《数控技术及应用》第6章-数控机床的机械配置-数控机床

1、第二篇 数控机床本章讲述的主要内容:第1章第2章第3章第4章第5章第6章第7章第8章第9章第10章第11章第12章6.1数控机床的机械配置 6.1.1 数控机床机械结构特点6.1.2 数控机床主传动系统6.1.3 数控机床进给传动系统6.1.4 数控机床的导轨6.2数控机床的辅助装置 6.2.1 自动换刀装置 6.2.2 回转工作台 6.2.3 液压与气动系统 6.2.4 冷却系统 6.2.5 润滑系统 6.2.6 排屑装置 第6章数控机床的机械配置与电气配置本章讲述的主要内容:第1章第2章第3章第4章第5章第6章第7章第8章第9章第10章第11章第12章6.3 数控机床的电气配置 6.3.1

2、 数控装置6.3.2 伺服系统6.3.3 机床强电控制系统6.3.4 机床反馈检测系统6.4数控机床的操作面板 6.4.1 急停 6.4.2 工作方式选择 6.4.3 机床辅助功能选择 6.4.4 倍率修调选择6.4.5 手轮6.4.6 回参考点 6.4.7 程序编辑 第6章数控机床的机械配置与电气配置6.1数控机床的机械配置图6-1 数控加工中心的机械部件结构图第6章数控机床的机械配置与电气配置数控机床机械结构的组成(1)机床基础部件，如床身、立柱、工作台等；(2)主传动系统；(3)进给传动系统；(4)实现某些辅助动作和辅助功能的系统和装置如液压气动、润滑、冷却等系统及排屑、防护装置和刀架、

3、自动换刀装置；(5)工件实现回转、定位的装置及附件，如数控回转工作台；(6)特殊功能装置，如监控装置、加工过程图形显示、精度检测等。第6章数控机床的机械配置与电气配置刀架床身主轴箱高精度导轨滚珠丝杠 床座尾座第6章数控机床的机械配置与电气配置7 1）刚度高 刚度是机床的基本技术性能之一，它反应了机床结构抵抗变形的能力。因为机床在加工过程中需要承受多种外力的作用，包括运动部件和工件的自重、切削力、驱动力、加减速时的惯性力、摩擦阻力等，各部件在这些力的作用下将产生变形，变形会直接或间接地引起刀具和工件之间产生相对位移，破坏刀具和工件原来所占有的正确位置，从而影响加工精度。 合理选择构件的结构形式，

4、如基础件采用封闭的完整箱体结构；合理选择及布局隔板和筋条，尽量减小接合面，提高部件间接触刚度等；合理进行结构布局；采取补偿构件变形的结构措施。一、数控机床机械结构特点:第6章数控机床的机械配置与电气配置 2）抗振性高 高速切削是产生动态力的直接因素，数控机床在高速切削时容易产生振动。机床加工时可能产生两种振动：强迫振动和自激振动。机床的抗振性是指抵抗这两种振动的能力。3）灵敏度高 灵敏度即动态响应特性，是指系统的响应时间以及驱动装置的加速能力。数控机床的运动部件具有高灵敏度。数控机床的导轨部件通常采用滑动导轨、滚动导轨、静压导轨等，以减少运动件间的摩擦阻力和动、静摩擦力之差，在低速运动时无爬行

5、现象，从而提高系统的灵敏度。由电动机驱动滚珠丝杠或静压丝杠带动数控机床的工作台、刀架等部件的移动。主轴多数采用滚动轴承和静压轴承。第6章数控机床的机械配置与电气配置4）热变形小机床的热变形是影响机床加工精度的重要因素之一。数控机床主轴转速、进给速度远高于普通机床，电动机、轴承、液压系统等热源散发的热量，切屑及刀具与工件的相对运动的摩擦产生的热量，通过传导、对流、辐射传递给机床各个部件，引起温升，产生膨胀。由于热源分布不均，散热性能不同，导致机床各部分温升不一致，从而产生不均匀的热膨胀变形，以至影响刀具和工件的正确相对位置，影响了加工精度，且热变形对加工精度的影响操作者往往难以修正。在数控机床结

