数控机床机械结构概述

1、模块二模块二 数控机床机械结构数控机床机械结构本章讲述的内容本章讲述的内容 数控机床机械结构概述数控机床机械结构概述 主传动系统及主轴部件主传动系统及主轴部件 进给系统传动部件进给系统传动部件 回转工作台和工作台面自动交换装置回转工作台和工作台面自动交换装置 自动换刀装置自动换刀装置 其它辅助装置其它辅助装置 T I A N J I NT I A N J I N中德培训中心刀库主轴X轴轴Y轴轴Z轴轴操作显示单元机械手主轴的作用主轴的作用 支撑安装其上的旋支撑安装其上的旋转零部件及传递扭矩转零部件及传递扭矩 进给部件：进给部件： 其作用是在伺服电机的驱动下完成直线其作用是在伺服电机的驱动下完成直

2、线运动的定位、进给。运动的定位、进给。下图是滚珠丝杠、联轴节的实物照片。下图是滚珠丝杠、联轴节的实物照片。 自动换刀装置：自动换刀装置： 数控车床的转塔刀架、数控车床的转塔刀架、加工中心的刀库及换刀机加工中心的刀库及换刀机构，能够使构，能够使工件一次装夹工件一次装夹后不用再拆卸工件后不用再拆卸工件就可完就可完成多工序的加工。成多工序的加工。 位置检测装置：位置检测装置： 完成位置信号的完成位置信号的反馈反馈，反馈精度决定了反馈精度决定了机床的加机床的加工精度工精度。以下是：。以下是： 光电编码器、直线光栅光电编码器、直线光栅尺、圆光栅、位置传感器尺、圆光栅、位置传感器等位置检测元件等位置检测元

3、件 。 机床的总体布局直接影响到机床的结构和性能。合理选机床的总体布局直接影响到机床的结构和性能。合理选择机床布局，不但可以使机械结构更择机床布局，不但可以使机械结构更简单、合理、经济简单、合理、经济，而，而且能提高且能提高机床刚度、改善机床受力机床刚度、改善机床受力情况，提高热稳定性和操情况，提高热稳定性和操作性能，使机床满足数控化的要求。作性能，使机床满足数控化的要求。 如：在数控机床上采用如：在数控机床上采用斜床身布局斜床身布局，可以改善受力情况，可以改善受力情况，提高床身的刚度，提高操作性能。在高速加工机床上，则通提高床身的刚度，提高操作性能。在高速加工机床上，则通过采用过采用固定门式

4、立柱（立式机床）固定门式立柱（立式机床）、“箱中箱箱中箱”（卧式机床）（卧式机床）等特殊的布局型式，以最大限度地降低运动部件的等特殊的布局型式，以最大限度地降低运动部件的质量质量，提，提高机床部件的高机床部件的快进速度和加速度快进速度和加速度，以满足高速加工的需要。，以满足高速加工的需要。（1）不同布局适应不同的）不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量工件形状、尺寸及重量 数控铣床数控铣床四种布局方四种布局方案适应的工件重量、案适应的工件重量、尺寸不同。尺寸不同。a）适应较轻工；）适应较轻工；b）适应较大尺寸工件；）适应较大尺寸工件；c）适应较重工件；）适应较重工件；d）适应更重更大工件。）适

5、应更重更大工件。 （2）不同布局有不同的）不同布局有不同的运动分配及工艺范围运动分配及工艺范围 数控镗铣床的三种布局方数控镗铣床的三种布局方案：案：a）主轴立式布置主轴立式布置，上下运动，上下运动，对工件顶面进行加工；对工件顶面进行加工；b）主轴卧式布置主轴卧式布置，加工工作台，加工工作台上上分度工作台分度工作台的配合，可加的配合，可加工工件多个侧面；工工件多个侧面；c）在（）在（b）基础上再增加一个）基础上再增加一个数控转台，可完成工件上更数控转台，可完成工件上更多内容的加工。多内容的加工。 （3）不同布局有不同的）不同布局有不同的机床结构性能机床结构性能数控卧式镗铣床中：数控卧式镗铣床中：

