数控技术：第七章 数控机床的机械结构

1、第七章数控机床的机械结构,7.1 数控机床对机械结构的要求 7.2 数控机床的布局特点 7.3 数控机床的主运动部件 7.4 数控机床的进给运动系统 7.5 数控机床的自动换刀装置,7.1 数控机床对机械结构的要求,7.1.1 数控机床及其加工过程的特点 1.自动化程度高 数控机床在加工过程中，能按照数控系统的指令自动进行加工、变速及完成其他辅助功能，不必像传统机床那样由操作者进行手动调整和改变切削用量。 2.高的加工精度及切削效率 数控机床的主轴转速和进给速度比传统机床大为提高，电机功率也较传统机床的大。数控机床的定位精度和重复定位精度也相当高，且能同时进行粗加工和精加工，既能保证粗加工时高

2、效地进行大切削量的切削，又能在精加工和半精加工中高质量地精细切削,下一页 返回,7.1 数控机床对机械结构的要求,3.多工序和多功能集成 在数控机床上，特别是加工中心，工件一次装夹后，能完成铣、锁、钻、攻螺纹等多道工序的加工，甚至能完成除安装面以外的各个加工表面的加工。车削中心除能加工外圆、内孔和端面外，还能在外圆和端面上进行铣、钻甚至曲面等加工。另一方面，随着数控机床向柔性制造系统方向的发展，功能集成化不仅体现在ATC和APC上，而且还体现在工件自动定位、机内对刀、刀具破损监控、精度检测和补偿上 4.高的可靠性和精度保持性 数控机床特别是在FMS中的数控机床，常在高负荷下长时间地连续工作，为

3、此，数控机床通常都具有较高的可靠性和精度保持性，以允分体现数控加工的特点,上一页 下一页 返回,7.1 数控机床对机械结构的要求,7.1.2 数控机床对机械结构的要求 1. 高的静、动刚度及良好的抗振性能 切削过程中的振动不仅影响工件的加工精度和表面质量，而且还会降低刀具寿命，影响生产率。在传统机床上，操作者可以通过改变切削用量和改变刀具几何角度来消除或减少振动。数控机床具有高效率的特点，应允分发挥其加工能力，在加工过程中不允许进行如改变几何角度等类似的人工调整。因此，对数控机床的动态特性提出更高的要求，也就是说还要提高其动刚度,上一页 下一页 返回,7.1 数控机床对机械结构的要求,2.良好

4、的热稳定性 机床在切削热、摩擦热等内外热源的影响下，各个部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对位置关系遭到破坏，从而影响工件的加工精度(图7-2)。为减小热变形的影响，让机床的热变形达到稳定状态，常常要花费很长的时间来预热机床，这又影响了生产率。对于数控机床来说，热变形的影响就更为突出。这一方面是因为工艺过程的自动化以及精密加工的发展，对机床的加工精度和精度的稳定性提出了越来越高的要求;另一方面，数控机床的主轴转速、进给速度以及切削量等也大于传统机床的切削用量，而且常常是长时间连续加工，产生的热量也多于传统机床。因此要特别重视采取措施减少热变形对加工精度的影响,上一页 下一页 返回

5、,7.1 数控机床对机械结构的要求,3.高的运动精度和低速运动的平稳性 对数控机床进给系统的另一个要求就是无间隙传动。由于加工的需要，数控机床各坐标轴的运动都是双向的，传动元件之间的间隙无疑会影响机床的定位精度及重复定位精度。因此，必须采取措施消除进给传动系统中的间隙，如齿轮副、丝杠螺母副的间隙。 4.充分满足人性化要求 由于数控机床是一种高速度、高效率机床，在一个零件的加工时间中，辅助时间也就是非切削时间占有较大比重，因此，压缩辅助时间可大大提高生产率。目前已有许多数控机床采用多主轴、多刀架及自动换刀等装置，特别是加工中心，可在一次装卡下完成多工序的加工，节省大量装卡换刀时间,上一页 返回,

