4數(shù)控機床原理、結構與維修和數(shù)控機床編程及加工

第4章數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)?學習目的與要求了解數(shù)控機床對進給傳動系統(tǒng)的要求了解數(shù)控機床常用的聯(lián)軸器的使用掌握齒輪傳動副及其消除齒輪傳動中的間隙方法掌握數(shù)控機床用滾珠絲杠螺母副原理、特點、參數(shù)、選擇方法和維護了解齒輪齒條副與雙導程蝸桿副傳動、靜壓蝸桿蝸條副與直線電動機傳動原理和特點掌握數(shù)控機床導軌形狀、類型和特點，導軌間隙的調整、潤滑與防護理解絲杠、導軌在使用過程中常見的的故障、故障原因及維修方法?[學習導引示例]典型數(shù)控機床的數(shù)控工作臺傳動系統(tǒng)圖4-1所示為數(shù)控工作臺傳動系統(tǒng)的機械結構圖。伺服電動機通過滾珠絲杠與工作臺螺母座連接驅動工作臺運動，兩坐標上下垂直布置，直線運動采用滾動導軌，這種直聯(lián)的結構簡單。伺服電動機還可通過齒輪傳動或同步齒形帶與絲杠連接，同步齒形帶可隔離電動機的振動和發(fā)熱，電動機的安裝位置也比較靈活。圖4-1數(shù)控工作臺傳動系統(tǒng)的機械結構圖1一伺服電動機2一聯(lián)軸器3一滾珠絲杠4一限位開關5一工作臺6一軸承7一導軌8一檢測裝置9一螺母?4.1.1數(shù)控機床對進給傳動系統(tǒng)的要求（1）減小運動件的摩擦阻力和動、靜摩擦力之差，以提高數(shù)控機床進給系統(tǒng)的快速響應性能和運動精度。如采用滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副，滾動導軌、靜壓導軌和塑料導軌。(2)減少高速運轉的零部件的慣量對伺服機構的啟動和制動特性的影響；減小旋轉零件的直徑和質量，以減小運動部件的蝸輪副的嚙合側隙對傳動、定位精度的影響。如采用雙導程蝸桿蝸輪。(3)使進給傳動裝置有高的傳動精度與定位精度，對采用步進電動機驅動的開環(huán)控制系統(tǒng)尤其如此。如通過在進給傳動鏈中加入減速齒輪，以減小脈沖當量，預緊傳動滾珠絲杠，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。4.1概述?

(4)具有寬的工作進給調速范圍達3～6000mm／min(調速范圍1：2023)；精密定位，伺服系統(tǒng)的低速趨近速度達0.1mm／min；快速移動速度應高達15m／min。(5)響應速度要快。使機床工作臺及其傳動機構的剛度、間隙、摩擦以及轉動慣量盡可能達到最佳值，以提高伺服進給系統(tǒng)的快速響應性。提高機床的加工效率和加工精度。(6)消除傳動間隙，減小反向死區(qū)誤差。如設采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié)及有消除間隙措施的傳動副等方法。(7)穩(wěn)定性好、壽命長。如組成進給機構的各傳動部件，特別是滾珠絲杠及傳動齒輪，必須具有一定的合適耐磨性材料和適宜的潤滑方式。(8)便于維護和保養(yǎng)，最大限度地減小維修工作量，以提高機床的利用率。?運作

4.1.2聯(lián)軸器聯(lián)軸器是用來連接進給機構的兩根軸使之一起回轉，以傳遞轉矩和運動的一種裝置。機器運轉時，被連接的兩軸不能分離，只有停車后，將聯(lián)軸器拆開，兩軸才能脫開。?

