第七章 数控机床的机械结构.ppt

第七章数控机床的机械结构 第一节数控机床对结构要求第二节数控机床的布局特点第三节数控机床的主传动部件第四节数控机床的进给传动系统第五节数控机床的自动换刀装置 主要内容 数控机床的机械结构包括 机床的床身 立柱 导轨 主轴部件 进给系统 工作台 刀架和刀库 自动换刀装置及其他辅助装置 第一节数控机床对结构的要求 一 数控机床适合加工高精度 高复杂度的零件 而且零件加工过程具有以下特点 自动化程度高高的加工精度和切削效率多工序和多功能集成可靠性和精度保持性高 二 数控机床对结构的要求 高的静 动刚度和良好的抗振性能 良好的热稳定性 高的运动精度和低速运动平稳性 充分满足人性化要求 1 数控机床应具有更高的静 动刚度 1 提高静刚度的措施1 基础大件采用封闭整体箱形结构2 合理布置加强筋3 提高部件之间的接触刚度 封闭整体箱形结构 纵向隔板 主要提高抗弯刚度横向隔板 主要提高抗扭刚度斜向隔板 兼有提高抗弯刚度 抗扭刚度的效果 8 1概述 2 提高动刚度的措施1 改善机床的阻尼特性 如填充阻尼材料 2 床身表面喷涂阻尼涂层3 充分利用结合面的摩擦阻尼4 采用新材料 提高抗震性 人造大理石床身 混凝土聚合物 增加阻尼提高抗振性 2 良好的热稳定性减小热变形的措施 对热源采取液冷 风冷等方法来控制温升 改善机床结构 对机床热源进行强制冷却 采用热对称结构 对机床热源进行强制冷却 热对称结构立柱 采用热变形补偿装置减小热变形 3 数控机床运动件之间的摩擦要小 要消除传动系统的间隙 达到低速时无爬行 高速时快速响应 4 数控机床应有更好的人性化 便于操作的机床结构 第二节数控机床的布局特点 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 一 数控车床的布局结构特点车床结构三种形式 水平床身 倾斜床身 水平床身斜滑板 水平床身 倾斜床身 立式数控车床 数控机床总体布局 立式数控铣床 数控铣床的布局和结构特点 卧式数控铣床 龙门数控铣床 二 加工中心的布局结构特点 加工中心的布局形式 卧式加工中心主轴位于水平方向 立式加工中心主轴位于竖直方向 五面加工中心 多坐标加工中心 兼具立式和卧式加工中心的功能 图7 5卧式加工中心布局 图7 6立式加工中心布局 固定立柱立式加工中心 滑枕立式加工中心 o形整体床身立式加工中心 移动立柱卧式加工中心 移动立柱卧式加工中心 数控电火花线切割机床的布局和结构特点 快走丝电火花线切割机床 垂直慢走丝电火花线切割机床 水平慢走丝电火花线切割机床 第三节数控机床的主运动部件 1 足够的转速范围2 足够的功率和扭矩3 各零部件应具有足够的精度 强度 刚度和抗振性4 噪声低 运行平稳 对主传动系统的要求 主传动三种形式 1 二级齿轮变速通过控制滑移齿轮 使主轴获得高速和低速两种转速系列 同时在低速段主轴具有较大的输出扭矩 2 定比带传动传动比固定 采用带传动可避免齿轮噪声与振动 多应用于小型数控机床 3 由主轴电机直接驱动简化主轴结构 提高主轴刚度 主轴部件的惯量小 重量轻 快速响应性好 但输出转矩小 受发热影响大 图7 9主传动的三种形式 二 主轴 部件 结构1 主轴的支承 前支承采用双列短圆柱滚子轴承和双列60 角接触球轴承 后支承采用成对角接触球轴承 综合刚性高 图7 10a 前支承采用多个高精度角接触球轴承 适用于高速轻载和精密数控机床 图7 10b 前支承采用双列圆锥滚子轴承 后支承为单列圆锥滚子轴承 适用于中等精度低速重载数控机床 图7 10c 图7 10主轴的支承 图7 11立式加工中心主轴部件的结构简图1 活塞2 拉杆3 弹簧4 钢球5 拉钉6 主轴7 8 行程开关 2 主轴内部刀具自动夹紧机构 主轴内部刀具自动夹紧机构是数控机床尤其是加工中心特有机构 用以保证刀具的准确安装 3 主轴准停装置 也叫主轴定向停止1 作用 使主轴每次都准确地停止在固定的周向位置上 以保证换刀时主轴上的端面键能对准刀夹上的键槽 同时使每次装刀时刀夹与主轴的相对位置不变 提高刀具的重复安装精度 从而提高孔加工时孔径的一致性 2 控制准停装置机械控制准停装置电气控制准停装置 如图 主轴准停装置结构原理图 第四节数控机床的进给运动系统 一 数控机床对进给运动系统的要求加工工件的轮廓精度和位置精度受进给运动传动精度 灵敏度和稳定性的直接影响 