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第6次课
机械传动结构1-主要特点、主传动系统1
【教学目标】 【重点、难点】
【教学方法】讲授法、练习法 【教学时数】2学时 【教学内容】
一、数控机床的结构特点：
1、采用高速度的主轴及伺服传动系统，机械传动结构大为简化，传动链缩短。
2、采用刚度和抗震性较好的机床新结构。
3、采用在效率、刚度、精度等各方面较优秀的传动元件。
4、采用多主轴、多刀架结构以及刀具和工件的自动夹紧装置、自动换刀装置和自动排屑、自动润滑冷却装置等以改善劳动条件、提高生产率。
5、采用减小机床热变形的措施，保证机床的精度稳定，获得可靠的加工精度。
二、数控机床传动系统的组成：主轴电机（它的精度决定了零件的加工精度）、主传动系统（必须满足最大的主轴调速范围并实现无级调速；较高的精度和刚度，传动平稳，噪声小；）、主轴组件。
三、数控机床主传动系统
（一）、主传动系统的要求 1.宽调速、无级调速
为了在数控加工时，合理选用切削用量，提高生产率及零件表面质量，必须具有更大的调速范围。如数控车床上为了实现恒线速切削，主传动系统应实现无级变速。
2.高刚性、低噪声
主传动系统的精度与刚性直接影响着加工零件的精度，为此对数控机床来说，主传动链要求短、传动件精度与刚性要求高，主轴的支承跨距要求合理，噪声要求降低到最低限度。
3.高抗振性、高热稳定性
在数控加工切削过程中，切削力等诸多因素的影响，会使主轴产生振动，会大大影响零件表面粗糙度，甚至破坏加工刀具。另外，摩擦、切削热等还会使主传动系统产生热变形，从而造成加工误差。为此，数控机床的主传动系统必须具有良好的抗振性和热稳定性。
（二、）主传动的变速方式
1.经皮带和变速齿轮的主传动
这是目前大、中型数控机床中使用较多的一种主传动配置方式。一般采用无级调速主电机，通过皮带传动和主轴箱内2~3级变速齿轮带动主轴运转，这样主轴箱的结构大大简化。由于主轴的变速有主电动机无级变速与齿轮有级变速相配合来实现的，既可扩大主轴的调速范围，又可扩大主轴的输出转矩 2.经皮带传动的主传动
这是一种由无级变速主电机经皮带传动直接带动主轴运转的主运动形式，如图2-3所示为这种形式的传动系统图，如图2-4所示为主传动转速图。这种变速方式一般适用中小型数控机床，用于调速范围不需太大，扭矩也不需太高的场合。它可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声，从而大大提高主轴的运转精度。3.由调速电动机直接驱动的主传动 这种传动方式是将主电动机直接与主轴联接，带动主轴转动，如图2-5所示。这样大大简化了主轴箱体与主轴结构，有效地提高了主轴的刚度。由于这种结构比前者少了皮带的降速传动，其主轴的输出扭矩更小，而且主电动机的发热对主轴精度的影响更大。
4近年来，出现了一种内装式电动机主轴，即主轴与电动机的转子合为一体，而电动机的定子则与主轴箱体固定
【课堂小结】 【练习】 后记
第7次课
机械传动结构2-数控机床主传动系统
【教学目标】 【重点、难点】
【教学方法】讲授法、练习法 【教学时数】2学时 【教学内容】
三、数控机床主传动系统
（三、）主轴部件
主轴部件是机床的一个关键部件，主轴对零件加工质量有着直接的影响。而数控机床的主轴部件应有更高的精度、刚度和热稳定性，还应满足数控机床所特有的结构要求。如为加工螺纹需配有主轴编码器，为加工中心的自动换刀需配有刀具自动夹紧、放松与主轴准停和吹屑装置等。1.主轴的轴承配置形式
数控机床上主轴轴承的布置形式有各种各样，根据数控机床加工要求与加工情况的不同，轴承的承载、转速与回转精度的特点，可采用不同的轴承组合形式。
