数控机床 (模块三)数控车床结构及应用

数控机床

项目三

数控车床结构及应用

数控机床模块一数控车床的应用模块二数控车床的组成及分类模块三卧式数控车床模块四车削中心3.1数控车床的应用一、数控车床加工的典型案例

1.加工轴类零件图示的零件主要加工圆柱面、圆弧面、端面、倒角及外螺纹面等,两次安装，分别加工零件的两侧，适合采用卧式数控车床加工。图3-1轴3.1数控车床的应用

一、数控车床加工的典型案例1.加工套类零件毛坯为不锈钢铸件，该零件需要两次安装，分别加工零件两侧的内、外轮廓。主要加工面适于在卧式数控车床上加工。图3-2不锈钢套筒圆柱套可安排在数控车床或立式加工上加工M14螺孔可安排在普通钻床上加工

3.1数控车床的应用

一、数控车床加工的典型案例

3.加工盘类零件图示零件分粗、精序加工，粗加工，粗加工序需要两次安装。适合采用卧式数控车床加工。

端面6×ф9mm孔和2×M8-7H螺孔适于在数控钻床或普通钻床上加工。图3-3透盖零件

3.1数控车床的应用一、数控车床加工的典型案例4.加工齿轮毛坯零件图示的齿轮毛坯零件为径向尺寸较大的盘类零件，主要加工内外圆柱面、圆锥面、端面、倒角及切端面槽等，适合采用立式数控车床加工图3-4齿轮毛坯

3.1数控车床的应用一、数控车床加工的典型案例

5.连接件

图示的连接件除了要加工圆柱面、圆弧面、端面、倒角、切槽之外，还要加工径向孔、与工件中心不同心的轴向孔及端面圆弧槽等，工艺过程复杂，因此适于采用车削中心加工.图3-5连接件

3.1数控车床的应用

二、数控车床的典型案例应用范围★数控车床特别适于加工形状复杂的轴类或盘类零件.

★

加工零件的尺寸精度可以达到IT5～IT6，加工表面的粗糙度可以达到Ra1.6μm以下。

★数控车床具有加工灵活、通用性强、能适应产品的品种和规格频繁变化的特点，能够满足新产品的开发和多品种、小批量、生产自动化的要求，被广泛应用于机械制造业。

3.2数控车床的组成及分类

一、数控车床的组成与布局

1.数控车床的组成及特应用点

对比卧式车床和数控车床的外观图，数控车床的进给系统与卧式车床的进给系统在结构上存在着本质上的差别。图3-6卧式车床外观图图3-7数控车床外观图3.2数控车床的组成及分类如图所示，主轴电动机经同步齿形带1驱动主轴4旋转，主轴的运动通过同步齿形带3，以1∶1的速比传到脉冲编码器2。脉冲编码器发出检测脉冲信号给数控系统，使主轴电动机的旋转与刀架的切削进给保持同步关系，即实现加工螺纹时主轴转一转，刀架Z向移动一个导程的运动关系.24567831图3-8数控车床的传动结构3.2数控车床的组成及分类

2.数控车床的布局

刀架和导轨的布局形式会直接影响数控车床的使用性能、机床的和外观。数控车床上都设有封闭的防护装置。

（1）床身导轨的布局

根据数控车床床身导轨与水平面的相对位置不同，可以有如图所示的多种布局形式。图3-93.2数控车床的组成及分类2.数控车床的布局（1）床身导轨的布局

图a所示为平床身平滑板布局

特点：水平床身的工艺性好，便于导轨面的加工，刀架的运动精度高。但是由于床身下部空间小，排屑困难。刀架水平放置使得滑板横向尺寸较长，加大了机床宽度方向的结构尺寸。

应用：可用于大型数控车床或小型精密数控车床的布局。图3-93.2数控车床的组成及分类

2.数控车床的布局（1）床身导轨的布局

图b所示为斜床身斜滑板布局

特点：排屑容易，操作方便，机床占地面积小，容易实现封闭式防护。床身倾斜的角度小，排屑不便；倾斜角度大，斜导轨的导向性差，受力情况也差.

