部分数控机床机械结构.ppt

第四部分数控机床的机械结构,基本要求：熟悉数控机床常用机械元件及其特点、数控机床的典型结构。重点与难点：数控机床进给系统机械传动元件的特点及选用；数控机床的主传动系统及主轴部件；数控机床的刀库及换刀装置；分度工作台和数控回转工作台等。,机电工程学院,4.1数控机床的机械结构的组成及总体布局4.2数控机床机械结构的要求4.3数控机床的主传动系统4.4数控机床的进给传动系统4.5基础支撑件4.6数控机床辅助装置,本部分重要内容,机电工程学院,一、数控机床机械结构的组成主要包括以下几个部分：主传动系统主轴电动机、传动系统和主轴部件。进给传动系统动力源、传动件和执行件等基础支撑件床身、立柱、导轨、滑座、工作台等辅助装置回转工作台、自动换刀系统、排屑装置等,第一节数控机床机械结构和性能要求,机电工程学院,根据数控机床的适用场合和机构特点，对数控机床结构提出以下要求：,1、较高的机床静、动刚度及良好的抗振性能2、减少机床的热变形3、减少运动件间的摩擦和消除传动间隙4、提高机床的寿命和精度保持性5、减少辅助时间和改善操作性能,第一节数控机床机械结构和性能要求,二、数控机床机械结构的性能要求,机电工程学院,数控机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。由于机械结构（如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴等）的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能人为地调整与补偿，因此，必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内，以保证所要求的加工精度与表面质量。,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能,第一节数控机床机械结构和性能要求,机电工程学院,1）、减少发热2）、控制温升3）、改善机床结构,措施：通过散热和冷却方法,2、减少机床的热变形,第一节数控机床机械结构和性能要求,机电工程学院,主轴,冷却风管,对机床热源进行强制冷却,第一节数控机床机械结构和性能要求,机电工程学院,3、减少运动件间的摩擦和消除传动间隙,数控机床工作台（或拖板）的位移量是以脉冲当量为最小单位的，通常又要求能以极低的速度运动。为了使工作台能对数控装置的指令作出准确响应，就必须采取相应的措施。目前常用的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻尼特性方面存在着明显的差别。在进给系统中用滚珠丝杠代替滑动丝杠也可以收到同样的效果。目前，数控机床几乎无一例外地采用滚珠丝杠传动。采用滚动导轨或静压导轨来减少摩擦副之间的摩擦。,第一节数控机床机械结构和性能要求,机电工程学院,4、提高机床的寿命和精度保持性为了提高机床的寿命和精度保持性，在设计时应充分考虑数控机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给丝杠、主轴部件等影响精度的主要零件的耐磨性。在使用过程中，应保证数控机床各部件润滑良好。,第一节数控机床机械结构和性能要求,机电工程学院,在数控机床的单件加工中，辅助时间（非切屑时间）占有较大的比重。要进一步提高机床的生产率，就必须采取促使最大限度地压缩辅助时间。目前已经有很多数控机床采用了多主轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀装置等，以减少换刀时间。对于切削用量加大的数控机床，床身机构必须有利于排屑。,5、减少辅助时间和改善操作性能,第一节数控机床机械结构和性能要求,机电工程学院,便于操作的机床结构,第一节数控机床机械结构和性能要求,机电工程学院,安全防护和宜人的造型,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。