数控机床的机械结构与传动
数控机床的机械结构概述ppt(52张)
数控机床的机械结构概述(ppt52页)
数控机床结构与装调工艺
具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件
数控机床结构与装调工艺
广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品
数控机床进行的是高速、高精度加工，再简化机械结构 的同时，对于机械传动装置和元件也提出了更高的要求。高 效、无间隙传动装置和元件在数控机床上去得了广泛的应用。 如：滚珠丝杠副、塑料滑动导轨、静压导轨、直线滚动导轨 等高效执行部件，不仅可以减少进给系统的摩擦阻力，提高 传动效率；而且还可以使运动平稳和获得较高的定位精度。
数控机床的机械结构概述(ppt52页)
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数控机床结构与装调工艺
对机械结构、零部件的要求高
高速、高效、高精度的加工要求，无人化管理以及工艺复 合化、功能集成化，一方面可以大大的提高生产率，同时，也 必然会使机床的开机时间，工作负载随之增加，机床必须在高 负荷下，长时间可靠工作。因此，对组成机床的各种零部件和 控制系统的可靠性要求很高。
数控机床的机械结构概述(ppt52页)
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数控机床结构与装调工艺
三、数控机床对机械结构的基本要求
具有较高的静、动刚度和良好抗震性
机床的刚度反映了机床机构抵抗变形的能力。机床 变形产生的误差，通常很难通过调整和补偿的方法予以 彻底的解决。为了满足数控机床高效、高精度、高可靠 性以及自动化的要求，与普通机床相比，数控机床应具 有更高的静刚度。此外，为了充分发挥机床的效率，加 大切削用量，还必须提高机床的抗震性，避免切削时产 生的共振和颤振。而提高机构的动刚度是提高机床抗震 性的基本途径。
数控车床结构与传动原理
普通车床
数控车床
主轴、三爪卡盘 (主轴系统) 人机交互界面 (计算机部分)
床身
刀架 (自动换刀装置)
尾座 (副主轴)
滑板箱 (进给系统)
润滑冷却装置 过载、限位等保护装置
排屑装置 辅助对刀仪 气动、液压装置
(a) 水平床身
(b) 斜床身 (c) 平床身斜滑板
定比传动采用齿轮传动或带传动； 带传动主要应用于小型数控车床。
(c) 由主轴电动机直接驱动的传动方式
电动机与主轴用联轴器同轴联结，简化了主轴 结构，提高了主轴刚度； 但是主轴扭矩小，电动机发热对主圈光栅
主轴箱
III 轴
II 轴
主轴
Z48
I轴
齿形带 主轴电机
Z84 Z29 双联滑移齿轮
数控车床进给系统传动示意图
旋 转 运 动 直线运动 1 — 螺母；2 — 丝杠；3 — 滚珠；4 — 导珠管
滚珠丝杠螺母副的轴向间隙调整
中小型数控车床的进给系统一般采用滚珠丝杠传动。伺服电机与 滚珠丝杠的传动连接方式有两种：
锥环连接
这是消除转动间隙的一种比较理想的连接方式，它靠内外锥环锥 面压紧后产生的摩擦力传递动力，避免了键连接产生的间隙。
齿形带连接
为了消除齿形带传动对精度的影响，将脉冲编码器安装在滚珠丝 杠的端部，以直接对滚珠丝杠的旋转状态进行检测，使进给速度和进 给量更加精确。
Z27 示意图（低速区）
Z60
Z60
Z86
圈光栅
主轴箱
III 轴
II 轴
主轴
Z48
I轴
齿形带 主轴电机
Z84 Z29 双联滑移齿轮
Z27 示意图（高速区）
数控机床常用的主传动的机械结构
数控机床的主轴部件一般包括主轴、主轴轴承和传动件等。
对于加工中心，主轴部件还包括刀具自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔的切屑消除装置。
1．主轴轴承的配置形式数控机床主轴轴承主要有以下几种配置形式：（1）前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60度角接触双列向心推力球轴承，后支承采用向心推力球轴承，如图2-30（a）所示。
（2）前支承采用高精度双列向心推力球轴承，如图2-30（b）所示。
（3）前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承采用单列圆锥滚子轴承，如图2-30（c）所示。
在主轴的结构上必须处理好卡盘或刀具的安装、主轴的卸荷、主轴轴承的定位、间隙调整、主轴部件的润滑和密封等问题。
对于某些立式数控加工中心，还必须处理好主轴部件的平衡问题。
2．主轴的自动装夹和切屑消除装置在加工中心上，为了实现刀具在主轴上的自动装卸，其主轴必须设计有自动夹紧机构。
