谓的“零传动”， 它具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的应用 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构                                                                                       数数控控机机床床的的主主轴轴部部件件是是数数控控机机床床的的重重要要组组成成部部分分之之一一，，包包括括主主轴轴的的支支承承和和安安装装在在主主轴轴上上的的传传动动零零件件等等。

它它的的回回转转精精度度影影响响工工件件的的加加工工精精度度，，它它的的功功率率大大小小与与回回转转速速度度影影响响加加工工效效率率，，它它的的自自动动变变速速、、准准停停和和换换刀刀影影响响机机床床的的自自动动化化程程度度因因此此，，要要求求主主轴轴部部件件具具有有良良好好的的回回转转精精度度、、结结构构刚刚度度、、抗抗振振性性、、热热稳稳定定性性及及部部件件的的耐耐磨磨性性和和精精度度的的保保持持性性对对于于自自动动换换刀刀的的数数控控机机床床，，为为了了实实现现刀刀具具的的自自动动装装卸卸和和夹夹持持，，还还必必须须有有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和切屑清除装置等结构刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和切屑清除装置等结构   5.2.3 5.2.3 5.2.3 5.2.3 数控机床的主轴部件数控机床的主轴部件数控机床的主轴部件数控机床的主轴部件 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构  机床主轴带动刀具或夹具在支承中作回转运动，应能传递切削转矩承受切削抗力，并保证必要的旋转精度目前，数控机床主轴的支承配置形式主要有三种,如图5-7 图5-7 主轴的常见支承配置形式 1 1．主轴部件的支承与润滑．主轴部件的支承与润滑第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 2 2．常用卡盘结构．常用卡盘结构 图5-8  液压驱动自定心卡盘 数控车床工件夹紧装置可采用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧夹头等。

为了减少数控车床装夹工件的辅助时间，广泛采用液压或气压动力自定心卡盘图5- 8为某数控车床上采用的一种液压驱动动力自定心卡盘第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 3 3．主轴准停装置．主轴准停装置．主轴准停装置．主轴准停装置 在数控镗床、数控铣床和以镗铣为主的加工中心上，为了实现自动换刀，使机械手准确地将刀具装入主轴孔中，刀具的键槽必须与主轴的键位在周向对准；在镗削加工退刀时，要求刀具向刀尖反方向径向移动一段距离后才能退出，以免划伤工件，这都需要主轴具有周向定位功能；另外，一些特殊工艺要求，如在通过前壁小孔镗内壁的同轴大孔，或进行反倒角等加工时，也要求主轴实现准停，使刀尖停在一个固定的方位上，以便主轴偏移一定尺寸后，使大刀刃能通过前壁小孔进入箱体内对大孔进行镗削，所以在主轴上必须设有准停装置 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 图5-9 主轴准停换刀 图5-10 磁传感器准停 目前，主轴准停装置很多，主要分为机械式和电气式两种第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构   4 4．主轴内刀具自动装卸及吹屑装置．主轴内刀具自动装卸及吹屑装置．主轴内刀具自动装卸及吹屑装置．主轴内刀具自动装卸及吹屑装置  在加工中心上，为了实现刀具在主轴上的自动装卸，除了要保证刀具在主轴上正确定位之外，还必须设计自动夹紧装置。

图5-11为自动换刀数控立式镗铣床（JCS-018）的主轴部件结构图 图5-11 JCS-018加工中心的主轴部件 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 § 5.3.1  5.3.1  数控机床进给传动系统要求数控机床进给传动系统要求数控机床进给传动系统要求数控机床进给传动系统要求   v1 1）提高传动精度和刚度）提高传动精度和刚度 v2 2）减少各运动零件的惯量）减少各运动零件的惯量 v3 3）减少运动件的摩擦阻力）减少运动件的摩擦阻力 v4 4）响应速度快）响应速度快 v5 5）较强的过载能力）较强的过载能力 v6 6）稳定性好，寿命长）稳定性好，寿命长 v7 7）使用维护方便）使用维护方便 5.3 5.3 数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动系统第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 1 1．滚珠丝杠的结构组成．滚珠丝杠的结构组成    滚珠丝杠由丝杠、螺母、滚珠和滚珠返回装置四部分组成滚珠丝杠由丝杠、螺母、滚珠和滚珠返回装置四部分组成。

