第二章数控机床的机械结构与传动.ppt

,数控机床的进给传动系统,数控机床的主传动系统,数控机床的典型机械结构,概述,第二章数控机床的机械结构与传动,第一节概述,第二章数控机床的机械结构与传动,机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置的各种运动和动作指令，都必须由机床本体转换成真实的、准确的机械运动和动作，才能实现数控机床的功能，并保证数控系统性能的要求。,第二章数控机床的机械结构与传动,第二章数控机床的机械结构与传动,第二章数控机床的机械结构与传动,第一节概述,第二章数控机床的机械结构与传动,第一节概述,第二章数控机床的机械结构与传动,第一节概述,第二章数控机床的机械结构与传动,第一节概述,第二章数控机床的机械结构与传动,机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置的各种运动和动作指令，都必须由机床本体转换成真实的、准确的机械运动和动作，才能实现数控机床的功能，并保证数控系统性能的要求。数控机床的本体由下列各部分组成：1.机床基础件，床身，底座，立柱，滑座，工作台等。支承作用。2.主传动系统，实现主运动。3.进给系统，实现进给运动。4.实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，液压，气动，润滑，冷却，防护，排屑。5.实现工件回转、分度定位的装置和附件，回转工作台。6.刀库、刀架和自动换刀装置（ATC）7.托盘交换装置(APC)8.特殊功能装置，如刀具破损监测、精度检测和监控装置等。其中，14为基本件，58为可选件。,第一节概述,1.1数控机床对机械结构的基本要求,第二章数控机床的机械结构与传动,1、高精度2、高速度3、高自动化,要求数控机床必须具有很高的强度、刚度和抗振性,因此，数控机床的功能要求和设计要求与普通机床有较大的差异。数控机床的结构设计要求可以归纳为如下几方面：1、具有大切削功率，高的静、动刚度和良好的抗振性能；2、具有较高的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性；3、具有实现辅助操作自动化的结构部件。,1、较高的机床静、动刚度及良好的抗振性,（1）提高刚度的原因在重载荷的作用下，机床的各部件、构件会受力变形，引起刀具和工件的相对位置的变化机床刚度差影响机床抗振性,刚度:是指支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵抗变形的能力,(静刚度),(动刚度),1、较高的机床静、动刚度及良好的抗振性,结构的刚度直接影响机床的精度和动态性能。机床的刚度主要决定于组成机械系统的部件质量、刚度、阻尼、固有频率以及负载激振频率等。提高机床结构刚度主要措施有：改善机械部分构件；利用平衡机构补偿部件变性；改善并构件间的连接形式；缩短传动链，适当加大传动轴，对轴承和滚珠丝杠等传动部件进行预紧等等。,（2）提高刚度的措施,合理选择支承件的结构形式,措施1支承件截面形状尽量选用抗弯的方截面和抗扭的圆截面或采用封闭型床身,封闭整体箱形结构,措施2合理布置支承件隔板的筋条,隔板的作用是将作用于支承板的局部载荷传递给其它壁板,从而使整个支承件承受载荷,提高支承件的自身刚度,“T”形隔板连接，主要提高水平面抗弯刚度，对提高垂直面抗弯刚度和抗扭刚度不显著，多用在刚度要求不高的床身上,（2）提高刚度的措施,“W”形隔板，能较大地提高水平面上的抗弯抗扭刚度，对中心距超过1500mm的长床身，效果最为显著,（2）提高刚度的措施,“”形隔板，在垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较高，铸造性能好，在大中型车床上应用较多,（2）提高刚度的措施,斜向拉筋，床身刚度最高，排屑容易,（2）提高刚度的措施,措施3增加导轨与支承件的连接部分的刚度,连接刚度:支承件在连接处抵抗变形的能力,称为支承件的连接刚度.,（2）提高刚度的措施,措施4增加机床各部件的接触刚度和承载能力,采用刮研的方法增加单位面积上的接触点在结合面之间施加足够大的预加载荷,增加接触面积,（2）提高刚度的措施,合理的结构布局,（2）提高刚度的措施,合理选用构件的材料,床身、立柱等支承件采用钢板或型钢焊接增加刚度、减轻重量、提高抗振性,铸件:容易获得复杂结构的支承件,铸铁的内摩擦力大,阻尼系数大,振动的衰减性能好,成本低.铸件的周期较长,需做木型模,易产生缩孔、气泡等缺陷,焊接件:钢材的强度比铸铁高，质量可比铸件减轻20%-50%，不需要木模和浇注，生产周期短，不易出现废品,（2）提高刚度的措施,（2）提高抗振性的措施,高速转动零部件的动态不平衡力与切削产生的振动，是引起机床振动的主要原因。