【正文】 ，以減小摩擦力；通過選用最佳降速比來降低慣量；采用預(yù)緊的辦法來提高傳動剛度；采用消隙的辦法來減小反向死區(qū)誤差等。穩(wěn)定性與系統(tǒng)的慣性、剛性、阻尼及增益等都有關(guān)系，適當選擇各項參數(shù)，并能達到最佳的工作性能，是伺服系統(tǒng)設(shè)計的目標。設(shè)計中應(yīng)使機床工作臺及其傳動機構(gòu)的剛度、間隙、摩擦以及轉(zhuǎn)動慣量盡可能達到最佳值，以提高進給系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性。為了完成精密定位，；為了縮短輔助時間，提高加工效率，快速移動速度應(yīng)高達15m/min。無論對點位、直線控制系統(tǒng)，還是輪廓控制系統(tǒng)，傳動精度和定位精度都是表征數(shù)控機床性能的主要指標。當機床需要停車換刀時，數(shù)控裝置發(fā)出主軸停轉(zhuǎn)指令，主軸電動機立即降速，在主軸5以最低轉(zhuǎn)速慢轉(zhuǎn)很少幾轉(zhuǎn)后，永久磁鐵3對準磁傳感器2時，后者發(fā)出準停信號。圖79采用的是電氣控制的主軸準停裝置，這種裝置利用裝在主軸上的磁性傳感器作為位置反饋部件，由它輸出信號，使主軸準確停止在規(guī)定位置上，它不需要機械部件，可靠性好，準停時間短，只需要簡單的強電順序控制，且有高的精度和剛性。圖79的活塞6的中心鉆有壓縮空氣通道，當活塞向左移動時，壓縮空氣經(jīng)拉桿4吹出，將主軸錐孔清理干凈。刀夾拉緊后，行程開關(guān)8發(fā)出信號。換刀前需將刀夾松開時，壓力油進入液壓缸上腔，活塞6推動拉桿4向下移動，碟形彈簧被壓縮；當鋼球12 隨拉桿一起下移至進入主軸孔直徑較大的處時，它就不再能約束拉釘?shù)念^部，緊接著拉桿前端內(nèi)孔的臺肩端面a碰到拉釘，把刀夾頂松。自動換刀立式銑鏜床主軸的刀具夾緊機構(gòu)如圖79所示。近年來，某些數(shù)控機床的主軸軸承采用高級油脂潤滑，每加一次油脂可以使用7~10年，簡化了結(jié)構(gòu)，降低了成本且維護保養(yǎng)簡單。缺點是成本較高。這種軸承徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，尤其能承受較強的動載荷，安裝與調(diào)整性能好。2）采用高精度雙列角接觸球軸承（圖78b）。2．主軸組件數(shù)控機床主軸組件的精度、剛度和熱變形對加工質(zhì)量有著直接的影響，由于數(shù)控機床在加工過程中不進行人工調(diào)整，這些影響就更為嚴重。滑枕斷面尺寸比同規(guī)格的主軸箱移動式的主軸箱小，但比滑枕移動式的大。這種主軸箱端面可以安裝各種大型附件，使其工藝適應(yīng)性增加，擴大了功能。與矩形或方形滑枕比較，在同等斷面面積的情況下，雖然高度較大，但寬度較窄，如圖77，這對安裝附件不利，而且在滑枕表面使用靜壓導(dǎo)軌時，靜壓面小，主軸在工作過程中抗振能力較差，受力后主軸中心位移大。這種形式的滑枕，有比較好的接近工件性能，其滑枕行程可做得較長，端面有附件安裝部位，工藝適應(yīng)性較強，磨損后易于調(diào)整?；磉M給傳動的齒輪和電動機是與滑枕分離的，通過花鍵軸或其它系統(tǒng)將運動傳給滑枕以實現(xiàn)進給運動。對于數(shù)控落地銑鏜床來說，主軸箱結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主軸箱可沿立柱上的垂直導(dǎo)軌作上下移動，主軸可在主軸箱內(nèi)作軸向進給運動，除此以外，大型落地銑鏜床的主軸箱結(jié)構(gòu)還有攜帶主軸的部件作前后進給運動的功能，它的進給方向與主軸的軸向進給方向相同。缺點是電動機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量亦使主軸產(chǎn)生熱變形。圖74 TND360型數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)3．由調(diào)速電機直接驅(qū)動的主傳動這種主傳動是由電動機直接驅(qū)動主軸，即電動機的轉(zhuǎn)子直接裝在主軸上，因而大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機發(fā)熱對主軸的精度影響較大。