数控机床原理、结构与维修第2章 数控机床的主体结构

1、数控机床原理、结构与维修 主编第2章数控机床的主体结构1. HM-077型车削加工中心的床身布局与特点2.刀架布局2.1数控机床的总体布局2.2数控机床的结构特点与结构要求2.3床身第2章数控机床的主体结构图2-1HM-077型车削加工中心的外形1主轴电动机2主轴箱3排屑器4液压卡盘5全封闭防护罩6尾座712工位卧式刀架8床鞍与中滑板9床身10操作面板1. HM-077型车削加工中心的床身布局与特点(1)布局形式HM-077型车削加工中心采用斜床身的总体布局形式，与水平面倾斜角度为60，排屑流畅，人机关系合理，采用封闭式防护，能实现单机自动化。(2)结构特点HM-077型车削加工中心的床身与底

2、座为分体结构，床身为中间空心的管状结构，如图2-2所示，整个截面呈三角形，具有良好的静态和动态刚性，能承受较大的切削负荷。图2-2HM-077数控车削加工中心床身布局1底座2、5防护罩安装支架3床身4镶钢导轨6电气箱2.刀架布局图2-3HM-077型车削加工中心的刀架布局1卡盘2中滑板3刀架体4刀盘2.1数控机床的总体布局2.1.1总体布局与工件形状、尺寸和质量的关系2.1数控机床的总体布局数控机床加工工件所需的运动仅是相对运动，因此对执行部件的运动分配可以有多种方案。例如，刨削加工可由工件来完成主运动而由刀具来完成进给运动（如龙门刨床），或者相反，由刀具完成主运动而由工件完成进给运动（如牛头

3、刨床），这样就影响到部件的配置和总体关系。当然，这都取决于被加工工件的尺寸、形状和质量。图2 4中，同是用于铣削加工的机床，根据工件质量与尺寸的不同，可以有四种不同的布局方案。图2 4a所示是加工工件较轻的升降台铣床，由工件完成的三个方向的进给运动，分别由工作台、滑鞍和升降台来实现。当加工件较重或者尺寸较大时，则不宜由升降台带着工件作垂直方向的进给运动，而是改由铣刀头带着刀具来完成垂直进给运动，如图2 4b所示。这种布局方案，机床的尺寸参数即加工尺寸范围可以取得大一些。2.1数控机床的总体布局图2-4工件尺寸和质量对铣床结构布局的影响2.1数控机床的总体布局2.1.2运动分配与部件的布局运动数

4、目，尤其是进给运动数目的多少，直接与表面成形运动和机床的加工功能有关。运动的分配与部件布局是机床总布局的中心问题。以数控镗铣床为例，一般都有四个进给运动的部件，要根据加工的需要来配置这四个进给运动部件。如需要对工件的顶面进行加工，则机床主轴应布局成立式的，如图2 5a所示。在三个直线进给坐标之外，再在工作台上加一个既可立式也可卧式安装的数控转台或分度工作台作为附件。如果需要对工件的多个侧面进行加工，则主轴应布置成卧式的，同样是在三个直线进给坐标之外再加一个数控转台，以便在一次装夹之后能集中完成多面的铣、镗、钻、铰、攻螺纹等多工序加工，如图2 5b、c所示。而且数控卧式镗铣床的一个很大差异是：没

5、有镗杆，也没有后主柱。2.1数控机床的总体布局因为在自动定位镗孔时要将镗杆装调到后立柱中去是很难实现的。对于跨距较大的多层壁孔的镗削，只有依靠数控转台或分度工作台转动工件进行调镗头镗削来解决。因此，对分度精度和直线坐标的定位精度都要提出较高的要求，以保证调头镗孔时轴孔的同轴度要求。图2-5根据加工需要配置进给运动部件a)立式主轴b)卧式主轴加分度工作台c)卧式主轴加数控转台2.1数控机床的总体布局1)获得较好的加工精度、较低的表面粗糙度值和较高的生产率。2)转动坐标的摆动中心到刀具端面的距离不要过大，这样可使坐标轴摆动引起的刀具切削点直角坐标的改变量小，最好是能布局成摆动时只改变刀具轴线量的方