6、7.2 数控机床的布局特点,7.2.1 数控车床的布局结构特点 数控车床的床身结构和导轨有多种形式，主要有水平床身、倾斜床身以及水平床身斜滑板等(图7-4)，一般中小型数控车床多采用倾斜床身或水平床身斜滑板结构。因为这种布局结构具有机床外形美观，占地面积小，易于排屑和冷却液的排流，便于操作者操作与观察，易于安装上下料机械手，实现全面自动化等特点。倾斜床身还有一个优点是可采用封闭截面整体结构，以提高床身的刚度。床身导轨倾斜角度多为45, 60和70，但倾斜角度太大会影响导轨的导向性及受力情况。水平床身加工工艺性好，其刀架水平放置，有利于提高架的运动精度，但这种结构床身下部空间小，排屑困难,下一页

7、 返回,7.2 数控机床的布局特点,7.2.2 加工中心的布局结构特点 加工中心自1959年问世发展至今，出现了各种类型的加工中心，它们的布局形式随卧式和立式、工作台做进给运动和主轴箱进给运动的不同而不同，但从总体来看，不外乎由基础部件、主轴部件、数控系统、自动换刀系统、自动交换托盘系统和辅助系统几大部分构成。 1.卧式加工中心 卧式加工中心通常采用移动式立柱，工作台不升降，T形床身。分离式T形床身的铸造和加工工艺性都大大改善，但联接部位要用定位键和专用的定位销定位，并用大螺栓紧固以保证刚度和精度,上一页 下一页 返回,7.2 数控机床的布局特点,2.立式加工中心 立式加工中心与卧式加工中心相

8、比，结构简单，占地面积小，价格也便宜。中小型立式加工中心一般都采用固定立柱式，因为主轴箱吊在立柱一侧，通常采用方形截面框架结构、米字形或井字形筋板，以增强抗扭刚度，而且立柱是中空的，以放置主轴箱的平衡重。 3.五面加工中心与多坐标加工中心,上一页 返回,7.3 数控机床的主运动部件,7.3.1 主传动变速(主传动链) 数控机床的工艺范围很宽，工艺能力强，因此其主传动要求较大的调速范围和较高的最高转速，以便在各种切削条件下获得最佳切削速度，从而满足加工精度、生产率的要求。现代数控机床的主运动广泛采用无级变速传动，用交流调速电机或直流调速电机驱动，它们能方便地实现无级变速，且传动链短，传动件少，提

9、高了变速的可靠性，其制造精度则要求很高。数控机床的主轴组件具有较大的刚度和较高的精度，由于多数数控机床具有自动换刀功能，其主轴具有特殊的刀具安装和夹紧结构。根据数控机床的类型与大小，其主传动主要有以下三种形式,上一页 下一页 返回,7.3 数控机床的主运动部件,1.带有二级齿轮变速 如图7-9(a)所示，主轴电机经过二级齿轮变速，使主轴获得低速和高速两种转速系列，这是大中型数控机床采用较多的一种配置方式。这种分段无级变速，确保低速时的大扭矩，满足机床对扭矩特性的要求。滑移齿轮常用液压拨叉或电磁离合器来改变其位置。 2.带有定比传动 如图7-9 (b)所示，主轴电机经定比传动传递给主轴，定比传动

10、采用齿轮传动或带传动。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。 3.由主轴电机直接驱动 如图7 -9 (c)所示，电机轴与主轴用联轴器同轴联接。这种方式大大简化了主轴结构，有效地提高主轴刚度。但主轴输出扭矩小，电机的发热对主轴精度影响大,上一页 下一页 返回,7.3 数控机床的主运动部件,7.3.2 主轴(部件)结构 机床主轴对加工质量有直接的影响，数控机床主轴部件应有更高的动、静刚度和抵抗热变形的能力。 1.主轴的支承 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特别是加工中心的特有机构。当刀具由机械手或其他方法装到主轴孔后，其刀柄后部的拉钉便被送到