提高数控机床抗振性的主要措施有：对机床高速转旋转部件，特别是主轴部件进行动平衡，对传动部件进行消隙处理，减少机床激振力；提高机械部件的静态刚度和固有频率，避免共振，在机床结构大件中充填阻尼材料，在大件表面喷涂阻尼涂层抑制振动等。,措施1采用封砂床身结构,在铸件中不清除砂心，在焊接件中灌注混凝土或砂增加摩擦阻力，提高抗振性。,人造大理石床身（混凝土聚合物）,措施2采用混凝土、树脂混凝土或人造花岗岩作支承件的材料,天然大理石床身,2、减少机床的热变形,引起机床热变形的主要原因是机床内部热源发热，摩擦以及切削产生的发热。减少机床热变形的措施主要有：采用伺服电动机和主轴电动机、变量泵等低能耗执行元件，减少热量的产生；简化传动系统的结构，减少传动齿轮、传动轴，采用低摩擦系数的导轨和轴承，减少摩擦发热；改善散热条件、增加隔热措施、对发热部件（如：电柜、丝杆、油箱等）进行强制冷却，吸收热量，避免温升；采用对称结构设计，使部件均匀受热；对切削部分采用高压、大流量冷却系统冷却等等。,减少热变形的措施：,减少发热将热源从主机中分离出去,措施1主运动采用直流或交流调速电动机进行无级调速减少传动轴和传动齿轮数量减少主传动箱内的发热量,措施2采用低摩擦系数的导轨和轴承采用滚动导轨、静压导轨或滚动轴承,主轴,冷却风管,对机床热源进行强制冷却,控制温升,主轴,冷却风管,对机床热源进行强制冷却,对称结构立柱,措施1采用对称原则设计数控机床结构,改善机床结构,机床排屑系统,措施2采用排屑系统,倾斜床身,措施2采用排屑系统,采用热对称结构及热平衡措施，使机床主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上。,这样，刀尖沿工件切向的偏移对工件径向尺寸的变化影响极小。这就可以使主轴热变形对加工直径的影响降低到最小限度。,进行热变形补偿,3、减少运动件间的摩擦和消除传动间隙,措施1采用滚动导轨或静压导轨来减少摩擦副之间的摩擦,措施2采用滚珠丝杠或无间隙齿轮传动减小摩擦,4、提高机床寿命和精度保持性,措施1采用耐磨性好的零部件,措施2机床运动部件间具有良好的润滑,5、操作方便安全可靠,数控机床大都采用机、电、液、气一体化布局，全封闭或半封闭防护，机械结构大大简化，易于操作及实现自动化。,便于操作的机床结构,数控机床的总体布局,机床的总体布局直接影响到机床的结构和性能。合理选择机床布局，不但可以使机械结构更简单、合理、经济，而且能提高机床刚度、改善机床受力情况，提高热稳定性和操作性能，使机床满足数控化的要求。,工作台完成进给,数控铣床四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。（a）适应较轻工件；（b）适应较大尺寸工件；（c）适应较重工件；（d）适应更重更大工件。,1）数控机床布局特点,（1）不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量,工作台与铣头完成进给,数控铣床四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。（a）适应较轻工件；（b）适应较大尺寸工件；（c）适应较重工件；（d）适应更重更大工件。,1）数控机床布局特点,（1）不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量,工作台与铣头完成进给多刀加工,数控铣床四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。（a）适应较轻工件；（b）适应较大尺寸工件；（c）适应较重工件；（d）适应更重更大工件。,1）数控机床布局特点,（1）不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量,铣头进给,数控铣床四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。（a）适应较轻工件；（b）适应较大尺寸工件；（c）适应较重工件；（d）适应大型、重型工件。,1）数控机床布局特点,（1）不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量,2）不同布局有不同的运动分配及工艺范围,数控镗铣床的三种布局方案中（a）主轴立式布置，上下运动，对工件顶面进行加工；（b）主轴卧式布置，加工工作台上分度工作台的配合，可加工工件多个侧；（c）在（b）基础上再增加一个数控转台，可完成工件上更多内容的加工。,3）不同布局有不同的机床结构性能,数控卧式镗铣床中，（a）、（b）为T形床身布局，工作台支承于床身，刚度好，工作台承载能力强；,3）不同布局有不同的机床结构性能,数控卧式镗铣床中，(c)、(d)工作台为十字形布局，（c）主轴箱悬挂于单立柱一侧，使立柱受偏载，(d)主轴箱装在框式立柱中间，对称布局，受力后变形小，有利于提高加工精度。