按照按照滚滚珠的循珠的循环环方式，方式，滚滚珠珠丝丝杠螺母副分成内循杠螺母副分成内循环环方式和外循方式和外循环环方式两大方式两大类类（（见图见图5-125-12）    图5.12 滚珠丝杠螺母副的循环方式 v5.3.2  5.3.2  滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副   第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 •(1) 传动效率高、摩擦损失小 •(2) 运动灵敏，低速时无爬行 •(3) 传动精度高，刚性好 •(4) 滚珠丝杠螺母副的磨损很小，使用寿命长 •(5) 无自锁能力，具有传动的可逆性，故对于垂直使用的丝杠，由于重力的作用，当传动切断时不能立即停止运动，应增加自锁装置•(6) 滚珠丝杠螺母副制造工艺复杂，滚珠丝杠和螺母的材料，热处理和加工要求与滚动轴承相同，且螺旋滚道必须磨削，因而制造成本高 2. 滚珠丝杠螺母副的特点第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 3. 滚珠丝杠螺母副的选择  滚珠丝杠螺母杠的选择包括其精度选择、尺寸规格(包括导程与公称直径)、支承方式等几个方面的内容。

应该根据机床的精度要求来选用滚珠丝杠螺母副的精度，根据机床的载荷来选定滚珠丝杠的直径 在加工中心的设计中一般按额定动载荷来确定滚珠丝杠螺母副的尺寸规格，对细长而又承受压缩载荷的滚珠丝杠作压杆稳定性核算；对转速高，支承距离大的滚珠丝杠螺母副作临界转速校核；对精度要求高的滚珠丝杠作刚度校核；对数控机床，需核算其转动惯量；对全闭环系统，需核算其谐振频率 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 1)精度等级的选择 滚珠丝杠螺母副的精度将直接影响数控机床各坐标轴的定位精度滚珠丝杠螺母副按精度分为四种类型，见表5-1 精度等级应用范围代号名称P普通级普通机床B标准级一般数控机床J精密级精密机床、精密数控机床、加工中心、仪表机床C超精密级精密机床、精密数控机床、仪表机床、高精度加工中心表5-1滚珠丝杠螺母副的精度等级和应用范围 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 2) 结构尺寸的选择 滚珠丝杠螺母副的结构尺寸主要有：(1)名义直径D0(2)螺距t (3)丝杠长度L (4)滚珠直径d0(5)滚珠的工作圈数、列数和工作滚珠总数等尤其是名义直径与刚度直接相关，直径越大，承载能力和刚度越大，但直径大转动惯量也会随之增加，使系统的灵敏度降低。

所以，一般是在兼顾二者的情况下选取最佳直径 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 3) 验算   当有关结构参数选定后，还应根据有关规范进行扭转刚度、临界转速和寿命的验算1) 扭转刚度验算 滚珠丝杠在轴向力的作用下伸长或缩短，受扭矩作用会引起扭转变形，这将引起丝杠的导程发生变化，从而影响其传动精度及定位精度，因此滚珠丝杠应验算满载时的变形量 (2) 临界转速验算  丝杠轴的转速与丝杠自身的自振频率如果很接近，会导致强迫共振，影响机床正常工作 (3) 寿命验算  滚珠丝杠螺母副的寿命可根据有关经验公式校核，应保证总时间寿命Lt≥20000h  第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 4. 滚珠丝杠的支承结构滚珠丝杠的支承结构图5.13  滚珠丝杠在机床上的支承形式 (a)一端装推力轴承         (b)一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承 (c)两端装推力轴承  (d)两端装推力轴承及深沟球轴承 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 5. 滚珠丝杠的制动滚珠丝杠的制动  滚珠丝杠螺母副的传动效率高但不能自锁，需要设置制动装置(特别是用在垂直传动或高速大惯量场合时)。

