数控机床的机械传动系统

数控机床的机械传动系统 第三章 数控机床的机械传动系统 第一节 数控机床的主传动系统 一、数控机床主传动系统的特点 数控机床是一种高精度、高效率的自动化机床，它的机械部分较普通机床有更高的要求，如高精度、高刚度、高速度、低摩擦等。因此，无论是从机床布局、基础件结构设计，还是轴承的选择与配置，都十分注意提高它们的刚度;零部件的制造精度和精度保持性都比普通机床提高很多，基本上按精密或高精密机床考虑，如主轴轴承都采用C级或超C级轴承，传动丝杠采用高精度的滚珠丝杠螺母副。主传动和进给传动都广泛采用高性能的交、直流伺服电动机驱动。此外为提高数控机床的灵敏度，改善摩擦特性，数控机床普遍采用了滚珠丝杠螺母副、滚动导轨、贴塑导轨以降低摩擦损失，减少动、静摩擦系数之差，以避免爬行。为了防止不灵敏区产生，在进给传动系统中普遍采用消除间隙和预紧的措施。 数控机床与普通机床比较，具有下列特点: (1)转速高，功率大，数控机床能进行大功率切削和高速切削，从而实现高速加工。 (2)主轴转速的变换迅速可靠，并能自动无级变速，使切削工作始终在最佳状态下运行。 (3)为实现刀具的快速及自动装卸，其主轴还设计有刀具自动装卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。 主传动系统是实现主运动的传动系统，它的转速高、传递的功率大，是数控机床的关键部件之一，对它的精度、刚度、噪声、温升、热变形都有严格的要求。 73 二、数控机床主轴变速方式 目前，主传动系统大致可分为以下大类。 1.带有变速齿轮的主传动 如图3-1a)所示，通过少数几对齿轮降速，以满足主轴低速时对扭矩特性的要求。数控机床在交流或直流电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。滑移齿轮的移位大都采用液压缸和拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。 2.通过带传动的主传动 如图3-1b)所示，这种传动主要应用在小型数控机床上，由交流电机通过V带直接带动主轴。这种传动方式可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声，但只能适用于低扭矩特性要求的主轴。 3.调速电机直接驱动的主传动 如图3-1c)所示，这种主传动方式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，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴影响较大。 b)( (a)(c) 图3-1 主传动型式 三、主轴组件 数控机床主轴部件是影响机床加工精度的主要部件，它的回转精度，影响工件的加工精度;它的功率大小与回转速度，影响加工效率;它的自动变 74 速、准停、换刀等，影响机床的自动化程度。因此，要求主轴部件具有与本机床工作性能相适应的高的回转精度、刚度、抗振性、耐磨性和低的温升;在结构上，必须很好地解决刀具或工件的装夹、轴承的配置、轴承间隙调整、润滑密封等问。 (一)主轴组件的类型 主轴组件按运动方式可分为五类: (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。如钻床和镗床等的主轴组件。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。 (4)既有旋转运动又有径向进给运动的主轴组件。如卧式镗床的平旋盘主轴部件、组合机床的镗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。 (二)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。 75 1. 主轴直径 主轴直径越大，其刚性越高，但轴承和轴上其它零件的尺寸也相应增大。轴承的直径越大，同等级精度轴承的公差值也就越大，要保证主轴的旋转精度就越困难，同时极限转速也下降。 2. 主轴内孔直径 主轴内孔用来通过棒料，用于通过刀具夹紧装置固定刀具以及传动气动或液压卡盘等。主轴孔径越大，可通过的棒料直径就越大，机床的使用范围就越宽，同时主轴部件也越轻。主轴孔径大小主要受主轴刚度的制约。