第八章++数控机床机械结构专题

1、数控技术13:321衢州学院衢州学院 第第八八章章 机床运动系统与典型部件机床运动系统与典型部件数控技术13:322 数控技术13:323 数控技术13:324）数控机床机械结构具有较高的静、 动态刚度和阻尼精度，较高的耐磨性而且热变形小。）采用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。数控技术13:325）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3) 采用高效传动部件，如滚珠丝杆副和滚动导轨，消隙齿轮传动副等。数控技术13:326数控机床机械结构具有以下结构要求： 1） 较高的机床静、动刚度较高的机床静、动刚度 2）良好的

2、良好的热稳定性热稳定性好好 3）运动导轨）运动导轨副副具有良好的摩擦具有良好的摩擦特性特性 4）机床）机床的的寿命高和寿命高和精度保持精度保持性好性好 5） 辅助时间短，操作辅助时间短，操作性很好性很好数控技术13:3271）较高的机床静、动刚度）较高的机床静、动刚度 为了减少移动部件因位置变动造成的机床变形采用液力平衡和重块平衡。 为提高数控机床主轴的刚度，不但经常采用三支承结构，而且选用刚性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承，以减小主轴的径向和轴向变形。为了提高机床大件的刚度采用封闭截面的床身（1）静刚度数控技术13:328 在结合面之间施加足够大的预加载荷也能够增加接触面积，提

3、高接触刚度。 为了提高机床各部件的接触刚度增加机床的承载能力，采用刮研的方法可以增加单位面积上的接触点 。（2）接触刚度1）较高的机床静、动刚度）较高的机床静、动刚度数控技术13:329 提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率（3）动态刚度 近年来在一数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台。封砂铸件也有利于振动衰减，它对提高抗振性也有较好的效果。 钢板的焊接结构既可以增加静刚度，减轻结构重量，又可以增加构件本身的阻尼。 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。结论：数控技术13:32102） 机床的热稳定性好机床的热稳定性

4、好（）控制温升 通过良好的散热和冷却来控制温升，以减少热源的影响。有效的方法是在机床的发热部位进行强制冷却，也可以在机床低温部分通过加热的方法，使机床各点的温度趋于一致，这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。（）减少发热 机床内部发热是产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分离出去。数控技术13:3211切入方向热变形方向（） 改善机床结构 单立柱结构有可能被双柱结构所代替； 对于数控车床的主轴箱，应尽量使主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上。数控技术13:3212 截面形状采用封闭式箱体结构，加截面形状采用封闭式箱体结构，加大了床身截面的外轮廓尺寸，使该床大了床身截面的外轮廓尺寸，

5、使该床身具有很高的抗弯刚度和抗扭刚度。身具有很高的抗弯刚度和抗扭刚度。 正确选择床身的截面形状和尺寸、合理选择和布置筋板、提高构件的正确选择床身的截面形状和尺寸、合理选择和布置筋板、提高构件的局部刚度和采用焊接结构。局部刚度和采用焊接结构。 如图所示为数控车床的床身截面，床身导轨的倾斜布置可有效的改善如图所示为数控车床的床身截面，床身导轨的倾斜布置可有效的改善排屑条件。排屑条件。数控技术13:3213 如图如图a b ca b c所示，卧式加工中心的所示，卧式加工中心的主轴箱单面悬挂在立柱侧面，切削力主轴箱单面悬挂在立柱侧面，切削力将使立柱产生弯曲和扭转变形；而采将使立柱产生弯曲和扭转变形；而

6、采用图用图 d d 的布局，加工中心的主轴箱的布局，加工中心的主轴箱置于立柱对称平面内，切削力引起的置于立柱对称平面内，切削力引起的变形将显著减小。这就相当于提高了变形将显著减小。这就相当于提高了机床的刚度机床的刚度. .数控技术13:3214 此外，丝杠容易发热。热伸长所造成的后果是严重的将会使进给系统丧失定位精度，目前某些机床用预拉的方法来减少丝杠的热变形 。数控技术13:3215工作台导轨无润滑有润滑3）运动导轨副的摩擦特性好运动导轨副的摩擦特性好 数控机床工作台位移量是以脉冲当量作为它的最小单位，通常又要求能以极低的速度运动 。 数控机床常用的的导轨有滑动导轨、滚动导轨和静压导轨 。数