最见的制动方式是电气电磁方式，即采用电磁制动器  图5.14 电磁制动器示意图1—旋转变压器  2—测速发电机转子  3—测速发电机定子  4—电刷5—永久磁铁  6—伺服电动机转子  7—电磁线圈  8—外齿轮  9—内齿轮 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 6. 滚珠丝杠螺母副的轴向间隙消除和预紧滚珠丝杠螺母副的轴向间隙消除和预紧 目前常用的双螺母预紧结构形式有以下三种1) 用锁紧螺母预紧 图5.15  螺纹调间隙式滚珠丝杠螺母副1—圆螺母  2—锁紧螺母 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 2) 修磨垫片调间隙 图图5.16 5.16 垫片调隙式滚珠丝杠螺母副垫片调隙式滚珠丝杠螺母副第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 3) 3) 齿差式调整齿差式调整齿差式调整齿差式调整   图5.17  齿差调隙式滚珠丝杠螺母副1、5—螺母  2—滚珠  3—套筒  4—丝杠  6—内齿圈第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 v5.3.3  5.3.3  直线电动机进给系统直线电动机进给系统直线电动机进给系统直线电动机进给系统与滚珠丝杠传动相比，直线电动机进给系统具有以下特点:(1) 速度快、加减速过程短。

(2) 精度高 (3) 传动刚度高 (4) 高速响应性 (5) 行程长度不受限制 (6) 运行时效率高、噪声小 (7) 宽的速度范围  图5.18  直线电动机进给系统1—导轨系统  2—笼型绕组二次侧  3—三相绕组一次侧  4—直线行程测量系统 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 v5.3.4  5.3.4  数控机床的导轨数控机床的导轨数控机床的导轨数控机床的导轨  导轨质量对机床的刚度、加工精度和使用寿命都有很大的影响，现代数控机床采用的导轨主要有塑料滑动导轨、滚动导轨和静压导轨1. 对导轨的基本要求(1) 导向精度高导向精度主要是指运动部件沿导轨运动时的直线度或圆度2) 足够的刚度导轨要有足够的刚度，保证在静载荷作用下不产生过大的变形，从而保证各部件间的相对位置和导向精度3) 良好的摩擦特性动导轨沿支承导轨面长期运行会引起导轨的不均匀磨损，破坏导轨的导向精度，从而影响机床的加工精度 (4) 低速运动的平稳性进给运动的爬行，会降低工件精度，故要求导轨低速运动平稳，不产生爬行，这对高精度机床尤其重要5) 阻尼特性好(高速时不振动)。

6) 结构工艺性好 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 塑料导轨2. 塑料滑动导轨  塑料滑动导轨具有摩擦因数低，且动、静摩擦因数差值小；减振性好，具有良好的阻尼性；耐磨性好，有自润滑作用；结构简单、维修方便、成本低等特点  塑料滑动导轨分为注塑导轨和贴塑导轨，导轨上的塑料常采用聚四氟乙烯导轨软带和环氧树脂耐磨涂料 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 3. 滚动导轨滚动导轨的特点：摩擦因数小，动、静摩擦因数差别小其启动阻力小，能微量准确移动，低速运动平稳，无爬行，因而运动灵活，定位精度高通过预紧可以提高刚度和抗振性，承受较大的冲击和振动，寿命长，是适合数控机床进给系统应用的比较理想的导轨元件常用的滚动导轨：有滚动导轨块和直线滚动导轨两种1) 滚动导轨块是一种圆柱滚动体作循环运动的标准结构导轨元件，其结构如图5.20所示特点是刚度高，承载能力大，便于拆装，它的行程取决于支承件导轨平面的长度缺点是导轨制造成本高，抗振性能欠佳 图5.19  滚动导轨块的结构 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构  (2) 直线滚动导轨：直线滚动导轨结构如图5.21所示，主要由导轨块、滑块、滚珠、保持架、端盖等组成。