例如自动换刀数控立式镗铣床（JCS-018）的主轴部件如图2-31所示。
3．主轴准停装置加工中心的主轴部件上设有准停装置，其作用是使主轴每次都准确地停在固定不变的周向位置上，以保证自动换刀时主轴上的端面键能对准刀柄上的键槽，同时使每次装刀时刀柄与主轴的相对位置不变，提高刀具的重复安装精度，从而可提高孔加工时孔径的一致性。
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。
目前，主轴准停装置很多，主要分为机械式和电气式两种。
JCS-018加工中心采用电气准停装置，其原理见图2-32。
在带动主轴旋转的多楔带轮1的端面上装有一个厚垫片4，垫片上装有一个体积很小的永久磁铁3，在主轴箱箱体的对应于主轴准停的位置上，装有磁传感器2。
当机床需要停车换刀时，数控装置发出主轴停转的指令，主轴电动机立即降速，在主轴以最低转速慢转几圈、永久磁铁3对准磁传感器2时，磁传感器发出准停信号，该信号经放大后，由定向电路控制主轴电动机停在规定的周向位置上。
数控机床的组成及基本工作原理
数控机床的组成及基本工作原理数控机床是一种利用数字编程控制工作的机床。
它由三个基本部分组成：机械系统、传动系统和控制系统。
下面将详细介绍数控机床的组成和基本工作原理。
一、机械系统机械系统是数控机床的基础，它由床身、主轴箱、伺服系统等组成。
1.床身：床身是数控机床的基础，主要承载着机床其他部件。
床身通常由铸铁或钢板焊接而成，具有较高的强度和刚性，以保证机床的稳定性。
2.主轴箱：主轴箱包含了主轴系统和进给系统，主轴通过驱动系统将切削工具与工件连接，实现切削加工。
进给系统控制工件在X、Y、Z三个方向上的运动，使切削工具能沿指定路线精确地切削工件。
3.伺服系统：伺服系统负责控制切削工具和工件的相对运动。
它由伺服电机、伺服控制系统、逆变器和编码器等组成。
伺服电机通过接受数控系统发送的控制信号，精确控制机床的位置和速度，从而实现精确的切削加工。
二、传动系统传动系统负责传递电能和运动，将数控机床的控制信号传递给各个运动部件。
主要由电源、变频器、伺服电机、传感器等组成。
1.电源：电源为数控机床提供所需的电能。
通常使用三相交流电源。
2.变频器：变频器将交流电源转换为直流电源，以满足数控机床的要求。
3.伺服电机：伺服电机是数控机床的关键部件，它负责实现机床的精准运动。
伺服电机通常由电动机、编码器和速度控制器组成。
4.传感器：传感器用于检测机床各个部件的状态，将检测到的信号转换为电信号，反馈给数控系统。
三、控制系统控制系统是数控机床的大脑，它由数控装置、软件系统、输入输出设备等组成。
1.数控装置：数控装置是数控机床的核心，主要负责数控程序的编写和生成。
它接收操作员输入的加工参数和控制命令，经过处理之后发送给伺服系统。
3.输入输出设备：输入输出设备用于与数控装置进行交互。
常用的输入设备有键盘、鼠标和触摸屏；输出设备有显示器、打印机和数控机床本身。
基本工作原理：1.数控编程：操作员使用数控装置进行编程，编写出所需的加工程序。
数控机床的机械结构与传动
第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.1 滚珠丝杠螺母结构
滚珠丝杠螺母副的选用
滚珠丝杠螺母副的选择包括其精度、尺寸规格、支 撑方式等几个方面。
根据机床精度选用丝杠副的精度，根据机床载荷来 选定丝杠直径，对细长而又承受轴向压缩载荷的滚珠丝 杠，需核算压杆稳定性；对转速高，支撑距离大的滚珠 丝杠副需校核临界转速；对精度要求高的滚珠丝杠需校 核刚度。 1）精度等级的选择； 2）结构尺寸的选择； 3）验算。
主传动在中、高速 段为恒功率传动， 在低速段为恒转矩 传动。
第三节 数控机床的主传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
3.2 主轴部件的结构
主轴部件的支撑与润滑
机床主轴带动刀具或夹具在支撑中做回转运动，应能传递切削转矩、受 切削抗力，并保证必要的旋转精度。
常用卡盘结构
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。
第四节 数控机床的进给传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
4.2 数控机床进给传动系统的基本形式
实现直线进给运动主要有三种形式： 1）通过丝杠螺母副，将伺服电动机的旋 转运动变成直线运动。 2）通过齿轮、齿条副，将伺服电动机的 旋转运动变成直线运动。 3）直接采用直线电动机进行驱动。
减少传动件。 4）在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹
紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、 机械手的正确位置。 5）有C轴功能要求时，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。
第三节 数控机床的主传动系统
第二章 数控机床的机械结构与传动
3.1 主传动的基本要求和变速方式
第6章 数控机床的机械结构
1．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。按照滚珠的循环方式，滚珠丝杠螺母副分 内循环方式和外循环方式两大类。 内循环方式指在循环过程中滚珠始终保持和丝杠 接触，如图6.16所示。
图6.16 滚珠丝杠内循环方式 1-丝杠；2-反向器；3-滚珠；4-螺母
2）减少各运动零件的惯量
传动件的惯量对进给系统的启动和制动特性都有 影响，尤其是高速运转的零件，其惯量的影响更大。 3）减少运动件的摩擦阻力 机械传动结构的摩擦阻力，主要来自丝杠螺母副 和导轨。 4）响应速度快 快速响应是伺服系统的动态性能，反映了系统的 跟踪精度。它是工件在加工过程中，工作台在规定的 速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，且不出现丢步现 象。
1-主轴 2-同步齿形带 3-主轴电机 4-永久磁铁 5-磁传感器 图6.11 加工中心主轴准停装置
4．主轴部件的结构
（1）数控车床主轴部件的结构 数控车床的主传动系
统一般采用交流无级调速电动机，通过皮带传动，带 动主轴旋转。 图 6.12为数控车床主轴外观图。图 6.13 为数控车床主轴部件的典型结构图。主轴电动机通过 带轮15把运动传给主轴7。
1. 齿轮变速的主传动方式
如图6.6（a）所示，主轴电机经过二级齿轮变速， 使主轴获得低速和高速两种转速系列，这种分段无级 变速，确保低速时的大扭矩，满足机床对扭矩特性的 要求，是大中型数控机床采用较多的一种配置方式。
2. 带传动主传动方式
如图6.6（b）所示，主轴电机经带传动传递给主轴， 带传动主要采用 V型带或齿形带传动，可以避免齿轮 传动时引起的振动与噪声，且其结构简单、安装调试 方便，应用广泛。
1．主轴部件的支承与润滑 根据主轴部件的工作精度、刚度、温升和结构的
数控机械传动知识点总结
数控机械传动知识点总结一、数控机床的传动方式1. 机械传动机械传动是数控机床上常用的传动方式，主要包括齿轮传动、链传动、带传动等。
在数控机床中，齿轮传动多用于主轴传动，链传动多用于变速传动，而带传动则多用于传动副的传动。
2. 电气传动电气传动是借助电机实现传动，采用变频器和伺服系统实现步进传动或闭环控制，因此能够实现高速、高精度的传动效果。
3. 液压传动液压传动主要通过液压缸来实现工件夹紧、换刀、换位、旋转等功能。
液压传动具有功率密度大、传动平稳、操作方便等特点，因此在数控机床上应用广泛。
二、机械传动的知识点1. 齿轮传动(1) 齿轮传动的分类按传动方式分为平行轴齿轮传动和直角轴齿轮传动；按齿轮传动比分为等速齿轮传动和非等速齿轮传动。
(2) 齿轮的参数和计算齿轮的参数主要包括模数、齿数、分度圆直径、齿顶高等，计算齿轮的参数需要考虑传动比、中心距、齿轮厚度等。
(3) 齿轮的制造和精度齿轮的制造主要包括铸造、锻造、车削和磨削等工艺，在制造过程中需要控制齿轮的模数、齿数、齿顶隙、齿根圆等参数，以保证齿轮的精度。
2. 链传动(1) 链传动的工作原理链传动依靠链条的柔性来传递动力，链条包括链轮、链板和滚子，在传动过程中需要保证链条的张紧和润滑。
(2) 链条的计算和设计链条的计算主要包括链条的尺寸、链轮的选择、链条的轴距、链条的张紧方式等，需要根据实际传动功率和工作条件来确定。
3. 带传动(1) 带传动的分类带传动分为平动带传动和皮带传动，其中平动带传动主要用于长距离传递功率，而皮带传动主要用于变速传动和工作环境要求较严格的场合。
(2) 带传动的设计和计算带传动的设计需要考虑带速比、中心距、带轮尺寸、带条数、张紧装置等参数，同时还需要考虑带传动的强度和工作效率。
三、电气传动的知识点1. 电机的分类与特点电机根据使用场合可以分为交流电机和直流电机，根据工作原理可以分为异步电机和同步电机，根据结构形式可以分为开放式电机和封闭式电机。
数控机床的主传动系统
数控机床的主传动系统一、主传动装置1．数控机床主传动系统的特点（1）转速高、功率大(2）调速范围宽（3）主轴能自动实现无级变速，转速变换迅速可靠（4）数控机床的主轴组件具有较大的刚度、较高的精度和高的耐磨性能（5）在加工中心上，还具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。