6、（a）、（）、（b）为）为T形床身布局形床身布局，工作台支承于床身，刚度好，工作台支承于床身，刚度好，工作台承载能力强；工作台承载能力强；(c)、(d)工作台为工作台为十字形布局十字形布局，（c）主轴箱悬挂于单立柱一）主轴箱悬挂于单立柱一侧，使立柱受偏载；侧，使立柱受偏载； (d)主轴箱装在框式立柱中间，主轴箱装在框式立柱中间，对称布局，受力后变形小，对称布局，受力后变形小，有利于提高加工精度有利于提高加工精度。（4）不同布局影响不同布局影响机床操作方便程度机床操作方便程度 数控车床的四种不同布局方案，数控车床的四种不同布局方案，（a）为）为水平床身水平床身-水平滑板水平滑板，床身工艺性好，便

7、于导轨面的，床身工艺性好，便于导轨面的加工，下部空间小，故排屑困难，刀架水平放置加大了机加工，下部空间小，故排屑困难，刀架水平放置加大了机床宽度方向的结构尺寸；床宽度方向的结构尺寸；4）不同布局影响机床操作方便程度不同布局影响机床操作方便程度（b）倾斜床身倾斜床身-倾斜滑板倾斜滑板，排屑亦较方便，中小规格的数控车，排屑亦较方便，中小规格的数控车床其床身的倾斜度以床其床身的倾斜度以60为宜；为宜；（c）水平床身水平床身-倾斜滑板倾斜滑板，具有水平床身工艺性好，宽度方向，具有水平床身工艺性好，宽度方向的尺寸小，且排屑方便，是卧式数控车床的最佳布局形式。的尺寸小，且排屑方便，是卧式数控车床的最佳布局

8、形式。 结构的刚度直接影响结构的刚度直接影响机床的精度和动态性能机床的精度和动态性能。机床的刚度主要决定于组成机械系统的部件质量、机床的刚度主要决定于组成机械系统的部件质量、刚度、阻尼、固有频率以及负载激振频率等。刚度、阻尼、固有频率以及负载激振频率等。 提高机床结构刚度主要措施有：改善机械部分提高机床结构刚度主要措施有：改善机械部分构件；利用平衡机构补偿部件变形；改善构件间的构件；利用平衡机构补偿部件变形；改善构件间的连接形式；连接形式；缩短传动链缩短传动链，适当加大传动轴，对轴承，适当加大传动轴，对轴承和滚珠丝杠等传动部件进行预紧等等。和滚珠丝杠等传动部件进行预紧等等。 高速转动零部件的动

9、态不平衡力与切削产生的振动，高速转动零部件的动态不平衡力与切削产生的振动，是引起机床振动的主要原因。是引起机床振动的主要原因。 提高数控机床抗振性的主要措施有：提高数控机床抗振性的主要措施有：（1）对机床高速转旋转部件，特别是主轴部件进行）对机床高速转旋转部件，特别是主轴部件进行动平衡动平衡，对传动部件进行消隙处理，减少机床激振力；，对传动部件进行消隙处理，减少机床激振力；（2）提高机械部件的静态刚度和固有频率，避免共）提高机械部件的静态刚度和固有频率，避免共振；振；（3）在机床结构大件中充填）在机床结构大件中充填阻尼材料阻尼材料，在大件表面，在大件表面喷涂阻尼涂层抑制振动等。喷涂阻尼涂层抑制

10、振动等。 引起机床热变形的主要原因是机床内部热源发热，引起机床热变形的主要原因是机床内部热源发热，摩擦以及切削产生的发热。摩擦以及切削产生的发热。 减少机床热变形的措施主要有：减少机床热变形的措施主要有：（1）采用伺服电动机和主轴电动机、变量泵等采用伺服电动机和主轴电动机、变量泵等低能低能耗耗执行元件，减少热量的产生；执行元件，减少热量的产生；（2）简化传动系统简化传动系统的结构的结构，减少传动齿轮、传动轴，采用，减少传动齿轮、传动轴，采用低摩擦系数低摩擦系数的的导轨和轴承，减少摩擦发热；导轨和轴承，减少摩擦发热；（3）采用采用对称结构设对称结构设计计，使部件均匀受热；，使部件均匀受热；（4）