由于它将支承导轨和运动导轨组合在一起，作为独立的标准导轨副部件由专门生产厂家制造，故又称单元式滚动导轨 图5.20  直线滚动导轨的结构1—压紧圈  2—支承块  3—密封板  4—承载钢珠列5—反向钢珠列  6—加油嘴  7—侧板  8—导轨  9—保持器 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 4. 液体静压导轨     液体静压导轨是将具有一定压力的油液，经节流器输送到导轨面上的油腔中，形成承载油膜，将相互接触的导轨表面隔开，实现液体摩擦这种导轨的摩擦因数小(一般为0.001～0.005)，机械效率高，能长期保持导轨的导向精度；承载油膜有良好的吸振性，低速时不易产生爬行，所以在机床上得到日益广泛的应用这种导轨的缺点是结构复杂，且需备置一套专门的供油系统，制造成本较高按承载方式的不同，液体静压导轨可分为开式和闭式两种图5.21(a)为开式液体静压导轨工作原理图 ，图5.21(b)为闭式液体静压导轨工作原理图 图5.21  液压静压导轨工作原理图 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 5.4  自动换刀装置自动换刀装置  自动换刀装置中，实现刀库与主轴间传递和装卸刀具的装置为刀具交换装置。

常见的自动换刀装置主要有回转刀架换刀、更换主轴头换刀、更换主轴箱换刀和带刀库的自动换刀系统等几种形式见表5-2第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 表5-2  自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 5.4.1  数控车床的回转刀架  数控车床的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置根据加工对象的不同，它可设计成四方刀架、六方刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式，相应地安装四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令回转、换刀一般情况下，回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等回转刀架按其工作原理分为若干类型，如图5.22所示图5.22(a)为螺母升降转位刀架，图5.22(b)为利用十字槽轮来转位及锁紧刀架 ，图5.22(c)所示为凸台棘爪式刀架，图5.22(d)所示为电磁式刀架，图5.22(e)所示为液压式刀架， 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 图5.22  回转刀架第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 5.4.2 加工中心自动换刀装置 加工中心是在普通数控机床的基础上增加了自动换刀装置及刀库，并带有自动分度回转工作台或主轴箱(可自动改变角度)及其他辅助功能，从而使工件在一次装夹后，可以连续、自动完成多个平面或多个角度位置的钻、扩、铰、镗、攻螺纹、铣削等工序的加工，工序高度集中的设备。

加工中心自动换刀装置的功能是通过机械手完成刀具的自动更换，它应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、结构紧凑、安全可靠等要求 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 1 1））直直线线刀刀库库：：刀刀具具在在刀刀库库中中直直线线排排列列、、结结构构简简单单，，存存放放刀刀具具的的数数量量有限有限( (一般一般8 8把～把～1212把把)  ) 2) 2) 圆圆盘盘刀刀库库：：存存刀刀量量少少则则6 6把把～～8 8把把，，多多则则5050把把～～6060把把，，其其有有多多种种形形式   3) 3) 链链式式刀刀库库：：这这种种刀刀库库刀刀座座固固定定在在链链节节上上，，常常用用的的有有单单排排链链式式刀刀库库，，如图如图5.23(5.23(a)a)所示，一般存刀量小于所示，一般存刀量小于3030把，个别达把，个别达6060把4) 4) 其其他他刀刀库库 ：：如如格格子子箱箱式式刀刀库库，，此此种种刀刀库库容容量量较较大大，，可可以以使使整整箱箱刀库与机外进行交换刀库与机外进行交换    1. 刀库的种类刀库的种类 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 图5.23  链式刀库第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 2. 换刀方式换刀方式图5.24 无机械手换刀结构示意图刀具的交换方式很多，一般可分为两大类。