当主轴的孔径与主轴直径之比小于0.3时，空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当;为0.5时，空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90%;大于0.7时，空心主轴的刚度急剧下降。 3. 悬伸长度 主轴的悬伸长度与主轴前端结构的形状尺寸、前轴承的类型和组合方式以及轴承的润滑与密封有关。主轴的悬伸长度对主轴的刚度影响很大，主轴悬伸长度越短，其刚度越好。 4. 主轴的支承跨距 主轴组件的支承跨距对主轴本身的刚度都有很大的影响。 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。 (三)主轴轴承 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、钻镗床、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 4速达(2,10)×10r/min的主轴可采用磁力轴承或氮化硅材料的陶瓷滚珠轴 76 承。 四、主轴组件的润滑与密封 主轴组件的润滑与密封是使用和维护过程中值得重视的问题。良好的润滑效果可以降低轴承的工作温度，延长其使用寿命。密封不仅要防止灰尘、屑末和切削液进入，还要防止润滑油的泄漏。 (一)主轴润滑 数控机床主轴的转速高，为减少主轴发热，必须改善轴承的润滑方式。润滑的作用是在摩擦副面形成一层薄油膜，以减少摩擦发热。在数控机床上的润滑一般采用高级油脂封入方式润滑，每加一次油脂可以使用7,10年。也有用油气润滑，除在轴承中加入少量润滑油外，还引入压缩空气，使滚动体上包有油膜起到润滑作用，再用空气循环冷却。 (二)主轴的密封 主轴的密封有接触式和非接触式两种。 (a)(b)(c) 图3-2 非接触式密封 几种非接触密封的形式如图3-2所示。图3-2a)是利用轴承盖与轴的间隙密封，在轴承盖的孔内开槽是为了提高密封效果;这种密封用于工作环境比较清洁的油脂润滑处。图3-2b)是在螺母的外圆上开锯齿形环槽，当油向 77 外流时，靠主轴转动的离心力把油沿斜面甩到端盖的空腔内，油液再流回箱内。图3-2c)是迷宫式密封的结构，在切屑多、灰尘大的工作环境下可获得可靠的密封效果;这种结构适用于油脂或油液润滑的密封。 接触式密封主要有油毡圈和耐油橡胶密封圈密封两种。 五、主轴的准停 主轴准停功能又称主轴定位功能(spindle specified position stop),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。在自动换刀的镗铣加工中心上，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3-3所示。 NS主轴锥孔发磁体 主轴电动机键磁力传感器主轴 刀具柄键槽刀具 图3-3 主轴准停换刀 图3-4 磁传感器准停 主轴准停可分为机械准停和电气准停。 机械准停采用机械凸轮等机构和光电盘方式进行初定位，然后由定位销(液压或气动)插入主轴上的销孔或销槽完成定位，换刀后定位销退出，主轴才可旋转。采用此方法定向比较可靠、准确，但结构复杂。 电气准停有磁传感器准停、编码器型准停和数控系统准停。常用的磁传感器准停装置如图3-4所示，它是在主轴上安装一个发磁体，使之与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹1,2mm处固定一个磁传感器。磁传感器经过放大器与主轴控制单元连接，当主轴需要定向准停时，便控制主轴停止在调整好的位置上。 78 第二节 数控机床的进给运动系统 一、概述 数控机床进给运动系统，尤其是轮廓控制的进给运动系统，必须对进给运动的位置和运动的速度两个方面同时实现自动控制，与普通机床相比，要求其进给系统有较高的定位精度和良好的动态响应特性。一个典型数控机床闭环控制的进给系统，通常由位置比较放大单元、驱动单元、机械传动装置及检测反馈元件等几部分组成。这里所说的机械传动装置是指将驱动源的旋转运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、转动变移动的丝杠螺母副及导向元件等等。为确保数控机床进给系统的传动精度、灵敏度和工作的稳定性，对机械部分设计总的要求是消除间隙，减少摩擦，减少运动惯量，提高传动精度和刚度。另外，进给系统的负载变化较大，响应特性要求很高，故对刚度、惯量匹配都有很高的要求。 