应用：小型数控车床，床身倾斜30°或45°；中规格的数控车床，床身多倾斜60°大型数控车床，床身多倾斜75°。

图3-93.2数控车床的组成及分类

2.数控车床的布局（1）床身导轨的布局

图c所示为平床身斜滑板布局

特点：水平床身配倾斜放置的滑板，一方面有水平床身工艺性好的特点，另一方面机床宽度方向的尺寸较水平配置滑板的要小，且排屑方便。

斜滑板倾斜的角度通常为30°、45°、60°、75°。

应用：可用于中、小型数控车床的布局.图3-9

3.2数控车床的组成及分类2.数控车床的布局（1）床身导轨的布局图d为前倾身平滑板布局图e为立床身立滑板布局

立式床身又称为立式车床。图3-93.2数控车床的组成及分类2.数控车床的布局（2）刀架的布局

刀架作为数控车床的重要部件，其布局形式对机床整体布局及工作性能影响很大。目前两坐标联动数控车床多采用12工位的回转刀架，也有采用6工位、8工位、10工位回转刀架的。

回转刀架在机床上的布局有两种形式：一种是用于加工盘类零件的回转刀架，其回转轴垂直于主轴；另一种是用于加工轴类和盘类零件的回转刀架其回转轴平行于主轴。

在企业机械加工车间里常见的是刀架回转轴平行于主轴。3.2数控车床的组成及分类2.数控车床的布局

（2）刀架的布局

床身上安装有两个独立的滑板和回转刀架的数控车床称为双刀架四坐标数控车床。每个刀架的切削进给是分别控制的，因此两刀架可以同时切削同一工件的不同部位，既扩大了加工范围，又提高了加工效率。

双刀架四坐标数控车床的结构复杂，且需要配置专门的数控系统实现对两个独立刀架的控制。该机床适合加工曲轴、飞机零件等形状复杂、批量较大的零件。

3.2数控车床的组成及分类3.数控车床坐标系

如图所示，普通卧式数控车床有X、Z两坐标轴：

平行于主轴轴线的坐标为Z坐标；

在水平面内与主轴轴线垂直的

方向为X坐标。

车削中心有X、Z直线坐标轴和C回转坐标轴，面对主轴顺时针方向为C轴的正方向。图3-10数控车床坐标系

3.2数控车床的组成及分类

二、数控车床的分类

（一）按机床主轴布局形式分类

1.卧式数控车床主轴轴线处于水平位置的数控车床。

(1)刀架前置的数控车床

图示为前置刀架的数控车床，属于经济型数控机床。

图3-3所示的蜗轮透盖零件形状简单，适合采用刀架前置的数控车床进行加工。

图3-11刀架前置的数控车床前置四方形刀架3.2数控车床的组成及分类（一）按机床主轴布局形式分类

1.卧式数控车床（2）后置刀架的数控车床

中高档的数控车床一般都采用后置刀架的布局结构，床身导轨为倾斜导轨或水平床身配上放置的滑板。

图3-1的轴零件、图3-2中的不锈钢套筒零件适合采用刀架后置的数控车床进行加工。图3-12刀架后置的数控车床后置回转刀架

3.2数控车床的组成及分类（一）按机床主轴布局形式分类

2.立式数控车床

主轴轴线处于垂直位置的数控车床。如图所示刀架沿垂直导轨的移动为Z轴进给，刀架沿水平导轨的移动为X轴进给.

图3-4中的齿轮毛坯零件属于直径尺寸较大的盘类零件，适合选用立式数控车床进行加工。

图3-13立式数控车床3

412

3.2数控车床的组成及分类

（二）按数控系统控制的轴数分类1.两轴控制的数控车床

主轴轴线处于水平位置的数控车床。机床上只有一个回转刀架，可实现X、Z两坐标轴控制。图3-10和图3-11所示是典型的两轴控制的数控车床。图3-10图3-113.2数控车床的组成及分类2.双刀架四轴控制的数控车床机床上有两个独立的回转刀架，可实现四轴控制。图示为双刀架卧式数控车床的刀架配置示意图，一个回转架为后置刀架，另一个回转刀架为前置刀架。

（a）

双刀架结构（b）双刀架相对主轴回转中心的布局图3-143.2数控车床的组成及分类

3.三轴控制的车削中心

车削中心是在数控车床的基础上发展起来的。主要特征：在数控车床的转塔刀架上增设了多种自驱动刀具，并可对主轴（C轴）进行伺服控制。其中自驱动刀具有钻削头、铣削头等。

图3-15车削中心

3.2数控车床的组成及分类

3.三轴控制的车削中心车削中心回转刀架上安装有平行于主轴轴线（Z轴）的自驱动刀具和垂直于主轴轴线（X轴）的自驱动刀具。

图3-5中的连接件，其外圆表面上有6个均布的径向孔；右端面上有均布的4段圆弧槽和4个与工件中心不同心的轴向孔，

该连接件适合采用车削中心加。图3-16车削中心回转刀架垂直于主轴轴线的自驱动刀具平行于主轴轴线的自驱动刀具

3.3卧式数控车床

一、MJ-50数控车床的用途、布局及技术参数

1.MJ-50数控车床的用途

MJ-50数控车床主要用来加工轴类零件的内外圆柱面、圆锥面、螺纹表面、成形回转体表面等。对于盘类零件可进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔等加工.

