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1、2018/8/25,1,第六章 数控机床的机械结构,机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置的各种运动和动作指令，都必须由机床本体转换成真实的、准确的机械运动和动作，才能实现数控机床的功能，并保证数控系统性能的要求。 数控机床的本体由下列各部分组成： 1.机床基础件，床身，底座，立柱，滑座，工作台等。支承作用。 2.主传动系统，实现主运动。 3.进给系统，实现进给运动。 4.实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，液压，气动，润滑，冷却，防护，排屑。 5.实现工件回转、分度定位的装置和附件，回转工作台。 6.刀库、刀架和自动换刀装置（ATC） 7.托盘交换装置(APC) 8.特殊功能装置，如
2、刀具破损监测、精度检测和监控装置等。其中，1 4为基本件，5 8为可选件。,2018/8/25,2,6-1 数控机床的结构要求,主要结构特性：静刚度、抗振性、热稳定性、低速运动的平稳性、运动时的摩擦特性、几何精度、传动精度。 一、提高机床结构的静刚度 静刚度：在切削力和其他力的作用下，机床抵抗变形的能力。 合理设计基础件的界面形状和尺寸，采用合理的筋板结构 图5-1 图5-2 图5-3 图5-4 采用合理的结构布局，改善受力状态，提高机床的静刚度图5-5 图5-6 补偿有关零、部件的静力变形 图5-7 提高机床部件的接触刚度 采用钢板焊接结构,2018/8/25,3,二、提高机床结构的抗振性
3、基础件内腔充填泥芯、混凝土等阻尼材料。图5-9 表面采用阻尼涂层 采用新材料制造基础件 充分利用结合面间的阻尼 三、减少机床的热变形 改进机床布局和结构设计 采用热对称结构 图5-9 采用预拉伸的滚珠丝杠结构 在机床布局时，尽量减少内部热源 图5-10 控制温升 热变形补偿 图5-11,6-1 数控机床的结构要求,2018/8/25,4,四、改善运动导轨副的摩擦特性 一）塑料滑动导轨 主要有导轨软带和导轨涂层，常与铸铁或钢导轨配成导轨副 聚四氟乙烯导轨软带 摩擦特性好 图5-12 耐磨性好 减振性好 工艺性好 图5-13 环氧型耐磨导轨涂层 抗压强度高 摩擦特性好 图5-12 耐磨性好 具有良
4、好的可加工性 稳定性好 涂层工艺 图5-14,6-1 数控机床的结构要求,2018/8/25,5,二）滚动导轨 滚动导轨块 图5-15 直线滚动导轨 图5-16 主要特点： 对安装基面的要求不高； 制造精度高 可高速运行，运行速度可大于60m/min 能长时间保持高精度 可预加负载，提高刚度 抗振性不如滑动导轨，不宜用在有过大振动和冲击的机床上。,6-1 数控机床的结构要求,2018/8/25,6,三）静压导轨在两个相对运动的导轨面间通以压力油，将运动件浮起，使导轨面间处于纯液体摩擦状态。 图5-17,6-1 数控机床的结构要求,2018/8/25,7,6-2 数控机床的主运动与主轴部件,数控
5、机床主运动的特点：主轴转速更高、变速范围更宽、消耗功率更大 一、数控机床主运动的参数 运动参数：是指主轴转速和变速范围。 动力参数：是指主运动的功率。 主轴转速和调速速范围 主轴转速： r/min 主轴最低转速： r/min 主轴最高转速： r/min 调速范围：数控机床的调速范围宽，一般Rn100，有时甚至Rn1000,2018/8/25,8,主运动的功率扭矩特性PZ-切削力切向分力（N）; V-切削速度（m/min）; T-切削扭矩（Nm）; n-主轴转速（r/min）; 功率扭矩特性曲线,6-2 数控机床的主运动与主轴部件,2018/8/25,9,二、主运动的传动与变速 主运动的传动形式