11、改善改善散热条件散热条件、增加隔、增加隔热措施、对发热部件（如：电柜、丝杆、油箱等）进热措施、对发热部件（如：电柜、丝杆、油箱等）进行行强制冷却，吸收热量，避免温升强制冷却，吸收热量，避免温升；（5）对切削部对切削部分采用分采用高压、大流量高压、大流量冷却系统冷却等等。冷却系统冷却等等。 机床的运动精度和稳定性，不仅和数控系统的分机床的运动精度和稳定性，不仅和数控系统的分辨率、伺服系统的精度的稳定性有关，而且还在很大辨率、伺服系统的精度的稳定性有关，而且还在很大程度上取决于程度上取决于机械传动的精度机械传动的精度。传动系统的刚度、间。传动系统的刚度、间隙、摩擦死区、非线性环节都对机床的精度和稳

12、定性隙、摩擦死区、非线性环节都对机床的精度和稳定性产生很大的影响。产生很大的影响。 减小运动部件的减小运动部件的质量质量，采用，采用低摩擦系数低摩擦系数的导轨和的导轨和轴承以及滚珠丝杆副、静压导轨、直线滚动导轨、塑轴承以及滚珠丝杆副、静压导轨、直线滚动导轨、塑料滑动导轨等料滑动导轨等高效执行部件高效执行部件，可以减少系统的摩擦阻，可以减少系统的摩擦阻力，提高运动精度，避免力，提高运动精度，避免低速爬行低速爬行。缩短传动链缩短传动链，对，对传动部件进行消隙，对轴承和滚珠丝杠进行预紧，可传动部件进行消隙，对轴承和滚珠丝杠进行预紧，可以减消机械系统的间隙和非线性影响，提高机床的运以减消机械系统的间隙

13、和非线性影响，提高机床的运动精度和稳定性。动精度和稳定性。课题二课题二 数控机床主传动系统及主轴部件数控机床主传动系统及主轴部件 一一 数控机床主传动系统的要求：数控机床主传动系统的要求： 数控机床主传动系统是指数控机床主传动系统是指数控机床的主轴运动传数控机床的主轴运动传动系统动系统，是机床的成形运动之一，其精度决定了零件，是机床的成形运动之一，其精度决定了零件的加工精度。的加工精度。 1.1.具有较大的调速范围并实现无级调速：具有较大的调速范围并实现无级调速：数控机床数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，以保证加工时的主传动系统要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用能选用合理的切削用

14、量合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。工精度和表面质量。 2.2.具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪音低。具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪音低。 3.3.具有良好的抗振性和热稳定性。具有良好的抗振性和热稳定性。 a b c带的结构形式带的结构形式 (a)多楔带多楔带;(b)同步齿形带同步齿形带 主要用在转速较高、变速范围不大的主要用在转速较高、变速范围不大的小型数小型数控机床控机床上。可以避免由齿轮传动所引起的振动和上。可以避免由齿轮传动所引起的振动和噪声。适用于噪声。适用于高速低转矩高速低转矩特性的主轴，常用有特性的主轴，常用有多多楔带楔带和

15、和同步齿形带同步齿形带。同步齿形带的结构和传动同步齿形带的结构和传动 同步齿形带传动是一种综合了带传动和链传动同步齿形带传动是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动方式，带型有梯形齿和圆弧齿。优点的新型传动方式，带型有梯形齿和圆弧齿。 直接驱动式直接驱动式 滑移齿轮滑移齿轮 液压拨叉带动液压拨叉带动滑移齿轮实现变滑移齿轮实现变速。速。 电磁离合器是靠电磁离合器是靠磁力吸引，增加片磁力吸引，增加片间摩擦力，或者使间摩擦力，或者使其镶入齿内，来传其镶入齿内，来传递扭力。递扭力。 图图2-3为无集电环为无集电环摩擦片式电磁离合器。摩擦片式电磁离合器。 连接件连接件2和套筒和套筒3是是输入输出端输入输

16、出端，即通电后，即通电后2与与3连在一起运动，断连在一起运动，断电后，电后，2、3各自独立转各自独立转动。动。主轴轴承常见的支撑形式主轴轴承常见的支撑形式 (a)形式一；形式一；(b)形式二；形式二；(c)形式三形式三 1 1）前支撑采用双）前支撑采用双列短圆柱滚子轴承和列短圆柱滚子轴承和6060角接触双列向心推角接触双列向心推力球轴承组合，后支撑力球轴承组合，后支撑采用成对向心推力球轴采用成对向心推力球轴承。可承。可提高主轴的综合提高主轴的综合刚度刚度，满足，满足强力切削强力切削的的要求。普遍用于要求。普遍用于各类数各类数控机床主轴控机床主轴。前支承前支承后支承后支承 2）前支撑采用）前支撑