为了满足上述要求，数控机床一般采用低摩擦的传动副，如减摩滑动导轨、滚动导轨及静压导轨、滚珠丝杠等;保证传动元件的加工精度，采用合理的预紧、合理的支承形式以提高传动系统的刚度;选用最佳降速比，以提高机床的分辨率，并使系统折算到驱动轴上的惯量减少;尽量消除传动间隙，减少反向死区误差，提高位移精度等。 二、电机与丝杠之间的联接 数控机床进给驱动对位置精度、快速响应特性、调速范围等有较高的要求。实现进给驱动的电机主要有三种:步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。目前，步进电机只适应用于经济型数控机床，直流伺服电机在我国正广泛使用，交流伺服电机作为比较理想的驱动元件已成为发展趋势。数控机床的进给系统当采用不同的驱动元件时，其进给机构可能会有所不同。电机与丝杠间的联接主要有三种形式，如图3-5所示。 79 1(带有齿轮传动的进给运动 数控机床在机械进给装置中一般采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求，如图3-5a)所示。由于齿轮在制造中不可能达到理想齿面要求，总存在着一定的齿侧间隙才能正常工作，但齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量，对闭环系统来说，齿侧间隙会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用消除措施来尽量减小齿轮侧隙。但这种联接形式的机械结构比较复杂。 (c)(a)(b) 图3-5 电机与丝杠间的联接形式 2(经同步带轮传动的进给运动 如图3-5b)所示，这种联接形式的机械结构比较简单。同步带传动综合了带传动和链传动的优点，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但只能适于低扭矩特性要求的场所。安装时中心距要求严格，且同步带与带轮的制造工艺复杂。 3(电机通过联轴器直接与丝杠联接 如图3-5c)所示，此结构通常是电机轴与丝杠之间采用锥环无键联接或高精度十字联轴器联接，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并大大简化了机械结构。在加工中心和精度较高的数控机床的进给运动中，普遍采用这种联接形式。 三、滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的一种新型传动装置，在数控机床上得到了广泛的应用。它的结构特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦。 80 (一)滚珠丝杠螺母副工作原理 滚珠丝杠螺母副工作原理，如图3-6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。 外滚道 内滚道 ()() 图3-6 滚珠丝杠螺母副工作原理图 图3-7 螺纹滚道法向截面形式 (二)滚珠丝杠螺母副结构 滚珠丝杠的螺纹滚道法向截面有单圆弧和双圆弧两种不同的形状，如图3-7所示(a)为单圆弧、b)为双圆弧)。其中单圆弧工艺简单，双圆弧性能较好。 (三)滚珠的循环方式 滚珠循环方式分为外循环和内循环两种方式。 1(外循环 滚珠在循环过程结束后，通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠间重新进入循环。如图3-8a)所示为插管式，它用弯管作为返回管道，这种形式结构工艺性好，但由于管道突出于螺母体外，径向尺寸较大。如图3-8b)所示为螺旋槽式，它是在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种形式的结构比插管式结构径向尺寸小，但制造较复杂。 2(内循环 81 这种循环靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道,使滚珠成单圈环, 如图3-9所示,滚珠从螺纹滚道进入反向器,借助反向器迫使滚珠越过丝杠牙顶进入相邻滚道,实现循环。一般一个螺母上装有2,4个反向器，反向器沿螺母圆周等分分布。其优点是径向尺寸紧凑，刚性好，因其返回滚道较短，摩擦损失小。缺点是反向器加工困难。 () () 图3-8 外循环滚珠丝杠 反向器 反向器 图3-9 内循环滚珠丝杠 (四)滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整 滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。为了保证反向传动精度和丝杠的刚度， 82 必须消除轴向间隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力过大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。此外还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。 常用的螺母丝杠消除间隙方法有: (1)垫片调隙式。如图3-10所示，调整垫片厚度使左右两螺母不能相对旋转，只产生轴向位移，即可消除间隙和产生预紧力。这种方式结构简单，刚性好，调整时需要卸下调整垫圈修磨，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。 ? 放大 垫片左螺母右螺母 圆螺母左螺母右螺母锁紧螺母平键 丝杠 ? 图3-10 垫片调隙式 图3-11 螺纹调隙式 (2)螺纹调隙式。如图3-11所示，滚珠丝杠左右两螺母副以平键与外套相联，用平键限制螺母在螺母座内的转动。调整时，只要拧动圆螺母1即可消除间隙并产生预紧力，然后用螺母2锁紧。这种调整方法具有结构简单、工作可靠、调整方便的优点，但预紧量不很准确。 (3)齿差调隙式。如图3-12所示，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为z和z，并相12差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套筒同方向都转动一 83 个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量 。例如，z=81，z=80，滚珠丝杠的导程为t=6mm时，，，s,1z,1/zt1212 s=6/6480?0.001mm。这种调整方法能精确调整预紧量，调整方便、可靠，但结构尺寸较大，多用于高精度的传动。 L0+ΔL0 L0L0 2ZZ1 内齿圈 图3-12 齿差调隙式 图3-13单螺母变位螺距式 (4)单螺母变位螺距预加负荷。如图3-13所示，它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间使用螺纹滚道在轴向产生一个?L的导程突变量，从0 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。 (五)滚珠丝杠的支承方式 数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座、丝杠端部的轴承及其支承加工的不精确性和它们在受力后的过量变形，都会给进给系统的传动刚度带来影响。因此，螺母座的孔与螺母之间必须保持良好的配合，并应保证孔对端面的垂直度，螺母座应增加适当的肋板，并加大螺母座和机床结合部件的面积，以提高螺母座的局部刚度和接触刚度。滚珠丝杠的不正确及支承结构的刚度不足，会使滚珠丝杠的寿命大大下降。因此要注意轴承的选用和组合，尤其是轴向刚度要求较高，为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承及其支承方式是十分重要的。常用的支承方 84 式有下列几种，如图3-14所示。 (1)一端装止推轴承(固定-自由式)。这种安装方式如图3-14a)所示。其承载能力小，轴向刚度低，仅适用于短丝杠，如用于数控机床的调整环节或升降台式数控机床的垂直坐标中。 (a)(b) (c)(d) 图3-14 滚珠丝杠的支承结构 (2)一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承(固定-支承式) 这种安装方式如图3-14b)所示。当滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定，另一端由深沟球轴承支承。为了减小丝杠热变的影响，止推轴承的安装位置应远离热源(如液压马达)。 (3)两端装止推轴承。这种安装方式如图3-14c)所示。将止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长较为敏感。 (4)两端装双重止推轴承及深沟球轴承(固定-固定式)。