1) 无机械手换刀 无机械手的换刀系统一般是采用把刀库放在机床主轴可以运动到的位置，或整个刀库(或某一刀位)能移动到主轴箱可以到达的位置，同时，刀库中刀具的存放方向一般与主轴上的装刀方向一致换刀时，由主轴运动到刀库上的换刀位置，利用主轴直接取走或放回刀具图5.24为某立式数控镗铣床无机械手换刀结构示意图 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 2) 机械手换刀 在加工中心中采用机械手进行刀具交换的方式应用最为广泛，这是因为机械手换刀装置所需的换刀时间短，换刀动作灵活图5.25为TH5632自动换刀过程 图5.25  TH5632自动换刀过程 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 图图图图5.26  5.26  双臂机械手的常见结构形式双臂机械手的常见结构形式双臂机械手的常见结构形式双臂机械手的常见结构形式   第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 常用的选刀方式主要有顺序选刀和任意选刀两种，任意选刀又分为刀具编码选刀、刀座编码选刀和记忆式选刀三种。

1) 顺序选刀方式 顺序选刀是在加工之前，将刀具按预定的加工工艺先后顺序依次插入刀库的刀座中，加工时按顺序选刀用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内但加工不同的工件时必须重新调整刀具顺序，因而操作十分烦琐；而且同一工件、不同工序加工时，刀具也不能重复使用由于该方式不需要刀具识别装置，驱动控制简单，工作可靠，因此，此种方式适合加工批量较大、工件品种数量较少的中、小型自动换刀数控机床3. 刀具的选择方式刀具的选择方式第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 2) 刀具编码选刀方式 这种方式是采用一种特殊的刀柄结构，对每把刀具按照二进制原理进行编码换刀时通过编码识别装置在刀库中识别所需的刀具刀具编码的识别方式主要有以下两种1) 接触式刀具识别图5.27为接触式刀具识别装置示意图 (2) 非接触式刀具识别常用的有磁性识别和光电识别法如图5.28所示为一种磁性识别装置示意图 图5.27  接触式刀具识别装置示意图图5.28 非接触式刀具识别装置示意图第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 3) 3) 刀座编码选刀方式刀座编码选刀方式 刀座编码选刀方式是对刀库中的刀座进行编码，并将与刀座编码对刀座编码选刀方式是对刀库中的刀座进行编码，并将与刀座编码对应的刀具放入刀座中，换刀时根据刀座的编码进行选刀。

由于这种编码方应的刀具放入刀座中，换刀时根据刀座的编码进行选刀由于这种编码方式取消了刀柄中的编码环，刀柄结构大为简化式取消了刀柄中的编码环，刀柄结构大为简化    刀座编码选刀方式分为永久性编码选刀方式和临时性编码选刀方式刀座编码选刀方式分为永久性编码选刀方式和临时性编码选刀方式   4) 4) 记忆式选刀方式记忆式选刀方式 目前，绝大多数采用加工中心记忆式选刀方式它取消了传统的编码目前，绝大多数采用加工中心记忆式选刀方式它取消了传统的编码环和识别装置，利用软件构制一个模拟刀库数据表，其长度和表内设置的环和识别装置，利用软件构制一个模拟刀库数据表，其长度和表内设置的数据与刀库的刀座数及刀具号对应，选刀时数控装置根据数据表中记录的数据与刀库的刀座数及刀具号对应，选刀时数控装置根据数据表中记录的目标刀具位置，控制刀库旋转，将选中的刀具送到取刀位置，用过的刀具目标刀具位置，控制刀库旋转，将选中的刀具送到取刀位置，用过的刀具可以任意存放，由软件记住其存放的位置，因此具有方便灵活的特点可以任意存放，由软件记住其存放的位置，因此具有方便灵活的特点   第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构  为为了了扩扩大大机机床床的的工工艺艺范范围围，，数数控控机机床床除除了了具具有有直直线线进进给给功功能能外外，，还还应应具具有有绕绕X X、、Y Y、、Z Z轴轴圆圆周周进进给给或或分分度度的的功功能能。