11、主轴内拉杆的前端，当接到夹紧信号时，油缸推杆向主轴后部移动，拉杆在碟形弹簧的作用下也向后移动，其前端圆周上的钢球或拉钩在主轴锥孔的逼迫下收缩分布直径，将刀柄拉钉紧紧拉住;当油缸接到松刀信号时，推杆克服弹簧力向前移动，使钢球或拉钩的分布直径变大，松开刀柄，以便取走刀具,上一页 下一页 返回,7.3 数控机床的主运动部件,3.主轴准停装置 主轴准停也叫主轴定向停止。在加工中心等数控机床上，由于有机械手自动换刀，要求刀柄上的键槽对准主轴的端面键上，因此主轴每次必须停在一个固定准确的位置上，以便于机械手换刀。 4.其他机构 数控车床能够加工各种螺纹，这就需要安装与主轴同步运转的脉冲编码器，以便发出检测

12、脉冲信号使主轴的旋转与进给运动相协调。为了在车削螺纹多次走刀时不乱扣，车削多头螺纹分度准确，脉冲编码器在发出进给脉冲的同时，还要发出同步脉冲，即每转发出一个脉冲，以保证每次走刀都在同一点切入,上一页 返回,7.4 数控机床的进给运动系统,7.4.1 对进给系统的要求 数控机床的主运动多为提供主切削运动的，它代表的是生产率。而进给运动是以保证刀具与工件相对位置关系为日的，被加工工件的轮廓精度和位置精度都要受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的直接影响。不论是点位控制还是连续控制，其进给运动是数字控制系统的直接控制对象。对于闭环控制系统，还要在进给运动的末端加上位置检测系统，并将测量的实际位移反

13、馈到控制系统中，以使运动更准确。因此，进给运动的机械结构必须具备以下几个特点。 1. 运动件间的摩擦阻力小,下一页 返回,7.4 数控机床的进给运动系统,2.消除传动系统中的间隙 进给系统的运动都是双向的，系统中的间隙使工作台不能马上跟随指令运动，造成系统快速响应特性变差。对于开环伺服系统，传动环节的间隙会产生定位误差。对于闭环伺服系统，传动环节的间隙会增加系统工作的不稳定性。因此，在传动系统各环节，包括滚珠丝杠、轴承、齿轮、蜗轮蜗杆、甚至联轴器和键联接都必须采取相应的消除间隙的措施。 3.传动系统的精度和刚度高 通常数控机床进给系统的直线位移精度达微米级，角位移达秒级。进给传动系统的驱动力矩

14、也很大，进给传动链的弹性变形会引起工作台运动的时间滞后，降低系统的快速响应特性，因此提高进给系统的传动精度和刚度是首要任务,上一页 下一页 返回,7.4 数控机床的进给运动系统,4.减小运动惯量，具有适当的阻尼 进给系统中每个零件的惯量对伺服系统的启动和制动特性都有直接影响，特别是高速运动的零件。在满足强度和刚度的条件下，应尽可能地合理配置各元件，使它们的惯量尽可能地小。系统中的阻尼一方面降低伺服系统的快速响应特性，另一方面能够提高系统的稳定性，因此在系统中要有适当的阻尼,上一页 下一页 返回,7.4 数控机床的进给运动系统,7.4.2 传动齿轮副 在设计齿轮传动装置时，除考虑应满足强度、精度

15、之外，还应考虑其速比分配及传动级数对传动的转动惯量和执行件的失动的影响。增加传动级数，可以减小转动惯量。但级数增加，使传动装置结构复杂，降低了传动效率，增大了噪声，同时也加大了传动间隙和摩擦损失，对伺服系统不利。因此，不能单纯根据转动惯量来选取传动级数，要综合考虑，选取最佳的传动级数和各级的速比,上一页 下一页 返回,7.4 数控机床的进给运动系统,7.4.3 丝杠螺母副 数控机床的进给运动链中，将旋转运动转换为直线运动的方法很多，本节只介绍滚珠丝杠螺母副和静压丝杠螺母副。 1.滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副是数控机床的丝杠螺母副最常采用的一种形式,上一页 下一页 返回,7.4 数控机床的进给