因此数控机床对进给运动部件具有一些特殊的要求 作用 进给传动系统是将伺服电机的旋转运动转变为执行部件的直线运动或回转运动 进给系统组成 伺服电机及检测元件 传动机构 运动变换机构 导向机构 执行件 要求 运动件间的摩擦阻力要小消除传动系统中得间隙传动系统的精度和刚度高减小运动惯量 具有适当阻尼 二 传动齿轮副 三 丝杠螺母副1 滚珠丝杠螺母副丝杆和螺母上有弧形螺旋槽 当把它们套装在一起时形成螺旋通道 在滚道内填满滚珠 当丝杆相对于螺母旋转时 丝杆的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动 同时滚珠沿螺旋滚道滚动 使丝杆和螺母的滑动摩擦转变为滚珠与丝杆 螺母之间的滚动摩擦 滚珠丝杠螺母副的特点 摩擦损失小 传动效率高 可达0 90 0 96当丝杠螺母之间预紧后 可完全消除间隙 提高传动刚度摩擦阻力小 几乎与运动速度无关 动静摩擦力之差极小 能保证运动平稳 不易产生爬行现象 磨损小 寿命长 精度保持性好 不能自锁 有可逆性 滚珠丝杠螺母副的结构形式 外循环式 滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触 内循环式 滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触滚珠丝杠螺母副的预紧 预紧目的是提高刚度并消除传动间隙 丝杠螺母副常采用双螺母结构 通过预紧可使两个螺母产生轴向位移 从而消除传动间隙并提高刚度 常用的预紧方法 垫片调整法 螺纹调整法 齿差调整法 2 静压丝杠螺母副 在丝杆和螺母的接触面之间保持有一定厚度和刚度的压力油膜 使丝杠和螺母间的滑动摩擦变为液体摩擦 当丝杆转动时通过油膜推动螺母沿轴向移动 摩擦系数很小 为滚珠丝杠螺母副的1 10 传动效率高 起动力矩小 传动灵敏 油膜层提高了运动的平稳性和散热性并减少了传动间隙 承载压力与供油压力成正比 与转速无关 缺点是需要供油系统且对油的清洁度要求高 四 机床导轨用于引导运动部件沿一定轨道运动 在一对导轨副中 运动的一方叫运动导轨 不动的一方叫支承导轨 按运动轨迹可分为直线运动导轨和圆运动导轨1 数控机床对导轨的要求 导向精度高 耐磨性能好 足够的刚度 低速运动平稳性 结构简单 工艺性好 2 机床导轨种类和特点 按运动轨迹可分为直线运动导轨和圆运动导轨 按工作性质可分为主运动导轨 进给运动导轨和调整导轨 按接触面可分为滑动导轨 滚动导轨和静压导轨 第五节数控机床的自动换刀装置 数控机床对自动换刀装置的要求 换刀时间尽可能短 刀具重复定位精度高 足够的刀具储存量 刚性好 运转安全可靠 结构紧凑 便于制造维修 一 自动换刀装置的形式 回转刀架换刀 应用于数控车床 更换主轴头换刀 应用于数控钻床 带刀库的自动换刀系统 应用于数控铣床 数控加工中心 3 带刀库的自动换刀系统 由刀库和刀具交换机构组成 刀库是存储加工刀具及辅助工具的地方 刀库容量需要考虑加工工艺的需要 一般在20 40把 能进行复杂零件的多工序加工 主轴箱内只有一个主轴 因此可以充分增强主轴刚度以满足精密加工的要求 换刀过程复杂费时 工作可靠性低 二 刀库及刀具的选择方式 1 刀库 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互换 刀库的类型有盘式刀库 链式刀库等多种形式 刀库的形式和容量要根据机床的工艺范围来确定 1 盘式刀库 优点 结构简单 成本较低 换刀可靠性较好 缺点 换刀时间长 适用于刀库容量较小的加工中心 图 盘式刀库 1 盘式刀库 图 盘式刀库 1 盘式刀库 2 链式刀库 8 5 2刀库 2 链式刀库 链式刀库是在环形链条上装有许多刀座 其结构有较大的灵活性 存放刀具的数量也较多 选刀和取刀动作十分简单 当链条较长时 可以增加支撑链轮数目 使链条折叠回饶 提高空间利用率 一般刀具数量在30 120把 图 链式刀库 2 链式刀库 图 链式刀库 8 5 2刀库 2 链式刀库 图 链式刀库 2 链式刀库 图 链式刀库 8 5 2刀库 2 链式刀库 3 选刀方式 2 刀具选择方式 顺序选择方式 刀具编码方式刀座编码方式 刀具编码对每把刀具都进行二进制编码并把此编码信息载体以某种方式固定在刀具的刀柄上 这样刀具可随机存放在任意刀座内 但刀具刀柄必须进行专门设计和制造 刀座编码对刀库的每