,4）不同布局影响机床操作方便程度,数控车床的不同布局方案，（a）为水平床身-水平滑板，床身工艺性好，便于导轨面的加工，下部空间小，故排屑困难，刀架水平放置加大了机床宽度方向的结构尺寸；,4）不同布局影响机床操作方便程度,（b）为倾斜床身-倾斜滑板，排屑亦较方便，中小规格的数控车床其床身的倾斜度以60，大型的数控车床采用75（c）水平床身-倾斜滑板，具有水平床身工艺性好，宽度方向的尺寸小，且排屑方便，是卧式数控车床的最佳布局形式。,第二章数控机床的机械结构与传动,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,第一节概述,数控机床机械结构的特点,第二节数控机床的典型机械结构,2.1滚珠丝杠螺母结构,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,第二章数控机床的机械结构与传动,在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则沿着滚道流动。其结构原理如图所示。在丝杠1和螺母3上都装有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道（在图中b所指的位置），将几圈螺旋滚道的两端连接起来，构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠4。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母（或丝杠）轴向移动。,第二节数控机床的典型机械结构,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,滚珠丝杠螺母副优点：1)传动效率高，摩擦损失小。2)运动平稳无爬行。3)传动精度高，反向时无空程。4)磨损小，精度保持性好，使用寿命长。5)具有运动的可逆性。滚珠丝杠螺母副缺点：1）由于结构复杂，丝杠和螺母等元件的加工精度和表面质量要求高，因此制造成本高。2）由于不能自锁，特别是垂直安装的滚珠丝杠传动，会因部件的自重而自动下降，当部件向下运动且切断动力源时，由于部件的自重和惯性，滚珠丝杠不能立即停止运动，因此必须增加制动装置。,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,第二节数控机床的典型机械结构,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。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螺母间重新进入循环。结构简单，工艺性好，承载能力较高，但径向尺寸较大。应用最为广泛，也可用于重载传动系统。,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,螺旋槽式螺母外圆表面铣出螺旋槽，形成滚珠返回通道。制造相对复杂。,插管式弯管作为滚珠返回通道。结构工艺性好。,第二节数控机床的典型机械结构,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（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（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。靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环。反向器2的数目与滚珠圈数相等。结构紧凑，刚度好，滚珠流通性好，摩擦损失小，制造较困难，适用于高灵敏、高精度的进给系统。,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,第二节数控机床的典型机械结构,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。,图2-4常用的几种支撑方式,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,(a)仅一端装推力轴承；(b)两端装推力轴承；(c)一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承；，(d)两端装推力轴承和深沟球轴承,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,名义直径d0滚珠丝杠的名义直径d0是指滚珠中心圆的直径。