数控机床布局

1、2021年12月21日3时44分1 第一节 数控机床对结构的要求 第二节 数控机床的布局特点 第三节 数控机床的主运动部件 第四节 数控机床的进给运动系统 第五节 数控机床的自动换刀装置2021年12月21日3时44分2第一节 数控机床对结构的要求一、数控机床及其加工过程的特点1. 数控机床的机械结构组成 2021年12月21日3时44分32.数控机床及加工特点：（1）自动化程度高 数控机床在加工过程中，能按数控系统的指令自动进行加工、变速及完成其它辅助功能，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 粗精加工同机减少装卸时间 刀具材料高速切削、强力切削

2、、因而减少切削时间 利用误差反馈、补偿技术提高精度，数控机床的定位精 度和重复定位精度相当高。（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、镗、钻、攻螺纹等多道工序的 2021年12月21日3时44分4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，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

3、长时间地连续工作，故数控机床通常都具有较高的可靠性和精度保持性。 二、数控机床对结构的要求 1、高的静、动刚度及良好的抗振性能 数控机床价格昂贵，生产费用比传统机床的要高得多，要获得较好的经济效益，必须采取措施大幅度地压缩单件加工时间，包括两个方面：2021年12月21日3时44分5新型刀具材料的发展，使切削速度成倍提高，缩短切削时间采用各种自动辅助装置，大大减少了辅助时间，大幅度提高了生产率，然而同时也明显地增加了机床的负载及运转时间。 此外，由机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱等部件的几何精度及其变形所产生的误差取决于它们的结构刚度，所有这些都要求数控机床要有比传统机床更高的静刚度。 切

4、削过程中的振动不仅影响工件的加工精度和表面质量，而且会降低刀具寿命，影响生产率。数控机床具有高效率的特点，应充分发挥其加工能力，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了更高的要求，也就是说还要提高其动刚度。 合理地设计数控机床的结构，改善受力情况，以便减少受力变形。(1)提高机床静刚度和固有频率的有利措施如下：机床的基础大件采用封闭箱形结构（图a），提高自身刚度。2021年12月21日3时44分62021年12月21日3时44分7加强构件之间的接触刚度。(2)提高机床动刚度的重要措施 改善机床结构的阻尼特性，如在机床大件内腔填充阻尼材料(图c)，表

5、面喷涂阻尼涂层，充分利用结合面间的摩擦阻尼，耗散振动能量，抑制振动。2021年12月21日3时44分8措施：(1)对热源采取液冷或风冷等方法来控制温升。(2)均热2、良好的热稳定性 热变形的大小,受热不均匀对机床精度、寿命等都有影响引起热变形的热源主要是内部热源：主电机、进给电机发热，摩擦热及切削热等。 热变形影响加工精度的原因，主要是构件受热变形以及热源分布不均，各处零件的质量不均匀，形成各部位的温升不一样，从而导致产生不均匀的温度场和热膨胀变形，影响刀具和工件正确的相对位置 车床床身的均热 平面磨床工作台的均热平面磨床立柱的均热2021年12月21日3时44分92021年12月21日3时4

6、4分10(3)合理布局，改善机床结构2021年12月21日3时44分11(4)热变形补偿措施 (5)其它恒温车间预热热平衡 3、高的运动精度和低速运动平稳性2021年12月21日3时44分12(1)高的运动精度 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，要求数控机床进给系统无间隙传动。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。（1）齿轮副 齿轮本身的制造误差如齿形误差、运动偏心、周节误差等，还与安装轴的偏心和齿轮孔、轴的安装偏差、间隙等有关。0/i常数 2021年12月21日3时44分132021年

7、12月21日3时44分14（2）滚珠丝杠螺母副的传动误差 传动误差主要由本身的制造误差：螺距累积误差、螺纹滚道型面误差、直径尺寸误差、热伸长，装配误差等2021年12月21日3时44分15(2)低速运动平稳性精加工低速时易爬行2021年12月21日3时44分16避免爬行的措施：改善摩擦特性，使导轨静摩擦力尽量接近动摩擦力滚动摩擦：f=0.005、f 液体摩擦：f=0.0005、f低摩擦副材料：塑料铸铁（塑料软带、塑料导轨板）高性能润滑油：极性添加剂增大油膜强度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