（1）中等转速、高刚性。如图2-7a所示配置形式中主轴的前支承为圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承与双列向心推力球轴承组合，后支承为圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承。这种配置具有中等转速、高刚性的特点。它常用于中型数控车床、精密镗床等机床上。
（2）中等刚性、较高转速。如图2-7b所示配置形式中主轴的前支承为三个联组的双向角接触向心球轴承，后支承为圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承。这种配置具有中等刚性、较高转速的特点，一般在要求转速较高的数控车床、数控铣床等方面应用较多。
（3）高转速、低刚性。如图2-7c所示配置形式中主轴的前后支承均采用同向组合的角接触向心球轴承，这种配置形式具有高转速、低刚性的特点，一般用于转速要求高、刚性较低的场合，如数控磨床等。
（4）高刚性、低转速。如图2-7d所示配置形式中主轴前支承为带凸肩的双列圆锥滚子轴承，后支承则为单列圆锥滚子轴承，这种配置具有高刚性、低转速的特点，一般用于要求承载能力大、刚性大的场合，如坐标镗床等。2.主轴编码器
数控机床的进给系统与普通机床的进给系统有质的区别，数控机床没有了传统的进给箱、溜板箱和挂轮架，而是直接用伺服电机通过滚珠丝杠来驱动溜板和刀架，来实现进给运动，因而进给系统结构大为简化。数控机床上能加工各种螺纹，这是因为安装了与主轴同步运转的脉冲编码器，以便发出检测脉冲信号，使主轴电机的旋转与切削进给同步，从而实现螺纹切削。另外，车削螺纹一般都需要多次走刀才能完成，为防止乱扣，脉冲编码器在发出进给脉冲时，还要发出同步脉冲，以保证每次走刀刀具在工件的同一点切入。其工作原理见本单元第四节。
主轴脉冲编码器可通过一对齿轮或同步齿形带与主轴联系起来，由于主轴要求与编码器同步旋转，所以此联接必须做到无间隙。3.主轴内部刀具自动夹紧机构
在带有刀库的自动换刀数控机床中，为实现刀具在主轴上的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构。这里简单地介绍一下其主轴前端的结构形式，当数控系统发出装刀信号后，刀具则由机械手或其它方法装插入主轴孔后，其刀柄及后部的拉钉1便被送到与主轴固定的前端套筒5内。随即数控系统发出刀具夹紧信号，此时拉杆3在后端碟形弹簧（图中略）的弹性力作用下，呈紧紧拉伸（图中往右方向）的状态。与拉杆固定联结的套筒4内的一组钢球2，在套筒5的锥孔逼迫下，收缩分布直径，逐即将刀柄拉钉1紧紧拉住，从而完成了刀具定位工作；反之，如需要松开刀具时，数控系统发出松刀信号后，在主轴拉杆3后端的油缸（图中略）作用下，便可克服碟形弹簧的弹性力，放松对拉杆3的拉伸，即拉杆3往左移而呈压缩状态。这时套筒5前端的喇叭口使钢球2的分布直径变大，随即松开刀柄后的拉钉1，即可卸下用过的刀具为进一步换新刀作准备。另外，自动清除主轴孔中的切屑和灰尘是换刀时一个不容忽视的问题。通常采用在换刀的同时，从主轴内孔喷射压缩空气的方法来解决，以保证刀具准确地定位。
4.主轴的准停装置
在自动换刀的数控铣镗类机床上，必须具有主轴准确的周向定位功能，这个功能称为主轴准停。这是由于刀具装在主轴锥孔内，在切削时的切削转矩不能完全靠锥孔的摩擦力来传递，通常在主轴前端设置一个凸键，称作端面键。当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与凸键对准相配，为保证自动换刀，主轴必须停止在某一固定角度的位置上，准停装置就是保证主轴换刀时准确停止在换刀位置而设置的。目前准停装置有很多形式，就其基本原理有以下三种，机械方式一种、电气方式二种
