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1、第七章 数控机床的机械结构 一、数控机床及其加工过程的特点 1、自动化程度高 2、高的加工精度及效率 3、多工序多功能集成 4、高的可靠性和精度保持性 数控机床的机械结构包括： 机床的床身、立柱、导轨、主轴部件、进 给系统、工 作台、刀架和刀库、自动换刀 装置及其他辅助装置。 第一节数控机床对结构的要求 与普通机床相比，数控机床在结构上进行了改进，主要表 现在以下几个方面： (1)主传动装置多采用无级变速或分段无级变速方式，可利 用程序控制主轴的变向和变速，主传动具有较宽的调速范 围，数控机床的机械传动结构大为简化，传动链也大大缩 短。有些数控机床的主传动系统已开始采用结构紧凑及性 能优异的电
2、主轴。 (2)为减小摩擦、消除传动间隙，更多地采用了高效传动部 件，进给传动装置中广泛采用无间隙滚珠丝杠传动和无间 隙齿轮传动，利用贴塑导轨或静压导轨来减少运动副的摩 擦力，提高传动精度。有些数控机床的进给部件直接使用 直线电机驱动，从而实现了高速、高灵敏度伺服驱动。 (3)为适应连续的自动化加工和提高加工生产率，数控机 床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及 较高的耐磨性，而且热变形小；床身、立柱、横梁等主 要支承件采用合理的截面形状，且采取一些补偿变形的 措施，使其具有较高的结构刚度。 (4)为了减少辅助时间、改善操作性、提高生产率，加工 中心刀库采用了刀具自动夹紧装置与自动换刀
3、装置及自 动排屑装置等辅助装置，可进行多工序、多面加工，大 大提高了生产率。 二、数控机床对结构的要求 1. 应具有更高的静、动刚度及抗震性能 与普通机床相比，其静刚度、动刚度应提高50%以 上 ，应注意合理选择构件的结构形式。 (1) 提高静刚度的措施 u 基础大件采用封闭整体箱形结构 u 合理布置加强筋 u 提高部件之间的接触刚度。 第一节 数控机床对结构的要求 第一节 第一节 概 述 (2)提高动刚度的措施 u改善机床的阻尼特性（如填充阻尼材料） u床身表面喷涂阻尼涂层 u充分利用结合面的摩擦阻尼 u采用新材料，提高抗震性 2.数控机床应有更小的热变形 数控机床加工中的切削热、摩擦等均会
4、引起温升及 变形而影响加工精度。为确保加工精度，在数控机床 结构布局设计中可考虑尽量采用对称结构（如对称立 柱等），进行强制冷却（如采用空冷机），使排屑通 道对称布置等措施。 对于数控车床的主轴箱，应尽量使主轴的热变形 发生在刀具切入的垂直方向上。在结构上还应尽可能 减小主轴中心与主轴向地面的距离。 某些机床用预拉的方法减少丝杠的热变形。 3. 数控机床各坐标轴进给运动的精度及其灵敏性亦极 大地影响到零件加工精度，要提高数控机床的运动精 度可采取降低执行件的质量，减小静、动摩擦系数之 差，清除传动件间间隙，提高传动刚度等措施。数控 机床运动件之间的摩擦要小，要消除传动系统的间隙 ，达到低速时无
5、爬行，高速时快速响应。 改善摩擦特性，使导轨静摩擦尽量接近动摩擦。 采用低摩擦副材料：塑料铸铁 高性能润滑油：增大油膜强度 4. 数控机床应有更好的宜人性 从使用数控机床的操作 使用角度出发，机床结 构布局应有良好的人机 关系（如面板、操作台 位置布置等）和较高的 环保标准。 第二节 数控机床的布局特点 数控机床的总体结构布局应既满足从机床性能、加 工适应范围等内部因素考虑确定各构件间位置, 同时 亦满足从外观、操作、管理到人机关系等外部因素考 虑安排机床总布局。 数控机床不同的布局形式给机床工作带来了不同的 影响，从而形成不同的特点，其影响主要表现在如下 几个方面： 1、不同布局适应不同的工
6、件形状、尺寸及重量 2、不同布局有不同的运动分配及工艺范围 3、不同布局有不同的机床结构性能 4、不同布局影响机床操作方便程度 一、数控车床的布局结构特点 不同的机床布局使机床操作中工作（如工件、刀具装 卸、切屑清理、加工观察等）方便程度不同。图为数控 车床的几种不同布局方案，其中立床身排屑最方便， 切屑直接落入自动排屑的运输装置；斜床身排屑亦较方 便；横床身加工观察与排屑均不易。 第二节 数控机床的布局特点 车床导轨采用宽支撑V平导轨，丝杠在两导轨之间 垂直床身 二、数控铣床及加工中心布局结构特点 1、不同布局适应于不同工件形状、尺寸及重量 图为数控铣床四种布局方案，适应的工件重量、尺寸却不