6、构布局设计中可考虑尽量采用对称结构（如对称立柱等），进行强制冷却（如采用空冷机），使排屑通道对称布置等措施。 第6章数控机床的机械配置与电气配置5）自动化程度高，操作方便第6章数控机床的机械配置与电气配置数控机床需要根据数控系统的指令，自动完成对进给速度、主轴转速、刀具运动轨迹以及其他机床辅助功能(如自动换刀、自动冷却等)的控制，自动化程度高，操作方便。6.1.2 数控机床主传动系统一、 数控机床主传动系统的特点 数控机床主传动系统的机械结构主要是指主轴部件，它是机床的一个关键部件，它包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等，主轴部件的刚度、精度、抗振性和热变形直接影响加工零件的精度和表面质量

7、。主运动的转速高低及范围、传递功率大小和动力特性，决定了数控机床的切削加工效率和加工工艺能力。无论是哪种数控机床的主轴部件都应该能满足下面几个方面的要求：主轴的回转精度、部件的结构刚度和抗振性、运转温度和热稳定性，以及部件的耐磨性和精度保持能力等。图6-2 高刚性高速主轴图 图6-3 高速电主轴第6章数控机床的机械配置与电气配置主 轴第6章数控机床的机械配置与电气配置特点1、数控机床的主传动系统的特点（1）主轴转速高、调速范围宽并实现无级调速 数控机床适应性强，适合加工单件、小批量和形状复杂工件，为了适应各种不同材料的加工以及各种不同的加工方法，数控机床的主传动系统要有较宽的转速范围及相应的输

8、出力矩，一般 100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。同时，数控机床还应能够进行大功率切削和高速切削，以实现高效率加工。数控机床主轴转速比同类型普通机床主轴最高转速高出两倍左右。 第6章数控机床的机械配置与电气配置（2）主轴部件具有较大的刚度和较高的精度 数控机床一次装夹要完成全部或绝大部分切削加工，包括粗加工和精加工，所以主轴部件直接装夹刀具对工件进行切削加工，对加工质量及刀具寿命有很大影响，并且在加工过程中不进行人工调整，因此主轴部件必须具有良好的回转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性、耐磨性，而且在加工过程中机床是在程序控制下自动运行的，更需要主

9、轴部件刚度和精度有较大裕量，从而保证数控机床使用过程中的可靠性。第6章数控机床的机械配置与电气配置特点（3）良好的抗振性和热稳定性 主轴部件要有较高的固有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑。（4）为实现刀具的快速或自动装卸，数控机床主轴具有特有的刀具安装结构。 数控机床主轴上设计有刀具自动装卸、主轴准停装置和主轴孔内的切屑清除装置。（5）主轴变速迅速可靠 数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于数控机床主传动系统采用了可实现无级调速的电动机，机械变档一般又采用液压缸推动滑移齿轮实现，因此变速稳定可靠。第6章数控机床的机械配置与电

10、气配置特点6.1.3 数控机床进给传动系统进给传动系统的作用： 接受数控系统发出的进给脉冲，经放大和转换后驱动执行元件实现预期的运动。进给传动系统的特点 ： 数控机床的进给传动系统必须对进给运动的位置和速度同时实现自动控制，除了要求具有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应特性。主要采取的措施： 1)采用贴塑导轨、静压导轨、滚动导轨和滚珠丝杠螺母副等低摩擦的传动副，减小运动副之间的摩擦力；2)减小传动系统折算到驱动轴上的转动惯量，提高工作台跟踪指令的快速反应能力。第6章数控机床的机械配置与电气配置1-滚珠丝杠螺母副 2-滚动导轨副图6-14 数控机床进给传动副 第6章数控机床的机械配置与电气

11、配置1.数控机床进给传动的特点 1）传动精度和刚度高 传动精度是指伺服系统的输入量与驱动装置实际位移量的精确程度。其精度和刚度，从机械方面考虑主要取决于传动间隙、传动装置及其支承结构的精度和刚度。因此，进给系统采取施加预紧力或其它消除间隙的措施和通过提高各个零件的精度、刚度以及对丝杠螺母副、支承部件施加预紧力来提高传动精度和刚度。 2）灵敏度高 灵敏度即动态响应特性，是指系统的响应时间以及驱动装置的加速能力。在数控机床的进给系统中，普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、减摩擦滑动导轨、滚动导轨及静压导轨来减少运动件间的摩擦阻力和动、静摩擦力之差，从而提高系统的灵敏度。第6章数控机床的机械配置