这种安装方式如图3-14d)所示。为了提高刚度， 丝杠两端采用双重支承，如止推轴承 和深沟球轴承，并施加预紧拉力。这 摩擦离合器种结构形式，可使丝杠的热变形能转 化为止推轴承的预紧力。 主轴箱 (六)制动装置 85 图3-15 制动装置示意图 由于滚珠丝杠副的传动效率高，无 自锁作用，故必须装有制动装置(特别 是滚珠丝杠处于垂直传动时)。 图3-15所示为数控卧式铣镗床主轴箱进给丝杠的制动装置示意图。当机床工作时，电磁铁线圈通电吸住压弹簧，打开摩擦离合器。此时步时电动机受控制系统的指令脉冲后，通过液压转矩放大器及减速齿轮，带动滚珠丝杠转动，主轴铁线圈亦同时断电，在弹簧作用下摩擦离合器压紧，使得滚珠丝杠不能自由转动，主轴箱就不会因自重而下沉了。超越离合器也可用作滚珠丝杠的制动装置。 (七)滚珠丝杠的保护 滚珠丝杠副可用润滑来提高耐磨性及传动效率。润滑剂分为润滑油及润滑脂两大类。润滑油用机油、90,180号透平油或140号主轴油。润滑脂可采用锂基油脂。润滑脂加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油通过壳体上的油孔注入螺母空间内。 滚珠丝杠副和其它滚动摩擦的传动元件，只要避免磨料微粒及化学活性物质进入，就可以认为这些元件几乎是不产生磨损的情况下工作的。但如果在滚道上落入脏物，或使用肮脏的润滑油，不仅会妨碍滚珠的正常运转，而且使磨损急剧增加。 通常采用毛毡圈对螺母副进行密封，毛毡圈的厚度为螺距的2,3倍，而且内孔做成螺纹的形状，使之紧密地包住丝杠，并装入螺母或套筒两端的槽孔内。密封圈除了采用柔软的毛毡之外，还可以采用耐油橡胶或尼龙材料。由于密封圈和丝杠直接接触，因此防尘效果较好，但也增加了滚珠丝杠螺母副的摩擦阻力矩。为了避免这种摩擦阻力矩，可以采用由较硬塑料制成的非接触式迷宫密封圈，内孔做成与丝杠螺纹滚道相反的形状，并留有一定的间隙。 86 对于暴露在外面的丝杠，一般采用螺旋刚带、伸缩套筒、锥形套筒以及折叠式塑料或人造革等形式的防护罩，以防止尘埃和磨粒粘附到丝杠表面。除与导轨的防护罩相似外，这几种防护罩一端连接在滚珠螺母的端面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。 四、进给系统传动间隙的补偿机构 (一)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。 薄片齿轮1 垫片 偏心套垫片齿轮电机 薄片齿轮2 宽齿轮AA 宽齿轮 (a)(b)(c) 图3-16 圆柱齿轮间隙的几种调整结构 图3-16所示为圆柱齿轮间隙的几种调整结构。图3-16a)为偏心套间隙调整结构。将偏心套转过一定角度，可调整两齿轮的中心距，从而得以消除齿侧间隙。图3-16b) 是带有锥度的齿轮间隙调整结构。两个相互啮合的齿轮都制成带有小锥度，使齿厚沿轴线方向稍有变化。通过修磨垫片的厚度，调整两齿轮的轴向相对位置，即可消除齿侧间隙。图3-16c)为斜齿圆柱齿轮轴向垫片间隙调整结构。与宽齿轮同时啮合的两个薄片齿轮，用键与轴相联接，彼此不能相对转动。两个薄片齿轮的轮齿是拼装在一起进行加工的,加工时在它们之间垫入一定厚度的垫片。装配时将厚度比加工时所用垫片稍 87 大或稍小的垫片垫入它们之间，并用螺母拧紧，于是两薄片齿轮的螺旋齿产生错位，分别与宽齿轮的左、右齿侧贴紧，从而消除了它们之间的齿侧间隙。显然，采用这种调整结构，无论齿轮正转或反转，都只有一个薄片齿轮承受载荷。 上述几种齿侧间隙的调整方法，结构比较简单，传动刚性好，但调整之后间隙不能自动补偿，且必须严格控制齿轮的齿厚和齿距公差，否则将影响传动的灵活性。 齿侧间隙可自动补偿的调整结构，如图3-17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。这种调整方法能自动补偿间隙，但结构复杂，传动刚度差，能传递的转矩小。 B向调整螺母拉簧锁紧螺母螺纹凸耳螺钉 螺纹凸耳 薄片齿轮 图3-17 双齿轮拉簧错齿间隙的调整结构 (二)键联接间隙补偿机构 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 88 间隙一样，也会影响工件的加工精度，需将其消除。图3-18所示为消除键联接间隙的两种方法。图3-18a)为双键联接结构，用紧定螺钉顶紧消除键的联接间隙。图3-18b)为楔形销键联接结构，用螺母拉紧楔形销以消除键的联接间隙。 