1.套筒聯(lián)軸器(圖4-2)由連接兩軸軸端的套筒和聯(lián)接套筒與軸的聯(lián)接件(鍵或錐銷等)所組成，一般當軸端直徑d≤80mm時．，套筒用35或45鋼制造；d>80mm時，可用強度較高的鑄鐵制造。

（a）（b）（c）圖4-2套筒聯(lián)軸器(a)鍵連接(b)錐銷連接(c)十字滑塊聯(lián)軸節(jié)?三種不同生產類型的生產管理特點2．凸緣聯(lián)軸器凸緣聯(lián)軸器是把兩個帶有凸緣的半聯(lián)軸器分別與兩軸連接，然后用螺栓把兩個半聯(lián)軸器連成一體，以傳遞動動和轉矩，見圖4-3凸緣聯(lián)軸器。（a）靠螺栓桿承受擠壓與剪切來傳遞轉矩,在裝拆時軸必須作軸向移動，(b)轉矩靠半聯(lián)軸器結合面間的摩擦力來傳遞凸緣式聯(lián)軸器的材料可用HT250或碳鋼，重載時或圓周速度大于30m／s時應用鑄鋼或鍛鋼。

（a）（b）圖4-3凸緣式聯(lián)軸器?圖4-4是現(xiàn)在廣泛采用的直接連接電機軸和絲杠的彈性聯(lián)軸器?？珊喕Y構、減少噪聲，而且對減少間隙、提高傳動剛度也大有好處。依靠彈性鋼片組對角連接(即彈性)傳遞扭矩，且與電機軸和絲杠都無鍵連接，這便是彈性無鍵聯(lián)軸器的工作原理.

3．彈性無鍵聯(lián)軸器圖4-4直接連接電機軸和絲杠的彈性聯(lián)軸器?【實例4-1】TND360型安全聯(lián)軸器為了避免整個運動傳動機構的零倬損壞，安全聯(lián)軸器動作，終止運動的傳遞。圖4-6所示為TND360數(shù)控車床的縱向滑板的傳動系統(tǒng)圖。它是由縱向直流伺服電動機2，經安全聯(lián)軸器4、6直接驅動滾珠絲杠螺母副10，傳動縱向滑板，使其沿床身上的縱向導軌運動。

4．安全聯(lián)軸器圖4-6?適用范圍：對已投產的企業(yè)確定生產類型時使用

4.2齒輪傳動副齒輪傳動副被廣泛應用將執(zhí)行元件(電動機或液壓馬達)輸出的高轉速、低轉矩轉換成被控對象所需的低轉速、大轉矩的場合。齒輪副的側隙會造成進給運動反向時丟失指令脈沖，并產生反向死區(qū)，從而影響加工精度，因此必須采取措施消除齒輪傳動中的間隙。1．直齒圓柱齒輪副消除（1）偏心軸調整法（2）雙片薄齒輪錯齒調整法2．斜齒圓柱齒輪副消除（1）軸向墊片調整法(2)軸向壓簧調整法3．錐齒輪傳動副（1）軸向壓簧調整法(2)周向彈簧調整法?4.3數(shù)控機床用絲杠傳動副

1.滾珠絲杠螺母副原理及特點滾珠絲杠螺母副的傳動效率高達85％～98％，是普通滑動絲杠的2～4倍，它是提高進給系統(tǒng)靈敏度、定位精度和防止爬行的有效措施之一。滾珠絲杠螺母副的結構原理如圖4-14所示。

滾珠絲杠副的特點是：

①傳動效率高，可達90％～96。②磨損小、壽命長、傳動精度高。③摩擦阻力小，不易產生低速爬行現(xiàn)象。④傳動速度過高時，滾珠在其回路管道內易產生卡珠現(xiàn)象。⑤制造工藝復雜、加工精度高。圖4-14?