12、与电气配置 3）稳定性好 系统的稳定性是指系统在起动状态或受外界干扰作用下，经过几次衰减振荡后，能迅速地稳定在新的或原来的平衡状态的能力。 稳定性与系统的惯性、刚性、阻尼等有关。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前提下，应尽可能减小执行部件的质量，减小旋转零件的直径和质量，合理的配置各元件，以减少运动部件的惯量。 数控机床的进给系统要有适度阻尼，阻尼虽然会降低系统的灵敏度，但可增加系统的稳定性，适度的阻尼可保证运动部件抗干扰的能力。第6章数控机床的机械配置与电气配置6.2 数控机床的辅助装置6.2.1 自动换刀装置数控机床为

13、了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的的误差，必须带有自动换刀装置。自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、刀库占地面积小以及安全可靠等基本要求。自动换刀装置的结构取决于机床的类型、工艺范围及刀具的种类和数量等。自动换刀装置主要有回转刀架换刀装置、多主轴转塔头换刀装置和带刀库的自动换刀装置。第6章数控机床的机械配置与电气配置自动换刀装置6.2.1 自动换刀装置类别形式 特点 适用范围 转塔式 回转刀架 多为顺序换刀，换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀具较少 各种数控车床，数控车削加工中心 转塔头 顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集

14、中在转塔头上，结构紧凑。但刚性较差，刀具主轴数受限制 数控钻、镗、铣床 刀库式 刀具与主轴之间直接换刀 换刀运动集中，运动部件少。但刀库容量受限。 各种类型的自动换刀数控机床，尤其是对使用回转类刀具的数控镗、铣床类立式、卧式加工中心机床，要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置类型 用机械手配合刀库进行换刀 刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，刀库容量大 第6章数控机床的机械配置与电气配置1）回转刀架换刀装置回转刀架，是一种最简单的自动换刀装置，多为顺序换刀，换刀时间短、结构简单紧凑，但容纳刀具较少。常用于数控车床，车削加工中心。根据不同的加工对象，它可以设计成四方刀架、六角刀架

15、等多种形式。回转刀架可在回转轴径向和轴向安装或夹持各种不同用途的刀具，并按数控装置的指令，通过回转刀架的转位实现换刀。回转刀架的工位数最多可达20余个，但最常用的是8、10、12和16工位4种。 图6-39回转刀架第6章数控机床的机械配置与电气配置1.换刀装置2）多主轴转塔头换刀装置通过多主轴转塔头的转位来换刀是一种比较简单的换刀方式。在使用旋转刀具的数控镗铣床中，常用多主轴转塔头换刀装置。在转塔的各主轴头上，根据加工的工序预先安装所用刀具，转塔依次转位，将所需要刀具的主轴转到工作位置，实现自动换刀，同时接通主传动，不处在工作位置的主轴便与主传动脱开。第6章数控机床的机械配置与电气配置图6-4

16、0多主轴转塔头这种机床的主轴转塔头就是一个转塔刀库，采用转塔头转位更换主轴头。主轴头有卧式和立式两种。转塔主轴头换刀通常只适用于工序较少，精度要求不太高的零件在数控机床上加工。 图6-41多主轴转塔头数控机床第6章数控机床的机械配置与电气配置刀库是用来存储加工刀具及辅助工具的地方。通过机械手实现与主轴上刀具的互换，加工时调用所需的刀具，一个加工操作完成后调回刀具。刀库的形式和容量要根据机床的工艺范围来确定。（1）刀库的形式盘式刀库链式刀库鼓轮弹仓式刀库 格子箱式刀库 2.刀库第6章数控机床的机械配置与电气配置（1）刀库的形式目前在加工中心上用得较普遍的有盘式刀库和链式刀库。密集形的鼓轮弹仓式或

17、格子式刀库，虽然占地面积小，结构紧凑，在相同的空间内可容纳的刀具数目较多，但是由于它的选刀和取刀动作复杂，现在已很少用于单机加工中心，多用于柔性制造系统（FMS）的集中供刀系统。 第6章数控机床的机械配置与电气配置盘式刀库结构简单，应用较多，但由于刀具环形排列，空间利用率低，因此刀具在盘中多采用双环或多环排列，以增加空间利用率。但这样做会使刀库的外径过大，转动惯量过大，选刀时间过长，因此盘式刀库一般用于刀具较少的刀库，刀具的存储量一般为1540把。第6章数控机床的机械配置与电气配置图6-42盘式刀库图6-43带盘式刀库数控机床 链式刀库结构紧凑，刀库容量较大，链环的形状可以根据机床的布局制成各