（1）机械方式。在主轴尾部联接一定位盘，在此定位盘上开有一个V行槽。再利用无触点行程开关在某个特定位置发出准停信号，这时定位销插入V形槽来实现主轴准停，这种准停方式的优点是比较可靠，但结构复杂。
（2）电气方式。1）利用磁性传感器作为位置反馈部件，由它输出信号，使主轴准确停在规定位置上，这种方式可靠性好，能满足一般换刀要求。2）利用主轴光电脉冲编码器的同步信号，作为准停信号来控制主轴准停，近来在数控镗铣床上已将这一编码器与主轴电机合二为一，使结构大大简化。这种准停方式可靠，动作迅速平稳，在一定程度上大有取代以上两种准停方式的趋势。【课堂小结】 【练习】 后记
第8次课
机械传动结构3-进给传动系统
【教学目标】 【重点、难点】
【教学方法】讲授法、练习法 【教学时数】2学时 【教学内容】
一、数控机床的进给系统的机电部分主要有伺服电机及检测元件、联轴器、减速结构（齿轮副和带轮）、滚珠丝杠螺母副、丝杠轴承、运动部件（工作台、主轴箱、滑座、横梁和立柱等）。
二、数控机床对进给传动系统的要求
1、减小摩擦阻力
2、减小各种运动零件的惯量
3、高的传动精度和定位精度
4、响应速度要快
5、使用维护方便
三、联轴器 在数控机床进给驱动系统中，伺服电机轴、传动轴和滚珠丝杠之间的传动连接只有确保无间隙，才能保证传动的精度，准确执行脉冲指令而不丢掉脉冲。在数控机床中伺服电机与滚珠丝杠之间采用了3种连接方式：
1、直连式：它是通过挍性联轴器吧伺服电机和滚珠丝杠采用无键连接结构连接起来的，2、齿轮减速式：这种连接方式主要用于因结构上的原因不能直连或因负载力矩大，需要放大伺服电机输出 转矩的地方。
3、同步带式
四、消除间隙的齿轮传动结构
1、直齿圆柱齿轮传动副
1）偏心套调整法2）锥度齿轮调整法3）双齿齿轮错齿调整法
2、斜齿圆柱齿轮传动副
1）轴向垫片调整法2）轴向压簧调整法
3、锥齿轮传动副
四.滚珠丝杠螺母副传动
为了提高数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度，必须减少运动件的摩擦阻力和动静摩擦力之差。为此，在中小型数控机床中，滚珠丝杠螺母副是采用最普遍的结构。
（1）滚珠丝杠副的工作原理。滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互转换的新型传动装置，是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。其结构原理示意如图2-9所示，图中丝杠1和螺母2上都加工有弧形螺旋槽，将它们套装在一起时，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成了螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠3。当丝杠相对于螺母旋转时，滚珠则既自转又沿着滚道流动。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的滚道两端用返回装置4（又称回珠器）连接起来，使滚珠滚动数圈后离开滚道，通过返回装置4返回其入口继续参加工作，如此往复循环滚动。
（2）滚珠丝杠副的特点。由以上滚珠丝杠螺母副传动的工作过程，可以明显看出滚动丝杠副的丝杠与螺母之间是通过滚珠来传递运动的，使之成为滚动摩擦，这是滚珠丝杠区别于普通滑动丝杠的关键所在，其特点主要有以下几点： 1）传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率高达95%~98%，是普通梯形丝杠的3~4倍，功率消耗减少2/3~3/4，如图2-10所示。