6、位，而不改变切削点的坐标位置。3)工件的尺寸与质量较大时，摆角进给运动由装有刀具的部件来完成，反之由装夹工件的部件来完成，这样做的目的是使摆动坐标部件的结构尺寸较小，质量较轻。2.1数控机床的总体布局4)两个摆角坐标合成矢量应能在半球空间范围的任意方位变动；同样，布局方案应保证机床各部件总体上有较好的结构刚度、抗振性和热稳定性；由于摆动坐标带着工件或刀具摆动的结果，将使加工工件的尺寸范围有所减少，这一点也是在总体布局时需要考虑的问题。图2-6五坐标数控镗铣床的几种布局方案a)由三个直线运动加两个转动运动B和A构成的数控镗铣床b)由三个直线运动加两个转动运动A和C构成的数控镗铣床c)由三个回转运

7、动加两个直线运动构成的数控镗铣床2.1数控机床的总体布局2.1.3总体布局与机床的结构性能2.1数控机床的总体布局数控机床的总体布局应能兼顾机床有良好的精度、刚度、抗振性和热稳定等结构性能。如图2 7所示的几种数控卧式镗铣床，其运动要求与加工功能是相同的，但是结构的总体布局却各不相同，因而结构性能是有差异的。图2 7a和b所示的方案采用了T形床身布局，前床身横置，与主轴轴线垂直，立柱带着主轴箱一起做Z向进给运动，主轴箱在立柱上做Y向进给运动。2.1数控机床的总体布局T形床身布局的优点是：工作台沿前床身方向作X向进给运动，在全部行程范围内工作台均可支承在床身上，故刚性较好，提高了工作台的承载能力

8、，易于保证加工精度，而且可采用较长的工作台行程，床身、工作台及数控转台为三层结构，在相同的台面高度下，比图2 7c和d所示的十字形工作台的四层结构，更易保证大件的结构刚性；而在图2 7c和d所示的十字形工作台的布局方案中，当工作台带着数控转台在横向(即X向)做大距离移动和下滑板Z向进给时，Z向床身的一条导轨要承受很大的偏载，而在图27a、b所示的方案中则没有这一问题。图2 7a、d所示的主轴箱装在框式立柱中间，设计成对称形结构；图2 7b、c所示的主轴箱悬挂在单立柱的一侧，从受力变形和热稳定性的角度分析，这两种方案是不同的。2.1数控机床的总体布局框式立柱布局要比单立柱布局少承受一个扭转力矩和

9、一个弯曲力矩，因而受力后变形就小，有利于提高加工精度；框式立柱布局的受热与热变形是对称的，因此，热变形对加工精度的影响也小。所以一般数控镗铣床和自动换刀数控镗铣床大都采用这种框式立柱的结构形式。在四种总体布局方案中，都应该使主轴中心线与Z向进给丝杠布置在同一个YOZ平面内，丝杠的进给驱动力与主切削抗力在同一平面内，因而扭转力矩很小，容易保证铣削精度和镗孔加工的平行度要求。但是图2 7a、c所示的立柱将偏在Z向滑板中心的一侧，而图2 7a、d所示的立柱和X向横床身是对称的。2.1数控机床的总体布局图2-7几种数控卧式镗铣床的不同结构布局方案a)T形床身加框式立柱b)T形床身加单立柱c)十字形工作

10、台加单立柱d)十字形工作台加框式立柱2.1数控机床的总体布局2.1.4总体布局与机床的使用要求数控机床是一种全身自动化的机床，但是像装卸工件和刀具(加工中心可以自动装卸刀具)、清理切屑、观察加工情况和调整等辅助工作，还得由操作者来完成，因此，在考虑数机床总体布局时，除遵循机床布局的一般原则外，还应考虑在使用方面的特定要求。1.便于同时操作和观察2.刀具、工件装卸、夹紧方便3.排屑和冷却2.1.5数控机床的具体布局1.床身和导轨的布局2.1数控机床的总体布局图2-8数控车床的布局形式2.1数控机床的总体布局图2-9旋转式交换工作台自动排屑系统工作过程示意图a)步骤一b)步骤二c)步骤三d)步骤四

11、e)步骤五f)步骤六g)步骤七h)步骤八2.刀架的布局2.1数控机床的总体布局表2-1某公司CNC车床和车削加工系列布局图TT25TM25TM25Y多刀平衡车削铣削动力刀具上刀架有Y轴、ATC和动力刀具TT25STM25STM25YS尾座换为第二主轴尾座换为第二主轴尾座换为第二主轴1台机床上完成1、2工序全部加工附上下料装置可完成无人加工第1主轴送棒料第2主轴拉棒料可完成无人加工2.1数控机床的总体布局【实例2-1】数控卧式镗铣床(加工中心)的总体布局2m10A.TIF2.1数控机床的总体布局图2-10带自动换刀装置的数控卧式镗铣床的布局方案a)链式刀库与主机分离布置b)链式刀库安装在主机右前