该机床还可以完成车端面、切槽、倒角等加工。

3.3卧式数控车床

一、MJ-50数控车床的用途、布局及技术参数

2.MJ-50数控车床的布局

图示的MJ-50数控车床为两轴联动的卧式车床。

图3-17

3.3卧式数控车床3.MJ-50数控车床的主要技术参数

（1）机床的主要参数允许最大工件回转直径500mm最大切削直径310mm最大切削长度650mm主轴转速范围35～3500r/min（连续无级）刀架有效行程X轴182mm；Z轴675mm快速移动速度X轴10m/min;Z轴15m/mim安装刀具数10把主轴调速电机功率11/15kW（连续/30min超载）进给交流伺服电机功率X轴0.9kW；Z轴1.8kW

3.3卧式数控车床

3.MJ-50数控车床的主要技术参数

（2）数控系统的主要技术规格参数

MJ-50数控车床的数控系统为FANUC-0TE系统。控制轴数X轴、Z轴，手动方式同时仅一轴最小设定单位X、Z轴0.001mm

最小移动单位X轴0.0005mmZ轴0.001mm

最大编程尺寸±99999.999mm

快速倍率LOW，25%，50%，100%

进给倍率从0～150%范围内以10%递增停顿G04（0～9999.999s）

3.3卧式数控车床

二、主传动系统及主轴箱结构

（一)主运动传动系统

如图所示主运动传动系统由功率为11kW的主轴调速电动机驱动，经一级1∶1的带传动带动主轴旋转，使主轴在35～3500r/mim的转速范围内实现无级调速。

脉冲编码器图3-18

3.3卧式数控车床

（一)主运动传动系统

主轴传递的mm功率或扭矩与转速之间的关系如图所示。

n=437～3500r／min，主轴传递电动机的全部功率11kWn=35～437r／mim,主轴的输出扭矩不变图3-19主轴的恒功率区域主轴的恒转矩区域

3.3卧式数控车床2.主轴箱结构（1）主轴箱结构MJ-50数控车床主轴箱结构如图所示图3-20

3.3卧式数控车床

2.主轴箱结构（2）液压卡盘结构

如a图所示，液压卡盘固定安装在主轴前端，b图所示为卡盘内楔形机构示意图。图3-21液压卡盘的结构

3.3卧式数控车床

三、进给传动系统及传动装置（一）

进给传动系统的特点

★数控车床的进给传动系统是控制X、Z坐标轴的伺服系统的主要组成部分，采用伺服电动机驱动，通过滚珠丝杠螺母带动刀架移动，刀架的快速移动和进给运动均为同一传动路线。★采用滚珠丝杠螺母传动副，可以有效地提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行。★消除丝杠螺母的配合间隙和丝杠两端的轴承间隙，也有利于提高传动精度。3.3卧式数控车床

（二）进给传动系统如图所示，MJ-50数控车床的进给传动系统分为X轴进给传动和Z轴进给传动。

液压马达驱动回转刀架转位换刀。Z轴进給滚珠丝杠副回转刀架X轴进給滚珠丝杠副图3-18机床传统系统图

3.3卧式数控车床

（三）

进给系统传动装置

1.

X轴进给传动装置

MJ-50数控车床X轴进给传动装置的结构如图所示。图3-22MJ-50数控车床X轴进给装置

（a）（b）

3.3卧式数控车床

2.