7、控技术13:3216滑动导轨之滑动导轨之“低速爬行低速爬行” 现象解释：现象解释： 启动时 ，FfN,弹性变形恢复，使工作台突然向前运动 ,由静摩擦力变为动摩擦力，其数值就明显减小，使工作台产生加速运动。由于工作台的惯性，使它冲过了平衡点而使工作强偏离了给定的位置 。工作台导轨无润滑有润滑数控技术13:3218 由于滚动导轨和静压导轨的静摩擦力较小，而且很接近于动摩擦力，还由于润滑油的作用，使它们的摩擦力随着速度的提高而增大，这就有效地避免了低速爬行，从而提高了定们精度和运动平稳性。工作台导轨无润滑有润滑结论： 数控机床普遍采用滚动导轨和静压导轨数控技术13:32194） 机床机床的的寿命高和

8、寿命高和精度保持精度保持性好性好 为了提高机床的寿命和保持性，在设计时应充分考虑数控机床零部件的耐磨性，尤其是机床的导轨、进给丝杠及主轴部件等影响精度的主要零件的耐磨性。在使用过程中，保证数控机床各部件润滑良好。数控技术13:32205）辅助）辅助时间减少时间减少，操作性良好操作性良好 在数控机床的单件加工时间中，辅助时间（非切削时间）占有较大的比重。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，来减少换刀时间。对于切屑数量较大的数控机床，其床身结构必须有利于排屑。 数控技术13:3221数控技术13:3222 在加工中心上最早使用的是交换工作台，即双工作台，当一个工件

9、在工作台上还在被加工时，另一个工作台则处于装卸工件的位置，如图所示。数控技术13:3223 数控机床的主传动运动是指产生切削的传动运动。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、镗刀或砂轮等的旋转运动。数控机床的主传动运动是通过主传动电机驱动的。 数控技术13:3224 由于主运动采用了调速电机直接自动无级变速，在大型数控车床上车削端面时就可实现恒速切削控制，以便进一步提高生产效率和表面质量。 目前，数控机床的主传动电机普遍采用交流变频调速电机和直流调速电机。数控机床主传动主要有以下四种配置方式：数控技术13:32251 1）带有变速齿轮的主传动）带有变速齿轮的主传动

10、大、中型数控机床采用较多的一种方式，通过少数几对齿轮降速，扩大了输出扭矩，以满足主轴的输出扭矩特性的要求。 数控技术13:32262 2）通过皮带传动的主传动）通过皮带传动的主传动 主轴电动机 主轴电动机主轴电动机 主要应用在小型数控机上，可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声数控技术13:32273 3）由调速电机直接驱动的主传动）由调速电机直接驱动的主传动 简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。 主轴电动机 主轴电动机主轴电动机数控技术13:32284 4）用两个电动机分别驱动的主传动系统）用两个电动机分别驱动的主传动系统 如图

11、所示，这是上述两种方式的混合传动。如图所示，这是上述两种方式的混合传动。 高速时电动机通过带传动使主轴旋转，高速时电动机通过带传动使主轴旋转，传动平稳传动平稳 低速时，另一个电动机通过二级齿轮降低速时，另一个电动机通过二级齿轮降速，扩大变速范围，使恒功率区增大，克服速，扩大变速范围，使恒功率区增大，克服了低速时转距不够且电动机功率不能充分利了低速时转距不够且电动机功率不能充分利用的缺陷，但结构较为复杂。用的缺陷，但结构较为复杂。数控技术13:3229 车削中心的主传动系统与数控车床基车削中心的主传动系统与数控车床基本相同，只是增加了主轴的本相同，只是增加了主轴的C C轴的坐标功轴的坐标功能，以

12、实现主轴的定向停车和圆周进给，能，以实现主轴的定向停车和圆周进给，并在数控装置控制下实现并在数控装置控制下实现C C轴、轴、Z Z轴联动插轴联动插补，或补，或C C轴、轴、X X轴联动插补，以进行圆柱面轴联动插补，以进行圆柱面上或端面上任意部位的钻削、铣削、攻螺上或端面上任意部位的钻削、铣削、攻螺纹及曲面的加工，如图所示。纹及曲面的加工，如图所示。CH6144CH6144车削中心的车削中心的C C轴传动系统简图。轴传动系统简图。数控技术13:3230(a)让C轴分度定位在圆柱面或端面上铣直槽；(b)让C轴、Z轴插补进给在圆柱面上铣螺旋槽；CH6144CH6144车削中心的车削中心的C C轴传动