主軸Ⅰ上有一雙聯(lián)滑移齒輪，經(jīng)84/60使主軸得到800～3150r/min的高速段，經(jīng)29/86使主軸得到7～760r/min的低速段。電磁離合器用于數(shù)控機床的主傳動，能簡化變速機構(gòu)，通過若干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實現(xiàn)主軸的變速。圖72 三位液壓撥叉作用原理圖5液壓缸 2活塞桿 3撥叉 4套筒液壓撥叉變速必須在主軸停車之后才能進行，但停車時撥動滑移齒輪嚙合又可能出現(xiàn)“頂齒”現(xiàn)象。當液壓缸1通壓力油而液壓缸5排油卸壓時（圖72a），活塞桿2帶動撥叉3使三聯(lián)齒輪移到左端。圖71 XK5040型數(shù)控立式銑床主傳動系統(tǒng)圖在帶有齒輪變速的主傳動系統(tǒng)中，液壓撥叉和電磁離合器是兩種常用的變速操縱方法。為此，主軸組件要有較高的固有頻率，實現(xiàn)動平衡，保持合適的配合間隙并進行循環(huán)潤滑等。為此，要提高傳動件的制造精度與剛度，齒輪齒面應(yīng)高頻感應(yīng)加熱淬火以增加耐磨性；最后一級采用斜齒輪傳動，使傳動平穩(wěn)；采用精度高的軸承及合理的支承跨距等，以提高主軸組件的剛性。數(shù)控機床為了保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，必須具有更大的調(diào)速范圍。如采用大扭矩寬調(diào)速的直流電機與絲杠直接相連應(yīng)用預(yù)加負載的滾動導(dǎo)軌和滾動絲杠副，絲杠支承設(shè)計成兩端軸向固定的、并可預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等辦法來提高傳動系統(tǒng)的剛度。在進給傳動系統(tǒng)方面，具有下列特點：（1）盡量采用低摩擦的傳動副。數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，一般Rn＞100，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。在主傳動系統(tǒng)方面，具有下列特點：(1)目前數(shù)控機床的主傳動電機已不再采用普通的交流異步電機或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電機和直流調(diào)速電機所代替。第七章 數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)第一節(jié) 概 述數(shù)控機床是高精度和高生產(chǎn)率的自動化機床，其加工過程中的動作順序、運動部件的坐標位置及輔助功能，都是通過數(shù)字信息自動控制的，操作者在加工過程中無法干預(yù)，不能像在普通機床上加工零件那樣，對機床本身的結(jié)構(gòu)和裝配的薄弱環(huán)節(jié)進行人為補償，所以數(shù)控機床幾乎在任何方面均要求比普通機床設(shè)計得更為完善，制造得更為精密。 (2)轉(zhuǎn)速高，功率大。(4)主軸速度的變換迅速可靠。如采用靜壓導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)滾和滾珠絲杠等，以減小摩擦力。（4）盡量消除傳動間隙，減小反向死區(qū)誤差。對于自動換刀的數(shù)控機床，為了適應(yīng)各種工序和各種加工材料的需要，主運動的調(diào)速范圍還應(yīng)進一步擴大。3．良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。二、主傳動的變速方式1．具有變速齒輪的主傳動這是大、中型數(shù)控機床采用較多的一種變速方式。(1) 圖72是三位液壓撥叉的作用原理圖。當液壓缸5通壓力油而液壓缸1排油卸壓時（圖72b），活塞桿2和套筒4一起向右移動，在套筒4碰到液壓缸5的端部之后，活塞桿2繼續(xù)右移到極限位置，此時三聯(lián)齒輪被撥叉3移到右端。在XK5040型數(shù)控立銑中需按“點動”按鈕使主電動機瞬時沖動接通，在其它自動變速的數(shù)控機床主運動系統(tǒng)中，通常增設(shè)一臺微電機，它在撥叉移動滑移齒輪的同時帶動各傳動齒輪作低速回轉(zhuǎn)，這樣，滑移齒輪便能順利嚙合。圖73所示為THK6380型自動換刀數(shù)控銑鏜床的主傳動系統(tǒng)圖，該機床采用雙速電機和六個電磁離合器完成18級變速。