,第一节数控机床机械结构和性能要求,机电工程学院,第二节常见数控机床的结构布局,一、数控车床的结构布局,机电工程学院,第二节常见数控机床的结构布局,二、数控铣床的结构布局,1、不同结构适应不同的工件形状、尺寸及质量,机电工程学院,第二节常见数控机床的结构布局,2、不同结构有不同的运动分配及工艺范围,机电工程学院,第二节常见数控机床的结构布局,3、不同结构有不同的机床结构性能,机电工程学院,第二节常见数控机床的结构布局,三、加工中心的结构布局,1、卧式加工中心,机电工程学院,第二节常见数控机床的结构布局,2、立式加工中心,机电工程学院,第二节常见数控机床的结构布局,3、龙门式加工中心,4、万能加工中心,机电工程学院,4.3.1主传动系统作用数控机床的主传动运动是指生产切屑的传动运动（产生主切削力）。例如，数控车床上主轴带动工件的旋转运动，立式加工中心上主轴带动铣刀、镗刀和砂轮等的旋转运动。数控机床的主传动运动是通过主传动电机拖动的。,第三节数控机床的主传动系统,机电工程学院,4.3.2对主传动系统的要求（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。,第三节数控机床的主传动系统,机电工程学院,4.3.3主传动的变速方式数控机床主传动的变速主要有三种配置方式：,第三节数控机床的主传动系统,（1）采用变速齿轮传动（2）采用同步齿形带传动（3）采用主轴电机直接驱动（一体化主轴，电主轴）,机电工程学院,变速齿轮传动,第三节数控机床的主传动系统,机电工程学院,同步齿形带传动主要应用于小型数控机床上，可以避免齿轮传动的噪声与振动。,第三节数控机床的主传动系统,机电工程学院,主轴电机直接驱动,第三节数控机床的主传动系统,机电工程学院,电主轴,第三节数控机床的主传动系统,机电工程学院,4.3.4数控机床的主轴部件主轴部件包括：主轴、主轴支承及安装在主轴上的传动零件，对于自动换刀数控机床还包括自动夹紧、清屑、准停等装置。数控机床主轴部件的精度、刚度和热变形对加工质量有直接影响。由于加工过程中不对数控机床进行人工调整，因此这些影响就更为严重。目前数控机床的主轴支承，一般应根据主轴转速、承载能力、回转精度等性能选用，主要有三种型式。,第三节数控机床的主传动系统,机电工程学院,1）前后支撑采用不同轴承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。此配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强力切屑的要求，因此普遍应用于各类数控机床。,第三节数控机床的主传动系统,1.主轴轴承的支承形式,机电工程学院,2）前轴承采用高精度双列向心推力球轴承向心推力球轴承高速时性能良好，主轴最高转速可达4000r/min。但是，它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和紧密的数控车床。,第三节数控机床的主传动系统,机电工程学院,3）双列和单列圆锥滚子轴承这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。但是，这种轴承限制了主轴的最高转速和精度，因此使用中等精度、低速与重载的数控机床。,第三节数控机床的主传动系统,在主轴的机构上，要处理好卡盘和刀架的装夹、主轴的卸荷、主轴轴承的定位和间隙调整、主轴部件的润滑和密封以及工艺上的其他一系列问题。,机电工程学院,第三节数控机床的主传动系统,机电工程学院,为了尽可能减少主轴部件温升热变形对机床工作精度的影响，通常利用润滑油的循环系统把主轴部件的热量带走，使主轴部件与箱体保持恒定的温度。在某些数控镗、铣床上采用专用的制冷装置，比较理想的实现了温度控制。某些数控机床的主轴轴承采用高级油脂，用封入方式进行润滑，每加一次油脂可以使用7年至10年。为了使润滑油和油脂不致混合，通常采用迷宫密封方式。对于数控车床主轴，因为在它的两端安装着结构笨重的动力卡盘和夹紧油缸，所以主轴刚度必须进一步提高，并应设计合理的连接端，以改善动力卡盘与主轴端度的连接刚度。,第三节数控机床的主传动系统,机电工程学院,2.主轴内部刀具自动夹紧机构,第三节数控机床的主传动系统,机电工程学院,第三节数控机床的主传动系统,3.主轴准停装置,机电工程学院,4.4.1进给传动系统作用接受数控系统发出的进给脉冲，将电动机的旋转运动传递给工作台或刀架，以实现进给切削运动。4.4.2对进给传动系统的要求,第四节数控机床的进给传动系统,（1）高的传动刚度和精度（2）低的摩擦（3）小的掼量（4）消除传动间隙,机电工程学院,4.4.3齿轮传动副数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副来达到一定的降速比和转矩的要求。