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1、第2章 数控机床典型机械结构,2. 1 机械结构的基本要求与主要特点 2 .2 数控机床的主轴组件及传动装置 2 .3 进给系统的机械传动机构 2. 4 自动换刀装置 2. 5 回车工作台,2. 1 机械结构的基本要求与主要特点,2.1.1数控机床机械结构的基本要求 1.提高机床的结构刚度 由机床床身、底座、立柱等支撑件变形所产生的定位和加工误差的大小取决于它们的结构刚度，而这些误差在加工过程中不能进行人为的调整与补偿。因此必须把移动部件的质量和切削力引起的弹性变形控制在最小限度之内，以保证所要求的加工精度与表面质量。为此，必须采取措施，提高数控机床的结构刚度。,下一页,返回,2. 1 机械结
2、构的基本要求与主要特点,1)合理选择支撑件的结构形式 合理地布置支撑件的隔板和肋条，可提高构件的刚度;隔板、肋条可横向、纵向或对角布置，有利于提高构件的抗弯、抗扭惯性矩;对卧式机床的床身布置隔板和肋条，要考虑方便排屑。 机床导轨与支撑件的联结部分，往往是局部刚度最弱的地方，如果导轨尺寸较窄，可用单壁或加厚单壁联结，或者在单壁上增加垂直筋条以提高局部刚度(见图2-1(a)、图2-1(b) 、图2-1(c)如果导轨尺寸较宽，就应用双壁联结(见图2-1(d)、图2-1(e) 、图2-1(f) )。,上一页,下一页,返回,2. 1 机械结构的基本要求与主要特点,2)合理的结构布局 床身、立柱上的较重移
3、动部件应尽可能置于构件的中间，可减少自重和切削力引起的变形。以卧式锁床或卧式加工中心为例，如果主轴箱单面悬挂立柱侧面(见图2-2(a)、图2 -2 (b)、图2 -2 (c)，主轴箱自重使立柱产生弯曲变形;切削力将使立柱产生弯曲和扭转变形。主轴箱置于立柱对称平面内见图2 -2 (d) ，主轴箱的自重基本上不引起立柱变形，切削力引起的变形也将显著减小。 图2 -3所示为正置床身和斜置床身的受力比较，当两种床身截面积和惯性矩相同时，斜置床身所受扭矩仅为正置床身的1/3。此外，斜置床身还可以设计成封闭式截面，从而大大提高床身的刚度。,上一页,下一页,返回,2. 1 机械结构的基本要求与主要特点,3)
4、采取补偿变形的措施 如果能够测出着力点相对变形的大小和方向，或者预知构件的变形规律，就可采取相应的措施来补偿变形以消除受力变形的影响，其结果相当于提高了机床的刚度。对于图2 -4所示的大型龙门铣床，当主轴部件移到横梁中剖时，在自重的作用下，横梁向下的弯曲变形最大。,上一页,下一页,返回,2. 1 机械结构的基本要求与主要特点,4)合理选用构件的材料 床身、立柱等支撑件采用钢板或型钢焊接而成，具有减轻重量提高刚度的显著特点。钢的弹性模量约是铸铁的两倍，在形状与轮廓尺寸相同的前提下，如果焊接件与铸件的刚度相同，则焊接件的壁厚只需铸件的一半;如果要求局部刚度相同，因局部刚度与壁厚的三次方成正比，焊接
5、件的壁厚也只需铸件壁厚的80%左右。 2.减少机床的热变形 减少数控机床的热变形，通常采取如下措施: 1)少机内发热,上一页,下一页,返回,2. 1 机械结构的基本要求与主要特点,2)改善散热和隔热条件 3)合理设计机尿的结构与布局 对于数控车床的主轴箱，可以通过试验确定主轴的热变形方向，尽可能使刀具安装(切入)方向与主轴热变形方向垂直(见图2-5)，以减少热变形对工件加工直径的影响。 4)进行热变形补偿 根据热变形的规律，建立热变形的数学模型，或测定其变形的具体数值，存人数控系统用以进行实时补偿校正，如传动丝杠的热伸长误差，导轨平行度或平直度的热变形误差等都可采用软件实时补偿来消除其影响。,
6、上一页,下一页,返回,2. 1 机械结构的基本要求与主要特点,3.减少运动副的摩擦，提高传动精度 数控机床的运动精度和定位精度不仅受机床零部件的加工精度、装配精度、刚度及热变形的影响，而且与运动件的摩擦特性有关。 在进给系统中，数控机床几乎无例外地都采用滚珠丝杠代替滑动丝杠，一也可显著地减少运动副的摩擦。采用无间隙滚珠丝杠传动和无间隙齿轮传动，可提高数控机床的传动精度。 4.提高机床寿命和精度的保持性 数控机床设备昂贵，为了加快数控机床投资的回收，必须使数控机床保持很高的开动率，因此必须提高数控机床的寿命和精度。,上一页,下一页,返回,2. 1 机械结构的基本要求与主要特点,在设计与制造时就必
