数控技术-数控机床的机械结构

东华大学机械学院第四章数控机床的机械结构4.1数控机床的布局特点4.2数控机床的主运动机构4.3数控机床的进给机构4.4数控机床的换刀装置现场教学数控机床机械结构的特点高的静、动刚度和良好的抗振性能静刚度各种自动辅助装置增加了数控机床的负荷，这需要机床具有更高的静刚度机床组件（床身、导轨、工作台、刀架、主轴箱）的静刚度越高，其几何精度越高，变形误差越小，零件的加工精度也就越高数控机床机械结构的特点高的静、动刚度和良好的抗振性能提高静刚度的措施机床基础大件采用封闭箱形结构合理布置加强筋板，以提高局部刚度提高机床各部件的接触刚度为提高机床主轴刚度，要采用合适的支承结构和钢性好的轴承部件数控机床机械结构的特点高的静、动刚度和良好的抗振性能动刚度切削过程产生的振动会降低加工精度、表面质量以及刀具寿命。为保证生产率，数控机床不允许采用减少切削用量或改变刀具几何角度的方式来减小振动，因此数控机床必须要有高的动刚度和良好的抗振性数控机床机械结构的特点高的静、动刚度和良好的抗振性能提高动刚度的措施采用新材料以提高抗振性改善机床的阻尼特性，如在机床大件内腔填充阻尼材料、表面喷涂阻尼层、利用结合面的摩擦阻尼等人造大理石床身天然大理石床身数控机床机械结构的特点良好的热稳定性机床在切削热、摩擦热等内外热源的作用下，各部件会发生不同程度的热变形，从而破坏工件与刀具之间的相对位置关系，影响工件的加工精度减小热变形的措施减小机床内部热源，改善散热条件改善机床结构，如减少零件变形部分的长度、使热变形发生在非误差敏感方向上、采用热对称机床结构等进行热变形补偿或采用预热措施采用热平衡措施或使用特殊的热调节元件刀具切入方向应与热变形方向垂直热对称结构立柱数控机床机械结构的特点高的运动精度和低速运动平稳性为消除传动元件间的间隙对机床定位精度的影响，数控机床进给系统一般都要求无间隙传动，以提高运动精度数控机床在以极低的速度运动时，工作台容易产生“低速窜行”现象，从而会超过给定位置而产生加工误差，这就要求数控机床要消除“低速窜行”现象，以保证低速运动的平稳性数控机床机械结构的特点高的运动精度和低速运动平稳性保证措施利用滚动导轨、静压导轨和塑料导轨代替滑动导轨，利用滚珠丝杠代替滑动丝杠，以消除“低速窜行”现象减少传动间的制造误差，对传动件进行预紧或者增加补偿脉冲，以消除进给传动系统的间隙充分满足人性化要求数控车床的布局形式水平床身倾斜床身水平床身斜滑板垂直床身4.1数控机床的布局特点数控车床的布局形式水平床身床身的加工工艺性好，水平床身配上水平放置的刀架可提高刀架的运动精度，一般应用于大型数控车床。但是床身下部空间小，排屑困难，同时刀架水平放置使得滑板横向尺寸较长，从而加大了机床宽度方向的结构尺寸4.1数控机床的布局特点数控车床的布局形式倾斜床身床身多采用30°、45°、60°、75°的倾斜角，可采用整体结构以提高刚度。机床占地面积小，外形简洁、美观，容易实现封闭式防护，排屑方便，操作方便，被中、小型数控车床所普遍采用4.1数控机床的布局特点数控车床的布局形式水平床身斜滑板与倾斜床身相比，床身是水平的，这种布局形式一方面有水平床身工艺性好的特点，另一方面具有倾斜床身排屑容易，占地面积小的优点垂直床身（立床身）床身倾斜90°角时称为垂直床身，占地很小，但受工作台重力作用的影响，导轨的导向性和受力情况不好4.1数控机床的布局特点加工中心的布局形式卧式加工中心主轴位于水平方向立式加工中心主轴位于竖直方向五面加工中心（多坐标加工中心）兼具立式和卧式加工中心的功能4.1数控机床的布局特点加工中心的布局形式卧式加工中心采用移动式立柱，工作台不升降床身呈T形，刚度和精度保持性较好普遍采用双立柱形式，刚性大、热对称性和稳定性好主轴箱在两个立柱之间，沿导轨上下移动，主轴水平放置水平方向的进给可由工作台和立柱配合完成4.1数控机床的布局特点加工中心的布局形式立式加工中心主轴箱挂在立柱一侧，沿导轨上下移动，主