7、 同。(a)适应较轻工件，（b)适应较大尺寸工件，（c)适应 较重工件， (d)适应更重更大工件。 2、不同布局有不同的运动分配及工艺范围 图为数控镗铣床的三种布局方案(a)主轴立式布置， 上下 运动，对工件顶面进行加工；(b)主轴卧式布置，加上分 度工作台的配合，可加工工件多个侧面;(c)在(b)基础上再 増加一个数控转台， 可完成工件上更多 内容的加工。 3、不同布局有不同的机床结构性能 图中数控卧式镗铣床，(a)(b)为T形床身布局，工作台支承 于床身，刚度好，工作台承载能力强; (c)(d)工作台为十字 形布局，其中(c)主轴箱悬挂于单立柱一侧，使柱受偏载， (d)主轴箱装在框式立柱中
8、间，对称布局，受力后变形小 ，有利于提高加工精度。 固定立柱立式加工中心 与卧式加工中心 相比结构简单、 占地面积小。 滑枕立式加工中心 O型整体床身 立式加工中心 移动立柱卧式 加工中心 4、五面加工中心 具有立式加工中心和卧式加工中心的功能，工件一次安 装后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工 ，也称为万能加工中心或复合加工中心。 它有两种形式：一种是其主轴可以旋转90，可以进行 立式和卧式加工;另一种是其主轴不改变方向，而由工作 台带着工件旋转90，完成对工件五个表面的加工。 优点：可以最大限度地减少工件的装夹次数，减小工件的 形位误差，从而提高生产效率，降低加工成本。 缺点：
9、结构复杂、造价高、占地面积大，所以它的使用远 不如其他类型的加工中心。 第三节 数控机床的主运动部件 1、传动系统作用 产生主切削力 2、对主传动系统的要求 足够的转速范围 足够的功率和扭矩 各零部件应具有足够的精度、强度、刚度和抗振性 噪声低、运行平稳 一、主运动的变速形式 1.采用变速齿轮传动 采用少数几对齿轮降速， 用液压拨叉或电磁离合器 自动变速，电机主轴仍为 无级变速，实现分段无级 变速。 该方式扭矩大，噪声大， 一般用于大中型数控机床。 第三节 数控机床的主运动部件 主轴电动机 2.采用同步齿形带传动 采用直流或交流主轴伺服电机，由同步齿形带传动至主 轴，该方式主轴箱及主轴结构简单
10、，主轴部件刚性好；传 动效率高、平稳、噪声小；不需润滑; 但由于输出扭矩小 ， 低速性能不太好，在中档机床中应用较多。 第二节 数控机床的主运动系统 3.采用主轴电机直接驱动（一体化主轴，电主轴） 由主轴电机直接驱动，电机、主轴合二为一， 主轴为 电机的转子。一般应用于高速机床。 目前最高可达200000 r/min。其缺点是电机运转产生 的振动和热量将直接影响到主轴，因此，主轴组件的 整机平衡、温度控制和冷却是内装式电机主轴的关 键问题。 第二节 数控机床的主运动系统 二、主轴部件 功用：夹持工件或刀具实现切削运动；传递运动及切 削加工所需要的动力。 组成：主轴、支承、传动零件、夹持刀具或工
11、件的附 件及辅助零部件。 1.主轴端部的结构形式 端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，因此，要保 证刀具或夹具定位（轴向、定心）准确，装夹可靠、 牢固，而且装卸方便。 目前，主轴的端部形状已标准化。 2.主轴的支承 目前数控机床主轴轴承配置有三种主要形式。 （1）前支承采用双列短圆柱滚子轴承和 60度角接触 双列向心推力球轴承，后支承采用成对向心推力球轴 承。此种结构普遍应用于各种数控机床，其综合刚度 高，可以满足强力切削要求。 第二节 数控机床的主运动系统 （2）前支承采用多个高精度向心推力球轴承，这种 配置具有良好的高速性能，但它的承载能力较小，适 用于高速轻载和精密 数控机床。 （3）前支