Z轴进给传动装置

如图所示，是MJ-50数控车床Z

轴进给传动装置的结构简图。（a）（b）图3-23

3.3卧式数控车床

四、自动回转刀架

1.自动回转刀架的换刀过程

数控车床的自动回转刀架转位换刀过程为:（1）刀盘松开

当接收到数控系统的换刀指令后，刀架主轴带动刀盘向左移动，使动、静鼠牙盘脱开，解除刀盘在机床工作时的定位加紧状态。（2）刀盘转位

按加工程序指定的换刀刀号，刀盘顺时针或逆时针旋转到指令要求的刀位。（3）刀盘夹紧

刀盘随刀架主轴向右移动，使动、静鼠牙盘啮合，刀盘恢复定位夹紧状态，并发出转位结束信号。3.3卧式数控车床

（二）自动回转刀架的结构图示为MJ-50数控车床回转刀架结构简图。机床在自动工作状态下换刀时，刀盘可正转也可反转

。

当手动操作机床时，从刀盘方向观察，只允许刀盘顺时针转动换刀。

图3-24

3.3卧式数控车床

（三）

平板共轭分度凸轮的工作原理

如图所示，平板共轭分度凸轮中的主动凸轮是由轮廓形状完全相同的两片凸轮1和1’构成，在圆周方向两片凸轮互相错开180°夹角，且固定联接在一起。从动转盘3的左、右两端面上，沿周向均布安装有6个滚子2和2’

图3-25平板共轭分度凸轮3.3卧式数控车床

（三）

平板共轭分度凸轮的工作原理如图所示，当主动凸轮旋转时，在180°范围内凸轮1与滚子2接触，推动转盘回转30°，刀盘则转过一个刀位；同理在下一个180°范围内凸轮1’与滚子2’接触，推动转盘回转30°，刀盘又转过一个刀位。

图3-25平板共轭分度凸轮

3.3卧式数控车床

五、机床尾座

★图示为尾座结构简图，尾座体的移动由滑板带动移动。★在调整机床时，可以手动控制尾座套筒移动，而尾座套筒可带动顶尖一起移动。

★尾座套筒移动的行程，靠调整套筒外部连接的行程杆10上面的移动挡块6来完成。

图3-26MJ-50数控车床尾座的结构3.4车削中心一、车削中心有别于数控车床的特点1.工艺范围较数控车床宽泛

图（a）为铣端面槽，随槽的形状和分布位置不同机床需要不同的运动.

图（b）为端面钻孔、攻螺纹，且孔的中心与主轴中心重合；图（c）为铣扁方，铣刀轴旋转，同时做

Z向进给或X向进给。图3-273.4车削中心

1.工艺范围较数控车床宽泛图（d）为端面分度钻孔、攻螺纹；

图（e）、（f）、（g）所示为径向或在斜面上钻孔、铣槽、攻螺纹等。图3-27

3.4车削中心

一、车削中心有别于数控车床的特点2.数控系统控制三个坐标轴联动

数控车床的数控系统可控制X、Z两个坐标轴，且为二坐标轴联动。

车削中心的数控系统可控制X、Z、C三个坐标轴，且为三坐标轴联动。C坐标轴的执行件是主轴，C轴可以实现分度或圆周进给。3.4车削中心3.被加工零件的几何特征和加工工艺较数控车床复杂

如图所示的连接套、活塞及医用器件则适于在车削中心上加工。

图3-28车削中心加工的典型零件

3.4车削中心

4.刀塔结构较数控车床增加了自驱动刀具

数控车床的回转刀架通常安装各种车刀、中心钻、麻花钻、铰刀和丝锥，但是加工孔时刀具是不旋转的，由主轴带动工件旋转，刀具只沿Z轴做进给运动。

在车削中心上加工图示的各零件，所使用的孔加工刀具都配有驱动装置，加工过程中刀具旋转，同时随刀架移动进给图3-28车削中心加工的典型零件

3.4车削中心二、车削中心的特征及C轴功能的实现车削中心的主要特征有两个：

一是在回转刀架上安装了自驱动刀具，即由伺服电动机经传动机构驱动刀具主轴旋转，且自动无级变速，自驱动刀具有钻削类和铣削类。二是增加了主轴的C轴坐标功能，即当使用自驱动刀具切削时，主轴的伺服系统可控制主轴带动工件做分度运动或圆周进给运动。3.4车削中心

二、车削中心的特征及C轴功能的实现

车削中心的主传动系统包括了主轴的旋转运动和C轴的传动控制。C轴可完成分度运动或圆周进给运动，且在数控装置伺服系统的控制下，可以实现C轴和X轴的联动、C轴和Z轴的联动及X、Z、C三轴联动。C轴功能如下图所示。驱动刀轴的伺服电动机与驱动主轴旋转的主轴电动机是互锁的。

图3-29

3.4车削中心

三、自驱动刀具的传动结构及特点

★自驱动刀具是指那些具备独立