12、方c)圆盘式刀库安装在立柱后侧2.2数控机床的结构特点与结构要求1)由于采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的机械传动结构大为简化，传动链也大大缩短。2)为适应连续的自动化加工和提高加工生产率，数控机床机械结构具有较高的静、动刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小。3)为减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度，更多地采用了高效传动部件，如滚珠丝杠副和滚动导轨、消隙齿轮传动副等。4)为了改善劳动条件、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率，采用了刀具自动夹紧装置、刀库与自动换刀装置及自动排屑装置等辅助装置。1)具有大的切削功率，较高的静、动刚度和良好的抗振性能。2.2

13、数控机床的结构特点与结构要求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。2.2.1较高的结构刚度机床的结构刚度是指机床在切削力和其他力的作用下抵抗变形的能力。数控机床比普通机床要求具有更高的静刚度和动刚度，有关标准规定数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高50。1.合理选择构件的结构形式(1)正确选择截面的形状和尺寸构件承受弯曲和扭转载荷后，其变形大小取决于抗弯和抗扭截面二次矩(又称惯性矩)，惯性矩大的其刚度就高。2.2数控机床的结构特点与结构要求表2-2断面积相同时各断面形状的惯性矩序号截 面 形 状惯性矩/c序号截 面 形 状惯性矩/c抗弯抗

14、扭18001600683314002242048407256320403403080608333368041089586713165155171431027202.2数控机床的结构特点与结构要求(2)合理选择并布置隔板和肋板合理布置支承件的隔板和肋板，可提高构件的静、动刚度。图2-11内部布置纵、横和交叉肋板的立柱2.2数控机床的结构特点与结构要求表2-3立柱结构的静、动刚度模型类别静刚度动刚度抗弯刚度抗扭刚度抗弯刚度相对值抗扭刚度相对值序号模型简图相对值单位重力刚度相对值相对值单位重力刚度相对值振型a111117.917.912.31.27.744b1.171.130.940.901.47.

15、91.16.51.2c1.140.762.37.91.55.73.83.86.5d1.211.190.901012.27.59.35.810.52.2数控机床的结构特点与结构要求表2-3立柱结构的静、动刚度e1.320.810.831819.410.812.23.561f0.910.8515143.012.26.142g0.850.751714.62.83.011.76.1262.2数控机床的结构特点与结构要求2.振型指断面形状有严重畸变的扭振，振型指纯扭转的扭振。图2-12壁板上的肋条种类(3)提高构件的局部刚度机床的导轨和支承件的联接部件往往是局部刚度最弱的部分，联接方式对局部刚度的影响很

16、大，图2-13所示为导轨和床身联接的几种形式。2.2数控机床的结构特点与结构要求图2-13导轨与床身的连接形式(4)选择焊接结构的构件机床的床身、立柱等支承件采用钢板或型钢焊接而成，具有减小质量、提高刚度的显著效果。2.2数控机床的结构特点与结构要求2.合理的结构布局可以提高刚度图2-14卧式加工中心的几种布局形式2.2数控机床的结构特点与结构要求图2-15采用辅助导轨结构3.采取补偿构件变形的结构措施2.2数控机床的结构特点与结构要求图2-16补偿构件变形的措施a)用预校正螺钉对主导轨预校正b)加平衡重减少横梁变形2.2.2良好的抗振性能机床在切削加工时可能产生两种形态的振动：强迫振动和自激

17、振动(或称颤振)。机床的抗振性是指机床抵抗这两种振动的能力。2.2数控机床的结构特点与结构要求1.减少动、静摩擦因数之差2.提高传动系统的传动刚度2.2.3减小机床的热变形机床的热变形，特别是数控机床的热变形，是影响加工精度的重要因素。引起机床热变形的热源主要是机床的内部热源，如主电动机、进给电动机发热，摩擦以及切削热等。热变形影响加工精度的原因，主要是由于热源分布不均匀，热源产生的热量不等，各处零部件的质量不均，形成各部位的温升不一致，从而产生不均匀的温度场和不均匀的热膨胀变形，以致影响刀具与工件的正确相对位置。减少机床热变形及其影响的措施如下：1.减少机床内部热源和发热量2.改善散热和隔热

