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1、第五章 数控机床的机械结构,基础大件 主传动系统 进给系统 刀具系统 辅助结构,5.1 对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 对数控机床结构的基本要求,动、静刚度高,热变形小,传动灵敏,人性化,1.数控机床应具有更高的静、动刚度 机床的刚度是指机床结构抵抗变形的能力。 静刚度：根据机床所受载荷性质的不同，机床在 静态力（重力、机构之间的相互作用 力等）作用下所表现的刚度称为机床 的静刚度； 动刚度：在动态力（切削力）作用下所表现的刚 度称为动刚度。 影响机床刚度的主要因素是： 各构件、部件本身的刚度以及相互间的接触刚度。,提高动静刚度的措
2、施,为了提高机床大件的刚度，采用封闭界面的床身，并采用重锤或液力平衡减少移动部件因位置变动造成的机床变形。,封闭整体箱形结构,为了提高数控机床主轴的刚度，不但经常采用三支撑结构，而且选用钢性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承，以减小主轴的径向和轴向变形；数控车床上加尽量缩短主轴端部受力悬伸长度以减少所受弯矩。 为了提高机床各部件的接触刚度，增加机床的承载能力，采用刮研的方法增加单位面积上的接触点，并在结合面之间施加足够大的预加载荷，以增加接触面积。这些措施都能有效地提高接触刚度。,提高动态刚度的方法：提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。试验表明，提高阻尼系数是改善抗振性
3、的有效方法。 钢板的焊接结构既可以增加静刚度、减轻结构重量，又可以增加构件本身的阻尼。因此，近年来在数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台。 封砂铸件也有利于振动衰减，对提高抗振性也有较好的效果。 在大件内腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，在振动时因摩擦力较大而耗散振动能量。也可采用阻尼层法，即在大件表面喷涂一层具有高阻尼和较高弹性的黏滞弹性材料，涂层越厚，阻尼越大。,QC11NJDK数控液压闸式剪板机,机架采用钢板焊接结构，经振动消除内应力，有足够的强度与刚性,这是加工大型零件的超重型设备。 结构特点： 工作台径向采用高精度双列短滚子轴承定心；轴向采用每腔一泵式恒流静压导轨。 主
4、传动箱采用二级机械变速和立式直流电机驱动。 横梁配有卸荷梁；用静压卸荷丝杆升降。 刀架移动采用消除间隙的双齿轮传动；滑枕移动采用滚珠丝杆传动。 机床横梁、床身和立柱为焊接件结构，并采用了阻尼减振措施。,CK53系列数控单柱移动立式车床和车铣镗立式车床,人造大理石床身（混凝土聚合物）,图53 德国DEN480L型数控车床底座和床身示意图,2.数控机床应有更小的热变形,图5-1 10m/min进给速度，多次往复运动时的滚柱丝杠发热情况，温度分布图的温度显示为25摄氏至40摄氏度，若没有补偿措施，则将使工件产生严重缺陷。,1、减少发热 2、控制温升:对机床热源进行强制冷却 3、改善机床机构:采用热对
5、称结构 4、丝杠预拉伸 5、热位移补偿,控制热变形的措施,热对称结构立柱,3.传动灵敏：数控机床运动件之间的摩擦要小，要消除传动系统的间隙，达到低速时无爬行，高速时快速响应。 4 .数控机床结构要人性化,一、主传动系统作用 是将电动机的扭矩或功率传递给主轴部件，使安装在主轴内的工件或刀具实现主切削运动。 主轴：指带动刀具和工件旋转，产生切削运动且消耗功率最大的运动轴。 二、主传动系统组成：主轴电动机、传动系统和主轴部件,5.2 主传动系统,三、对主传动系统的要求 1.足够的转速范围 2.足够的功率和扭矩 3.各零部件应具有足够的精度、 强度、刚度和抗振性 4.噪声低、运行平稳,四、主轴的驱动方
6、式 1.采用变速齿轮传动 这是大中型数控机床较常采用的配置方式，通过少数几对齿轮传动，扩大变速范围。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。,2.采用同步齿形带传动 这种传动主要用在转速较高、变速范围不大的机床。它适用于高速低转矩特性的主轴。,3 .用两个电动机分别驱动主轴 这是上述两种方式的混合传动，具有上述两种性能(见图5-2c)。高速时，由一个电动机通过带传动；低速时，由另一个电动机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，避免了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的问题。但两个电动机不能同时工作，也是一种浪费。,4.采用
7、主轴电机直接驱动（一体化主轴，电主轴） 主轴与电机转子合二为一，从而使主轴部件结构更加紧凑，重量轻，惯量小，有效地提高了主轴部件的刚度，提高了主轴启动、停止的响应特性，目前高速加工机床主轴多采用这种方式，这种类型的主轴也称为电主轴。,图5-7 内装电动机主轴,车床用电主轴,铣床用电主轴,五主轴调速方法,数控机床常用机电结合的方法，即同时采用电动机和机械齿轮变速两种方法。其中齿轮减速以增大输出扭矩，并利用齿轮换挡来扩大调速范围。,1、电动机调速 用于主轴驱动的调速电动机主要有直流电动机和交流电动机两大类。 （1）直流电动机主轴调速 （2）交流电动机主轴调速,2、机械齿轮变速 数控机床常采用1-