7、须充分考虑数控机床零部件的耐磨性，尤其是机床的导轨、进给传动丝杠以及主轴部件等影响精度的主要零件的耐磨性。此外，保证数控机床各运动部件间的良好润滑也是提高寿命的重要措施。 5.自动化的机构、人性化的操作 为了提高数控机床的生产率必须最大限度地压缩辅助时间。许多数控机床采用了多主轴、多刀架以及带刀库的自动换刀装置等，来减少换刀时间。对于多工序的自动换刀数控机床，除了减少换刀时间之外，还大幅度地压缩多次装卸工件的时间。几乎所有的数控机床都具备快速运动的机能，使空行程时间缩短。,上一页,下一页,返回,2. 1 机械结构的基本要求与主要特点,6.安全防护和人性化的造型 数控机床切削速度高，一般都有大流
8、量与高压力的冷却液用于冷却和冲屑，机床的运动部件也采用自动润滑装置，为了防止切屑与冷却液飞溅，将机床设计成全封闭结构，只在工作区留有可以自动开闭的安全门窗，用于观察和装卸工件。 数控机床是一种机电一体化的自动化加工设备，其造型要体现机电一体化的特点，内部布局要合理、紧凑、便于维修，外观造型要美观宜人。,上一页,下一页,返回,2. 1 机械结构的基本要求与主要特点,2.1.2数控机床的机械结构特点 数控机床的主要结构特点 1.高刚度 数控机床要在高速和重负荷条件下工作，因此机床床身、立柱、主轴、工作台、刀架等主要部件，均需要具有很高的刚度，工作中应无变形或振动。 2.高灵敏度 数控机床通过数字信
9、息来控制刀具与工件的相对运动，它在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因而运动部件应具有较高的灵敏度。,上一页,下一页,返回,2. 1 机械结构的基本要求与主要特点,3.高抗振性 数控机床的一些运动部件，除应具有高刚度、高灵敏度外，还应具有高抗振性，即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高的表面质量。特别要注意避免切削时的谐振，因此对数控机床的动态特性提出更高的要求。 4.热变形小 机床的主轴、工作台、刀架等运动部件，在运动中常易产生热量，而工艺过程的自动化和精密加工的发展，对机床的加工精度和精度稳定性提出了越来越高的要求。为保证部件的运动精度，要求各运动部件的发热量最少
10、，以防产生热变形。为此，机床结构根据热对称的原则设计，并改善主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动导轨副的摩擦特性。,上一页,下一页,返回,2. 1 机械结构的基本要求与主要特点,5.高精度保持性 为了加快数控机床投资的回收，务必经常使机床保持很高的开动比(比普通机床高两三倍)，因此必须提高机床的寿命和精度保持性。 6.高可靠性 数控机床在自动或半自动条件下工作，尤其在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，这就要求机床具有高可靠性。 7.刀具先进 一般的数控机床，其主轴转速要比普通机床主轴转速高一两倍，某些特殊用途的数控机床，其主轴转速高达每分镗数万转。因此，数控机床使用的刀具较普
11、通机床用的刀具要严格得多。刀具应有高强度和高耐用度，其结构一也要合理。,上一页,返回,2. 2 数控机麻的主轴组件及传动装置,2. 2. 1数控机床对主传动系统的要求 数控机床主轴系统是数控机床的主运动传动系统。数控机床主轴运动是机床成形运动之一，它的精度决定了零件的加工精度。数控机床是具有高效率的机床，因此它的主轴系统必须满足如下要求: 1.具有更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，噪声低 3.良好的抗振性和热稳定性,下一页,返回,2. 2 数控机麻的主轴组件及传动装置,2. 2. 2主轴变速方式 1.无级变速 数控机床一般采用直流或交流主轴伺服电动机实现主轴无级