常常用用的的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台两种回转工作台有分度工作台和数控回转工作台两种 分分度度工工作作台台的的功功能能是是将将工工件件转转位位换换面面，，完完成成分分度度运运动动，，和和自自动动换换刀刀装装置置配配合合使使用用，，实实现现工工件件一一次次安安装装能能完完成成几几个个面面的的多多种工序 数数控控回回转转工工作作台台除除了了用用来来进进行行各各种种圆圆弧弧加加工工或或与与直直线线进进给给联动进行曲面加工外，还可实现精确的自动分度工作联动进行曲面加工外，还可实现精确的自动分度工作   5.5  数控机床的主要辅助装置数控机床的主要辅助装置 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构  数控回转工作台是数控铣床、数控镗床、加工中心等数控机床不可缺少的重要部件，其作用时按照控制装置的信号或指令作回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床能完成指定的加工工序其外形和分度工作台十分相似，但其内部结构却具有数控进给驱动机构的许多特点数控分为开环和闭环两种5.5.1  数控回转工作台数控回转工作台第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 图5.29  开环数控回转工作台结构图 1) 开环数控 开环数控由步进电动机驱动，其结构如图5.29所示。

步进电动机3经过齿轮2、齿轮6、蜗杆4和蜗轮15实现圆周进给运动齿轮2和齿轮6的啮合间隙是靠调整偏心环1来消除的 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 2) 2) 2) 2) 闭环数控回转工作台闭环数控回转工作台闭环数控回转工作台闭环数控回转工作台 闭环数控回转工作台闭环数控回转工作台闭环数控回转工作台闭环数控回转工作台的结构与开环数控回转工的结构与开环数控回转工的结构与开环数控回转工的结构与开环数控回转工作台大致相同，其区别在作台大致相同，其区别在作台大致相同，其区别在作台大致相同，其区别在于：闭环数控回转工作台于：闭环数控回转工作台于：闭环数控回转工作台于：闭环数控回转工作台有转动角度的测量元件有转动角度的测量元件有转动角度的测量元件有转动角度的测量元件( (圆圆圆圆光栅或感应同步器光栅或感应同步器光栅或感应同步器光栅或感应同步器) ) 图图图图5.305.30所示为闭环数控所示为闭环数控所示为闭环数控所示为闭环数控回转工作台结构图直流回转工作台结构图直流回转工作台结构图。

直流回转工作台结构图直流伺服电动机伺服电动机伺服电动机伺服电动机1515通过减速齿通过减速齿通过减速齿通过减速齿轮轮轮轮1414、、、、1616及蜗杆蜗轮副及蜗杆蜗轮副及蜗杆蜗轮副及蜗杆蜗轮副1212、、、、1313带动工作台带动工作台带动工作台带动工作台1 1回转，工作回转，工作回转，工作回转，工作台的转角位置用圆光栅台的转角位置用圆光栅台的转角位置用圆光栅台的转角位置用圆光栅9 9测测测测量   图5.30  闭环数控回转工作台结构图 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 5.5.2  分度工作台分度工作台 分度工作台的分度、转位和定位工作，按照控制系统的指令自动地进行，通常分度运动只限于某些规定的角度(45°、60°、90°、180°等)，但实现工作台转位的机构都很难达到分度精度的要求，所以要有专门的定位元件来保证常用的定位元件有插销定位、反靠定位、齿盘定位和钢球定位等几种 图5.31为某自动换刀数控卧式镗铣床分度工作台的结构图，是采用齿盘(也称为端面多齿盘、多齿盘、鼠齿盘)定位的分度工作台  第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 图图图图5.31  5.31  齿盘定位分度工作台齿盘定位分度工作台齿盘定位分度工作台齿盘定位分度工作台   第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 5.6  数控机床其他进给传动设计数控机床其他进给传动设计     数控机床中，无论是开环还是闭环伺服进给系统，为了达到前述提出的要求，机械传动装置的设计中应尽量采用低摩擦的传动副，如滚珠丝杠等，以减小摩擦力；通过选用最佳降速比来减小惯量；采用预紧的办法来提高传动刚度；采用消隙的办法来减小反向死区误差等。

