数控机床的机械结构(PPT 47页).pptx

1、第五章数控机床的机械结构，大型基础主传动系统中刀具系统的辅助结构，5.1数控机床结构的基本要求，5.2主传动系统，5.3进给传动系统，5.4换刀装置，5.1数控机床结构的基本要求，动静态刚度高，热变形小，传动灵敏，人性化，1 .数控机床应具有较高的静刚度和动刚度静刚度：根据机床不同的载荷特性，机床在静力(重力、机构间相互作用力等)作用下的刚度。)称为机床的静态刚度；动态刚度：由动态力(切削力)表示的刚度称为动态刚度。影响机床刚度的主要因素是各部件和零件的刚度以及它们之间的接触刚度。提高静动刚度的措施为了提高机床大型零件的刚度，采用了封闭接口的床身和重锤或液压平衡，以减少运动零件位置变化引起的机

2、床变形。为了提高数控机床主轴的刚度，不仅经常采用三支撑结构，而且采用刚度好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承来减小主轴的径向和轴向变形。在数控车床上，尽量缩短主轴端部的外伸长度以减小弯矩。为了提高机床各部分的接触刚度，增加机床的承载能力，采用刮磨法增加单位面积的接触点，并在结合面之间施加足够大的预紧力，以增加接触面积。这些措施能有效提高接触刚度。提高动态刚度的方法包括提高系统刚度、增加阻尼和调整部件的固有频率。实验表明，增加阻尼系数是提高抗振性的有效方法。钢板焊接结构不仅可以增加静刚度，减轻结构重量，还可以增加构件本身的阻尼。因此，近年来，钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台在数控机床

3、中得到了应用。砂封铸件也有利于减振和提高抗振性。阻尼材料，如泥芯和混凝土，被填充在一个大块的内腔中，由于振动过程中的大摩擦而耗散振动能量。也可以采用阻尼层法，即在大块的表面喷涂一层高阻尼、高弹性的粘性弹性材料，涂层越厚，阻尼越大。QC11NJDK数控液压制动剪切机，机架采用钢板焊接结构，通过振动消除内应力，具有足够的强度和刚度。这是加工大型零件的超重型设备。结构特点：工作台由高精度双列短滚柱轴承径向居中；每腔轴向使用一个泵恒流静压导轨。主传动箱由两级机械变速和垂直DC电机驱动。横梁上装有卸载梁；用静压卸载螺杆提升。刀架的运动采用双齿轮传动消除间隙；推杆的运动由滚珠丝杠驱动。机床的横梁、床身、立

4、柱为焊接件，并采取减震措施。CK53系列数控单列移动立式车床及车、铣、镗立式车床，人造大理石床身(混凝土聚合物)，图53德国DEN480L数控车床底座和床身示意图，2。数控机床应具有较小的热变形，图5-1进给速度为10米/分钟，在多次往复运动过程中滚柱丝杠受热，温度分布图显示25至40。1.减少热量产生2。控制温升：强制冷却机床3的热源。采用热对称结构4改进机床机构3360。丝杠预紧5。补偿热位移和控制热变形措施3。传动灵敏度：数控机床运动部件之间的摩擦应小，传动系统的间隙应消除，以实现低速不爬行。数控机床的结构应2.主传动系统组成：主轴电机、传动系统和主轴部件；5.2主驱动系统；3.对主驱动

5、系统的要求；1.足够的速度范围；2.足够的功率和扭矩；3.所有零件应具有足够的精度、强度、刚度和抗振性；4.噪音低，运行稳定；4.主轴的驱动方式；1.变速齿轮传动。这是一台大中型数控机床，滑动齿轮的换挡大多是通过液压拨叉或液压缸直接驱动齿轮来实现的。同步齿形带传动主要用于高速、小速度范围的机床。它适用于具有高速和低扭矩特性的主轴。用两个电机驱动主轴这是上述两种模式的混合传动，具有上述两种性能(见图5-2c)。在高速时，它由电机通过皮带驱动；低速时，另一台电机通过齿轮传动，齿轮起到减速和扩大速度范围的作用，从而扩大了恒功率区，扩大了速度范围，避免了低速时转矩不足和电机功率利用不足的问题。但是两台

6、电机不能同时工作，这也是一种浪费。主轴电机用于直接驱动(集成主轴、电主轴)，主轴和电机转子合二为一，使得主轴部件结构更加紧凑、重量轻、惯性小，有效提高了主轴部件的刚度，改善了主轴启停的响应特性。目前，这种方法主要用于高速加工机床的主轴。这种类型的主轴也称为电主轴。图5-7内置电机主轴、车床主轴、铣床主轴、五轴调速法、数控机床常用的机电结合法，即电机和机械齿轮同时变速。其中齿轮减速以增加输出扭矩，并且换档用于扩大速度调节范围。电机调速主轴驱动有两种主要的调速电机：DC电机和交流电机。(1) DC电机主轴调速；(2)交流电机主轴调速；(2)机械齿轮变速数控机床通常采用1- 4档和无级调速相结合的方

