数控机床的机械结构

第三章

数控机床的机械结构本章内容提要数控机床的布局数控机床的主传动系统数控机床的进给传动系统数控机床的自动换刀装置第一节

数控机床的布局特点数控机床的布局根据工件的工艺分类所需运动及主要技术参数而确定各部件的相对位置，并保证工件和刀具的相对运动，加工精度，方便操作、调整和维修。机床的布局直接影响机床的结构和使用性能。数控机床的布局特点多采用机、电、液、气一体化布局，全封闭或半封闭；机械结构简化，操作维修方便等数控车床的布局水平床身；倾斜床身；水平床身斜滑板；立式床身

水平床身加工工艺性好，刀架水平放置有利于提高其运动精度，但这种结构床身下部空间小，排屑困难。

一般中小型数控车床多采用倾斜床身或水平床身斜滑板结构，该布局占地面积小，机床外形美观，易于排屑和冷却液的排流，便于操作和观察，易于安装上下料机械手，以实现全面自动化。且倾斜床身可采用封闭截面整体结构，以提高床身的刚度。床身导轨倾斜角度多为45°、60°、70°，但倾斜角度太大会影响导轨的导向性及受力情况。

数控车床多采用自动回转刀架来夹持各种不同用途的刀具，受空间大小的限制，刀架的工位数量采用4、6、8、10或12位

数控车削中心是在数控车床的基础上发展而来，可以使工件在一次装夹下完成车削，各个方向及部位的钻削，铣削等数控加工中心的布局卧式加工中心；立式加工中心卧式加工中心移动式立柱，工作台不升降，T形床身。一体式T形床身：刚度好，精度保持性好，但其铸造和加工工艺性能较差；分离式T形床身：铸造和加工工艺性能大大改善，但联接部位要用定位键和专用的的定位销定位，并用大螺栓紧固以保证刚度和精度卧式加工中心各坐标的的运动可由工作台移动或主轴移动来完成。下图为各坐标运动形式不同组合的几种布局形式：（1）（2）（3）（4）（5）（6）立式加工中心通常有三个直线运动坐标，还可以在工作台上安放一个第四轴A轴，可以加工螺旋类和圆柱凸轮等零件。

下图为立式加工中心的几种布局结构：（1）（2）（3）与卧式加工中心相比，立式加工中心结构简单，占地面积小，价格相对便宜。中小型立式加工中心一般采用固定立柱式，将主轴吊在立柱一侧。立式加工中心五面加工中心与多坐标加工中心五面加工中心具有立式加工中心与卧式加工中心的功能。

常见的有两种形式：

主轴可以做90度旋转；

工作台带着工件一起做90度得旋转多坐标加工中心加工中心的另一个发展方向是多坐标联动。第二节

数控机床主传动系统的变速机构变速齿轮主传动系统；皮带传动主传动系统；电机直接驱动的主传动系统；电主轴传动特点：分段无级变速系统，保证低速时能传递较大的扭矩适用范围：是大、中型数控机床常采用的配置。目前的加工中心大都采用这种变速方式。1.变速齿轮主传动系统2.皮带传动的主传动系统同步带传动方式：同步带（也称齿形带）主要应用在转速较高、变速范围不大的机床关于同步带带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主、动带轮作无相对滑动的同步传动特点：传动带多用同步齿形带；2)避免了齿轮传动引起的振动和噪声；3)能在一定程度上满足转速与扭矩的输出要求；调速范围受电机调速范围的限制同步带传动具有如下优点：无滑动，传动比准确传动效率高，可达98%以上传动平稳，噪声小维修保养方便，不需要润滑3.电动机直接驱动的主传动系统电动机轴与主轴用联轴器同轴连接。这种方式大大简化了主轴箱体和主轴结构，有效地提高了主轴组件的刚性。特点：简化了主轴结构，提高了主轴组件的传动刚度；主轴输出转矩小；电动机的发热对主轴精度影响较大4.电主轴传动系统

近年来出现了内装主轴电动机，其转子和主轴合二为一。使主轴部件结构更紧凑，质量小，惯性小，可提高启动、停止的响应特性。但主轴输出转矩小。数控机床的主轴准停装置

自动换刀时，刀柄上的键槽要对准主轴的端面键。为此，主轴每次停转必须准确地停在某一固定位置上。这种使主轴停在某一固定位置上的装置称为主轴准停装置。机械控制的主轴准停装置电器控制的主轴准停装置电器控制的主轴准停装置当机床停车换刀时，数控装置发出主轴停转指令，主轴电机立即降速。当主轴以很低的转速回转转时，永久磁铁对准磁传感器，磁传感器发出准停信号。该信号经放大，由定向电路使主轴电机准确地停止在一定位置，从而实现主轴的准停。准停精度可达±1°

第三节

数控机床进给系统的机械结构

数控机床的进给传动系统通常称为伺服进给系统，又伺服电路、伺服驱动元件、机械传动装置和执行件组成。数控机床的机械传动装置伺服电动机直接传动伺服电动机通过减速箱传动直线电动机进给系统伺服电动机直接传动现代数控机床进给传动的主要组成形式特点：传动链短；刚度大；传动精度高工作台伺服电动机通过减速箱传动