下面从机械传动的角度对数控机床伺服系统的主要传动装置进行扼要介绍 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构  齿齿轮轮传传动动是是应应用用非非常常广广泛泛的的一一种种机机械械传传动动，，各各种种机机床床的的传传动动装装置置几几乎乎都都离离不不开开齿齿轮轮传传动动在在数数控控机机床床伺伺服服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个：进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个： 一一是是将将高高转转速速低低转转矩矩的的伺伺服服电电动动机机( (如如步步进进电电动动机机、、直直流流或或交交流流伺伺服服电电动动机机等等) )的的输输出出，，改改变变为为低低转转速速大大转转矩矩的执行件的输出；的执行件的输出； 另另一一个个是是使使滚滚珠珠丝丝杠杠和和工工作作台台的的转转动动惯惯量量在在系系统统中中占占有有较较小小的的比比重重此此外外，，对对开开环环系系统统还还可可以以保保证证所所要要求求的精度   v1. 齿轮传动装置第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构  在在在在步步步步进进进进电电电电动动动动机机机机驱驱驱驱动动动动的的的的开开开开环环环环系系系系统统统统中中中中( ( ( (图图图图5.32)5.32)5.32)5.32)，，，，步步步步进进进进电电电电动动动动机机机机至至至至丝丝丝丝杠杠杠杠间间间间设设设设有有有有齿齿齿齿轮轮轮轮传传传传动动动动装装装装置置置置，，，，其其其其速速速速比比比比决决决决定定定定于于于于系系系系统统统统的的的的脉脉脉脉冲冲冲冲当当当当量量量量、、、、步步步步进进进进电电电电动动动动机机机机步步步步矩矩矩矩角角角角及及及及滚珠丝杠导程，其运动平衡方程式为滚珠丝杠导程，其运动平衡方程式为滚珠丝杠导程，其运动平衡方程式为滚珠丝杠导程，其运动平衡方程式为   图5.32  开环系统丝杠传动 速比可如下公式计算：速比可如下公式计算：速比可如下公式计算：速比可如下公式计算：1) 1) 1) 1) 速比的确定速比的确定速比的确定速比的确定第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 (2) (2) 闭环系统。

闭环系统闭环系统闭环系统对于闭环系统，执行件的位置决定于反馈检测装置，与运动速度无直接关系，其速比主要是由驱动电动机的额定转速或转矩与机床要求的进给速度或负载转矩决定的，所以可对它进行适当的调整 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构  在驱动电动机至丝杠的总降速比一定的情况下，若啮合对数及各在驱动电动机至丝杠的总降速比一定的情况下，若啮合对数及各级速比选择不当，将会增加折算到电动机轴上的总惯量，从而增大电动级速比选择不当，将会增加折算到电动机轴上的总惯量，从而增大电动机的时间常数，并增大要求的驱动扭矩因此应按最小惯量的要求来选机的时间常数，并增大要求的驱动扭矩因此应按最小惯量的要求来选择齿轮啮合对数及各级降速比，使其具有良好的动态性能择齿轮啮合对数及各级降速比，使其具有良好的动态性能 图图5.335.33所示为机械传动装置中的两对齿轮降速后，将运动传到丝杠所示为机械传动装置中的两对齿轮降速后，将运动传到丝杠的示意图的示意图   2) 2) 2) 2) 啮合对数及各级降速比的确定啮合对数及各级降速比的确定啮合对数及各级降速比的确定啮合对数及各级降速比的确定 将 代入，得两对齿轮间满足最小惯量要求的降速比关系式： 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 v2. 同步齿形带传动  同步齿形带传动，是一种新型的带传动，如图5.34所示。