轴竖直放置，立柱一般中空，内置主轴箱的平衡重固定立柱式结构水平方向的进给只能由工作台完成移动立柱式结构水平方向的进给可由工作台和立柱配合完成4.1数控机床的布局特点加工中心的布局形式五面加工中心为实现立、卧式加工中心的转换，有的立卧加工中心的主轴可做90°旋转；有的工作台可带着工件做90°旋转4.1数控机床的布局特点数控机床的主运动直接切削工件上的被切金属层，使之转变为切屑并形成工件新表面所需的基本运动主运动部件包括主轴电机、主轴传动件、主轴、主轴箱、主轴支承件等4.1数控机床的布局特点主轴车床主轴装有装卡装置和工件，钻床和铣床主轴装有刀具，主轴应具有较好的刚性以保证加工精度和表面质量主轴箱应足够坚固以承受主轴负荷，尽量消除摩擦热以减少热膨胀引起的加工误差4.2数控机床的主运动部件主轴支承形式前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承，后支承采用成对向心推力球轴承，综合刚度高，普遍应用于各种数控机床前后支承采用多个高精度向心推力球轴承，高速性能好，但承载能力小，适用于高速轻载和精密数控机床前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承采用单列圆锥滚子轴承，径向、轴向刚度高，能承受重载，但限制了主轴最高转速，适用于中等精度低速重载数控机床4.2数控机床的主运动部件主传动形式二级齿轮变速定比带传动由主轴电机直接驱动4.2数控机床的主运动部件二级齿轮变速通过控制滑移齿轮，使主轴获得高速和低速两种转速系列，同时在低速段主轴具有较大的输出扭矩4.2数控机床的主运动部件定比带传动传动比固定，采用带传动可避免齿轮噪声与振动，多应用于小型数控机床4.2数控机床的主运动部件由主轴电机直接驱动(电主轴)简化主轴结构，提高主轴刚度，主轴部件的惯量小，重量轻，快速响应性好，但输出转矩小，受发热影响大4.2数控机床的主运动部件

进给运动是指不断地把切削层投入切削的运动。与主运动相比，进给运动速度较低，消耗的功率较小

加工工件的轮廓精度和位置精度受进给运动传动精度、灵敏度和稳定性的直接影响，因此数控机床对进给运动部件具有一些特殊的要求4.3数控机床的进给运动部件数控机床对进给运动部件的要求运动件间的摩擦阻力要小摩擦阻力会降低进给传动效率，产生的摩擦热会影响系统的快速响应能力动静摩擦阻力之差过大会产生“低速窜行”现象，影响低速进给的稳定性进给运动的摩擦阻力主要来自导轨和丝杠，因此需要对导轨和丝杠的结构进行改善4.3数控机床的进给运动部件数控机床对进给运动部件的要求消除传动间隙传动间隙使工作台不能马上跟随指令运动，降低系统的快速响应能力。对于开环伺服系统，传动间隙会产生定位误差，对于闭环伺服系统，传动间隙会降低系统稳定性对所有传动组件，包括滚珠丝杠、轴承、齿轮、蜗轮蜗杆、联轴器、键联接等都必须采取相应的间隙消除措施4.3数控机床的进给运动部件数控机床对进给运动部件的要求传动精度和刚度要高刚度低会使进给传动组件产生弹性变形，从而降低系统的快速响应能力并降低传动精度导轨结构和丝杠螺母、蜗轮蜗杆的支承结构是决定传动精度和刚度的主要部件，必须保证它们的加工精度和表面质量，以提高系统的接触刚度4.3数控机床的进给运动部件数控机床对进给运动部件的要求减少运动惯量并具有适当阻尼在满足刚度和强度的条件下，尽量减小组件惯量可提高进给系统的启动和制动特性增加阻尼会提高进给运动的稳定性，但同时也会降低系统的快速响应特性4.3数控机床的进给运动部件4.3数控机床的进给运动部件进给运动系统的结构组成丝杠螺母副可将旋转运动转化为直线运动根据传动方式的不同可分为滚珠丝杠螺母副和静压丝杠螺母副丝杠螺母副摩擦阻力小，动静摩擦阻力差别很小，不易产生“低速窜行”现象4.3数控机床的进给运动部件滚珠丝杠螺母副丝杆和螺母上有弧形螺旋槽，当把它们套装在一起时形成螺旋通道，在滚道内填满滚珠，当丝杆相对于螺母旋转时，丝杆