12、承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆 锥滚子轴承，其经向和轴向刚度很高，能承受重载荷. 但这种结构限制了主轴最高转速，因此适用于中等精 度低速重载数控机床。 第二节 数控机床的主运动系统 3.主轴准停装置 主轴准停也叫主轴定向。在加工中心等数控机床上 , 由于有机械手自动换刀，要求刀柄上的键槽对准主轴 的端面键上，因此主轴每次必须停在一个固定准确的 位置上，以利于机械手换刀。 4. 其他机构 数控车床能够加工各种螺纹，这就需要安装与主轴 同步运转的脉冲编码器，以便发出检测脉冲信号使主 轴的旋转与进给运动相协调。 第二节 数控机床的主运动系统 第二节 数控机床的主运动系统 一、对进给传动系统的
13、要求 高的传动精度与定位精度 宽的进给调速范围 响应速度要快 无间隙传动 稳定性好、寿命长 使用维护方便 二、进给传动系统的基本形式 数控机床的进给运动可以分为直线运动和圆周运动 两大类。 第四节 数控机床的进给传动系统 实现直线进给运动的主要有： （1）通过丝杠（通常为滚珠丝杠或静压丝杠）螺母 副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。 （2）通过齿轮、齿条副，将伺服电动机的旋转运动 变成直线运动。 （3）直接采用直线电动机进行驱动。 实现圆周运动的一般采用蜗轮蜗杆副。 第四节 数控机床的进给传动系统 第四节 数控机床的进给传动系统 (一) 减速机构 1.齿轮传动装置 步进电机驱动的 开环系统
14、传动比： 步距角，脉冲当量，P滚珠丝杠的导程 上式计算出从电机到丝杠之间的总传动比，现在要 解决两个问题： 如果多级传动，需要几级传动？ 每一级传动比如何确定？ 传动级数确定： 根据数学归纳，得出最佳传动级数为 n3lgi总 传动比分配： 按最小惯量的要求选择降速比。 第三节 数控机床的进给传动系统 i1 i2 A B C D 电动机 两对齿轮折算到电机轴上的总惯量为： 令 ，得到最小惯量的条件 从而 对于三级传动，各级传动比为 第三节 数控机床的进给传动系统 (二)滚珠丝杠副机构 1.滚珠丝杠副的特点 摩擦系数小，传动效率高，是常规丝杠的34倍； 灵敏度高，传动平稳，不易产生爬行，随动精度和
15、 定位精度高； 磨损小，寿命长，精度保持性好； 可通过预紧和间隙消除 措施提高轴间刚度和反 向精度； 运动具有可逆性； 不能自锁。 第三节 数控机床的进给传动系统 滚珠丝杠螺母副 第三节 数控机床的进给传动系统 2.滚珠丝杠副的主要尺寸参数 (1)公称直径d0。指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状 态时包络滚珠中心的圆柱直径。系列尺寸：6，8，10 ，12，16，20，25，32，40，50，63，80，100, 125, 160，200。 (2)基本导程P0 。丝杠相对于螺母转过一周时螺母基 准点的轴向位移。系列尺寸：1，2.5, 3, 4, 5, 6， 8，10，12，16，20，25，32，4
16、0。 (3)导程P 。丝杠相对于螺母转过某一任意角度时螺 母基准点的轴向位移。 (4)滚珠直径db。一般取db0.6P0。 第三节 数控机床的进给传动系统 3.滚珠丝杠螺母副的结构 滚珠的循环方式有外循环和内循环两种。滚珠在返 回过程中与丝杠脱离接触的为外循环，滚珠循环过程 中与丝杠始终接触的为内循环。 循环中的滚珠叫工作滚珠，工作滚珠所走过的滚道叫 工作圈数。 第三节 数控机床的进给传动系统 内循环滚珠丝杠外循环滚珠丝杠 第三节 数控机床的进给传动系统 4.滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整 滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙，消除间隙的方法 常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移。 常用的双螺母丝杠消除间隙的方法有： 1）垫片调隙式 调整垫片的厚度使螺 母产生轴向位移，以达 到消除间隙和产生预拉 紧力的目的。 特点是构造简单、可靠性好、 刚度高以及装卸方便。但调 整费时，并且在工作中不能 随意调整。 第三节 数控机床的进给传动系统 2）螺母调隙式 一个螺