2滾珠的循環(huán)方式(1)外循環(huán)外循環(huán)是滾珠在循環(huán)過程結束后通過螺母外表面的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進入循環(huán)。外循環(huán)每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等幾種。圖4-15外循環(huán)滾珠絲杠(a)端蓋式(b)插管式(c)螺旋槽式。外循環(huán)滾珠絲杠外循環(huán)結構和制造工藝簡單，但易發(fā)生卡珠現(xiàn)象，噪聲也較大。(2)內循環(huán)內循環(huán)始終與絲杠保持接觸，均采用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種類型。如圖4-16(a)、(b)所示為圓柱凸鍵反向器、扁圓鑲塊反向器。內循環(huán)滾珠絲杠副的每個螺母有2列、3列、4列、5列等幾種．結構緊湊、定位可靠、不易發(fā)生滾珠堵塞，摩擦損失也小。但結構復雜、制造困難，上能用于多線螺紋傳動。?

3.滾珠絲杠副的參數(shù)(1)公稱直徑是滾珠絲杠副的特征尺寸。公稱直徑越大，承載能力和剛度越大。數(shù)控機床常用的進給絲杠，公稱直徑為30～~80mm。(2)導程L絲杠相對螺母旋轉任意弧度時，螺母上基準點的軸向位移。(3)基本導程絲杠相對于螺母旋轉2兀時，螺母上的基準點軸向位移。(4)接觸角在螺紋滾道法向剖面內，滾珠球心與滾道接觸點的連線和螺紋軸線的垂直線間的夾角，理想接觸角等于45°。

(5)滾珠直徑、滾珠的工作圈數(shù)i、滾珠的總數(shù)N圖4-17基本參數(shù)?GB／T17587.1-2023規(guī)定●內循環(huán)為浮動式（標記代號F）和固定式（C），外循環(huán)為插管式（C）;預緊方式見表4—3●螺紋旋向為右旋者不標，為左旋者標記代號為“LH”。P類為定位滾珠絲杠副，即通過旋轉角度和導程控制軸向位移量的滾珠絲杠副?！窬确?、2、3、4、5、7和10級。1級精度最高，依次遞減●T類為傳動滾珠絲杠副，公稱直徑系列為：6mm、8mm。。。。導程：2．5mm、3mm。。。【實例4-2】滾珠絲杠副CDM5010—3一P3的標注示例

4．滾珠絲杠副的標注與精度?

（1）精度等級的選擇：數(shù)控機床一般可選用D級，精密級選用C級精度的滾珠絲杠副。（2）結構尺寸的選擇。滾珠絲桿的結構尺寸主要有：絲桿的名義直徑，基本導程、導程L、滾珠直徑等。（3）滾珠絲杠副選擇和驗算

①機床定位精度要求與絲杠精度絲杠溫升引起的變形量為：△L=αL·△t②滾珠絲杠的剛性直徑大、剛度好，但直徑大，轉動慣量也增大。

③滾珠絲杠副的臨界轉速自振頻率角度校核的臨界轉速為

5.滾珠絲杠副的選擇方法

?④滾珠絲杠副的壽命計算額定壽命計算公式如下：

/

=[

/]／60保證額定壽命≥20000(h)?！緦嵗?-3】滾珠絲杠安裝示例

美國CINCINNATI10HC臥式加工中心的Z坐標(立柱水平方向移動)的滾珠絲杠支承采用一端固定，一端自由的結構形式，見圖4-18(a)；CINCINNATII0HC臥式加工中心的X坐標滾珠絲杠，如圖4-18(b)所示；CINCINNATI10HC臥式加工中心的Y坐標滾珠絲杠如圖4-18(c)所示。?6．滾珠絲杠螺母副的維護

(1)支承軸承的定期檢查應定期檢查絲杠支承與床身的連接是否有松動以及支承軸承是否損壞等。(2)滾珠絲杠副的潤滑和密封用潤滑劑來提高耐磨性及傳動效率。潤滑油為一般機油或90～180號透平油或140號主軸油。潤滑脂可采用鋰基油脂。(3)滾珠絲杠副常用防塵密封圈和防護罩1)密封圈。密封圈裝在滾珠螺母的兩端。接觸式的彈性密封圈系用耐油橡皮或尼龍等材料制成，其內孔制成與絲杠螺紋滾道相配合的形狀。非接觸式的密封圈又稱迷宮式密封圈，系用聚氯乙烯等塑料制成，其內孔形狀與絲杠螺紋滾道相反，并略有間隙。2)防護罩。鋼帶纏卷式絲杠防護裝置。

?