d0值越大，丝杠的承载能力和刚度越大。用于数控机床进给驱动中的滚珠丝杠，取d0=20mm-100mm。选择d0值应大于丝杠长度L0的1/35-1/30。基本导程Ph导程Ph应根据机床的脉冲指令要求和负载情况来选择。当名义直径d0确定后，Ph值大，可使螺纹的升角变大，传动效率提高。一般2，通常取3.5。滚珠直径d一般取d=0.6Ph。滚珠的工作圈数j工作圈数j一般取2.5-3.5圈工作滚珠总数N工作滚珠总数N以不大于150个为宜,滚珠丝杠副的结构尺寸主要有：丝杠的名义直径D0、螺距t、长度L、滚珠直径d等，尤其是名义直径与刚度直接相关，直径大、承载能力和刚度越大，但直径大转动惯量也随之增加，使系统的灵敏度降低。所以，一般是在兼顾二者的情况下选取最佳直径。,第二节数控机床的典型机械结构,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。,第二章数控机床的机械结构与传动,2.1滚珠丝杠螺母结构,数控铣镗床主轴箱进给丝杠制动示意图,机床工作时，电磁铁通电，使摩擦离合器脱开，运动由电机经减速齿轮传给丝杠，使主轴箱上、下移动。当加工完毕或中间停车时，电机和电磁铁同时断电，借压力弹簧作用合上摩擦离合器，使丝杠不能转动，主轴箱便不会下落。,第二节数控机床的典型机械结构,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。,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,第二节数控机床的典型机械结构,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。,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,（1）垫片调隙式通常用螺钉来连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片。调整垫片的厚度使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预拉紧力的目的。这种结构的特点是构造简单、可靠性好、刚度高以及装卸方便。但调整费时，并且在工作中不能随意调整，除非更换厚度不同的垫片。,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,（2）螺纹调隙式其中一个螺母的外端有凸缘而另一个螺母的外端没有凸缘而制有螺纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固定着。旋转圆螺母时，即可消除间隙，并产生预拉紧力，调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧。结构简单，调整方便；调整精度差。,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,（3）齿差调隙式在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与套筒两端内齿圈相啮合，其齿数相差一个齿。调整时，让两个螺母相对于套筒方向都转动一个齿，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s=（1/z1-1/z2)Pn。,能精确调整预紧量，调整方便、可靠，结构尺寸较大，多用于高精度的传动。,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,（4）单螺母变位螺距预紧,第二节数控机床的典型机械结构,2.2齿轮传动间隙消除结构,第二章数控机床的机械结构与传动,偏心套调整法锥度齿轮轴向垫片调整法斜齿轮轴向垫片调整法齿轮齿条传动副消除间隙的方法,双片薄齿轮错齿调整法斜齿轮轴向压簧错齿调整法锥齿轮轴向压簧调整法锥齿轮周向弹簧调整法,第二节数控机床的典型机械结构,2.2齿轮传动间隙消除结构,第二章数控机床的机械结构与传动,1、刚性调整法1）偏心套调整法,第二节数控机床的典型机械结构,2.2齿轮传动间隙消除结构,第二章数控机床的机械结构与传动,2）锥度齿轮轴向垫片调整法,第二节数控机床的典型机械结构,2.2齿轮传动间隙消除结构,第二章数控机床的机械结构与传动,3）斜齿轮轴向垫片调整法薄片斜齿轮1和2的齿形拼装在一起加工，装配时在两薄片齿轮间装入已知厚度为t的垫片3，这样螺旋线便错开了，使两薄片斜齿轮分别与宽齿轮4的左、右齿面贴紧，从而消除间隙。承载能力较小，且不能自动补偿消除间隙，属刚性消除间隙的范畴。