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1、第一节 数控机床总体结构,第二节 数控机床机械结构要求,第三节 数控机床的主传动系统,第四节 同步带传动,第五章数控机床的机械结构,第五章数控机床的机械结构,第七节 机床支承件,第八节 数控机床导轨,第五节 数控机床的进给传动,第六节 数控机床的液压与气压传动,数控机床的机械结构主要由以下几部分组成： (1)主传动系统它包括动力源、传动件及主运动执行件(主轴)等。 (2)进给传动系统它包括动力源、传动件及进给运动执行件(工作台、刀架)等。 (3)基础支承件 它是指床身、立柱、导轨、滑座、工作台等。,第一节 数控机床总体结构,一、数控机床机械结构的组成,图51为JCS-018立式镗铣加工中心机床
2、的外形图。,二、数控机床的总体布局,1满足多刀加工的布局 图52是具有可编程尾架座双刀架数控车床。,2满足换刀要求的布局 加工中心都带有刀库，刀库的形式和布局影响机床的布局。图53是一种立式加工中心，刀库位于机床侧面。,3满足多座标联动要求的布局 一般数控车床都可实现X、Z方向联动。图55为五坐标联动的加工中心。,4适应快速换刀要求的布局 图57所示的加工中心无机械手。图58是转塔主轴箱的布局形式。,5适应多工位加工要求的布局 图59所示的机床有四个工位，三个工位为加工工位，一个工位为装卸工件工位，该机床可实现多面加工，因而生产率较高。,6适应可换工作台要求的布局 图510为可换工作台的加工中
3、心，一个工作台上的零件加工时，另一个工作台可装卸工件，使装卸工件时间和加工时间重合，减少了辅助时间，提高了生产率。,7工件不移动的机床布局 当工件较大，移动不方便时，可使机床立柱移动，如图511所示。,8为提高刚度减小热变形要求的布局 图512为加工中心框式立柱。,9立式布局 图513是立式数控车床外观图。,10倒立式布局 图514是倒立式数控车削中心外观图。,机床刚度是指机床抵抗由切削力和其它力引起变形的能力。提高机床的刚度有以下措施： 1提高构件的自身刚度(1) 正确选择截面形状和尺寸。(2) 合理选择及布置隔板和肋条。 2提高局部刚度。 3提高接触刚度。 4选用焊接结构的构件。 5采取补
4、偿构件变形的措施。,第二节 数控机床机械结构要求,一、高刚度,根据气缸中压力和温度的变化特点，可将混合气的形成与燃烧过程按曲轴转角划分为四个阶段，如图63所示。,图63 气缸压力与曲 轴转角的关系 备燃期 速燃期 缓燃期 后燃期,二、高抗振性,1强迫振动 使机床产生强迫振动的内部振源有高速转动零部件的动态不平衡力、往复运动件的换向冲击力、周期变化的切削力等。,2自激振动 这里是指切削自激振动，也称颤振。如图524所示。,3提高机床抗振性的措施 (1) 减少机床的内部振源 (2) 提高静刚度 (3) 增加构件或结构的阻尼,三、高的低速运动平稳性,数控机床各坐标轴低速进给运动的平稳性极大地影响到零
5、件的加工精度。在闭环进给系统中，如图526a所示为其进给系统的机械传动机构，伺服电动机虽匀速旋转，如果速度较低，则工作台4可能出现爬行现象。,图526为工作台的移动。,1产生爬行的主要原因 1) 摩擦副存在着静、动摩擦系数不同和当处于边界或混合摩擦时，动摩擦系数又随滑动速度的增加而降低，这就可能使系统具有负阻尼或零阻尼。 2) 传动机构的刚度不足。,2消除爬行的措施 (1) 减少静、动摩擦系数之差和改变动摩擦系数随速度变化的特性。 (2)提高传动系统的传动刚度。,四、高的定位精度,机床工作台的定位精度受到所有电气或机械装置及元件设计和制造精度的综合影响。在机床使用过程中，定位精度进一步受到负载
6、变化、振动、热变形、机床导轨和丝杠螺母副的磨损以及数控装置元件特性变化等的影响。,机械部分的主要影响因素有以下几项： 1机械传动部分的误差 (1)齿轮副的传动误差 (2)滚珠丝杠螺母副的传动误差 2导轨副的误差。 3机械传动部分的受力变形。 4机械传动部分的热变形。 5矢动量的来源和消除措施。,五、热变形对加工精度的影响小,数控机床的热变形，是影响加工精度的重要因素。引起机床热变形的热源主要是机床的内部热源，如主电动机、进给电动机发热，摩擦热以及切削热等。,减少机床热变形及其影响的措施是： 1减少机床内部热源和发热量。 2改善散热和隔热条件。 3均热。 4合理设计机床的结构布局，减小热变形对精