4.3.2靜壓絲杠1.靜壓絲杠應用與結構靜壓絲杠副結構設計主要是螺母部分的結構設計，油腔節(jié)流器一般在螺母上，而絲杠結構與一般滑動絲杠基本相同。圖4-20靜壓絲杠螺母副的結構1一螺母2一接壓力表油孔3、5、12一進油孔4一螺母座6一油塞7一節(jié)流器8一絲杠9一螺釘10一回油槽11一油腔13一進油槽2.工作特點和原理●工作特點:①摩擦系數(shù)很小，僅為0.0005，避免了爬行。②油膜層可以吸振，提高了運動的平穩(wěn)性。③油膜層具有一定的剛度④提高供油壓力即可提高承載能力●工作原理絲杠和螺母的螺旋面之間通入壓力油，如圖4-21所示。?4.4齒輪齒條副與雙導程蝸桿副傳動4.4.1齒輪齒條副【實例4-4】XKB-2320型數(shù)控龍門銑床齒輪齒條傳動

(1)傳動原理如圖4-24所示，以液壓電動機直接驅動蝸桿6，蝸桿6同時帶動蝸輪2和7。蝸輪2通過雙面齒離合器3和單面齒離合器4，把運動傳給軸齒輪1；蝸輪7經一對速比等于1的斜齒輪8和19，把運動傳給另一軸齒輪14。這樣，可使兩個軸齒輪的轉向相同。(2)反向間隙和預載力的調整1)通過離合器3和4進行粗調。2)調整滾輪20與消除間隙板21之間的接觸壓力。圖4-24齒輪齒條機構傳動原理圖?4.4.2雙導程蝸桿蝸輪副1.雙導程蝸桿蝸輪副的特點①嚙合間隙可調整得很小。②雙導程蝸桿蝸輪副是用蝸桿軸向移動來調整嚙合側隙的，不會改變它們的中心距，可以避免會引起齒面接觸情況變差.③雙導程蝸桿蝸輪副使用修磨調整環(huán)來控制調整量，調整準確，方便可靠④用調整環(huán)來獲得合適的嚙合側隙。2.雙導程蝸桿蝸輪副的工作原理雙導程蝸桿齒的左、右兩側面具有不同的導程，而同一側的導程則是相等的.

【實例4-5】JCS-013加工中心雙導程蝸桿蝸輪副的間隙調整結構圖4-27數(shù)控回轉工作臺雙導程蝸桿?4.5靜壓蝸桿蝸條副與直線電動機傳動4.5.1靜壓蝸桿蝸條副傳動1.工作原理圖4-28在蝸桿蝸輪條的嚙合面間注入壓力油，以形成一定厚度能油膜，使兩嚙合面問成為液體摩擦.2特點①摩擦阻力小②使用壽命長③抗振性能好④有足夠的軸向剛度⑤蝸輪條能無限接長3．靜壓蝸桿蝸輪條副的材料鋼蝸桿配鑄鐵蝸輪條。鋼蝸桿配鑄鐵基體涂有SKC3耐磨涂層的蝸輪條。圖4-28蝸桿一蝸輪條傳動機構?4.5.2直線電動機驅動【實例4-6】HVM800型臥式加工中心直線電動機傳動如圖4-33所示。當多相交變電流通入多相對稱繞組時，就會在直線電動機初級和次級之間的氣隙中產生一個行波磁場。從而使初級和次級之間相對移動。