,第二节数控机床的典型机械结构,2.2齿轮传动间隙消除结构,第二章数控机床的机械结构与传动,4）齿轮齿条传动副消除间隙的方法如果通过弹簧在轴2上作用一个轴向力F，使斜齿轮产生微量轴向移动，这时轴1和轴3便以相反的方向转过微小的角度，使齿轮4和5分别与齿条的两齿面贴紧，从而消除间隙。,第二节数控机床的典型机械结构,2.2齿轮传动间隙消除结构,第二章数控机床的机械结构与传动,2、柔性调整法1）双片薄齿轮错齿调整法,第二节数控机床的典型机械结构,2.2齿轮传动间隙消除结构,第二章数控机床的机械结构与传动,2）斜齿轮轴向压簧错齿调整法轴向尺寸较大，只适合于负载较小的场合。,第二节数控机床的典型机械结构,2.2齿轮传动间隙消除结构,第二章数控机床的机械结构与传动,3）锥齿轮轴向压簧调整法,第二节数控机床的典型机械结构,2.2齿轮传动间隙消除结构,第二章数控机床的机械结构与传动,4）锥齿轮周向弹簧调整法,第二节数控机床的典型机械结构,2.2齿轮传动间隙消除结构,第二章数控机床的机械结构与传动,4、齿轮齿条传动副消除间隙的方法如果通过弹簧在轴2上作用一个轴向力F，使斜齿轮产生微量轴向移动，这时轴1和轴3便以相反的方向转过微小的角度，使齿轮4和5分别与齿条的两齿面贴紧，从而消除间隙。,第二节数控机床的典型机械结构,2.3机床导轨,第二章数控机床的机械结构与传动,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：指机床的运动部件沿导轨移动时的直线度和它与有关基面之间相互位置的准确性几何精度、接触精度、结构形式、刚度和热变形、装配质量和油膜刚度等；2）刚度：导轨在动静载荷下抵抗变形的能力；3）耐磨性精度保持性；4）摩擦特性摩擦系数小、动静摩擦系数差别小、高低速下摩擦系数稳定；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,2.3机床导轨,第二章数控机床的机械结构与传动,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。,现代数控机床采用铸铁-塑料滑动导轨和镶钢-塑料滑动导轨。导轨上的塑料常用聚四氟乙烯导轨软带（TSF）和环氧型耐磨导轨涂层（Turcite-B）两类。,第二节数控机床的典型机械结构,2.3机床导轨,第二章数控机床的机械结构与传动,在矩形和三角形导轨中，M面主要起支撑作用，N面是保证直线移动精度的导向面，J面是防止运动部件抬起的压板面；而在燕尾形导轨中，M面起导向和压板作用，J面起支撑作用。,滑动导轨常见的截面形状(a)矩形导轨；(b)三角形导轨；(c)燕尾槽导轨；(d)圆柱形导轨,在数控机床上，滑动导轨的组合形式主要是三角形配矩形式和矩形配矩形式。只有少部分结构采用燕尾式。,第二节数控机床的典型机械结构,2.3机床导轨,第二章数控机床的机械结构与传动,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。,第二节数控机床的典型机械结构,2.3机床导轨,第二章数控机床的机械结构与传动,（1）滚动导轨块,滚动导轨块多用于中等负荷导轨。使用时导轨块装在运动部件上，每一导轨应至少用两块或更多块，导轨块的数目取决于导轨的长度和负载的大小。与之相对的导轨多用镶钢淬火导轨。,第二节数控机床的典型机械结构,2.3机床导轨,第二章数控机床的机械结构与传动,（2)直线滚动导轨,导轨体(支撑导轨)固定在不动部件上，滑块（运动导轨）固定在运动部件上。除导向外还能承受颠覆力矩，其制造精度高，可高速运行，并能长时间保持精度，通过预加负载可提高刚性，具有自调的能力，安装基面允许误差大。,第二节数控机床的典型机械结构,2.3机床导轨,第二章数控机床的机械结构与传动,液体静压导轨是将具有一定压力的油液，经节流器输送到导轨面上的油腔中，形成承载油膜，将相互接触的导轨表面隔开，实现液体摩擦。,开式静压导轨只能承受垂直方向的负载，承受颠覆力矩的能力差。闭式静压导轨能承受较大的颠覆力矩，导轨刚度也较高。,在两个相对运动的导轨面间通以压力油，将运动件浮起，使导轨面间处于纯液体摩擦状态。,第二节数控机床的典型机械结构,2.3机床导轨,第二章数控机床的机械结构与传动,在两个相对运动的导轨面间通以压力油，将运动件浮起，使导轨面间处于纯液体摩擦状态。导轨不会磨损，精度保持性好，寿命长，而且导轨摩擦系数极小(约为0.0005)，功率消耗少。油膜承载能力大，刚度高，吸振性好，导轨运行平稳，既无爬行，也不会产生振动。静压导轨较多应用在大型、重型数控机床上。