13、系统简图。轴传动系统简图。（c）让C轴、X轴插补进给在端面上铣螺旋槽；（d）让C轴、X轴插补进给在在圆柱面或端面上铣直线和平面 数控技术13:3231CH6144CH6144车削中心的车削中心的C C轴传动系统轴传动系统简图简图 C C轴分度采用可啮合和脱开的精密蜗轮蜗杆副结构轴分度采用可啮合和脱开的精密蜗轮蜗杆副结构，由伺服电动机驱动蜗杆，由伺服电动机驱动蜗杆1 1及主轴上的蜗轮及主轴上的蜗轮3 3，当机床处于铣削和钻削状态时，即主轴需通过，当机床处于铣削和钻削状态时，即主轴需通过C C轴回转或分度轴回转或分度时，蜗杆与蜗轮啮合。时，蜗杆与蜗轮啮合。C C轴的分度精度由脉冲编码器轴的分度精度

14、由脉冲编码器7 7保证，分度精度为保证，分度精度为0.010.01。数控技术13:3232 数控机床主轴部件的精度、刚度和热变形对加工质量有着直接的影响，由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。数控技术13:32331 1）自动换刀数控加工中心主轴部件）自动换刀数控加工中心主轴部件1-刀夹 2-拉钉 3-主轴 4-拉杆 5-碟形弹簧 6-活塞 7-液压缸 8、10-行程开关 9-压缩空气管接头 11-弹簧 12-钢球 13-端面键主轴具有准确周向定位的功能 数控技术13:3234数控技术13:32352 2）主轴轴承组合形式）主轴轴承组合形式 前支承采用双列短圆柱滚子轴承和

15、60角接触双列向心推力球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承；目前数控机床的主轴轴承组合形式主要有以下三种 ：数控技术13:3236 主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强力切削的要求，因此普遍应用于各类数控机床的主轴。2 2）主轴轴承组合形式）主轴轴承组合形式数控技术13:3237前支撑轴承采用高精度双列向心推力球轴承； 向心推力球轴承具有良好的高速性能，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、轻载和精密的数控机床主轴。 2 2）主轴轴承组合形式）主轴轴承组合形式数控技术13:3238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

16、强的动载荷，安装与调整性能好。但是这种轴承方式限制了主轴的最高转速和精度因此适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。2 2）主轴轴承组合形式）主轴轴承组合形式数控技术13:3239数控技术13:3240 设计和选用进给系统应充分注意减少摩擦阻力、提高传动精度和刚度、消除传动间隙以及减少运动件的惯性。) )减少减少运动件的摩擦阻力运动件的摩擦阻力 摩擦阻力主要来自丝杠和导轨 ，因此，丝杠和导轨结构的滚动化是减少摩擦的重要措施之一 数控技术13:3241) )提高提高传动精度和刚度传动精度和刚度 预紧支承丝杠的轴承以提高支承的结构刚度 ；消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙 。 在进给传动链中加入减速齿

17、轮，可以减小脉冲当量提高传动精度； 采用合理的预紧来消除滚珠丝杠螺母副的轴向传动间隙 ；数控技术13:3242) )减少减少运动惯量运动惯量 进给系统中每个元件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有直接的影响。尤其是处于高速运转的零件，其惯性的影响更大。在满足传动强度和刚度的要求下应尽可能将各元件进行合理的配置并减少它们的惯量。数控技术13:3243) )稳定性稳定性好、寿命长好、寿命长 组成进给机构的各传动部件应选择合适的材料及合理的加工工艺与热处理方法，对于滚珠丝杠及传动齿轮必须具有一定的耐磨性和适宜的润滑方式，以延长其寿命。数控技术13:3244) )使用使用维护方便维护方便 数控机床属于