6、 带有变速齿轮的主传动 特点：齿轮变速组即可降速，扩大输出扭矩和恒功率变速范围，适用于大中型机床。,6-2 数控机床的主运动与主轴部件,通过皮带传动的主传动 特点：传动平稳、结构简单、输出扭矩和变速范围小，适用于小型机床,2018/8/25,10,电机直接驱动的主传动 精密联轴器连接：结构紧凑、传动效率高，但主轴的转速和扭矩与电机完全一致，低速性能的改善是其广泛应用的关键。,6-2 数控机床的主运动与主轴部件,内装电机主轴：主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，振动噪声小、动态响应特性和刚度好。但发热对主轴精度影响较大。 用于立式加工中心的内装电机主轴如图（最高转速可达20000rpm）,2018
7、/8/25,11,主传动的自动变速 无级调速：一般由电机调速与齿轮变速实现联合调速 自动变速：齿轮变速组的自动变速一般由液压拨叉或电磁离合器自动操纵。图5-21为某数控车床电机与齿轮联合调速主传动系统,6-2 数控机床的主运动与主轴部件,2018/8/25,12,液压变速机构 图5-21所示三联滑移齿轮的液压变速原理如下,6-2 数控机床的主运动与主轴部件,对应的动作示意图如下,2018/8/25,13,6-2 数控机床的主运动与主轴部件,三联滑移齿轮液压变速动作示意图,2018/8/25,14,电磁离合器变速,6-2 数控机床的主运动与主轴部件,2018/8/25,15,电磁离合器种类：摩擦
8、片式牙嵌式两种 无滑环摩擦片式电磁离合器 特点：可在运转中变速、具有过载保护功能，但尺寸大、摩擦发热大。,6-2 数控机床的主运动与主轴部件,2018/8/25,16,牙嵌式电磁离合器 特点：传递扭矩大、尺寸小，传动比准确，可用于内联系传动链中。,6-2 数控机床的主运动与主轴部件,2018/8/25,17,三、主轴部件 主轴部件包括：主轴、主轴支承及安装在主轴上的传动零件，对于自动换刀数控机床还包括自动夹紧、清屑、准停等装置。 一）主轴端部结构和主轴支承 主轴端部结构 图5-27,6-2 数控机床的主运动与主轴部件,主轴支承 主轴支承的选用主轴支承一般应根据主轴转速、承载能力、回转精度等性能
9、选用。 中小型机床：多采用滚动轴承。 重型机床：多采用液体静压轴承 高精度机床：多采用气体静压轴承 超高速机床（210104rpm）：多采用磁力轴承或陶瓷滚珠轴承。,2018/8/25,18,数控机床常用滚动轴承的结构形式如图5-28,6-2 数控机床的主运动与主轴部件,2018/8/25,19,数控机床常用主轴轴承的配置形式如图,6-2 数控机床的主运动与主轴部件,2018/8/25,20,二）刀具自动夹紧、切屑清除和主轴准停装置 刀具自动夹紧、切屑清除,6-2 数控机床的主运动与主轴部件,2018/8/25,21,主轴准停装置 作用：以保证加工中型机床实现刀具自动交换。,6-2 数控机床的
10、主运动与主轴部件,2018/8/25,22,一、自动换刀装置的结构类型 回转刀架换刀装置（常用于数控车床） 多主轴转塔头换刀装置（常用于数控镗铣床） 带刀库的自动换刀装置只带刀库的自动换刀系统刀库机械手自动换刀系统,6-3 自动换刀装置,2018/8/25,23,二、刀库类型及刀具的选择与识别 刀库类型 盘形刀库（储存量一般为1540把刀） 链式刀库（储存量一般为30120把刀） 格子式刀库（选刀及取刀动作复杂，应用最少）,6-3 自动换刀装置,选刀方式 顺序选择方式 任意选择方式刀座编码方式刀具编码方式编码附件方式,2018/8/25,24,刀具识别装置,6-3 自动换刀装置,非接触式刀具识
11、别装置,接触式刀具识别装置,2018/8/25,25,6-4 回转工作台,作用：按照数控装置的指令作回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床完成指定的加工工序。 种类：分度工作台和数控回转工作台。 一、分度工作台 功能：完成一定角度的回转分度运动。 作用：在加工中自动完成工件的转位换面，实现工件一次安装完成几个面的加工。 精度保证：采用专门定位元件来保证。 种类：定位销式分度工作台和鼠齿盘式分度工作台。 定位销式分度工作台 主要特点 定位精度取决于定位销和定位孔的精度，最高可达5。 定位销和定位孔衬套制造和装配精度要求高。 定位销和定位孔衬套硬度和耐磨性要求高。,2018/8/25,26,定位