的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动，同时滚珠沿螺旋滚道滚动，使丝杆和螺母的滑动摩擦转变为滚珠与丝杆、螺母之间的滚动摩擦4.3数控机床的进给运动部件滚珠丝杠螺母副的结构形式外循环式滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触内循环式滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触4.3数控机床的进给运动部件外循环式循环结束后，滚珠通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环制造简单，使用广泛，但滚道接缝处不平滑，会影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象4.3数控机床的进给运动部件1丝杆2螺母3滚珠4回珠管内循环式靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈状，反向器的数目与滚珠圈数相同结构紧凑，定位可靠，刚性好，不易磨损，返回滚道短，不易发生滚珠堵塞，摩擦损失小，但反向器结构复杂，制造困难4.3数控机床的进给运动部件1丝杆2螺母3滚珠5反向器132滚珠丝杠螺母副的特点传动效率高，起动力矩小，传动灵活平稳，寿命高，低速不窜行，定位精度高，正逆运动效率相同当丝杠立式时应增加制动装置，否则螺母在重力作用下下降会带动丝杠旋转，需附加自锁装置，此外，抗振性差，结构复杂，制造工艺要求高，成本较高4.3数控机床的进给运动部件滚珠丝杠螺母副的预紧预紧目的是提高刚度并消除传动间隙丝杠螺母副常采用双螺母结构，通过预紧可使两个螺母产生轴向位移，从而消除传动间隙并提高刚度。常用的预紧方法包括垫片调整法螺纹调整法齿差调整法4.3数控机床的进给运动部件垫片调整法只有一端螺母有垫片，通过改变垫片厚度使两个螺母产生相反位移，使得两螺母中的滚珠分别紧贴在滚道的两个相反侧面上，从而消除间隙结构简单可靠、刚性好，但调整较费时，适用于一般精度的机床4.3数控机床的进给运动部件螺纹调整法平键用于连接两个单螺母与螺母座，使得单螺母只能在螺母座内轴向滑移而不能相对转动。右边单螺母的外圆上有普通螺纹，当转动调整螺母时即可调整两个单螺母的轴向间隙，然后用锁紧螺母锁紧结构紧凑，工作可靠，滚道磨损后可随时调整，但预紧量不准确4.3数控机床的进给运动部件齿差调整法两个单螺母的凸缘为圆柱外齿轮且齿数差为1，两个内齿轮用螺钉、定位销紧固在螺母座上。调整时先取出内齿轮，根据间隙大小将两个单螺母同向转过一个或几个齿，然后插入内齿轮固定。如果同向旋转两个单螺母各一个齿，则两个单螺母的相对轴向位移量为t为丝杠螺距，z1、z2为两个凸缘外齿轮的齿数，z2-z1=1结构复杂，尺寸大，可实现精确预紧4.3数控机床的进给运动部件滚珠丝杠螺母副的设计确定螺距、名义直径（滚珠中心圆的直径）、滚珠直径、滚珠工作圈数、滚珠列数、工作滚珠总数等参数增加滚珠列数和工作滚珠总数能显著提高滚珠丝杠螺母副的承载能力，但容易引起滚珠流通不畅而堵塞确定螺母座的结构和丝杠两端的支承形式4.3数控机床的进给运动部件静压丝杠螺母副在丝杆和螺母的接触面之间保持有一定厚度和刚度的压力油膜，使丝杠和螺母间的滑动摩擦变为液体摩擦，当丝杆转动时通过油膜推动螺母沿轴向移动摩擦系数很小（为滚珠丝杠螺母副的1/10），传动效率高，起动力矩小，传动灵敏，油膜层提高了运动的平稳性和散热性并减少了传动间隙，承载压力与供油压力成正比，与转速无关，缺点是需要供油系统且对油的清洁度要求高4.3数控机床的进给运动部件导轨用于引导运动部件沿一定轨道运动在一对导轨副中，运动的一方叫运动导轨，不动的一方叫支承导轨按运动轨迹可分为直线运动导轨和圆运动导轨按接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨4.3数控机床的进给运动部件数控机床对导轨的要求导向精度高导向精度是指机床运动部件沿导轨移动时的直线和它与有关基面之间的相互位置的准确性。