18、条件2.2数控机床的结构特点与结构要求3.合理设计机床的结构及布局4.进行热变形补偿2.3床身2.3.1床身结构根据数控机床的类型不同，床身的结构有各种各样的形式。例如，数控车床床身的结构形式有平床身、斜床身、平床身斜导轨和直立床身四种类型，如图2 8所示。为提高其刚性，一般采用斜床身，斜床身可以改善切削加工时的受力情况，截面可以形成封闭的腔形结构，其内部可以充填泥芯和混凝土等阻尼材料，在振动时利用相对磨损来耗散振动能量。1.对支承件的基本要求(1)刚度支承件刚度是指支承件在恒定载荷和交变载荷作用下抵抗变形的能力。(2)抗振性支承件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动的能力。2.3床身(3)热

19、变形和内应力支承件应具有较小的热变形和内应力，这对于精密机床更为重要。(4)其他支承件设计时还应便于排屑，吊运安全，合理安置液压、电器部件，并具有良好的工艺性。2.支承件的自身刚度、抗振性与热变形(1)支承件的自身刚度支承件的自身刚度是指抵抗支承件自身变形的能力。1)为提高支承件自身刚度，在车床上会采用不同方式的肋板来支承机床部件。2)肋条的作用与肋板相同，一般将它配置在支承件的内壁上，主要是为了提高局部强度，减少局部变形和薄壁振动。2.3床身图2-17车床肋板2.3床身图2-18肋条形式2.3床身(2)支承件的抗振性在设计支承件时，支承件应该具有较高的阻抗性或动强度，使得它在一定幅值周期性激

20、振力作用下，振幅较小，即应该满足静强度和动态特性的需要，并对支承件进行动态分析。(3)支承件的热变形机床工作时产生热量，同时又发散热量。1)散热和隔热。2)均衡温度场。3)对称结构。3.床身支承(1)立式加工中心的床身一般中小型立式加工中心都采用固定立柱式，由溜板和工作台实现平面上的两个坐标运动，故床身结构比较简单。2.3床身(2)床身的支承通常的支承方式是把床身固定在地基上，并用水平垫铁调整机床的水平，使之达到水平度(0.020.04)mm1000mm、扭曲度(0.0050.014)mm1000mm，然后拧紧地脚螺栓。图2-19床身三点支承法2.3床身4.立柱(1)对立柱的要求加工中心的立柱

21、主要用来支承主轴箱，使之沿垂直方向上下移动，并在承受切削力、振动、温度变化等恶劣的条件下工作。(2)立柱的结构1)立式加工中心的立柱。图2-20立式加工中心的立柱2.3床身图2-21立柱横截面2)卧式加工中心的立柱。2.3床身图2-22双立柱框架结构2.3床身图2-23立柱与主轴箱的安装关系2.3床身(3)立柱与床身(或滑座)联接立柱与床身(或滑座)的联接一般都采用螺栓紧固和圆锥销定位方式。1)采用预紧力。2)提高有效接触面平面结合强度，减小接触面的表面粗糙度值，以提高结合强度。3)增加局部强度。2.3.2床身截面形状和肋板布置床身的截面形状受机床结构设计条件和铸造能力的制约以及各厂家习惯的影

22、响，种类繁多。2.3.3床身材料随着机械加工自动化水平的提高，机床开动率愈来愈高，甚至24h连续运转。这就要求机床导轨即使在恶劣的环境中，其耐磨损和精度保持性均要好，而且床身要有足够的强度。2.3床身图2-24TH6350卧式加工中心前床身截面图2.3床身【实例2-2】两种车床床身的结构及动态对比图2-25两种车床床身的结构及动态对比图2.3床身【实例2-3】德国DNE480L型数控车床底座和床身图2-26德国DNE480L型数控车床底座和床身示意图2.3床身1.数控机床的总体布局设计时，需要考虑和确定各部件形状、尺寸，安排机床各部件的相互位置，协调各部件间的尺寸关系，设计机床外形和人机界面，

23、处理好操作维修、生产管理和人机关系等问题。2.数控车床床身导轨与水平面的相对位置有四种布局形式：平床身、斜床身、平床身斜滑板和立床身。3.目前两坐标联动数控车床多采用12工位的回转刀架，回转刀架在机床上的布局有两种形式。4.数控机床的结构具有大的切削功率，较高的静、动刚度和良好的抗振性能；具有较高的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性；具有实现辅助操作自动化的结构部件。5.床身应具有足够高的静、动刚度和精度保持性。2.3床身6.根据数控机床的不同类型，选择合适的床身支承、立柱、床身材料、床身截面形状和肋板布置等，以提高床身结构自身刚度、抗振性与防热变形性。1.填空题(1)进行机床的总体布局设计时，需要考虑和确定各部件、，安排机床各部件的，协调各部件间的。(2)数控机床的总体布局应能兼顾机床有良好的、和等结构性能。(3)立柱带着主轴箱