8、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，可在一次装夹下完成多工序的加工，节省大量装夹换刀时间。像这种自动化程度很高的加工设备，与传统机床的手工操作不同，其操作性能有新的含义。由于切削加工不需人工操作，故可采用封闭与半封闭式加2021年12月21日3时44分17工。要有明快、干净、协调的人机界面，要尽可能改善操作者的观察，要注意提高机虏；各部分的互锁能力，并设有紧急停车按钮，要留有最有利于工件装夹的位置。将所有操作都集中在一个操作面板上，操作面板要一目了然，不要有太多的按钮和指示灯，以减少误操作。 2021年12月21日3时44分18第二节

9、数控机床的布局特点一、数控车床的布局结构特点（一）便于操作观察人机关系 中小型：数控装置 大型：吊挂按钮站、移动工作台 （二）排屑与冷却 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 2021年12月21日3时44分19 床身导轨常采用宽支撑V-平型导轨，丝杠位于两导轨之间。二、加工中心的布局结构特点1卧式加工中心 2021年12月21日3时44分202立式加工中心 2021年12月21日3时44分213五面加工中心与多坐标加工中心 2021年12月21日3时44分22第三节 数控机床的主运动部件一、主传动变速(主传动链)1带有二级齿轮变速 主轴电动机经过二

10、级齿轮变速，使主轴获得低速和高速两种转速系列，多用于大中型数控机床。滑移齿轮常用液压拨叉或电磁离合器改变其位置。2021年12月21日3时44分232带有定比传动 主轴电动机经定比传动传递给主轴，定比传动采用齿轮传动或带传动。带传动主要用于小型数控机床上，可避免齿轮传动的噪音和振动。3由主轴电动机直接驱动 电动机轴与主轴用联轴器同轴联接。该方式大大简化了主轴结构，有效地提高主轴刚度。但主轴输出转矩小，电动机的发热对主轴精度影响大。 近年来出现另外一种内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合二为一。优点是主轴部件结构更紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性；缺点同样是热变形问题。二、主轴(

11、部件)结构 2021年12月21日3时44分241、主轴的支承 图a综合刚度高，可满足强力切削要求。 图b具有良好的高速性能，但承载能力较小，适用于高速轻载和精密数控机床。 图c径向和轴向刚度很高，能承受重载荷。但限制了主轴最高转速，适用于中等精度低速重载数控机床。2、主轴内部刀具自动夹紧机构 3、主轴准停装置 2021年12月21日3时44分25第四节 数控机床的进给运动系统一、对进给系统的要求进给运动是以保证刀具与工件相对位置关系为目的，被加工工件的轮廓精度和位置精度都受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的直接影响。 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

12、的末端加上位置检测系统，并将测量的实际位移反馈到控制系统中，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 问题：摩擦 爬行、不平稳、快速响应 措施：采用滚珠丝杠副、静压丝杠副 2、消除传动系统中的间隙2021年12月21日3时44分263、传动系统的精度和刚度高 问题：间隙 反向死区，精度，刚度 措施: 采用消隙机构 问题：刚度爬行、反向死区 措施：传动链、合理选择尺寸、 预紧：丝杠螺母、支承4、减小运动惯量，具有适当的阻尼 问题：惯量 动态响应、起动负荷 措施：运动件重量 旋转件直径 阻尼能降低伺服系统的快速响应特性，能提高系统的稳定性，故系统要有适

13、当的阻尼。二、传动齿轮副1、设计传动齿轮副应考虑的问题2021年12月21日3时44分27使丝杠、工作台的惯量在系统中占有较小的比重使高转速低转矩的伺服驱动装置的输出变为低转速大转矩在开环系统中可归算所需的脉冲当量。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。2、消除传动齿轮间隙的措施齿侧间隙 造成开环、半闭环系统的反向失动量 使闭环系统的稳定性消隙措施 刚性调整法 柔性调整法具体可参阅相关书籍。2021年12月21日3时44分28三、丝杠螺母副1滚珠丝杠螺母副 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。（一） 工作原理和