16、运动系统,2.静压丝杠螺母副 结构与类型。如图7- 20所示，s为丝杠，节流器7装在螺母1的侧端面，并用油塞6堵住，螺母全部有效牙扣上的同侧同圆周位置上的油腔共用一个节流器控制，每扣同侧圆周分布有三个油腔，螺母全长上有四扣，则应有三个节流器，每个节流器并联四个油腔，因此，两侧共有六个节流器。从油泵来的油由螺母座4上的油孔3和5经节流器7进入螺母外圆面上的油槽12，再经孔11进入油腔10，油液经回油槽9从螺母端面流回油箱。油孔2用于安装油压表,上一页 下一页 返回,7.4 数控机床的进给运动系统,7.4.4 机床导轨 对导轨的要求 1.导向精度高 导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线和它

17、与有关基面之间的相互位置的准确性。无论在空载或切削工件时导轨都应有足够的导向精度，这是对导轨的基本要求。影响导轨精度的主要原因除制造精度外，还有导轨的结构形式、装配质量、导轨及其支承件的刚度和热变形，对于静压导轨还有油膜的刚度等,上一页 下一页 返回,7.4 数控机床的进给运动系统,2.耐磨性能好 导轨的耐磨性是指导轨在长期使用过程中保持一定导向精度的能力。因导轨在工作过程中难免磨损，所以应力求减少磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。数控机床常采用摩擦系数小的滚动导轨和静压导轨，以降低导轨磨损。 3.足够的刚度 导轨受力变形会影响部件之间的导向精度和相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。为

18、减轻或平衡外力的影响，数控机床常采用加大导轨面的尺寸或添加辅助导轨的方法来提高刚度,上一页 下一页 返回,7.4 数控机床的进给运动系统,4.低速运动平稳性 要使导轨的摩擦阻力小，运动轻便，低速运动时无爬行现象。 5.结构简单、工艺性好 导轨的制造和维修要方便，在使用时便于调整和维护,上一页 下一页 返回,7.4 数控机床的进给运动系统,7.4.5 回转工作台 为了提高生产效率，扩大工艺范围，数控机床除了沿X, Y和Z三个坐标轴的直线进给运动之外，往往还带有绕X, Y和Z轴的圆周进给运动。一般数控机床的圆周进给运动由回转工作台来实现。数控铣床的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

19、进行曲面加工外，还可以实现精确分度，这给箱体零件的加工带来了便利。对于自动换刀的数控机床来说，回转工作台已成为一个不可缺少的部件,上一页 返回,7.5 数控机床的自动换刀装置,7.5.1 自动换刀装置的形式 各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的型式、工艺范围以及刀具的种类和数量等。主要可以分为以下几种形式： 1.回转刀架换刀 数控车床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置。根据不同加工对象，可以设计成四方刀架和六角刀架等多种形式，分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力,下一页 返回,7.5 数控机

20、床的自动换刀装置,2.更换主轴头换刀 在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头是一种比较简单的换刀方式。主轴头通常有卧式和立式两种，而且常用转塔的转位来更换主轴头，以实现自动换刀。在转塔的各个主轴头上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具，当发出换刀指令时，各主轴头依次地转到加工位置，并接通主运动，使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开,上一页 下一页 返回,7.5 数控机床的自动换刀装置,3.带刀库的自动换刀系统 带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换装置组成，目前它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀方法。如图7-28、图7-29和图7-30所示。整个换刀过程较为复杂，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在机外进行尺寸预调整之后，按一定的方式放入刀库，换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置分别从刀库和主轴上取出刀具，在进行刀具交换之后，将新刀具装入主