紧定螺钉 键 楔形销紧定螺钉 (a)(b) 图3-18 键联接间隙的消除方法 图3-19所示为一种可获得无 外弹性锥形胀套圆环螺钉间隙传动的无键联接结构。内锥形 胀套和外锥形胀套是一对相互配研、 传动件接触良好的弹性锥形胀套，当拧紧 轴螺钉，通过布两个圆环将它们压紧 内弹性锥形胀套时，内锥形胀套的内孔缩小，外锥 形胀套的外圆胀大，依靠摩擦力将 图3-19无键联接结构 传动件和轴联接在一起。锥形胀套 的对数，根据所需传递的转矩大小，可以是一对或几对。 第三节 回转工作台与导轨 一、回转工作台 为了提高生产效率，扩大工艺范围，数控机床除了沿X、Y和Z三个坐标轴的直线进给运动之外，往往还带有绕X、Y和Z轴的圆周进给运动。一般数 89 控机床的圆周进给运动由回转工作台来实现。数控铣床的回转工作台除了用来进行各种圆弧加工或与直线进给联动进行曲面加工外，还可以实现精确的自动分度，这给箱体零件的加工带来了便利。对于自动换刀的多工序加工中心来说，回转工作台已成为一个不可缺少的部件。数控机床中常用的回转工作台有数控回转工作台和分度工作台两种。 (一)数控回转工作台 数控回转工作台主要用于数控镗铣床,它的功用是使工作台进行圆周进给运动,以完成切削工作，并使工作台进行分度运动。它按照控制系统的指令，在需要时分别完成上述运动。数控回转工作台外形和通用机床的分度工作台相似，但其内部结构却具有数控进给驱动机构的许多特点。 图3-20所示为自动换刀数控卧式镗铣床的数控回转工作台。这是一种补 偿型的开环数控回转工作台，它的进给、分度转位和定位锁紧都由给定的指令进行控制。 工作台的运动由伺服电机驱动，通过减速齿轮和带动蜗杆，再传递给蜗轮0，使工作台回转。为了消除传动间隙和反向间隙，齿轮和相啮合的间隙，是靠调整偏心环来消除;齿轮与蜗杆是靠楔形拉紧圆柱销来连接，此法能消除轴与套的配合间隙;为消除蜗杆副的传动间隙，采用双螺距渐厚蜗杆，通过移动蜗杆的轴向位置来调整间隙。这种蜗杆的左右两侧面具有不同的螺距，因此蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚。但由于同一侧的螺距是相同的，所以仍然保持着正常的啮合。 当工作台静止时，必须处于锁紧状态。工作台面用沿其圆周方向分布的八个夹紧液压缸进行夹紧。当工作台不回转时，夹紧液压缸的上腔进压力油，使活塞向下运动，通过钢球、夹紧瓦及将蜗轮夹紧。当工作台需要回转时，数控系统发出指令，使夹紧液压缸的上腔的油流回油箱。在弹簧的作用下，钢球抬起，夹紧瓦及松开蜗轮，然后由伺服电机通过传动装置，使蜗轮和工 90 作台按照控制系统的指令作回转运动。 开环系统的数字回转工作台的定位精度主要取决于蜗轮副的传动精度，因而必须采用高精度的蜗轮副。除此之外，还可以实际测量工作台静态定位 夹紧瓦夹紧液压缸活塞光栅钢球弹簧 A-A 电液脉冲马达 调整块 蜗轮蜗杆A齿轮 偏心环 齿轮A 楔形拉紧销压块螺母锁紧螺钉 P P向 感应块撞块 图3-20 自动换刀数控卧式镗铣床的数控回转工作台 91 误差之后，确定需要补偿的角度位置和补偿脉冲的符号(正向或反向)，记忆在补偿回路中，由数控装置进行误差初具补偿。 数控回转工作台设有零点，当它作返回零点运动时，先用挡块碰撞限位开关(图中未示出)，使工作台降速，然后通过感应块和无触点开关，使工作台准确地停在零位。数控回转工作台在任意角度转位和分度时，由光栅进行读数控制，因此能够达到较高的分度精度。 (二)分度工作台 数控机床的分度工作台与数控回转工作台不同，它只能够完成分度运动，而不能实现圆周进给。由于结构上的原因，通常分度工作台的分度运动只限 000于完成规定的角度(如90、60或45等)。机床上的分度传动机构，本身很难保证工作台分度的高精度要求，常常需要将定位机构和分度机构结合起来，再用夹紧装置保证机床工作时的安全可靠。 衬套定位销分度工作台齿轮支座锥套长方形工作台间隙消除液压缸锁紧液压缸螺钉轴承挡块 底座中央液压缸活塞管道螺柱活塞拉杆轴承下底座弹簧 92 图3-21 定位销式分度工作台 图3-21所示是THK6380型自动换刀数控卧式镗铣床的定位销式分度工作台。这种工作台的定位分度主要靠定位销和定位孔来实现。分度工作台置于长方形工作台中间，在不单独使用分度工作台时，两个工作台可以作为一个整体使用。工作台的底部均匀分布着个削边圆柱定位销，在工作台底座上有 0一定位孔衬套以及供定位销移动环形槽。因为定位销之间的分布角度为45，因此工作台只能作二、四、八等分的分度运动。 