由于齿轮在制造中总是存在着一定的误差，不可能达到理想齿面的要求，因此一对啮合的齿轮，总应有一定的齿侧间隙才能正常地工作。齿侧间隙会造成进给系统的反向动作落后于数控系统指令要求（造成反向矢动量），形成跟随误差甚至是轮廓误差。对闭环系统来说，齿侧间隙也会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用各种消除侧隙的措施，以尽量减小齿轮侧隙。数控机床上常用的调整齿侧间隙的方法针对不同类型的齿轮传动副有不同的方法。,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,1圆柱齿轮传动消除间隙,偏心轴套调整法如图所示，齿轮装在电动机轴上，调整偏心轴套可以改变齿轮和之间的中心距，从而消除齿侧间隙。,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,2锥度齿轮传动消除间隙,轴向垫片调整法如图所示将一对齿轮和的轮齿沿齿宽方向制成小锥度，使齿厚在齿轮的轴向稍有变化。调整时改变垫片的厚度就能改变齿轮和的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,3斜齿轮传动消除间隙,双薄片齿轮垫片调整法如图所示是斜齿轮垫片错齿消隙结构。宽齿轮4同时与两个相同薄片齿轮1和2啮合，薄片齿轮由平键和轴联接，互相不能相对回转。斜齿轮1和2的齿形拼装后一起加工，并与键槽保持确定的相对位置。装配时在两薄齿轮之间装入厚度为的垫片3，使薄片齿轮1、2的螺旋线产生错位，其左右两齿面分别与宽齿轮4的齿贴紧，消除齿侧间隙。,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,轴向压簧调整法如图所示是斜齿轮轴向压簧错齿消除间隙结构。该结构消隙原理与轴向垫片调整法相似，所不同的是利用齿轮2右面的弹簧压力使两个薄片齿轮产生相对轴向位移，从而它们的左、右齿面分别与宽齿轮的左右齿面贴紧，以消除齿侧间隙。图a采用的是压簧，图b采用的是碟形弹簧。,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,a轴向压簧法,b蝶形弹簧法,斜齿轮轴向压簧消隙法,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,4.4.4滚珠丝杠螺母副1.工作原理滚珠丝杠螺母副由于在丝杠和螺母之间放入了滚珠，使丝杠与螺母间变为滚动摩擦，因而大大地减小了摩擦阻力，提高了传动效率。2.作用：实现回转运动和直线运动的转换,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,1-丝杠2-滚道3-螺母4-滚珠,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,滚珠丝杠螺母副的优点:传动效率高，摩擦损失小滚珠丝杆螺母副的传动效率0.850.98，可实现高速运动。运动平稳无爬行由于摩擦阻力小，动、静摩擦系数之差极小，故运动平稳，不易出现爬行现象。传动精度高，反向时无空程滚珠丝杆副经预紧后，可消除轴向间隙。磨损小精度保持性好，使用寿命长。具有运动的可逆性可以将旋转运动转换成直线运动，也可将直线运动转换成旋转运动，即丝杆和螺母均可作主动件或从动件。,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,滚珠丝杠螺母副的缺点:由于结构复杂，丝杆和螺母等元件的加工精度和表面质量要求高，故制造成本高。由于不能自锁，特别是垂直安装的滚珠丝杆传动，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，不能立即停止运动。因此必须增加制动装置。结论：由于其优点显著，虽成本较高，仍被广泛应用在数控机床上。,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,3滚珠丝杠副间隙的调整,为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度，必须消除滚珠丝杆螺母副轴向间隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使每个螺母中的滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧。用这种方法预紧消除轴向间隙时，预紧力一般应为最大轴向负载的l/3。当要求不太高时，预紧力可小于此值。,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,双螺母垫片式消隙如下图所示，此种形式结构简单可靠、刚度好，应用最为广泛，在双螺母间加垫片的形式可由专业生产厂根据用户要求事先调整好预紧力，使用时装卸非常方便。,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,双螺母螺纹式消隙如图所示，利用一个螺母上的外螺纹，通过圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧，调整好后用另一个圆螺母锁紧，这种结构调整方便，且可在使用过程中，随时调整，但预紧力大小不能准确控制。,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,齿差式消隙如图所示，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为Z1、Z2，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量为：式中：Z1、Z2为齿轮的齿数Ph为滚珠丝杠的导程。,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,4.滚珠丝杠副的支承方式一端装止推轴承(固定自由式)如图a所示。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杠。一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承(固定支承式)如图b所示。滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定，另一端由深沟球轴承支承。为了减少丝杠热变形的影响，止推轴承的安装位置应远离热源。,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,两端装推力轴承（单推单推式或双推单推式）如图c所示。这种方式是对丝杠进行预拉伸安装。这样做的好处是：减少丝杠因自重引起的弯曲变形；在推力轴承预紧力大于丝杠最大轴向载荷1/3的条件下，丝杠拉压刚度可提高四倍；丝杠不会因温升而伸长，从而保持丝杠的精度。,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,两端装双重止推轴承及深沟球轴承(固定固定式)如图d所示。为提高刚度，丝杆两端采用双重支承，如止推轴承和深沟球轴承，并施加预紧拉力。这种结构方式可使丝杆的热变形转化为止推轴承的预紧力。,第四节数控机床的进给传动系统,机电工程学院,床身是整个机床的基础支撑件，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件。为满足数控机床的加工精度，对其床身有更高的要求。要有很高的精度和精度保持性；应具有足够的静动刚度，较好的动态特性；要有较好的热稳定性。数控机床床身结构主要有铸造床身结构和钢板焊接结构。,第五节数控机床的基础支撑件,一数控机床的床身,机电工程学院,第五节数控机床的基础支撑件,机电工程学院,导轨是进给系统的重要环节，是机床基本结构的要素之一。机床加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量。作用：导向和支承作用对导轨的要求：高的导向精度、良好的精度保持性、良好的摩擦特性、运动平稳、高灵敏度、寿命长。,第五节数控机床的基础支撑件,二数控机床的导轨,机电工程学院,1、滑动导轨结构简单、制造方便、刚性好、抗振性高。目前多采用金属对塑料形式，有铸铁-塑料导轨和镶钢-塑料导轨。导轨上常用聚四氟乙烯导轨软带和环氧型耐磨导轨涂层两类。