圖4-33旋轉電動機展平為直線電動機的過程(a)旋轉電動機(b)直線電動機?4.6數(shù)控機床導軌

4.6.1對導數(shù)控軌的要求1．導向精度高.2．高、低速平穩(wěn)性好.3．耐磨性好及壽命長.4．足夠的剛度.4.6.2導軌的技術要求(1)導軌的精度要求鑲鋼導軌的平面度須控制在0.005～0.01mm以下，平行度和垂直度在0.01mm以下。(2)導軌的熱處理鑲鋼導軌，一般采用中頻淬火或滲氮淬火方式，淬火硬度為58～62HRC，滲氮層厚0.5mm。?4.6.3導軌的基本類型及特點表4-4是滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌的特點及適用范圍。1．常用導軌的形狀(1)直線滑動導軌的截面形狀常用有矩形、三角形、燕尾形及圓形表面（圖4-35）。（a）(b)(c)(d)圖4-35直線滑動導軌的截面形狀

（2）直線導軌的組合1)雙三角形導軌.它適用于精度要求高的機床，如坐標鏜床、絲杠車床。2)雙矩形導軌,常用于普通精度的機床.3)三角形一平導軌組合,通常用于磨床、精密鏜床等。?2.數(shù)控機床的導軌的類型（1）塑料滑動導軌。①貼塑導軌：填充PTEE(聚四氟乙烯)軟帶材料。②注塑導軌。以環(huán)氧樹脂和二硫化鉬為基體，加入增塑劑，混合成液狀或膏狀為一組份，固化劑為另一組分的雙組分塑料涂層。（2）動壓導軌動壓導軌的工作原理：形成壓力油楔即有一定的相對運動速度，油腔沿運動方向的間隙逐漸減小。（3）靜壓導軌1)液體靜壓導軌：形成承載油膜；使導軌面之間處于純液體摩擦狀態(tài)。2)氣體靜壓導軌利用恒定壓力的空氣膜，使運動部件之間形成均勻分離。?

滾動導軌液是在導軌面之間放置滾珠、滾柱或滾針等滾動體，導軌面之間為滾動摩擦。滾動導軌的分類方法、類型、結構特點及應用范圍見表4-5。直線滾動導軌的外形和結構如圖4-43所示。直線滾動導軌摩擦因數(shù)小，精度高，安裝和維修都很方便，直線運動導軌副的移動速度可以達到60m／min，在數(shù)控機床和加工中心上得到廣泛應用。（4）滾動導軌

圖4-43直線滾動導軌的外形和結構l一導軌體2一側面密封墊3一保持器4一承載球列5一端部密封墊6一端蓋7一滑塊8一潤滑油杯

?【實例4-7】THK系列LM導軌的類型及特點

?3.導軌間隙的調整、潤滑與防護(1)間隙調整方法1)采用壓板來調整間隙并承受顛覆力矩。2)采用鑲條來調整矩形和燕尾形導軌的間隙。3)采用壓板鑲條來調整間隙。（2）導軌的潤滑導軌常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂，前者用于滑動導軌，而滾動導軌兩種都能用。1)潤滑的方式。導軌最簡單的潤滑方式是人工定期加油或用油杯供油。2)油槽形式。3)對潤滑油的要求。(3)導軌的防護導軌面有可靠的防護裝置。