,第二节数控机床的典型机械结构,2.4刀库与自动换刀装置,第二章数控机床的机械结构与传动,表2-1自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围,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,数控车床方刀架1-电动机2-联轴器3-蜗杆轴4-蜗轮丝杠5-刀架底座6-粗定位盘7-刀架体8-球头销9-转位套10-电刷座11-发信体12-螺母13、14-电刷15-粗定位销,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,2.4刀库与自动换刀装置,第二章数控机床的机械结构与传动,刀库的作用是储备一定数量的刀具，通过机械手实现与主轴上刀具的交换。根据刀库存放刀具的数目和取刀方式，刀库可设计成不同的形式。,刀具在刀库中直线排列、结构简单,直线刀库,刀库的种类,圆盘刀库,存刀量少则6至8把，多则50至60把，有多种形式,链式刀库,刀座固定在链节上，常用的有单排链式刀库，多排链刀库等,其他刀库,例如格子箱式刀库，刀库容量较大，可以使整箱刀库与机外交换,第二节数控机床的典型机械结构,2.4刀库与自动换刀装置,第二章数控机床的机械结构与传动,圆盘刀库,存刀量少则6至8把，多则50至60把，有多种形式,第二节数控机床的典型机械结构,2.4刀库与自动换刀装置,第二章数控机床的机械结构与传动,链式刀库,刀座固定在链节上，常用的有单排链式刀库，多排链刀库等,第二节数控机床的典型机械结构,2.4刀库与自动换刀装置,第二章数控机床的机械结构与传动,格子箱式刀库刀库,例如格子箱式刀库，刀库容量较大，可以使整箱刀库与机外交换,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,数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式和具体结构对机床的生产效率、工作可靠性，有着直接的影响。刀具的交换方式一般可分为两大类。,2.4刀库与自动换刀装置,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,2.4刀库与自动换刀装置,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,2.4刀库与自动换刀装置,JCS-013型自动换刀数控卧式镗铣床所用换刀装置,(1)开始换刀前状态：主轴正在用T05号刀具进行加工，装刀机械手已抓住下一工步需用的T09号刀具，机械手架处于最高位置，为换刀做好了准备；(2)上一工步结束，机床立柱后退，主轴箱上升，使主轴处于换刀位置。接着下一工步开始，其第一个指令是换刀，机械手架回转180o，转向主轴；(3)卸刀机械手前伸，抓住主轴上已用过的T05号刀具；(4)机械手架由滑座带动，沿刀具轴线前移，将T05号刀具从主轴上拔出；(5)卸刀机械手缩回原位；,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,2.4刀库与自动换刀装置,JCS-013型自动换刀数控卧式镗铣床所用换刀装置,(6)装刀机械手前伸；使T09号刀具对准主轴；(7)机械手架后移，将T09号刀具插入主轴；(8)装刀机械手缩回原位；(9)机械手架回转180o，使装刀、卸刀机械手转向刀库；,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,2.4刀库与自动换刀装置,JCS-013型自动换刀数控卧式镗铣床所用换刀装置,(10)机械手架由横梁带动下降，找第二排刀套链，卸刀机械手将T05号刀具插回P05号刀套中；(11)刀套链转动，把在下一个工步需用的T46号刀具送到换刀位置；机械手架下降，找第三排刀链，由装刀机械手将T46号刀具取出；(12)刀套链反转，把P09号刀套送到换刀位置，同时机械手架上升至最高位置，为再下面一个工步的换刀做好准备。,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,根据换刀指令，刀具交换装置从刀库中挑选各工序所需刀具的操作称为自动选刀。,2.4刀库与自动换刀装置,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,2.4刀库与自动换刀装置,刀具的顺序选择方式：将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座中。特点：不需要刀具识别装置，结构简单，工作可靠，但刀库中刀具在不同工序中不能重复使用，因此，刀具的数量的刀库的容量大。,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,2.4刀库与自动换刀装置,刀具编码选择方式：采用了一种特殊的刀柄结构，并对每把力具进行编码。换刀时通过编码识别装置，根据换刀指令代码，在刀库中寻找出所需要的刀具。,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,2.4刀库与自动换刀装置,刀座编码选择方式：对刀库中所有刀座预先编码，每把刀具放入相应刀座之后，就具有了相应刀座的编码。