12、变速。 某数控机床的主轴功率转矩特性如图2-6所示。当机床处在连续运转状态下，主轴的转速在4373 500 r/min范围内，主轴传递电动机的全部功率11 kW，为主轴的恒功率区域且(实线)。在这个区域内，主轴的最大输出扭矩(245 Nm)随着主轴转速的增高而变小。主轴转速在35437 r/min范围内，主轴的输出转矩不变，称为主轴的恒转矩区域I(实线)。,上一页,下一页,返回,2. 2 数控机麻的主轴组件及传动装置,在这个区域内，主轴所能传递的功率随着主轴转速的降低而减小。图中虚线所示为电动机超载(允许超载30 min)时，恒功率区域和恒转矩区域。电动机的超载功率为15 kW,超载的最大输出
13、转矩为334 Nm。 2.分段无级变速 为了确保数控机床主轴低速时有较大的转矩和主轴有尽可能大的变速范围，有的数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。 1)带有变速齿轮的主传动图2-7(a) 2)通过带传动的主传动图2- (b) 3)用两个电动机分别驱动主轴图2-7(c),上一页,下一页,返回,2. 2 数控机麻的主轴组件及传动装置,3.内装电动机主轴变速 这种主传动是电动机直接带动主轴旋转，如图2 -7 (d)所示，因而大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴组件的刚度。但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大。 2. 2. 3数控机床主
14、轴部件 主轴部件是数控机床的一个关键部位，它包括主轴的支撑、安装在主轴上的传动零件等。数控机床主轴部件的精度、刚度和热变形对加工质量有直接的影响。,上一页,下一页,返回,2. 2 数控机麻的主轴组件及传动装置,1.主轴的端部结构 主轴端部用于安装刀具或者夹持工件的夹具，在结构上，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。主轴端部的结构形状都已标准化，图2-8所示为几种机床上通用的结构形式。 图2-8 (a)所示为车床主轴端部，卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端面定位，用拨销传递扭矩，卡盘装有固定螺栓。卡盘装于主轴端部时，螺栓从凸缘上的孔中穿过，转动快卸卡板将数个螺栓同时卡住
15、，再拧紧螺母将卡盘固定在主轴端部。主轴为空心，前端有莫氏锥度孔，用于安装顶尖或者心轴。,上一页,下一页,返回,2. 2 数控机麻的主轴组件及传动装置,图2-8(b)所示为铣、锁床的主轴端部，铣刀或刀杆在前端7: 24的锥孔内定位，并用拉杆从主轴后端拉紧，而且由前端的端面键传递扭矩。 图2-8 (c)所示为外圆磨床砂轮主轴的端部，图2 -8(d)所示为内圆磨床砂轮主轴端部，图2-8 (e)所示为钻床与普通锁床锤杆端部，刀杆或刀具由奠氏锥孔定位，用锥孔后端第一扁孔传递扭矩，第二个扁孔用以拆卸刀具。但在数控锁床上使用图2-8 (f) 的形式，因为7: 24的锥孔没有自锁功能，便于自动换刀时拔出刀具。
16、,上一页,下一页,返回,2. 2 数控机麻的主轴组件及传动装置,2.主轴的支撑部件 数控车床主轴的支撑配置形式主要有三种: (1)前支撑采用双列圆柱滚子轴承和60角接触双列球轴承组合，后支撑采用成对安装的角接触球轴承。这种配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高，普遍应用于各类数控机床主轴。 (2)前轴承采用高精度双列(或三列)角接触球轴承，后支撑采用单列(或双列)角接触球轴承。这种配置适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。 (3)前后轴承采用双列和单列圆锥滚子轴承，适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。,上一页,下一页,返回,2. 2 数控机麻的主轴组件及传动装置,图2-9(a)所示为锥孔双列圆柱滚子轴承，图2-9(b)所示为双列推力向心球轴承，图2-9(c)所示，为双列圆锥滚子轴承，图2 -9 ( d)所示为带凸肩的双列圆柱滚子轴承，图2-9(e)所示为带预紧弹簧的单列圆锥滚子轴承。 3.主轴辅助装置 1)卡盘 数控车床工件夹紧装置可采用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧夹头(用于棒利加工)。为减少数控车床装夹工件