定位销式分度工作台的分度精度，主要由定位销和定位孔的尺寸精度及坐标精度决定。最高可达?5″。为适应大多数的加工要求，应当尽可能提高最常用的180º分度销孔的坐标精度，而其它角度(如45º、90º和135º)可以适当降低。 分度工作台还有鼠齿盘式分度工作台。 二、导轨 数控机床使用的导轨，尽管还是滑动导轨、滚动导轨和静压导轨，但在导轨材料和结构上与普通机床的导轨有着显著的不同。数控机床的导轨对导向精度、精度保持性、摩擦特性、运动平稳性和灵敏性都有更高的要求。 (一)滚动导轨 滚动导轨是在导轨工作面之间安排滚动件，使两导轨面之间形成滚动摩擦。摩擦系数很小(0.0025,0.005)，动、静摩擦系数相差很小，运动轻便灵活，所需功率小，精度好，无爬行。为提高数控机床的移动部件的运动精度和定位精度，数控机床的导轨广泛采用滚动导轨。 1(滚动导轨块 由导轨块构成的滚动导轨具有效率高、灵敏性好、寿命长、润滑简单及装拆方便等优点。 标准滚动导轨块结构形式如图3-22所示，它多用于中等负荷的导轨。滚 93 动导轨块由专业厂家生产，有多种规格、形式可供用户选用。使用时将导轨块用螺钉固定在机床的运动部件上，当运动部件移动时，滚柱在支承部件的导轨面与本体之间滚动，同时又绕本体循环滚动。与之相配的导轨多用钢淬硬导轨。 保持架 20 滚珠本体 (a) 26 (b) 图3-22 滚动导轨支承 滑块润滑油杯端部密封垫端盖保持架承载球列 侧面密封垫导轨体 图3-23 单元式直线滚动导轨 2(直线滚动导轨 直线滚动导轨是近年来新生产的一种滚动导轨，其突出的优点为无间隙，并且能够施加预紧力，导轨的结构如图3-23所示。直线滚动导轨体、滑体、滚珠、保持器、端盖等组成。它由生产厂组装成，故又称单元式直线滚动导轨。使用时，导轨固定在不运动的部件上，滑块固定在运动的部件上。当滑 94 块沿导轨体移动时，滚珠在导轨体和滑块之间的圆弧直槽内滚动，并通过端盖内的滚道，从工作负荷区到非工作负荷区。然后再滚回工作负荷区，不断循环，从而把导轨体和滑块之间的移动变成滚珠的滚动。目前在国内外的中小型数控机床上广泛采用这种导轨。 (二)静压导轨 静压导轨的滑动面之间开有油腔，将有一定压力的油通过节流器输入油腔，形成压力油膜，浮起运动部件，使导轨工作表面处于纯液体摩擦，不产生磨损，精度保持性好。同时摩擦系数也极低(0.0005)，使驱动功率大为降低。其运动不受速度和负载的限制，低速无爬行，承载能力大，刚度好，油液有吸振作用，抗振性好，导轨摩擦发热也小。除上述优点外，静压的缺点是结构复杂，要有供油系统，油的清洁度要求高。此导轨多用于重型机床。 (三)滑动导轨 为了进一步减少导轨的磨损和提高运动性能，近年来又出现了新型的塑料滑动导轨。在与床身导轨相配的滑动导轨上粘接上静、动摩擦系数基本相同，耐磨、吸振的塑料软带，或者在定、动导轨之间采用注塑的方法制成塑料导轨。这种塑料导轨具有良好的摩擦特性、耐磨性及吸振性，因此目前在数控机床上广泛使用。图3-24所示为朔料导轨的结构。 塑料软带材料是以聚四氟乙 沟槽 导轨宽度烯为基体，加入青铜粉、二硫化 粘接层厚度导轨软管粘接材料 钼和石墨等填充剂混合烧结并做 ,成软带状，国内已有牌号为TSF ,的导轨软带生产，以及配套用的 DJ胶合剂。导轨软带使用的工艺 图3-24 朔料导轨 简单，只要将导轨粘贴面作半精 加工至表面粗糙度Ra3.2,1.6μm，清洗粘贴面后，用胶粘接剂粘合，加压 95 固化后，再经精加工即可。由于这类导轨软带采用了粘接方法，故习惯上称为“贴塑导轨”。 导轨注塑的材料是以环氧树脂和二硫化钼为基体，加入增塑剂，混合成膏状为一组分和固化剂为另一组分的双组分塑料，国内牌号为HNT。导轨注塑的工艺简单，在调整好固定导轨和运动导轨间相关位置精度后注入双组分塑料，固化后将定、动导轨分离即成塑料导轨副，这种方法制作的塑料导轨习惯上又称为“注塑导轨”。 复 习 题 3-1(数控机床与普通机床比较具有哪些特点, 3-2(数控机床的主轴变速方式有哪几种,试述其特点及应用, 3-3(主轴组件按运动方式分哪五类, 3-4(主轴为何需要“准停”,如何实现“准停”, 3-5(电机与丝杠之间有哪几种联接,各适应什么情况, 3-6(滚珠丝杠螺母副的工作原理与特点是什么,什么是内循环和外循环方式, 3-7(试述滚珠丝杠螺母副消除间隙和预加载荷的方法。 3-8(丝杠支承有哪几种,各适应什么情况, 3-9(齿轮消除间隙的方法有哪些,各有何特点, 3-10(何谓塑料滑动导轨,何谓滚动导轨, 96 97