18、种形状，也可将换刀位突出以便于换刀。当链式刀库需要增加刀具数量时，只需增加链条的长度即可。在一定范围内，不用改变线速度和惯量。一般当刀具数量在30120把时，多采用链式刀库。第6章数控机床的机械配置与电气配置 图6-44链式刀库 图6-45带链式刀库的数控机床单环链式刀库 ； (b) 多环链式刀库 第6章数控机床的机械配置与电气配置 鼓轮弹仓式刀库结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀库容量最大，但选刀和取刀的动作较复杂。刀具呈轴向布置多层鼓轮式刀库，刀库容量大，需径向装、取刀。 第6章数控机床的机械配置与电气配置图6-46鼓轮弹仓式刀库 图6-47多层鼓轮式式刀库格子箱式刀库格子箱式刀库，有纵

19、横排列十分整齐的很多格子，每个格子中均有一个刀座，可存储一把刀具，刀库容量较大，结构紧凑，空间利用率高，但布局不灵活，通常将刀库安装在工作台上，有时甚至在使用一侧的刀具时，必须更换另一侧的刀座板。格子箱式有单面式和多面式两种。 图6-48单面格子箱式刀库 图6-49多面格子箱式刀库 第6章数控机床的机械配置与电气配置（2）刀具的选择方法刀库的选刀方式 顺序选刀 任意选刀第6章数控机床的机械配置与电气配置顺序选刀 刀库中的刀具位置严格按所需加工零件的加工顺序排列，加工时按顺序调刀。 优点：刀库的驱动和控制简单，无需刀具识别装置，维护简单。 缺点：加工不同的工件时必须重新调整刀库中的刀具顺序，操作

20、繁琐，降低系统的柔性。加工同一工件时各工序的刀具不能重复使用，增加了刀具数量和刀库存储量，而且由于刀具的尺寸误差也容易造成加工精度的不稳定。为避免加工事故，操作人员必须在加工前仔细检查刀具的排列顺序。 这种方式适合加工批量较大、工件品种数量较少的中小型自动换刀数控机床。 第6章数控机床的机械配置与电气配置任意选刀 需预先将刀库中的每把刀具（或每个刀座）进行编码，使之具有可识别的代码。因此刀具在刀库中的位置不必按照零件的加工顺序排列。换刀时，通过刀具或刀座识别装置来识别和选择所需的刀具。 优点：刀库中刀具的排列顺序与加工零件的加工顺序无关，增加了系统的柔性。同一工具可供不同工件、不同工步共同使用

21、，减少刀具数量和刀库存储量。 缺点：需设置刀具识别装置，使刀库的控制与驱动复杂。需对刀具或刀座编码，增加了辅助工作量。维护比顺序选刀方式要复杂。 这种方式适合于多品种小批量的随机生产，并可加工较复杂的零件。 第6章数控机床的机械配置与电气配置（3）刀具交换装置数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置。刀具的交换方式和它们的具体结构对机床的生产率和工作可靠性有着直接的影响。刀具的交换装置通常有利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的装置和采用机械手的刀具交换装置。 第6章数控机床的机械配置与电气配置 无机械手交换刀具方式 无机械手的换刀系统一般是采用把刀库放在主轴箱

22、可以运动到的位置，同时，刀库中刀具的存放方向一般与主轴上的装刀方向一致。换刀时，由主轴运动到刀库上的换刀位置，利用主轴直接取走或放回刀具。它的刀库安装在机床工作台的一端，当某一把刀具加工完毕从工件上退出后，即开始换刀。 第6章数控机床的机械配置与电气配置 带机械手交换刀具方式 采用机械手进行刀具交换方式在加工中心中应用最为广泛。机械手是当主轴上的刀具完成一个工步后，把这一工步的刀具送回刀库， 并把下一工步所需要的刀具从刀库中取出来装入主轴继续进行加工的功能部件。对机械手的具体要求是迅速可靠，准确协调。由于不同的加工中心所使用的换刀机械手也不尽相同。 第6章数控机床的机械配置与电气配置从手臂的类