,第五节数控机床的基础支撑件,机电工程学院,滑动导轨,第五节数控机床的基础支撑件,机电工程学院,滑动导轨,第五节数控机床的基础支撑件,机电工程学院,2、滚动导轨摩擦系数小、运动轻便、位移精度和定位精度高、耐磨性好、抗震性较差、结构复杂、防护要求较高。常用有滚动导轨块和直线滚动导轨两种。,第五节数控机床的基础支撑件,机电工程学院,第五节数控机床的基础支撑件,机电工程学院,滚动导轨,第五节数控机床的基础支撑件,机电工程学院,3、静压导轨油膜承载能力大，刚度高，吸振性好，导轨运动平稳。但导轨结构复杂，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。,第五节数控机床的基础支撑件,机电工程学院,4.6.1回转工作台对三坐标以上的数控机床，除X、Y、Z三个坐标轴直线进给运动外，还有绕X、Y、Z轴旋转圆周进给运动或分度运动。数控机床的圆周运动包括分度运动和连续圆周进给运动两种。通常数控机床的连续圆周进给运动由数控回转工作台来实现，分度运动由分度工作台来实现。,第六节数控机床辅助装置,机电工程学院,数控机床的圆周进给由回转工作台完成，称之为数控机床的第四轴，回转工作台可以与、三个坐标轴联动，从而加工出各种曲面和曲线等复杂的形状。回转工作台对于自动换刀多工序的加工中心是必备的部件。回转工作台主要用于数控镗床和铣床，其外形和通用机床分度工作台相似，但它的驱动是伺服系统的驱动方式。,第六节数控机床辅助装置,机电工程学院,数控回转工作台,第六节数控机床辅助装置,机电工程学院,第六节数控机床辅助装置,1、开环数控回转工作台,机电工程学院,第六节数控机床辅助装置,2、闭环数控回转工作台,机电工程学院,分度工作台只能完成分度运动，不能实现连续圆周进给。也就是说在切削过程中不能转动，只是非切削状态下将工件进行转位换面。分度工作台的分度只限于某些特定的角度。,第六节数控机床辅助装置,机电工程学院,第六节数控机床辅助装置,1、定位销式分度工作台,机电工程学院,第六节数控机床辅助装置,2、鼠齿盘式分度工作台,机电工程学院,4.6.2排屑装置1、平板链式排屑装置2、刮板式排屑装置3、螺旋式排屑装置,第六节数控机床辅助装置,机电工程学院,第六节数控机床辅助装置,机电工程学院,一、自动换刀装置的作用自动换刀系统可帮助数控机床节省辅助时间，并满足在一次安装中完成多工序、工步加工要求。二、对自动换刀系统的要求数控机床对自动换刀装置的要求是：换刀迅速、时间短，重复定位精度高，刀具储存量足够，所占空间位置小，工作稳定可靠。,4.6.3数控机床的自动换刀系统,第六节数控机床辅助装置,机电工程学院,三、换刀形式主要有：转塔式自动换刀和刀库式自动换刀两种1、转塔式自动换刀又分为：回转刀架式和转塔头式两种。,第六节数控机床辅助装置,（1）回转刀架换刀其结构类似普通车床上回转刀架，根据加工对象不同可设计成四方或六角形式，由数控系统发出指令进行回转换刀。用于各种数控车床和数控中心机床。,机电工程学院,（2）转塔头式换刀各主轴头预先装好所需刀具，依次转至加工位置，接通主运动，带动刀具旋转。该方式的优点是省去了自动松夹、装卸刀具、夹紧及刀具搬动等一系列复杂操作，缩短了换刀时间，提高了换刀可靠性。用于数控钻、镗、铣床等。主轴数一般为612个。,第六节数控机床辅助装置,机电工程学院,更换主轴头换刀,第六节数控机床辅助装置,机电工程学院,第六节数控机床辅助装置,机电工程学院,2、刀库式自动换刀将加工中所需刀具分别装于标准刀柄，在机外进行尺寸调整之后按一定方式放入刀库，由刀具交换机构从刀库和主轴上取刀交换。,第六节数控机床辅助装置,机电工程学院,第六节数控机床辅助装置,机电工程学院,带刀库的自动换刀装置是镗铣加工中心上应用最广的换刀装置，由刀库和刀具交换机构组成。自动换刀装置中，实现刀库与主轴间传递和装卸刀具的装置为刀具交换结构。刀具交换方式常有两种：采用机械手交换刀具和由刀库与机床主轴的相对运动交换刀具（刀库移至主轴处换刀或主轴运动到刀库换刀位置换刀），其中以机械手换刀最为常见。,四、刀库式自动换刀系统,第六节数控机床辅助装置,机电工程学院,立式数控加工中心,第六节数控机床辅助装置,机电工程学院,卧式数控加工中心,第六节数控机床辅助装置,机电工程学院,数控加工用的刀具系统目前我国的加工中心采用TSG工具系统，其刀柄有直柄（3种规格）和锥柄（4种规格）2种，共包括16种不同用途的刀柄。标准的7：24锥柄，有许多优点：因不自锁，可实现快速装卸刀具；刀柄的锥体在拉杆轴向拉力的作用下，紧紧地与主轴