影响导轨精度的因素有导轨制造装配精度、导轨结构形式、导轨及其支承件的刚度和热变形等耐磨性能好耐磨性是指导轨在长期使用过程中保持一定导向精度的能力。数控机床常采用滚动导轨和静压导轨，以减小摩擦量降低导轨磨损现象。4.3数控机床的进给运动部件数控机床对导轨的要求足够的刚度导轨刚度不够易产生受力变形，从而影响导轨导向精度。加大导轨面尺寸或添加辅助导轨能有效提高导轨刚度低速运动平稳性好不易出现“低速窜行”现象结构简单，工艺性好，易调整维修4.3数控机床的进给运动部件滑动导轨结构简单、制造方便、刚度和抗振性好，但静摩擦系数大，动摩擦系数随速度变化而变化，摩擦损失大，易出现“低速窜行”现象按导轨截面形状的不同可分为矩形导轨三角形导轨燕尾形导轨4.3数控机床的进给运动部件矩形导轨承载能力大，制造简单，侧面间隙不能自动补偿，导向性差三角形导轨能同时控制水平和垂直方向的导向精度，在载荷作用下能自行补偿间隙，但颠覆力矩影响导向性燕尾导轨能承受颠覆力矩，但耐磨性不如矩形导轨4.3数控机床的进给运动部件滚动导轨在导轨面之间放置滚珠、滚柱、滚针等滚动体，使导轨面之间的滑动摩擦变为滚动摩擦动静摩擦系数差别不大，不易出现低速爬行现象，由于摩擦力小，所以磨损小承载能力差，抗振性差，结构复杂，制造维护困难，成本高根据滚动体的不同可将其分为滚珠导轨、滚柱导轨和滚针导轨4.3数控机床的进给运动部件滚珠导轨滚动体的长径比等于1，承载能力小，刚度低，适用于工件质量不大和切削力不大的机床上滚柱导轨滚动体的长径比大于1，承载能力和刚度大于滚珠导轨，但容易引起偏移和测向滑动滚针导轨滚动体的长径比远大于1，尺寸小，结构紧凑，适用于导轨尺寸受限的机床上4.3数控机床的进给运动部件静压导轨将具有一定压力的油液输送到导轨面上的油腔中，形成承载油膜，将相互接触的导轨表面隔开，使导轨间的滑动摩擦变为液体摩擦摩擦系数很小，机械效率高，能长期保持导轨的导向精度，承载油膜具有良好的吸振性结构复杂，需要清洁度高的供油系统4.3数控机床的进给运动部件ATC（AutomaticToolChanger）储备一定数量的刀具并完成刀具自动交换功能的装置ATC的作用缩短非切削时间，提高生产率实现“工序集中”，从而扩大数控机床的工艺范围并减少设备占地面积在工件一次安装中完成多种、甚至所有的加工工序，从而减小多次安装工件引起的误差，提高加工精度4.4数控机床的自动换刀装置数控机床对ATC的要求换刀时间尽可能短刀具重复定位精度高足够的刀具储存量刚性好，运转安全可靠结构紧凑，便于制造维修4.4数控机床的自动换刀装置ATC的形式回转刀架换刀应用于数控车床更换主轴头换刀应用于数控钻床带刀库的ATC应用于数控铣床、数控加工中心4.4数控机床的自动换刀装置回转刀架换刀根据不同的加工对象，可设计成四方刀架、六角刀架等多种形式必须具有良好的刚度和强度，以承受粗加工时的切削抗力应选择可靠的定位方案和合理的定位机构，以保证回转刀架每次转位后都具有高的重复定位精度4.4数控机床的自动换刀装置回转刀架换刀通过回转刀架的转位实现换刀，刀架的回转动作分为四步刀架抬起刀架转位刀架压紧转位油缸复位4.4数控机床的自动换刀装置回转刀架换刀可在回转轴径向和轴向安装夹持各种刀具最多容纳20余把刀具4.4数控机床的自动换刀装置回转刀架换刀应用于数控车床换刀机构简单紧凑省去了装卸刀具及刀具搬运等操作，换刀时间短容纳的刀具数较少，无法加工复杂零件刀具选择方式为顺序选择方式，即根据加工工艺预先将刀具排放好，否则出事故。如果不同工步需要相同刀具，需要在相应的不同位置上放置多把相同的刀具，从而降低了刀具的利用率4.4数控机床的自动换刀装置更换主轴头换刀（转塔头式ATC）适用于使用旋转刀具的数控机床在转塔的各主轴头上依次安装不同的刀具，通过转塔转位实现自动换刀。