23、型来看，有单臂、双臂机械手。第6章数控机床的机械配置与电气配置6.2.2 回转工作台回转工作台是数控机床不可缺少的重要部件。 分度工作台、数控回转工作台作用：使数控机床能按照指令进行分度或回转运动，完成指定的加工工序。分度工作台：将工件分度转位，实现分别加工工件的各个表面的目的。数控回转工作台：除了分度和转位的功能之外，还能实现圆周进给运动 。两者区别：是否能实现圆周进给运动。第6章数控机床的机械配置与电气配置（1）分度工作台只能够完成分度运动而不能实现圆周运动 。只能完成一定的回转度数。只能够完成分度运动， 而不能实现圆周运动，并且它的分度运动只能回转规定的角度（如90、60或45等）。 分

24、度工作台是按照数控系统的指令，在需要分度时,工作台连同工件按规定的角度回转，将工件转位换面，在加工过程中实现工件一次装夹、多个面加工的工序集中式加工，提高数控机床的加工效率，有时也可采用手动分度。 分度工作台第6章数控机床的机械配置与电气配置（2）数控回转工作台 为了扩大数控机床的加工性能，适应某些零件加工的需要，数控机床的进给运动，除了X、Y、Z三个直线进给运动之外，还可以有绕X、Y、Z三个坐标轴的旋转圆周运动，分别称为A、B、C轴，这种圆周进给运动，一般由数控回转工作台来实现。 第6章数控机床的机械配置与电气配置数控回转工作台 加工动作视频 数控回转工作台除了可以实现圆周运动之外，还可以完

25、成分度运动。例如：加工分度盘的轴向孔，若采用间歇分度转位结构进行分度转位结构进行分度，由于它的分度数有限，因而带来极大不便，若采用数控转台进行加工就比较方便。数控分度头数控回转工作台第6章数控机床的机械配置与电气配置数控转台有开环数控转台和闭环数控转台两种。开环数控转台和开环直线进给机构一样，可以由功率步进电机驱动，由控制系统指定的脉冲数来决定转位角度，没有其他的定位元件。因此要求传动精度高，传动间隙尽量小。闭环数控转台有转动角度的测量元件，所测量的结果经反馈与指令值进行比较，按闭环原理进行工作，使转台分度精度更高。带交换托盘的多齿盘回转分度工作台第6章数控机床的机械配置与电气配置6.2.3

26、液压与气动系统自动换刀所需的动作。如机械手的伸、缩、回转和摆动以及刀具的松开和拉紧，图6-60为数控机床液压装置控制的机械手换刀。主轴的自动松开、夹紧。机床运动部件的制动和离合器的控制，齿轮的拨叉换挡等。机床的润滑、冷却，防护罩、门的自动开关。工作台的松开夹紧，交换工作台的自动交换动作等。机床运动部件的平衡。如机床主轴箱的重力平衡、刀库机械手的平衡等。第6章数控机床的机械配置与电气配置液压与气动装置的功能如下：数控机床液压装置控制的机械手换刀 动作视频（盘式刀库与换刀）第6章数控机床的机械配置与电气配置6.2.4 冷却系统数控机床是高精度、高效率、高投入成本的机床，为提高生产效率，尽可能地发挥

27、其作用，一般要求24h不停机连续工作。当数控机床在进行高速大功率切削时伴随大量的切削热产生，使刀具、工件和内部机床的温度上升，进而影响刀具的寿命、工件加工质量和机床的精度。在数控机床中，良好的工件切削冷却具有重要的意义，切削液不仅于切削过程中冷却刀具与工件，同时也起到在刀具与工件之间的润滑、排屑清理、防锈等作用。通常在CAM生成的程序代码中会自动加入切削液开关指令。手动加工时机床操作面板上的切削液开/停按钮可起动切削液电动机，送出切削液。第6章数控机床的机械配置与电气配置6.2.5 润滑系统要保证数控机床可靠稳定的工作，除了在机械结构和数控系统等方面要达到一定的要求之外，良好的润滑也是不可忽视的部分，它们对延长数控机床的使用寿命、提高切削效率、保证工作正常具有十分重要的作用。数控机床的润滑系统主要包括对机床导轨、传动齿轮、滚珠丝杠、主轴箱等的润滑。润滑的形式有：电动间歇润滑泵和定量式集中润滑泵等，润滑泵内的过滤器需定期清洗、更换，一般每年更换一次。 数控机床自动润滑泵 第6章数控机床的机械配置与电气配置6.2.6 排屑装置数控机床在单位时间内金属切屑量大大高于普通机床。工件在加工过程中会产生大量的切屑。这些切屑占据一定的加工区域，如果不及时排除，就会覆盖或缠绕在工件或刀具上，阻碍机械加工的顺利进行。并且，炽热的