2）灵敏度高、传动平稳。由于是滚动摩擦，动静摩擦系数相差极小。因此低速不易爬行，高速传动平稳。
3）定位精度高、传动刚度高。用多种方法可以消除丝杠螺母的轴向间隙，使反向无空行程，定位精度高，适当预紧后，还可以提高轴向刚度。
4）不能自锁、有可逆性。即能将旋转运动转换成直线运动，也能将直线运动转换成旋转运动。因此丝杠在垂直状态使用时，应增加制动装置或平衡块。5）制造成本高。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度及表面粗糙度等要求高，制造工艺较复杂，成本高。
（3）滚珠丝杠副的循环方式。常用的循环方式有两种：滚珠在循环反向过程中，与丝杠滚道脱离接触的称为外循环；而在整个循环过程中，滚珠始终与丝杠各表面保持接触的称为内循环。滚珠每一个循环闭路称为列，每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈；外循环每列有1．5圈、2．5圈和3．5圈等几种。
（5）滚珠丝杠副的使用防护。滚珠丝杠副和其它滚动摩擦的传动元件一样，如有硬质的灰尘或切屑等脏物落进滚道，就会妨碍滚珠的运转并加速磨损，因此有效地防护密封和保持润滑油的清洁就显得十分必要。常用的防尘密封装置有密封圈和防护罩相结合，密封圈系在滚珠螺母的两端，和丝杠直接接触，其材料有毛毡圈、耐油橡皮或尼龙等，防尘效果好。但有接触压力、摩擦力矩增加的现象，所以有时采用非接触式、由聚氯乙烯等塑料制成的迷宫密封圈。
滚珠丝杠副和普通滑动丝杠螺母副一样，要用润滑剂来提高耐磨性及传动效率。润滑剂可分为润滑油或润滑脂两大类。润滑油可采用一般机械油或90~180号透平油或140号主轴油，经过壳体上的油孔而注入螺纹的空间内。润滑脂可采用锂基油脂，油脂则加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。
（6）滚珠丝杠副的精度等级
滚珠丝杠副的精度等级 精度等级分为1、2、3、4、5、8和10共7个人等级。1级最高，依次递减。滚珠丝杠副分为定位性P类和传动型T类。数控机床进给系统采用的定位性滚珠丝杠副，精度一般采用1~4级。*其它进给传动机构
前述的滚珠丝杠螺母传动广泛应用于各类中小型数控机床的进给传动中，但在一些大型数控机床上不宜采用滚珠丝杠传动。这是因为长丝杠制造困难，且易弯曲下垂，影响传动精度，所以在大型数控机床上一般采用静压蜗杆-蜗母条传动和双齿轮-齿条传动。另外，在圆周进给传动中，还常采用双导程蜗杆传动，【课堂小结】 【练习】 后记
第9次课
机械传动结构4-数控进给传动导轨
【教学目标】 【重点、难点】
【教学方法】讲授法、练习法 【教学时数】2学时 【教学内容】
导轨是伺服进给系统的重要环节之一，它对数控机床的刚度、精度与精度保持性等有着重要地影响，现代数控机床的导轨，对导向精度、精度保持性、摩擦特性、运动平稳性和灵敏度都有更高地要求，在材料和结构上起了“质”地变化，已不同于普通机床的导轨。1.塑料滑动导轨
为了进一步降低普通滑动导轨的摩擦系数，防止低速爬行，提高定位精度，为此在数控机床上普遍采用塑料作为滑动导轨的材料，使原来铸铁-铸铁的滑动变为铸铁-塑料或钢-塑料的滑动。
（1）塑料软带。也称聚四氟乙烯导轨软带，导轨材料是以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结，并做成软带状，厚度约1.2mm。
塑料软带用特殊的粘结剂粘贴在短的或动导轨上，它不受导轨形状的限制，各种组合形状的滑动导轨均可粘贴；导轨各个面，包括下压板面和镶条也均可以粘贴，如图2-17所示。
