机床数控技术及应用6-1

第6章数控机床的机械结构与特点

6.1数控机床的结构要求6.1.1数控机床机械结构的主要组成近年来，随着进给驱动、主轴驱动和CNC的发展，为适应高生产率的需要，数控机床已逐步形成了独特的机械结构。尽管如此，普通机床的构成模式仍适用于现代数控机床，其零部件的设计方法也同样适用于数控机床。数控机床机械结构有下列各部分组成：（1）主传动系统（2）进给传动系统（3）实现某些部件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，排屑、防护等装置，刀架和自动换刀装置，自动托盘交换装置；（4）特殊功能装置，如刀具磨损监控、精度检测和监控装置。6.1.1数控机床机械结构的主要组成机床基础件（机床大件）通常是指床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台等。它们是整台机床的基础和框架。机床的其他零、部件固定在基础件上，或工作时在其导轨上运动。对于加工中心，除上述组成部分外，至少还应有自动换刀装置，有的还有双工位工件自动交换装置。柔性制造单元还带有工位数较多的工件自动交换装置，有的甚至还配有用于上下料的工业机器人。6.1.2数控机床机械结构的特点和要求为了保证高精度、高效率、高自动化程度的加工，数控机床的结构应具有以下的特点和要求。（1）高刚度因为数控机床要在高速和重切削条件下工作，因此机床的床身、工作台、主轴、立柱、刀架等主要部件，均需有很高的刚度，工作中应无变形和振动。例如：床身各部分合理分布加强筋，以承受重载与重切削力；工作台与拖板应具有足够的刚性，以承受工件重量，并使工作平稳；主轴在高速下运转，应具有较高的径向扭矩和轴向推力；立柱在床身上移动时应平稳，且能承受大的切削力；刀架在切削加工中应平稳而无振动等。

6.1.2数控机床机械结构的特点和要求（2）高灵敏度数控机床在自动状态下工作，精度要比普通机床高，因而运动部件应具有高灵敏度。导轨部件通常用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，在低速运动时无爬行现象。数控机床的工作台、刀架等部件的移动，由步进、直流或交流伺服电动机驱动，经滚珠丝杠或静压丝杠传动。主轴既要在高刚度、高速下回转，又要有高灵敏度，因而多数采用滚动轴承和静压轴承。6.1.2数控机床机械结构的特点和要求（3）高抗振性数控机床的一些运动部件，除了应具有高刚度、高灵敏度外，还应具有高抗振性。在高速、重切削情况下应无振动，以保证加工工件的高精度和低表面粗糙度。另外，特别要避免切削时的谐振。（4）热变形小位保证部件的运动精度，要求机床的主轴、工作台、刀架等运动部件的发热量要小，以防止产生热变形。为此，立柱一般采取双壁式结构，在提高刚度的同时使零件结构对称，防止因热变形而产生倾斜偏移。通常采用恒温冷却装置，使主轴轴承在运转中产生的热量易于消散。为减少电动机运转发热的影响，在电动机上按装有散热装置和热管消热装置。6.1.2数控机床机械结构的特点和要求（5）高灵敏度保持性在高速、强力切削下满载工作时，为保证机床长期具有稳定的加工精度，要求数控机床具有较高的精度保持性。除了应正确选择有关零件的材料，以防止使用中的变形和快速磨损外，还要求采取一些工艺性措施，如淬火、磨削导轨、粘贴抗磨塑料导轨等，以提高运动部件的耐磨性。（6）高可靠性数控机床在自动或半自动条件下工作（柔性制造系统中的数控机床可在24小时运转中实现无人管理），因此要求机床具有较高的可靠性。为此除保证运动部件不出故障外，频繁动作的刀库、换刀机构、托盘、工作交换装置等部件，必须保证能长期而可靠地工作。（7）刀具先进数控机床要充分发挥效能，实现高精度、高效率、高自动化加工，除了机床本身应满足上述要求外，刀具应具有较高的耐用度，其结构也要合理。对于不同的数控机床，要有不同的刀具系统及相应的刀片。6.2数控机床的主传动及主轴部件6.2.1数控机床机械结构的特点和要求