工作台减速箱特点：细化脉冲当量；改变加在电机上的负载扭矩，实现与电机输出转矩的最佳匹配；改变加在电机上的负载惯量，实现与电机惯量的最佳匹配；满足改善传动阻尼的需要，或安装联接的需要

研究表明：滚珠丝杠技术在1g加速度下，在卧式机床上可以可靠地工作，若加速度再提高0.5倍就有问题了。采用直线电动机技术代替滚珠丝杠副应用于数控伺服系统中，可以简化系统结构，提高定位精度，实现高速直线运动乃至平面运动。直线电机经常简单描述为旋转电机被展平，而工作原理相同。3.直线电动机进给系统

数控机床常用的传动机构滚珠丝杠螺母副静压蜗杆-蜗母条机构预加负载双齿轮-齿条机构联轴器（联接电动机输出轴和滚珠丝杠轴）滚珠丝杠螺母副

特点：摩擦小，传动效率高；传动灵敏、稳定；可通过预紧实现无间隙传动；制造成本高；不能自锁（用于垂直位置时，为防止因突然停电而造成主轴箱下滑，必须加有制动装置）静压蜗杆-蜗母条机构特点：摩擦系数小；传动效率高；低速运动平稳；抗振性好；不易磨损适用于重型数控机床的进给传动数控机床进给传动常用的消隙机构滚珠丝杠副的间隙消除齿轮副的间隙消除键联接的间隙消除传动齿轮间隙消除机构电动机偏心套将电动机通过偏心套装到壳体上，通过转动偏心套即可调整两齿轮的中心距将两个相互啮合的齿轮的分度圆柱面制成带有小锥度的圆锥面，使齿轮齿厚在轴向稍有变化，装配时只需改变垫片的厚度，使使齿轮2做轴向移动，调整两齿轮在轴向的相对位置即可达到消除齿侧间隙的目的。齿轮2垫片齿轮1这两种方法结构简单，传动刚度好，能传递较大的动力，但齿轮磨损后齿侧间隙不能自动补偿。因此加工时对齿轮的齿厚及齿距公差要求较严，否则传动的灵活性将受到影响。偏心套调整垫片调整双齿轮错齿调整两个齿数相同的薄片齿轮1、2与另外一个宽齿轮啮合。薄片齿轮1、2套装在一起，并可作相对回转运动。由于弹簧的作用使齿轮1、2错位，分别与宽齿轮的齿槽左右侧贴紧，消除了齿侧间隙齿轮1齿轮2凸耳弹簧凸耳凸耳调节螺钉螺母这种方法结构较复杂，传动刚度较低，不宜传递大转矩，对齿轮的齿厚及齿距要求较低，可以始终保持啮合无间隙，尤其适用于检测装置。第四节

数控机床对自动换刀装置的要求换刀时间短；刀具重复定位精度高；足够的刀具储备量；占地面积小；安全可靠1.不带刀库的自动换刀装置

回转刀架换刀转塔头式换刀回转刀架换刀——用于数控车床

在回转刀架上，各刀座安装或夹持各种不同用途的刀具，通过转塔刀架的转位实现换刀动作2.带刀库的自动换刀装置组成：刀库；选刀机构；刀具的自动装卸机构；刀具交换机构（机械手）刀库自动换刀装置刀库的类型盘形刀库链式刀库格子式刀库单层盘形刀库多层盘形刀库链式刀库刀库类型3.格子式刀库自动换刀装置

选刀方式顺序选刀刀具编码选刀刀座编码选刀计算机记忆方式顺序选刀

——按照加工工序依次将所用刀具放入刀库的刀座中。顺序不能错乱，否则将造成事故。特点：改变加工工件时，需重新排列刀具；同一加工工件各工序刀具不能重复使用；不需要刀具识别装置，刀库运行及控制简单适用范围：刀具较少的中、小型加工中心；批量较大，工件品种少的加工中心；刀库与主轴直接进行刀具交换的加工中心选刀方式

刀具编码选刀

将刀具预先装入刀夹中（在每个刀具的夹头上带有二进制的编码），存放于刀库的任意刀座中，通过识别装置识别刀具上的编码来选刀适用范围：多用于自动化程度高，有完善刀具管理系统的自动换刀系统特点：需有刀具识别装置刀具识别装置接触式识别装置；非接触式识别装置刀座编码选刀对刀库中各刀座预先进行固定的编码，而插入刀座的刀具则无任何标记。当刀具插入刀座之后，就具有该刀座的编码特点：与刀具编码相比，刀柄结构简单；识别装置不受刀柄尺寸限制，结构简单，位置安排灵活；刀具交换时，必须将用过的刀具放回原来的刀座中，增加了刀库动作的复杂性；与顺序换刀相比，其优点是刀具在加工过程中可以重复使用常用的编码元件：永久性临时性

编码时，先按程序规定给刀具缚一把表示该刀具号码的代码钥匙，在把刀具放到刀座上时，将钥匙插到该刀座的钥匙孔中，这个刀座就被编