17、采用高精高精度双列向心推力球轴承度双列向心推力球轴承。 能承受能承受径向、双向轴向径向、双向轴向负载，组配使用能满足刚度负载，组配使用能满足刚度要求，并能方便的消除要求，并能方便的消除轴向轴向和径向间隙和径向间隙对其预紧。对其预紧。 这种轴承允许主轴的最这种轴承允许主轴的最高转速较高，可达高转速较高，可达4000rmin，但承载能力小，适于，但承载能力小，适于高速、轻载、高精密高速、轻载、高精密的数控的数控机床主轴。机床主轴。在立式、卧式加在立式、卧式加工中心上得到广泛应用，工中心上得到广泛应用， 主轴轴承常见的支撑形式主轴轴承常见的支撑形式 (a)形式一；形式一；(b)形式二；形式二；(c)

18、形式三形式三 前支承前支承后支承后支承主轴轴承常见的支撑形式主轴轴承常见的支撑形式 (a)形式一；形式一；(b)形式二；形式二；(c)形式三形式三 前支承前支承后支承后支承 3 3）前后支撑分别采）前后支撑分别采用用双列和单列圆锥滚双列和单列圆锥滚子轴承子轴承。 径向和轴向刚度高径向和轴向刚度高，能承受重载荷（尤其较能承受重载荷（尤其较强的动载荷），容易消强的动载荷），容易消除除间隙和预紧间隙和预紧，其安装、，其安装、调整性能好，但限制了调整性能好，但限制了主轴转速和精度，因此主轴转速和精度，因此可用于可用于中等精度、低速、中等精度、低速、重载重载的数控机床的主轴。的数控机床的主轴。 机床采用

19、的是机床采用的是724724号锥柄刀具，锥柄的尾号锥柄刀具，锥柄的尾端安装有拉钉，拉杆通端安装有拉钉，拉杆通过过4 4个钢球拉住拉钉的凹个钢球拉住拉钉的凹槽，使刀具在主轴锥孔槽，使刀具在主轴锥孔内定位及夹紧。内定位及夹紧。 机床执行换刀指令，机机床执行换刀指令，机械手从主轴拔刀时，主轴需械手从主轴拔刀时，主轴需松开刀具。这时，液压缸上松开刀具。这时，液压缸上腔通压力油，活塞推动拉杆腔通压力油，活塞推动拉杆向下移动，使碟形弹簧压缩，向下移动，使碟形弹簧压缩，钢球进入主轴锥孔上端的槽钢球进入主轴锥孔上端的槽内，刀柄尾部的拉钉被松开，内，刀柄尾部的拉钉被松开，机械手拔刀。机械手拔刀。1刀架；刀架；2

20、拉钉；拉钉；3主轴；主轴；4拉杆；拉杆；5碟形弹簧；碟形弹簧；6活塞；活塞；7液压缸；液压缸；8、10行程开关；行程开关；9压缩空气管接头；压缩空气管接头；11弹簧；弹簧；12钢球；钢球；13端面键端面键1刀架；刀架；2拉钉；拉钉；3主轴；主轴；4拉杆；拉杆；5碟形弹簧；碟形弹簧；6活塞；活塞；7液压缸；液压缸；8、10行程开关；行程开关；9压缩空气管接头；压缩空气管接头；11弹簧；弹簧；12钢球；钢球；13端面键端面键1刀杆；刀杆；2主轴；主轴；3钢球；钢球；4喷气头；喷气头；5套筒；套筒；6、8碟形弹簧；碟形弹簧；7拉杆；拉杆；9定向凸轮；定向凸轮；10定向定向开关挡块；开关挡块；11活塞

21、活塞 六、主轴的准停装置六、主轴的准停装置主轴准停换刀示意图主轴准停换刀示意图 又称为又称为主轴定位主轴定位功能，这是自动换刀功能，这是自动换刀所必需的功能。在自所必需的功能。在自动换刀的镗铣加工中动换刀的镗铣加工中心上，心上，切削的转矩切削的转矩通通常是通过常是通过刀杆的端面刀杆的端面键键来传递的，这就要来传递的，这就要求求主轴具有准确定位主轴具有准确定位于圆周上特定角度的于圆周上特定角度的功能功能。 主轴准停阶梯孔或精镗孔示意图主轴准停阶梯孔或精镗孔示意图 当加工阶梯孔当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，或精镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶为防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔

22、表面，精加工的孔表面，必须必须先让刀，再退先让刀，再退刀，刀，因此，刀具就因此，刀具就必须具有必须具有定位功能定位功能。 六、主轴的准停装置六、主轴的准停装置1 1）机械准停控制）机械准停控制 采用机械凸轮机构或采用机械凸轮机构或光电盘方式进行粗定位，光电盘方式进行粗定位，然后有一个液动或气动的然后有一个液动或气动的定位销插入主轴上的销孔定位销插入主轴上的销孔或销槽实现精确定位，完或销槽实现精确定位，完成换刀后定位销退出，主成换刀后定位销退出，主轴才开始旋转。轴才开始旋转。 结构复杂，在早期数结构复杂，在早期数控机床上使用较多。控机床上使用较多。典型的典型的V形槽轮定位盘机械形槽轮定位盘机械准

23、停原理示意图准停原理示意图 六、主轴的准停装置六、主轴的准停装置1）当执行准停指令时，首先）当执行准停指令时，首先发出发出降速信号降速信号，主轴箱自动，主轴箱自动改变传动路线，使主轴以设改变传动路线，使主轴以设定的低速运转。定的低速运转。2）延时数秒后，）延时数秒后，接通无触点接通无触点开关开关，当定位盘上的感应片，当定位盘上的感应片（接近体）对准无触点开关（接近体）对准无触点开关时，发出时，发出准停信号准停信号，立即使，立即使主轴电动机停转并断开主轴主轴电动机停转并断开主轴传动链，此时主轴电动机与传动链，此时主轴电动机与主传动件依惯性继续空转；主传动件依惯性继续空转；3）在经过短暂延时，）在

24、经过短暂延时，接通接通压力油压力油，定位液压缸动，定位液压缸动作，活塞带动定位滚子作，活塞带动定位滚子压紧定位盘压紧定位盘的外表面，的外表面，当主轴带动定位盘慢速当主轴带动定位盘慢速旋转至旋转至V形槽对准定位滚形槽对准定位滚子时，滚子进入槽内，子时，滚子进入槽内，使主轴准确停止，同时使主轴准确停止，同时限位开关限位开关LS2信号有效信号有效，表明，表明主轴准停动作主轴准停动作完完成。成。4）这里）这里LS1为为准停释放准停释放信号信号。采用这种准停方。采用这种准停方式，必须要有一定的逻式，必须要有一定的逻辑互锁，即当辑互锁，即当LS2信号信号有效时，才能进行有效时，才能进行换刀换刀动作动作；只

25、有在；只有在LS1信号信号有效后，才能启动主轴有效后，才能启动主轴电动机电动机正常运转正常运转。准停。准停控制通常由数控系统所控制通常由数控系统所配的可编程控制器完成配的可编程控制器完成。2 2）电气准停控制）电气准停控制永久磁铁与磁传感器在永久磁铁与磁传感器在主轴上的位置主轴上的位置 六、主轴的准停装置六、主轴的准停装置编码器主轴准停控制原理图编码器主轴准停控制原理图 n编码器主轴准停控制编码器主轴准停控制 六、主轴的准停装置六、主轴的准停装置接触式密封接触式密封 (a)油毡圈密封；油毡圈密封；(b)耐油橡胶密封圈密封耐油橡胶密封圈密封 非接触式密封非接触式密封(a)形式一；形式一；(b)形

26、式二；形式二；(c)形式三形式三 八、故障排除八、故障排除n1、故障现象：、故障现象：加工中心主轴定位不良，引发换刀过程发生加工中心主轴定位不良，引发换刀过程发生中断。中断。n分析及处理过程：分析及处理过程：（1）开始时，出现的次数不多，重新开机后又能工作，但故）开始时，出现的次数不多，重新开机后又能工作，但故障反复出现。障反复出现。（2）经在故障出现后，对机床进行仔细观察后，发现故障的）经在故障出现后，对机床进行仔细观察后，发现故障的真正原因是真正原因是主轴在定向后发生位置偏移，主轴在定向后发生位置偏移，且主轴在定位且主轴在定位后如用手碰一下，主轴会产生相反方向的漂移。后如用手碰一下，主轴会产生相反方向的漂移。（3）检查电气单元无任