（6)为了扩大机床功能，一些数控机床的主轴能实现C轴功能（主轴回转角度的控制）2．数控机床主传动装置（1）带有二级齿轮的变速装置确保低速时输出大扭矩，扩大恒功率调速范围，以满足机床重切削时对输出扭矩特性的要求。
（2)采用定比传动装置定比传动装置常用同步齿形带或三角带连接电机与主轴，避免了齿轮传动引起的振动与噪声。
（3）采用电主轴电主轴传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构,主轴部件的刚性更好。
但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴影响较大,需对主轴进行强制冷却.二、主轴结构1．数控车床主轴部件结构1、5—螺钉；2—带轮连接盘；3、15、16—螺钉；4—端盖；6—圆柱滚珠轴承；7、9、11、12—挡圈；8—热调整套；10、13、17—角接触球轴承；14—卡盘过渡盘；18—主轴；19—主轴箱箱体数控车床主轴部件结构示意图1—驱动爪；2—卡爪；3—卡盘；4—活塞杆；5—液压缸；6、7—行程开关液压驱动动力的自定心夹盘2．数控加工中心（镗、铣床）主轴部件结构（1）刀具夹紧装置和切屑清除装置1－刀架；2－拉钉；3－主轴；4-拉杆；5－碟形弹簧；6－活塞；7－液压缸（或气缸）；8、10－行程开关；9－压缩空气管接头；11－弹簧；12－钢球；13－端面键数控立式加工中心主轴部件（2)主轴准停装置1－多楔带轮；2－磁传感器；3－永久磁铁；4－垫片；5－主轴主轴准停装置的工作原理3．内装电主轴的主轴部件结构1－刀具系统；2、9－捕捉轴承；3、8－传感器；4、7－径向轴承；5－轴向推力轴承；6－高频电动机；10－冷却水管路；11－气－液压力放大器用磁悬浮轴承的高速加工中心电主轴部件1—转子；2—定子；3—箱体；4—主轴数控车床电主轴部件电主轴主要融合了以下技术：（1）高速电机技术其关键技术是高速度下的动平衡。
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第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.2 齿轮传动间隙消除结构
消除间隙 的方法
刚性调整法是 调整后齿侧间 隙不能自动补 偿的调整法
柔性调整法是 调整之后齿侧 间隙仍可自动 补偿的调整法
第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.3 机床导轨
对导轨的基本要求
图2-3 两种形式的内循环方式示意图
第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.1 滚珠丝杠螺母结构
滚珠丝杠螺母副的选用
滚珠丝杠螺母副的选择包括其精度、尺寸规格、支 撑方式等几个方面。
根据机床精度选用丝杠副的精度，根据机床载荷来 选定丝杠直径，对细长而又承受轴向压缩载荷的滚珠丝 杠，需核算压杆稳定性；对转速高，支撑距离大的滚珠 丝杠副需校核临界转速；对精度要求高的滚珠丝杠需校 核刚度。 1）精度等级的选择； 2）结构尺寸的选择； 3）验算。
塑料滑动导轨
塑料滑动导轨具有摩擦系数低，且动、静摩擦系数差值小； 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。
按照成形方法分
贴塑导轨
注塑导轨
第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.3 机床导轨
滚动导轨
动摩擦导轨具有摩擦系数小，动静摩擦系数差别小，启动阻 力小，能微量准确移动，低速运动平稳，不宜发生爬行的特点， 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载荷，寿命长，是适合数控机床进给系统 应用，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。
导轨质量对机床的刚度、加工精度和使用寿命具有很大的 影响，作为机床进给系统的重要环节，数控机床的导轨比普 通机床的导轨要求更高。 1）导向精度高 ； 2）足够的刚度； 3）良好的耐磨性； 4）摩擦特性好； 5）抗振性与结构工艺性好。
第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.3 机床导轨
图2-2 外循环方式示意图
第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.1 滚珠丝杠螺母结构
滚珠丝杠螺母副的循环方式