?4.7進給傳動系統(tǒng)常見故障診斷及維修表4-7滾珠絲杠常見故障、故障原因及維修方法故障現(xiàn)象故障原因維修方法滾珠絲杠副噪音絲杠支承軸承的壓蓋壓合情況不好調整軸承壓蓋，使其壓緊軸承端面絲杠支承軸承可能破裂如軸承破損，更換新軸承電動機與絲杠聯(lián)軸器松動擰緊聯(lián)軸器，鎖緊螺釘絲杠潤滑不良改善潤滑條件，使?jié)櫥土砍渥銤L珠絲杠副滾珠有破損更換新滾珠滾珠絲杠運動不靈活軸向預加載荷過大調整軸向間隙和預加載荷絲杠與導軌不平行調整絲杠支座位置，使絲杠與導軌平行螺母軸線與導軌不平行調整螺母座位置絲杠彎曲變形調整絲杠?表4-8導軌常見故障、故障原因及維修方法故障現(xiàn)象故障原因維修方法導軌研傷機床經長時間使用，地基與床身水平度有變化，使導軌局部單位面積負荷過大定期進行床身導軌的水平度調整，或修復導軌精度長期加工短工件或承受過分集中的負荷，，使導軌局部磨損嚴重注意合理分布短工件的安裝位置，避免負荷過分集中導軌潤滑不良調整導軌潤滑油量，保證潤滑油壓力導軌材質不佳采用電鍍加熱自冷淬火對導軌進行處理，導軌上增加鋅鋁合金板，以改善摩擦情況刮研質量不符合要求提高刮研修復的質量機裝維護不良，導軌里落人臟物加強機床保養(yǎng)，保護好導軌防護裝置?再見?機械工程實驗教學中心數(shù)控機床編程及加工機械工程實驗教學中心實驗目的通過數(shù)控機床的加工程序編制，掌握編程的方法及技巧；將在計算機上用OpenSoftCNC軟件模擬顯示加工過程校驗程序，然后在數(shù)控機床上對工件進行加工；結合機械加工工藝，實現(xiàn)最優(yōu)化編程，提高加工質量和生產效率。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的基本原理數(shù)控編程的目的；數(shù)控編程的內容；編程步驟。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的基本原理所謂編程，就是把零件的圖形尺寸、工藝過程、工藝參數(shù)、機床的運動以及刀具位移等內容，按照數(shù)控機床的編程格式和能識別的語言記錄在程序單上的全過程。這樣編制的程序還必須按規(guī)定把程序單制備成控制介質如程序紙帶、磁帶等，變成數(shù)控系統(tǒng)能讀懂的信息，再送入數(shù)控機床，數(shù)控機床的CNC裝置對程序經過處理之后，向機床各坐標的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信息，驅動機床完成相應的運動。數(shù)控編程的目的機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的基本原理①分析零件圖紙，確定加工工藝過程；②計算走刀軌跡，得出刀位數(shù)據(jù)；③編寫零件加工程序；④制作控制介質；⑤校對程序及首件試加工。數(shù)控編程的內容機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的基本原理數(shù)控編程的步驟零件圖紙分析零件圖紙制定工藝規(guī)程數(shù)學處理編寫程序文件制作控制介質程序校驗及試切數(shù)控機床機械工程實驗教學中心OpenSoftCNC軟件介紹OpenSoftCNC軟件包括數(shù)控車床模擬仿真和數(shù)控銑床模擬仿真系統(tǒng)，由軟件+標準硬件系統(tǒng)構成，不要求專用硬件或運動控制卡，所有數(shù)控功能和邏輯控制功能均由軟件完成，操作界面由系統(tǒng)操作和機床控制兩大部分組成。機械工程實驗教學中心OpenSoftCNC軟件介紹為例，軟件提供下列指令：以數(shù)控車床模擬仿真系統(tǒng)（OpenSoftCNC01T）組別指令功能編程格式模態(tài)

1G00快速線性移動G00X(U)_Z(W)_√G01直線插補G01X(U)_Z(W)_√G02順時針圓弧插補G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆時針圓弧插補G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺紋插補G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺紋插補G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X軸返回程序零點G27

G28Z軸返回程序零點G28

G92定義絕對坐標系G92X_Z_√2G04延時G04E_

3M00暫停M00

M02程序結束M02

4M03主軸正轉M03√M04主軸反轉M04√M05主軸停M05√5M08開冷卻液M08√M09關冷卻液M09√

6M97程序跳轉M97P_

M98子程序調用M98P_L_

M99子程序返回M99

7M20自定義開