,永久性编码,临时性编码,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,2.4刀库与自动换刀装置,目前应用最多的是计算机记忆式选刀。这种方式的特点是，刀具号和存刀位置或刀座号(地址)对应地存放在计算机的存储器或可编程控制器的存储器中。不论刀具存放在哪个刀座上，新的对应关系重新存放，这样刀具可以在任意位置(地址)存取。刀具本身不必设置编码元件，结构大为简化，控制也十分简单。计算机控制的机床几乎全部采用这种方式选刀。,第二节数控机床的典型机械结构,2.5回转工作台与分度工作台,第二章数控机床的机械结构与传动,为了扩大机床的工艺范围，数控机床除了具有直线进给功能外，还应具有绕X、Y、Z轴圆周进给或分度的功能。通常，数控机床的圆周进给运动由回转工作台来完成。常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。分度工作台的功能是将工件转位换面，完成分度运动，和自动换刀装置配合使用，实现工件一次安装能完成几个面的多种工序。数控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，还可实现精确的自动分度工作。,第二节数控机床的典型机械结构,2.5回转工作台与分度工作台,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,2.5回转工作台与分度工作台,第二章数控机床的机械结构与传动,第三节数控机床的主传动系统,3.1主传动的基本要求和变速方式,第二章数控机床的机械结构与传动,1）为能达到最佳的切削效果，主轴一般都要求能实现无级变速。2）机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高速、高效加工。3）为了降低噪声、减少发热、减轻振动，主传动系统应简化结构，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,3.1主传动的基本要求和变速方式,第二章数控机床的机械结构与传动,主轴转速更高、变速范围更宽、消耗功率更大主运动的参数：运动参数：是指主轴转速和变速范围。动力参数：是指主运动的功率。主轴转速和调速速范围主轴转速（r/min）主轴最低转速（r/min）主轴最高转速（r/min）调速范围：数控机床的调速范围宽，一般Rn100，有时甚至Rn1000,第三节数控机床的主传动系统,3.1主传动的基本要求和变速方式,第二章数控机床的机械结构与传动,主运动的功率扭矩特性：,第二章数控机床的机械结构与传动,有级变速仅用于经济型数控机床,第三节数控机床的主传动系统,主传动采用无级变速，不仅能在一定的速度范围内选择到合理的切削速度，而且还能在运动中自动换速。,为了确保数控机床主轴低速时可输出较大扭矩的特性要求（特别是粗加工的场合）以及主轴的变速范围尽可能大，有的数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上增加齿轮变速，即为分段无级变速。,主轴调速方法,3.1主传动的基本要求和变速方式,第二章数控机床的机械结构与传动,第三节数控机床的主传动系统,3.1主传动的基本要求和变速方式,带有变速齿轮的主传动一般大、中型数控机床多采用这种方式。它通过几对齿轮降速，扩大了输出扭矩，确保低速时的主轴输出扭矩特性的要求。有一小部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。机械变速机构常采用滑移齿轮变速机构，它的位移大多数采用液压拨叉和电磁离合器两种变速操纵方法。,第二章数控机床的机械结构与传动,第三节数控机床的主传动系统,3.1主传动的基本要求和变速方式,液压拨叉变速。在带有齿轮传动的主传动系统中，齿轮的换档主要靠液压拨叉来完成。,电磁离合器变速。电磁离合器是应用电磁效应或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品选用，因而它已成为自动装置中常用的操纵元件。电磁离合器用于数控机床主传动时，能简化变速机构，通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸和与分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴转速。,第二章数控机床的机械结构与传动,第三节数控机床的主传动系统,3.1主传动的基本要求和变速方式,THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统图，该机床采用主轴电机和六个电磁离合器完成18级变速。