主電動機為德國西門子公司的產(chǎn)品，額定轉(zhuǎn)速為2000r/min，最高轉(zhuǎn)速為4000r/min，最低轉(zhuǎn)速為35r/min。如圖75所示。因此，溫度控制和冷卻是使用內(nèi)裝電動機主軸的關(guān)鍵問題。此類機床的主軸箱結(jié)構(gòu)通常有兩種方案，即滑枕式和主軸箱移動式。1）圓形滑枕 圓形滑枕又稱套筒式滑枕，這種圓形斷面的滑枕和主軸箱孔的制造工藝簡便，使用中便于接近工件加工部位?？古嗝鎽T性矩比同樣規(guī)格的圓形滑枕大。圖77 棱形滑枕a）滑枕外形 b）滑枕截面（2） 主軸箱移動式這種結(jié)構(gòu)又有兩種型式，一種是主軸箱移動式，另一種是滑枕主軸箱移動式。缺點是接近工件性能差，箱體移動時對平衡補償系統(tǒng)的要求高，主軸箱熱變形后產(chǎn)生的主軸中心偏移大。其斷面尺寸足可以安裝各種附件。（1）主軸軸承的配置形式目前主軸軸承的配置形式主要有三種，如圖78所示。角接觸球軸承具有良好的高速性能，主軸最高轉(zhuǎn)速可達4000r/min，但它的承載能力小，因而適用于高速、輕載和精密的數(shù)控機床主軸。但這種軸承配置限制了主軸的最高轉(zhuǎn)速和精度，因此適用于中等精度、低速與重載的數(shù)控機床主軸。在主軸的結(jié)構(gòu)上，要處理好卡盤或刀具的裝夾、主軸的卸荷、主軸軸承的定位和間隙的調(diào)整、主軸組件的潤滑和密封以及工藝上的一系列問題。但需防止?jié)櫥秃陀椭旌?，通常采用迷宮式密封方式。刀夾1以錐度為7:24的錐柄在主軸3前端的錐孔中定位，并通過擰緊在錐柄尾部的拉釘2拉緊在錐孔中。此時行程開關(guān)10發(fā)出信號，換刀機械手隨即將刀夾取下。圖79 自動換刀數(shù)控立式銑鏜床主軸部件（JCS018）1刀夾 2拉釘 3主軸 4拉桿 5碟形彈簧 6活塞 7液壓缸10行程開關(guān) 9壓縮空氣管接頭 11彈簧 12 鋼球 13端面鍵自動清除主軸孔中切屑和灰塵是換刀操作中的一個不容忽視的問題。噴氣頭中的噴氣小孔要有合理的噴射角度，并均勻分布，以提高其吹屑效果。這種主軸準停裝置的工作原理如圖710所示。此信號經(jīng)放大后，由定向電路控制主軸電動機準確地停止在規(guī)定的周向位置上。設(shè)計中，通過在進給傳動鏈中加入減速齒輪，以減小脈沖當量，預(yù)緊傳動滾珠絲杠，消除齒輪、蝸輪等傳動件的間隙等辦法，可達到提高傳動精度和定位精度的目的。在多坐標聯(lián)動的數(shù)控機床上，合成速度維持常數(shù)，是保證表面粗糙度要求的重要條件；為保證較高的輪廓精度，各坐標方向的運動速度也要配合適當；這是對數(shù)控系統(tǒng)和伺服進給系統(tǒng)提出的共同要求。4． 無間隙傳動進給系統(tǒng)的傳動間隙一般指反向間隙，即反向死區(qū)誤差，它存在于整個傳動鏈的各傳動副中，直接影響數(shù)控機床的加工精度；因此，應(yīng)盡量消除傳動間隙，減小反向死區(qū)誤差。所謂進給系統(tǒng)的壽命，主要指其保持數(shù)控機床傳動精度和定位精度的時間長短，及各傳動部件保持其原來制造精度的能力。 下面從機械傳動的角度對數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的主要傳動裝置進行扼要介紹。1）速比的確定①開環(huán)系統(tǒng) 在步進電機驅(qū)動的開環(huán)系統(tǒng)中（如圖711），步進電機至絲杠間設(shè)有齒輪傳動裝置，其速比決定于系統(tǒng)的脈沖當量、步進電機步矩角及滾珠絲杠導(dǎo)程，其運動平衡方程式為：所以其速比可計算如下： 式中 m——步進電機每轉(zhuǎn)所需脈沖數(shù) ()；α——步進電機步距角（186。電動機至絲杠間的速比運動平衡方程式如下： 式中 ——伺服電機的轉(zhuǎn)速，； ——脈沖頻率（次/s）；——工作臺在電動機轉(zhuǎn)速為時的移動速度 (mm/min)。2）嚙合對數(shù)及各級速比的確定在驅(qū)動電動機至絲杠的總降速比一定的情況下，若嚙合對數(shù)及各級速比選擇不當，將會增加折算到電機軸上的總慣量，從而增大電機的時間常數(shù)，并增大要求的驅(qū)動扭矩。假定小齒輪A、C直徑相同，大齒輪B、D為實心齒輪。