8、4挡齿轮变速与无级调速相结合的方式，即所谓分段无级变速。采用机械齿轮减速，增大了输出扭矩，并利用齿轮换挡扩大了调速范围。 自动换挡执行机构是一种电机转换装置，常用的有液压拨叉和电磁离合器。,图23 三位液压拨叉工作原理图 1、5液压缸 2活塞杆 3拨叉 4套筒,六、 主轴部件,主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。 对于数控机床尤其是自动换刀数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹持，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔的清理装置等结构。,1、主轴端部的结构形状 主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在设计要求上，应能保证定位准确、安装可靠、
9、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。主轴端部的结构形状都已标准化。,(a)车床主轴端部；(b)铣、镗类机床主轴端部；(c)外圆磨床砂轮主轴端部； (d)内圆磨床砂轮主轴端部；(e)普通镗杆装在钻床主轴上的端部；(f)组合机床主轴端部,2、主轴部件的支承,机床主轴带着刀具或夹具在支承中作回转运动，应能传递切削转矩承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。机床主轴多采用滚动轴承作为支承，对于精度要求高的主轴则采用动压或静压滑动轴承作为支承。下面着重介绍主轴部件所用的滚动轴承。,主轴滚动轴承的配置,前支承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，后支承采用成对向心推力球轴承。能使主轴获得较
10、大的径向和轴向刚度，可以满足机床强力切削的要求，普遍应用于各类数控机床的主轴，如数控车床、数控铣床、加工中心等。这种配置的后支承也可用圆柱滚子轴承，进一步提高后支承径向刚度。,图5-14 数控机床主轴轴承配置形式,如图5-14b所示的配置前支承采用多个高精度向心推力球轴承，后支承采用球轴承，没有如图5-14a所示的主轴刚度大，但这种配置提高了主轴的转速，适合主轴要求在较高转速下工作的数控机床。 目前，这种配置形式在立式、卧式加工中心机床上得到广泛应用，满足了这类机床转速范围大、最高转速高的要求。为提高这种形式配置的主轴刚度，前支承可以用四个或更多个的轴承相组配，后支承用两个轴承相组配。,如图5
11、-14c所示的配置形式，前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承。能使主轴承受较重载荷(尤其是承受较强的动载荷)，径向和轴向刚度高，安装和调整性好。但这种配置相对限制了主轴最高转速和精度，适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。,3、主轴的材料和热处理,主轴材料可根据强度、刚度、耐磨性、载荷特点和热处理变形大小等因素来选择。主轴刚度与材质的弹性模量E有关。无论是普通钢还是合金钢其E值基本相同。因此，对于一般要求的机床其主轴可用价格便宜的中碳钢、45钢，进行调质处理后硬度为2228HRC；当载荷较大或存在较大的冲击时，或者精密机床的主轴为减少热处理后的变形，或者需要作轴向移动的主轴
12、为了减少它的磨损时，则可选用合金钢。常用的合金钢有：40Cr进行淬硬硬度达到4050HRC，或者用20Cr进行渗碳淬硬使硬度达到5662HRC。某些高精度机床的主轴材料则选用38CrMoAl进行氮化处理，使硬度达到8501000HV。,图5-19 加工中心主轴组件,图5-18 数控车床主轴组件,七、主轴准停,主轴准停功能又称主轴定向功能(Spindle Specified Position Stop)，其作用是使主轴每次都准确地停在固定不变的周向位置上，以保证自动换刀时主轴上的端面键能对准刀柄上的键槽，同时使每次装刀时刀柄与主轴的相对位置不变，提高刀具的重复安装精度，从而可提高加工的一致性。
13、另外，一些特殊工艺要求，如在通过前壁小孔镗内壁的同轴大孔，或进行反倒角等加工时，也要求主轴实现准停，使刀尖停在一个固定的方位上，以便主轴偏移一定尺寸后，使大刀刃能通过前壁小孔进入箱体内对大孔进行镗削。,图5-28主轴准停换刀示意图,图5-29 主轴准停镗背孔示意图,主轴准停可分为机械准停与电气准停，它们的控制过程是一样的。 目前国内外中高档数控系统均采用电气准停控制，采用电气准停控制有如下优点 ： (1)简化机械结构 (2)缩短准停时间 (3)可靠性增加 (4)性能价格比提高,图511 典型的V形槽轮定位盘机械准停原理示意图,目前电气准停有如下三种方式： 1磁传感器主轴准停 2编码器型主轴准停 准停角度可由外部开关量随意设定 3数控系统控制准停 准停角度可由外部开关量随意设定 例如：M03 S1000 主轴以1000rmin正转 M19 主轴准停于默认位置 M19 S100 主轴准停转至100处 S1000 主轴再次以1000rmin正转 M19 S200 主轴准停转至200处,图5-32 磁传感器准停控制系统构成,