由于这类导轨软带采用粘贴的方法，习惯上也称为“贴塑导轨”。
（2）塑料涂层。是以环氧树脂为基体，加入铁粉、二硫化钼和胶体石墨，加入增塑剂，混合成液膏状为一组份，与固化剂为另一组份，而组成的双组份塑料涂层。
如图2-18所示为某加工中心上一楔铁面使用塑料涂层的示意图，以滑块7的要求，靠螺钉5调整好楔铁的位置，保证楔铁的斜面与支承面分离，即保证涂层面的厚度在1~1.5mm之间。然后，将调好的液膏状涂层通过孔1注入到两分离面之间，使其完全充满涂层，待24小时后液膏状涂层完全固化即可。另外，这种涂层也可以直接涂抹于导轨面，然后叠合在金属导轨面上进行固化。
由于这类涂层导轨采用涂刮或注入膏状塑料的方法，习惯上也称为“涂塑导轨”或“注塑导轨”。（3）塑料导轨的特点。
1)摩擦特性好。实验表明如图2-19所示，铸铁-淬火钢或铸铁-铸铁导轨副的动、静摩擦系数相差较大，近一倍。而金属-聚四氟乙烯导轨软带（Turcite-B、TSF）的动、静摩擦系数基本不变，而且摩擦系数很低。这种良好的摩擦特性能防止低速爬行，使机床运行平稳，以获得高的定位精度。
2)耐磨性好。除摩擦系数低外，塑料材料中含有青铜、二硫化钼和石墨，因此其本身具有自润滑作用，对润滑油的供油量要求不高，采用间歇式供油即可。另外，塑料质地较软，即使嵌入细小的金属碎屑、灰尘等，也不致于损伤金属导轨面和软带本身，可延长导轨的使用寿命。3)减振性好。塑料的阻尼性能好，其减振消声的性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大的意义。4)工艺性好。可降低对塑料结合的金属基体的硬度和表面质量，而且塑料易于加工（铣、刨、磨、刮），使导轨副接触面获得良好的表面质量。
除此之外，塑料导轨还以其良好的经济性、结构简单、成本低，目前在数控机床上得到广泛地使用。2.滚动导轨
滚动导轨是在导轨工作面之间安装滚动体（滚珠、滚柱和滚针），与滚珠丝杠的工作原理类似，使两导轨面之间形成的摩擦为滚动摩擦。动、静摩擦系数相差极小，几乎不受运动速度变化的影响。
直线滚动导轨是目前最流行的一种新形式。其外形如图2-20a所示，结构如图2-20b所示，直线滚动导轨主要由导轨体、滑块、滚珠、保持器、端盖等组成。生产厂把滚动导轨的预紧力调整适当，成组安装，所以这种导轨又称为单元式直线滚动导轨。使用时，导轨固定在不运动部件上，滑块固定在运动部件上。当滑块沿导轨体移动时，滚珠在导轨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，然后再滚动到工作负荷区，不断循环，从而把导轨体和滑块之间的移动变成了滚珠的滚动。为防止灰尘和脏物进入导轨滚道，滑块两端及下部均装有塑料密封垫，滑块还有润滑油注油杯。滚动导轨的最大优点是摩擦系数小，比塑料导轨还小；运动轻便灵活，灵敏度高；低速运动平稳性好，不会产生爬行现象，定位精度高；耐磨性好，磨损小，精度保持性好；且润滑系统简单，为此滚动导轨在数控机床上得到普遍地应用。但是，滚动导轨的抗振性较差，结构复杂，对脏物较敏感，必须要有良好的防护措施。3.静压导轨
静压导轨是在两个相对运动的导轨面间通入压力油，使运动件浮起。工作过程中，导轨面上油腔中的油压能随着外加负载的变化自动调节，以平衡外负荷，保证导轨面始终处于纯液体摩擦状态。
静压导轨的摩擦系数极小（约为0.0005），功率消耗少，由于系统液体摩擦，故导轨不会磨损，因而导轨的精度保持性好，寿命长。油膜厚度几乎不受速度的影响，油膜承载能力大、刚性好、吸振性良好，导轨运行平稳，既无爬行，也不产生振动。但静压导轨结构复杂，并需要有一个具有良好过滤效果的液压装置，制造成本较高。目前，静压导轨较多地应用在大型、重型数控机床上。
【课堂小结】 【练习】 后记