它利用同步齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传动运动和动力，因而兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，即无相对滑动，平均传动比准确，传动精度高，而且同步齿形带的强度高，厚度小，质量小，故可用于高速传动；同步齿形带无须特别张紧，故作用在轴和轴承等上的载荷小，传动效率高，在数控机床上亦有应用 图5.34  同步齿形带传动 第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构  数控机床在机械性能方面形成了自身独特的风格数控机床在机械性能方面形成了自身独特的风格1) (1) 主主传传动动系系统统为为了了保保证证数数控控机机床床主主传传动动的的精精度度，，减减小小噪噪声声，，数数控控机机床床主主传传动动链链要要尽尽可可能能地地缩缩短短为为保保证证数数控控机机床床能能满满足足不不同同的的工工艺艺要要求求并并且且能能够够获获得得最最佳佳的的切切削削速速度度，，主主传传动动系系统统的的变变速速范范围围要要求求宽宽，，并并能能实实现现无无级级调调速2) (2) 进进给给传传动动系系统统传传动动部部件件的的刚刚度度、、精精度度、、惯惯性性和和传传动动间间隙隙及及摩摩擦擦阻阻力力直直接接影影响响了了数数控控机机床床的的定定位位精精度度和和轮轮廓廓加加工工的的精精度度。

采采用用滚滚珠珠丝丝杠杠螺螺母母副副并并进进行行预预拉拉紧紧，，采采用用静静压压丝丝杠杠螺螺母母副副、、直直线线导导轨轨副副、、静静压压导导轨轨和和塑塑料料导导轨轨等等高高效效执执行行部部件件，，可可有有效效的的提提高高运运动动精精度度，，避避免免爬爬行行现现象象直直线线电电动动机机进进给系统是一种具有代表性的先进技术之一给系统是一种具有代表性的先进技术之一3) (3) 自自动动换换刀刀装装置置自自动动换换刀刀装装置置应应满满足足换换刀刀时时间间短短，，刀刀具具重重复复定定位位精精度度高高，，刀刀具具存存储储量量大大，，刀刀库库占占地地面面积积小小及及安安全全可可靠靠等等要要求求典典型型的的自自动动换换刀刀装置主要有回转刀架换刀、无机械手自动换刀、机械手自动换刀装置等装置主要有回转刀架换刀、无机械手自动换刀、机械手自动换刀装置等4) (4) 数数控控机机床床的的辅辅助助装装置置采采用用数数控控回回转转工工作作台台、、分分度度工工作作台台、、排排屑屑装装置置等可使机械加工的效率大为提高等可使机械加工的效率大为提高5.7  5.7  本本本本   章章章章   小小小小   结结结结第第第第5 5 5 5章章章章数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构数控机床机械机构 5.8  5.8  思考题与习题思考题与习题思考题与习题思考题与习题 2. 数控机床对主传动系统有哪些要求？3. 主传动系统有哪几种变速方式?4. 加工中心主轴为何需要“准停”？如何实现“准停”？6. 加工中心主轴内孔吹屑装置的作用是什么？7. 数控机床对进给系统有哪些要求？10. 滚珠丝杠螺母副有哪些特点？11. 数控机床对导轨的基本要求有哪些？12. 塑料导轨、滚动导轨、静压导轨各有何特点? 13. 与滚珠丝杠传动相比，直线电动机进给驱动系统具有哪些特点？15. 数控车床回转刀架换刀一般需要哪几个动作？19. 数控机床的数控回转工作台和分度工作台有何区别？。