7、式，称为分段无级调速。输出扭矩通过机械齿轮减速增加，速度范围通过换档扩大。自动换挡执行机构是一种电机转换装置，常用于液压拨叉和电磁离合器。图23三位液压换档拨叉1示意图。液压缸2。活塞杆3。换档拨叉4。套筒6。主轴部件是机床的关键部件，包括主轴支架和安装在主轴上的传动部件。对于数控机床，特别是自动换刀数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸和夹紧，还必须有刀具自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔清洗装置。主轴端的结构和形状主轴端用于安装工具或夹具来夹持工件。就设计要求而言，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便并能传递足够的扭矩。主轴端的结构和形状已经标准化。(a)车床主轴的末端；铣镗床

8、主轴端；外圆磨床砂轮主轴端部；内圆磨床砂轮主轴端部；(e)安装在钻床主轴上的普通镗杆的端部；在组合机床主轴的端部支撑主轴部件。机床主轴在带有刀具或夹具的支架内旋转，刀具或夹具应能传递切削扭矩以承受切削阻力并确保必要的旋转精度。滚动轴承通常用作机床主轴的支撑，而动压或静压滑动轴承用作对精度要求高的主轴的支撑。以下重点介绍主轴部件中使用的滚动轴承。主轴滚动轴承的布置前支架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，后支架采用成对向心推力球轴承。它能使主轴获得较大的径向和轴向刚度，并能满足机床强切削的要求。它广泛应用于真空吸尘器的主轴圆柱滚子轴承也可用于这种结构的后支撑，以进一步提高后支撑

9、的径向刚度。图5-14数控机床主轴轴承配置形式如图5-14b所示，前支架采用多个高精度向心推力球轴承，后支架采用球轴承，不如图5-14a所示的主轴刚性，但这种配置提高了主轴速度，适用于主轴需要高速工作的数控机床。目前，这种结构广泛应用于立式和卧式加工中心机床，满足了此类机床大速度范围和高最大速度的要求。为了提高以这种形式配置的主轴的刚度，前轴承可以与四个或更多个轴承组装，后轴承可以与两个轴承组装。如图5-14c所示，双列圆锥滚子轴承用于前支架，单列圆锥滚子轴承用于后支架。它能使主轴承受重载荷(特别是强动载荷)，具有较高的径向和轴向刚度，安装和调整良好。然而，这种配置相对限制了主轴的最大速度和精

10、度，适用于中等精度、低速和重载的数控机床主轴。主轴材料和热处理。主轴材料可根据强度、刚度、耐磨性、负载特性和热处理变形等因素进行选择。主轴的刚度与材料的弹性模量e有关。普通钢和合金钢的e值基本相同。因此，对于机床的一般要求，主轴可用廉价的中碳钢和45钢制成，调质处理后的硬度为2228HRC；当载荷较大或有较大冲击时，或当精密机床的主轴是为了减少热处理后的变形，或主轴需要轴向移动是为了减少其磨损时，可以使用合金钢。常用的合金钢有：40Cr用于硬化，硬度高达4050HRC，或20Cr用于渗碳和硬化，硬度高达5662HRC。一些高精度机床的主轴材料用38CrMoAl氮化，硬度达到8501000HV。

11、图5-19加工中心主轴组件，图5-18数控车床主轴组件，7。主轴停止功能也称为主轴指定位置停止，用于使主轴每次都精确地停止在一个固定的圆周位置上，以保证主轴上的端面键在自动换刀时能与手柄上的键槽对齐，同时在装刀时使手柄相互对齐。另外，一些特殊的工艺要求，如通过前壁上的小孔在内壁上钻同轴的大孔，或进行反向倒角，也要求主轴实现准停，这样刀尖就可以停在一个固定的位置，这样主轴偏移一定的尺寸后，大刀片就可以通过前壁上的小孔进入箱体内钻大孔。图5-28主轴准停换刀示意图和图5-29主轴准停镗背孔示意图。主轴准停可分为机械准停和电气准停，它们的控制过程是相同的。目前，国内外中高档数控系统都采用电气准停控制，具有以下优点：(1)简化机械结构；(2)缩短准停时间；(3)提高可靠性；(4)提高性能价格比。图511典型V型槽轮定位板机械准停原理示意图。目前，电气准停有三种方