12、销式分度工作台结构 工作过程分为三步： 工作台松开并抬起 工作台回转分度 工作台下降并锁紧,6-4 回转工作台,2018/8/25,27,鼠齿盘式分度工作台 主要特点 定位精度高，可达2，最高可达0.4。 采用多齿重复定位，重复定位精度稳定。 由于多齿啮合，啮合率高，所以定位刚度好，承载能力强。 最小分度为360/Z，分度数目多，适用于多工位分度。 由于离合过程具有磨合作用，其定位精度不断提高，使用寿命长。 缺点是鼠齿盘制造比较困难。,6-4 回转工作台,2018/8/25,28,6-4 回转工作台,鼠齿盘及齿形结构如图 工作过程分为三步： 工作台抬起 工作台回转分度 工作台下降并定位锁紧,2
13、018/8/25,29,二、数控回转工作台 功能：完成工作台的连续回转进给和任意角度的分度。 作用：即能作为回转坐标轴实现坐标联动加工，又能作为分度头完成工件的转位换面。 特点：采用伺服系统实现回转、精确分度和定位。 种类：开环数控回转工作台和闭环数控回转工作台,6-4 回转工作台,2018/8/25,30,6-4 回转工作台,一）开环数控回转工作台 特点：采用电液脉冲马达或功率步进电机驱动，如图,2018/8/25,31,二）闭环数控回转工作台 特点：采用交、直流伺服电机驱动，并带有转角检测元件。,6-4 回转工作台,2018/8/25,32,三）双导程（变齿厚）蜗杆传动 作用：用于回转工作
14、台的连续精确分度。 基本原理：利用蜗杆齿左右两侧不同的齿矩（左右两侧模数不同），通过轴向移动蜗杆的方法来消除或调整啮合间隙。,6-4 回转工作台,2018/8/25,33,双导程蜗杆传动特殊参数的选择公称模数、齿厚增量系数、齿厚调整量、模数差与节距,6-4 回转工作台,2018/8/25,34,6-4 进给传动系统,进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件的最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传动精度、灵敏度、和稳定性有关。因此在设计传动机构，选用传动元件时应充分注意： 减小摩擦阻力 提高传动精度和刚度 消除传动间隙和减小运动惯量。 一、滚珠丝杠螺母副 作用：实现旋转到直线运动的转换 工作原理
15、：在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则沿着滚道流动。,2018/8/25,35,特点：传动效率高、运动平稳、寿命高以及可预紧消除间隙并提高系统刚度等特点，普遍用于中小型机床的直线进给系统中（大型机床因距离大而采用齿条或蜗条）。 种类：内循环和外循环两种。 内循环：结构紧凑、流畅性好，但工艺性差。 外循环：工艺性好，但径向尺寸较大、流畅性稍差。 使用要求：应具有可靠的轴向间隙消除结构、合理的安装结构和有效的防护装置。 轴向间隙消除 目的：消除反向死区、提高传动精度和运动平稳性。 常用消间隙措施：单螺
16、母结构和双螺母结构 单螺母结构：过盈滚珠消间隙结构和变导程消间隙结构两种。 双螺母结构：双螺母齿差调隙式、双螺母垫片调隙式、双螺母螺纹调隙式,6-4 进给传动系统,2018/8/25,36,滚珠丝杠的安装 注意事项： 螺母座孔与螺母座之间保持良好的配合，并保证孔对端面的垂直度。 要保证螺母座的局部刚度和接触刚度。 合理选择滚动轴承、正确安装滚珠丝杠，确保支承结构的刚度。 垂直升降丝杠应安装锁紧机构。 常用轴承组合方式： 向心轴承和圆锥轴承组合：结构简单，但轴向刚度不足。 推力轴承或角接触轴承与向心轴承组合：轴向刚度较高，但结构复杂、摩擦发热大。 滚珠丝杠专用轴承：结构简单、刚度高，但成本也较高。,