工作时只有位于加工位置的主轴头才与主运动接通，而其他主轴头都与主运动脱开转塔头每次转位均包括五步：脱开主运动、转塔头松开、转塔头转位、转塔头定位压紧、主轴传动接通4.4数控机床的自动换刀装置更换主轴头换刀（转塔头式ATC）应用于带旋转刀具的数控机床省去了装卸刀具及刀具搬运等操作，换刀时间短刀具选择方式为顺序选择方式，需要根据加工工艺预先将刀具排放好，刀具利用率低为保证主轴刚度，主轴数目不能很多，因此刀具容量有限，同时零件加工精度受主轴刚度的影响较大4.4数控机床的自动换刀装置带刀库的ATC由刀库和刀具交换机构组成刀库是存储加工刀具及辅助工具的地方，刀库容量需要考虑加工工艺的需要，一般在20～40把，能进行复杂零件的多工序加工主轴箱内只有一个主轴，因此可以充分增强主轴刚度以满足精密加工的要求换刀过程复杂费时，工作可靠性低4.4数控机床的自动换刀装置带刀库的ATC刀库安装位置如果刀具数量不多，可将刀库安装在主轴箱的侧面或上方，通过刀库与主轴的相对运动（刀库移动或者主轴移动）实现刀具交换4.4数控机床的自动换刀装置带刀库的ATC刀库安装位置如果刀具数量较多，可将刀库安装在机床外部，通过搬运装置和机械手实现换刀4.4数控机床的自动换刀装置机械手的类型机械手的类型带刀库的ATC刀具交换装置实现刀库与主轴之间传递和装卸刀具利用刀库与主轴的相对运动实现刀具交换结构简单，换刀可靠。换刀时必须先将用过的刀具送回，此外刀库中刀具指向与主轴上装刀后刀具指向必须一致利用机械手实现刀具交换灵活性大，换刀时间短，应用广泛4.4数控机床的自动换刀装置带刀库的ATC刀库类型根据刀库容量和取刀方式，可将刀库分为单盘式刀库、鼓轮弹仓式刀库、链式刀库、多盘式刀库、格子式刀库4.4数控机床的自动换刀装置带刀库的ATC单盘式刀库结构简单，刀具容量为15～40把由于刀具环形排列，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，但这样会使刀库外径过大，转动惯量过大，选刀时间过长，因此一般应用于刀具较少的机床4.4数控机床的自动换刀装置4.4数控机床的自动换刀装置带刀库的ATC链式刀库结构紧凑且灵活性大，刀库容量较大，刀具数量一般在30～120把选刀和取刀动作简单，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带刀库的ATC刀具选择方式顺序选择刀具按加工工序的顺序依次放入刀库中的刀座内。换刀时，刀库按顺序转动一个刀座位置并取出所需刀具，换下的刀具则放回原来的刀座内或者按顺序放入下一个刀座内任意选择刀具在刀库中任意存放，换刀时刀库旋转，识别装置对每把刀具（刀座）进行识别，并把符合要求的刀具送入换刀位置4.4数控机床的自动换刀装置顺序选刀不需要刀具识别装置，驱动控制简单，可直接由刀库的分度机构实现，工作可靠性高刀具在不同的工序中不能重复使用，在多工序加工中必须增加刀具的数量和刀库的容量，从而降低了刀具和刀库的利用率。此外，加工不同的工件时必须重新调整刀库中的刀具顺序，因此降低了系统的柔性必须保证刀具在刀库中的安装顺序，一旦顺序发生差错，将会造成严重的事故适合加工批量较大、工件品种数量较少的中小型自动换刀数控机床4.4数控机床的自动换刀装置任意选刀刀库中刀具的排列顺序与加工零件的加工顺序无关，可避免由于刀具安装所产生的差错，增加了系统柔性同一把刀具可供不同工件、不同工步共同使用，因此减少了刀具数量和刀库的存储量需设置刀具或刀座识别装置，刀库的控制、驱动与维护复杂适合于多品种小批量的随机生产，并可加工较复杂的零件4.4数控机床的自动换刀装置任意选刀刀具编码对每把刀具都进行二进制编码并把此编码信息载体以某种方式固定在刀具的刀柄上，这样刀具可随机存放在任意刀座内，但刀具刀柄必须进行专门设计和制造刀座编码对刀库的每个刀座进行编码并把编码信息载体以某种方式固定在刀座上。将与刀座编码