数控机床的主轴必须满足如下要求：（1）就有较大的调速范围并实现无级调速（2）具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低（3）良好的抗震性和热稳定性6.2.2主轴的传动方式数控机床的主轴传动形式主要有以下几种：1.变速齿轮传动方式主要有液压拔叉和电磁离合两种（1）液压拔叉变速液压拔叉变速必须在主轴停车后才能进行（2）电磁离合器变速电磁离合器利用电磁效应接通或切断运动元件6.2.2主轴的传动方式2.带传动方式多用于数控车床和中、小型加工中心，可避免齿轮传动时应起的振动和噪音。6.2.2主轴的传动方式3.调速电机直接驱动主轴传动方式6.2数控机床的主传动及主轴部件3.调速电机直接驱动主轴传动方式内装电动机主轴：结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高启动、停止的响应特性并利于控制振动和噪声。6.2.3主轴组件主轴组件由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件组成。1.主轴组件的要求（1）回转精度高（2）刚度大（3）抗震性强（4）温升低（5）耐磨性好6.2.3主轴组件2.主轴组件的类型主轴组件按运动方式可分为五类（1）只作旋转运动的主轴主件（2）既有旋转运动又有轴向进给运动（3）既有旋转运动又有轴向调整移动（4）既有旋转运动又有径向进给运动（5）主轴作旋转运动又作行星运动6.2.3主轴组件3.主轴主轴的主要参数（1）主轴直径（2）主轴内孔直径（3）悬伸长度（4）主轴的支承跨距6.2.3主轴组件4.主轴支承（1）主轴轴承主轴轴承有滚动式和滑动式滚动轴承摩擦阻力小可以预紧，润滑维护简单能在一定的转速范围和载荷范围内稳定的工作。6.2.3主轴组件滑动轴承静压滑动轴承承载能力不随转动而变化，无磨损，启动和运转时摩擦力矩相同。

6.2.3主轴组件（2）主轴轴承的配置与调整a.主轴轴承的配置适应高刚度要求的轴承配置6.2.3主轴组件适应高速要求的轴承配置6.2.3主轴组件b.主轴轴承的安装与调整单个轴承的装配装配时尽可能使主轴定位内孔与主轴轴颈的偏心量和轴承内圈与滚道的偏心量接近，并使其方向相反，这样可使装配后的偏心量减少。两个轴承的装配应使前、后二支承轴承的偏心两方向相同，并使当选者偏心距的大小滚动轴承的间隙与预紧主轴部件必须具备轴承间隙的调整结构6.2.4主轴的进给功能和主轴准停功能1.主轴的进给功能6.2.4主轴的进给功能和主轴准停功能6.2.4主轴的进给功能和主轴准停功能2.主轴定向装置

主轴准停装置是加工中心换刀过程中所要求的特别装置，也称为主轴准停功能。定向装置分为：机械式和电气式6.2.5主轴组件的润滑与密封润滑与密封是机床使用和维护过程中重要问题1.主轴的润滑方式（1）油脂润滑（2）油液循环润滑（3）油雾润滑（4）油气润滑6.2.5主轴组件的润滑与密封6.2.5主轴组件的润滑与密封2.主轴的密封接触式密封和非接触式密封1）非接触式密封

非接触式密封就是密封件与其相对运动的零件不接触，且有适当间隙的密封。这种形式的密封，在工作中几乎不产生摩擦热，没有磨损，特别适用于高速和高温场合。非接触式密封常用的有间隙式，迷宫式和垫圈式等各种不同结构形式，分别应用于不同场合。

非接触式密封的间隙以尽可能小为佳。

2）接触式密封