14、特点1.原理: 丝杠和螺母上都有圆弧形面的螺旋槽, 在工作过程中 ,滚珠既自转又循环滚动, 丝杠和螺母间为滚动摩擦。摩擦损失小，传动效率高，可达0.900.96预紧后，可完全消除间隙，提高传动刚度和精度摩擦阻力小， 平稳、无爬行 磨损、精度保持好、寿命 发热适应高速2021年12月21日3时44分29具有运动的可逆性: 螺母、丝杠均可作主动件或从动件。故不能自锁、丝杠立式使用需增加制动装置2021年12月21日3时44分30（二） 结构类型 按滚珠循环方式可分为以下两种：1. 外循环: 滚珠通过螺母外表面返回 优点: 简单、工艺性 缺点: 滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚动平稳性，甚至发生卡

15、珠现象，噪声较大。2021年12月21日3时44分312. 内循环: 滚珠通过螺母内表面返回 优点: 紧凑、滚珠流通性好、摩擦损失小 缺点: 反相器结构复杂、工艺性、承载能力（三） 滚珠丝杠螺母副的预紧方法: 双螺母轴向位移，滚珠与丝杠滚道左右两侧接触，消除间隙和加预紧力方式: 1. 垫片式 2. 螺纹式 3. 齿差式（四）滚珠丝杠常用支承方式方式： 一端装推力轴承，另一端自由 (图7-17a) 2021年12月21日3时44分32 一端装推力轴承，（简支) (图7-17b) 两端装推力轴承 ，(简支) (图7-17c) 两端装双向推力轴承，(简支) (图7-17d) 2021年12月21日3

16、时44分332静压丝杠螺母副（一）工作原理和特点 1.工作原理: 2021年12月21日3时44分342.特点：摩擦系数很小，传动灵敏，避免了爬行；油膜层吸振，提高运动的平稳性、油液不断流动，有利于散热，减少热变形，提高机床的加工精度和表面质量；油膜层有一定刚度，大大减小了反向间隙，油膜层介于螺母和丝杠之间，对丝杠误差有“均化”作用，即丝杠的传动误差比丝杠本身的制造误差还小；承载能力与供油压力成正比，与转速无关。供油系统复杂，对油的清洁度要求高（二）结构 丝杠:与一般的滑动丝杠基本相同螺母:有油腔、节流器、油孔（三）类型2021年12月21日3时44分35按节流控制方式分：（1) 集中阻尼节流

17、结构: 每侧油腔同一个节流器控制适用: 径向载荷小且均匀、倾覆力矩很小（2) 分散阻尼节流结构: 每侧多个油腔、各用一个节流器控制适用: 径向载荷、倾覆力矩较大 缺点: 节流器多,结构复杂（3) 分散集中阻尼节流结构:同侧同方位油腔用一个节流器控制适用:介于1、2之间2021年12月21日3时44分362021年12月21日3时44分37四、机床导轨1对导轨的要求：功用：支承、导向要求：1)导向精度高 无论空载或切削加工时，导轨均应有足够的精度 影响因素：结构，制造、装配误差及导轨及其支承件的刚度和热变形2)耐磨性能好 导轨在长期使用过程中保持较高的导向精度 影响因素：导轨的磨损、结构（采用滚

18、动导轨和静压导轨）3)足够的刚度2021年12月21日3时44分38 导轨受力变形会影响部件之间的导向精度和相对位置，要求导轨有足够的刚度。 为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。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。2导轨的种类和特点 分类： 轨迹：直线运动导轨、圆运动导轨2021年12月21日3时44分39 工作性质：主运动导轨、进给运动导轨、调整导轨 摩擦：普通滑动、滚动、静压导轨 (1)滑动导轨优点：滑结构简单、制造方便、刚度好、抗

19、振性高、缺点：静摩擦因数大在低速(160mmmin)时易出现爬行现象导轨材料搭配：2021年12月21日3时44分40聚四氟乙烯导轨软带 基体：聚四氟乙烯 填充剂：青铜粉、二硫化钼和石墨等 联结：用粘结剂粘结，加压固化后进行加工 优点：摩擦特性好， 耐磨、减振、消声的性能环氧型耐磨涂料 基体: 环氧树脂 其它: 二硫化钼，石墨，铁粉 联结: 涂刮导轨表面涂塑导轨 注入导轨型腔注塑导轨 优点:f=0.10.12，无润滑时仍有较好的润滑和防爬行。 2021年12月21日3时44分41 塑料层薄抗压强度高；工艺简单 适用: 大型、重型数控机床和导轨的维修(2)滚动导轨定义:导轨面间放滚动体，使导轨面间成为滚动摩擦。 优点：灵敏度高、摩