,第二章数控机床的机械结构与传动,第三节数控机床的主传动系统,3.1主传动的基本要求和变速方式,通过皮带传动的主传动这种方式主要应用在转速较高、变速范围不大的小型数控机床上，电动机本身的调整就能满足要求，不用齿轮变速，可避免齿轮传动时引起振动和噪声的缺点，但它只适用于低扭矩特性要求。常用的有同步齿形带、多楔带、V带、平带、V形带,第二章数控机床的机械结构与传动,第三节数控机床的主传动系统,3.1主传动的基本要求和变速方式,同步齿形带。数控机床上常采用同步齿形带传动，它是一种综合了带、链传动优点的新型传动方式。同步齿形带的带型有T型齿和圆弧齿。多楔带。数控机床上应用的多楔带又称复合三角带，横向断面呈多个楔形如图2-9所示，楔角为400，传递负载主要靠强力层。,第二章数控机床的机械结构与传动,第三节数控机床的主传动系统,3.1主传动的基本要求和变速方式,电机直接驱动精密联轴器连接：结构紧凑、传动效率高，但主轴的转速和扭矩与电机完全一致，低速性能的改善是其广泛应用的关键。,内装电机主轴主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，振动噪声小、动态响应特性和刚度好。但发热对主轴精度影响较大。用于立式加工中心的内装电机主轴最高转速可达20000rpm。,第二章数控机床的机械结构与传动,第三节数控机床的主传动系统,3.1主传动的基本要求和变速方式,第二章数控机床的机械结构与传动,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。,第三节数控机床的主传动系统,3.2主轴部件的结构,主轴支承一般应根据主轴转速、承载能力、回转精度等性能选用。中小型机床：多采用滚动轴承。重型机床：多采用液体静压轴承高精度机床：多采用气体静压轴承超高速机床（210104rpm）：多采用磁力轴承或陶瓷滚珠轴承。,第二章数控机床的机械结构与传动,第三节数控机床的主传动系统,3.2主轴部件的结构,滚动轴承主要有：角接触球轴承（承受径向、轴向载荷）双列短圆柱滚子轴承（只承受径向载荷）60角接触双向推力球轴承（只承受轴向载荷，常与双列圆柱滚子轴承配套使用）双列圆柱滚子轴承（能同时承受较大的径向、轴向载荷，常作为主轴的前支承）。,(c)双列推力向心球轴承；(d)双列圆锥滚子轴承；(b)带凸肩的双列空心圆柱滚子轴承；(f)带预紧弹簧的单列圆锥滚子轴承；(a)角接触滚子轴承；(e)锥孔双列圆柱滚子轴承,第二章数控机床的机械结构与传动,第三节数控机床的主传动系统,3.2主轴部件的结构,液体静压滑动轴承主要由供油系统、节流器、轴承三部分组成。节流器是使液体静压滑动轴承各油腔形成压强差的关键。,液体静压滑动轴承主要应用于主轴高转速、高回转精度的场合，如应用于精密、超精密的数控机床主轴、数控磨床主轴。,第二章数控机床的机械结构与传动,（1）前支撑采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列向心推力球轴承组合，后支撑采用成对向心推力球轴承(见图（a）)。此配置可提高主轴的综合刚度，满足强力切削的要求。它普遍用于各类数控机床主轴。（2）前支撑采用高精度双列向心推力球轴承(见图（b）)。向心推力轴承有良好的高速性，主轴最高转速可达4000rmin，但它的承载能力小，适于高速、轻载、高精密的数控机床主轴。（3）前后支撑分别采用双列和单列圆锥滚子轴承(见图（c）)。这种轴承的径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其是可承受较强的动载荷。其安装、调整性能好，但这种支撑方式限制了主轴转速和精度，因此可用于中等精度、低速、重载的数控机床的主轴。,第三节数控机床的主传动系统,3.2主轴部件的结构,数控机床主轴轴承配置的三种主要形式,为提高主轴组件刚度，数控机床还常采用三支承主轴组件（对前后轴承跨距较大的数控机床），辅助支承常采用深沟球轴承。,第二章数控机床的机械结构与传动,第三节数控机床的主传动系统,3.2主轴部件的结构,（a）所示为车床主轴端部，卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端面定位，用端面键传递扭矩，卡盘装有固定螺栓。卡盘装于主轴端部时，螺栓从凸缘的孔中穿过，转动快卸卡盘将数个螺栓同时拴住，再拧紧螺母将卡盘固定在主轴端部。主轴为空心轴，前端为莫式锥孔，用于安装顶尖或心轴。（b）所示为铣镗床主轴端部（用拉杆从主轴后端拉紧，铣刀上有螺纹孔）（c）所示为外圆磨床砂轮主轴端部,端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，因此，要保证刀具或夹具定位（轴向