對閉環(huán)系統(tǒng)，除滿足加速要求外，機械傳動裝置折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)與伺服電機轉(zhuǎn)子慣量合理匹配，如果電機轉(zhuǎn)子慣量遠小于機械進給裝置的轉(zhuǎn)動慣量（折算到電動機轉(zhuǎn)子軸上），則機床進給系統(tǒng)的動態(tài)特性主要決定于負載特性，此時運動部件（包括工件）不同質(zhì)量的各坐標的動態(tài)特性將有所不同，使系統(tǒng)不易調(diào)整。 圖713 同步齒形帶傳動2．滾珠絲杠螺母副機構(gòu)（1）滾珠絲杠副的工作原理及特點滾珠絲杠副是一種新型的傳動機構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)特點是具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動件，以減少摩擦，如圖714所示。圖714 滾珠絲杠螺母滾珠絲杠副的特點是：1）傳動效率高，摩擦損失小。3）運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。導(dǎo)程L：絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)任意弧度時，螺母上基準點的軸向位移。導(dǎo)程的大小是根據(jù)機床的加工精度要求確定的。若絲杠副的名義直徑d0不變，導(dǎo)程小，則螺旋升角λ也小，傳動效率η也變小。滾珠直徑db應(yīng)根據(jù)軸承廠提供的尺寸選用。第一圈滾珠承受總負載的50%左右，第二圈約承受30%；第三圈約為20%。若出現(xiàn)此種情況，可從單回路式改為雙回路式或加大滾珠絲杠的名義直徑d0或加大滾珠直徑db來解決。在圖716中，滾珠與滾道型面接觸點法線與絲杠軸線的垂直線間之夾角稱為接觸角β。當F=0時，β=0。如圖716b，當偏心e決定后，只在滾珠直徑db滾道內(nèi)相切的兩點接觸，接觸角β不變。2）滾珠循環(huán)方式目前國內(nèi)外生產(chǎn)的滾珠絲杠副，可分為內(nèi)循環(huán)及外循環(huán)兩類。圖717 外循環(huán)滾珠絲杠圖718 內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠由于滾珠在進入和離開循環(huán)反向裝置時容易產(chǎn)生較大的阻力，而且滾珠在反向通道中的運動多屬前珠推后珠的滑移運動，很少有“滾動”，因此滾珠在反向裝置中的摩擦力矩M反在整個滾珠絲杠的摩擦力矩Mt中所占比重較大，而不同的循環(huán)反向裝置由于回珠通道的運動軌跡不同，以及曲率半徑的差異，因而M反/Mt的比值不同，表71列出了國產(chǎn)滾珠絲杠副的幾種不同循環(huán)反向方式的比較。擋珠機構(gòu)剛性差，易磨損適用場合各種高靈敏、高剛度的精密進給定位系統(tǒng)。在高剛度傳動和高速運轉(zhuǎn)的場合不宜采用備注是內(nèi)循環(huán)產(chǎn)品中有發(fā)展前途的結(jié)構(gòu)正逐漸被F型取代是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)3）滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和施加預(yù)緊力的方法滾珠絲杠副除了對本身單一方向的進給運動精度有要求外，對其軸向間隙也有嚴格的要求，以保證反向傳動精度。而雙螺母經(jīng)加預(yù)緊力后基本上能消除軸向間隙。(a)墊片調(diào)隙式（圖719） 通常用螺釘來連接滾珠絲杠兩個螺母的凸緣，并在凸緣間加墊片。圖719 雙螺母墊片調(diào)隙式結(jié)構(gòu)2單螺母 3螺母座 4調(diào)整墊片圖720 雙螺母螺紋調(diào)隙式結(jié)構(gòu)2單螺母 3平鍵 4調(diào)整螺母(b)螺紋調(diào)隙式（圖720）其中一個螺母的外端有凸緣而另一個螺母的外端沒有凸緣而制有螺紋，它伸出套筒外，并用兩個圓螺母固定著。圖721雙螺母齒差調(diào)隙式結(jié)構(gòu)2單螺母 4內(nèi)齒圈除了上述三種雙螺母加預(yù)緊力的方式外，還有單螺母變導(dǎo)程自預(yù)緊及單螺母鋼球過盈預(yù)緊方式。預(yù)緊力大時，裝配困難，使用中不能隨時調(diào)整調(diào)整方法當需重新調(diào)整預(yù)緊力時，脫開差齒圈，相對于螺母上的齒在圓周上錯位，然后復(fù)位改變墊片的厚度尺寸，可使雙螺母重新獲得所需預(yù)緊力