内循环
内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种形式。图2-3（a）所 示为圆柱凸键反向器，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽2。 反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键1定位，以保证对准螺纹滚道方向。图 2-3（b）所示为扁圆镶块反向器，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3，用镶块的外廓定位 。
滚珠丝杠螺母副的循环方式
按滚珠在滚道 内的循环方式分
滚珠在循环过 程中有时与丝 杠脱离接触的 称为外循环
滚珠在循环过 程中始终与丝 杠保持接触的 称为内循环
第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.1 滚珠丝杠螺母结构
滚珠丝杠螺母副的循环方式
外循环
这种结构是在螺母体上轴向相隔数个导程处钻两个孔与螺旋槽相切，作 为滚珠的进口与出口，再在螺母的外表面上铣出回珠槽并沟通两孔。另外 在螺母内进口、出口处各装一挡珠器，并在螺母外表面装一套筒，这样构 成封闭的循环滚道。
2.1 滚珠丝杠螺母结构
滚珠丝杠的制动
滚珠丝杠螺母副传动效率很高，但不能自 锁，用在垂直传动或水平放置的高速大惯量 传动中，必须装有制动装置。常用的制动方 法有超越离合器、电磁摩擦离合器或使用具 有制动装置的伺服驱动电动机。
第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.1 滚珠丝杠螺母结构
滚珠丝杠螺母副的轴向间隙消除和预紧
滚珠丝杠副对轴向间隙有严格的要求，以保证反向时的运动 精度。所谓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。它除了结构本身的游隙之外，还包括 在施加轴向载荷之后弹性变形所造成的窜动。因此要把轴向间 隙完全消除比较困难，通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变 形控制在允许的范围内。 1）用锁紧螺母预紧； 2）修磨垫片调间隙 ； 3）齿差式调整
第一节 概述
第二章 数控机床的机械结构与传动
1.2 数控机床对机械结构的基本要求
1）较高的机床静、动刚度及良好的抗振性 ； 2）减小机床的热变形 ； 3）减少运动件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）操作方便安全可靠 。
第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.1 滚珠丝杠螺母结构
滚珠丝杠的支撑形式
为了提高螺母支撑的轴向刚度，选择适当的滚动轴承及 其支撑方式是十分重要的。常用的支撑方式有下列几种， 如图2-4所示。
构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.1 滚珠丝杠螺母结构
滚珠丝杠螺母副的工作原理
滚珠丝杠螺母副是机床上常用的将旋转运动转换为直线 运动的传动机构。
1—螺母； 2—滚珠； 3—丝杠； a—滚珠出口； b—滚珠回路通道； c—滚珠入口
图2-1 滚珠丝杠螺母副的结构原理
第二节 数控机床的典型机械结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
2.1 滚珠丝杠螺母结构
第二章 数控机床的机械结构与传动
概述 数控机床的典型机械结构 数控机床的主传动系统
数控机床的进给传动系统
第一节 概述
第二章 数控机床的机械结构与传动
1.1 数控机床机械结构的特点
为了简化机械传动结构、缩短传动链，数控机床多 采用高性能的无级变速主轴及伺服传动系统
为了适应连续的自动化加工和提高生产效率，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
为了减小摩擦、消除传动间隙和获得高加工精度， 数控机床更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠螺 母副、塑料导轨、滚动导轨、静压导轨等
为了改善劳动条件、改善操作性能、提高劳动生产 率，数控机床采用多主轴、多刀架结构，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
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形的措施