18、高精度自动控制机床，主要用于单件、中小批量、高精度及复杂件的生产加工，机床的开机率相应就高，因而进给系统的结构设计应便于维护和保养，最大限度地减小维修工作量，以提高机床的利用率。 数控技术13:3245 机械传动装置是位置控制环中的一个重要环节。这里所说的机械传动装置，是指将驱动源旋转运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、丝杠螺母副等中间传动机构，如下图所示 ：数控技术13:3246(1)进进给传动的机械装置构成给传动的机械装置构成 数控技术13:32471)1)减速减速机构机构 一是将高转速低转矩的伺服电机（如步进电机，直流或交流伺服电机等）的输出，改变为低转速大转矩的执行件

19、的输出； 二是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中占有较小的比重。此外，对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。 在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个：数控技术13:3248 在数控机床进给传动链中采用齿轮减速装置，与采用同步齿形带相比，更易产生低频振荡，因此减速机构中常配置阻尼器来改善其动态性能。 数控技术13:32492)2)同步同步齿形带齿形带 同步齿形带传动 ，同步齿形带传动，是一种新型的带传动。它利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传递运动或动力，因而兼有带传动，齿轮传动及链传动的优点；1强力层；2带齿；3包布层； 4带背数控技术13:3250 无相对滑动，平均传动

20、比准确，传动精度高，而且齿形带的强度高，厚度小，重量轻，故可用于高速传动；齿形带无需特别张紧，故作用在轴和轴承等上的载荷小，传动效率高，在数控机床上应用广泛。1强力层；2带齿；3包布层； 4带背主要特点：数控技术13:32513)3)滚珠丝杠滚珠丝杠螺母副螺母副 滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上没有什么差别，通过施加预载可以消除反向间隙并有助于提高定位精度和刚度 。 行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副（Ball screw）。滚珠丝杠由专门工厂制造，可以外购 。图8-4 滚珠丝杠原理图数控技术13:3252图8-4 滚珠丝杠原理图u滚珠丝杠滚珠丝杠的工作原理与特点的工作原理与特点 在丝杠3和

21、螺母1之间都有半圆弧形的螺旋槽，当它们装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路滚道b将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成循环滚道，并在滚道内装满滚珠2。当丝杆旋转时，迫使螺母（或丝杆）轴向移动。 数控技术13:3253u滚珠滚珠丝杆螺母副特点：丝杆螺母副特点： 不能自锁，有可逆性 ，丝杆立式使用时应增加制动装置。 摩擦损失小，传动效率高，可达0.900.96； 丝杆螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，提高了传动 刚度； 摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象。磨损小、寿命长、精度保持性好；数控技术13:3254u 滚珠滚珠丝杆的循环方式丝杆

22、的循环方式外循环 ： 螺母体上轴向相隔数个半导程处钻两个孔与螺旋槽相切，作为滚珠的进口与出口。再在螺母的外表面上铣出回珠槽并沟通两孔。另外在螺母内进出口处各装一挡珠器，并在螺母外表面装一插管1，这样构成了封闭的循环滚道。数控技术13:3255内循环 靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环。数控技术13:3256u 滚珠滚珠丝杆副的选用和标注丝杆副的选用和标注公称直径d0：滚珠得工作圈数j和列数R。主要技术参数： 公称直径d0（或丝杠外径d）、基本导程L0、滚珠的工作圈数j、列数R。d0愈大，丝杆的承载能力和刚度愈大。增加滚珠工作圈数和列数可以提高承载能力及刚度数控技术13:3257

23、 位移精度要求高时，应将基本导程取得小些，这样在一定的轴向力的作用下，丝杆的摩擦阻力距小 基本导程L0 数控技术13:3258滚珠丝杠副的标注 滚珠丝杠副的标注方法采用汉语拼音字母、数字及汉字结合标注法。 数控技术13:3259滚珠丝杠副标注示例：WD30053.5*1/B左800*1000 表示外循环垫片调隙式的双螺母滚珠丝杠副，名义直径为30mm，基本导程为5mm，一个螺母工作滚珠3.5圈，单列，B级精度，左旋，丝杠的螺纹部分长度为800mm，丝杠的总长度为1000mm数控技术13:3260(1)(1)导轨导轨的基本要求的基本要求 导轨的功用概括为起导向和支撑作用,在设计导轨时应考虑以下问题： 1)有一定的导向精度 2)有良好的精度保持性 3)有足够的刚度4)低速运动平稳性数控技术13:3261(2)(2)导轨导轨的分类和特点的分类和特点 机床上常用的导轨 ,可分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三大类。1）滑动导轨）滑动导轨