7、度的影响。 5采取热变形补偿措施。,机床应操作方便、省力、容易掌握、不易发生操作错误和故障，这样不仅能减少工人的疲劳、保证工人和机床的安全，还能提高机床的生产率。防止机床对周围环境的污染，是对机床设计和制造提出的一项主要要求。噪声要低，不仅噪音声级要达到规定值以下，而且不能对人耳有强烈的不适感，渗、漏油必须避免。,六、人机关系要求,(1) 调速范围各种不同的机床对调速范围的要求不同。 (2) 热变形电动机、主轴及传动件都是热源。 (3) 主轴的旋转精度和运动精度。 (4) 主轴的静刚度和抗振性。 (5) 主轴组件的耐磨性。,第三节 数控机床的主传动系统,一、对主传动系统的要求,数控机床的主传动
8、要求具有较宽的调速范围，以保证在加工时能选用合理的切削用量，以获得最佳的表面加工质量、精度和生产率。,二、数控机床主轴的调速方法,图532为数控机床主传动的四种配置方式。,(1) 带有变速齿轮的主传动(图532a)这是大中型数控机床较常采用的配置方式。 (2) 通过带传动的主传动(图532b)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、低转矩特性有要求的主轴。 (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(图532c)。 (4) 内装电动机主轴传动结构(图532d) 用于变速范围不大的高速主轴。,(一) 主轴的变速范围与转速数列 1主轴的变速范
9、围Rn 主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围Rn。 2主轴的转速数列 主轴能实现的各级转速n1，n2，ni，nz，从小到大组成转速数列。,三、分级变速系统的设计,(二) 拟定主传动系统的一般原则 1传动系统图与转速图 传动系统设计中常用到传动系统图和转速图，图534、图535即分别为某车床主传动系统的传动系统图和转速图。,2结构式与结构网 若不考虑各传动副的传动比，则传动系统用结构式表示。如图534所示传动系统，其结构式为：12312326,用结构网表示，如图536a所示。,3拟定转速图的一般方法 拟定转速图的一般步骤为： 确定变速组数及各变速组的传动副数； 按排变速组的传动顺序，拟
10、定结构式(网)； 分配传动副传动比，绘制转速图。,(三) 确定齿轮齿数，及其轴向布置 1齿轮齿数 齿轮的齿数取决于传动比和径向尺寸要求。 2齿轮的轴向布置 用滑移齿轮变速时，同一变速组内，一对齿轮完全脱开啮合之后，另一对齿轮才允许进入啮合。,图538是三联、双联滑移齿轮轴向布置的几种方案。,(四) 绘制传动系统图 传动系统图根据传动件类型，齿轮齿数及轴向布置，结合传动轴的支承形式来绘制。一般应尽可能绘制在变速箱原来的轮廓内，各传动件应尽可能按运动的传递顺序安排。,1机床主轴的功率转矩特性 主轴所传递的功率或转矩与转速之间的关系，称为主轴的功率或转矩特性，如图539所示。,四、无级变速传动链的设
11、计,2直流和交流调速电动机的功率转矩特性 机床上常用的无级变速动力源为直流或交流调速电动机。图540为直流和交流电动机的功率转矩特性。,3无级变速系统的设计方法 设计无级变速系统要解决的最主要问题，是动力源与机床主轴的转矩、功率匹配问题。直流或交流调速电动机用于拖动旋转主运动，由于主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机所能提供的恒功率范围，所以常用串联分级变速机构的办法来扩大其恒功率变速范围。,1主轴轴承的配置 数控机床的主轴轴承配置形式主要有两种：高刚度型和高速型，如图541所示。,五、主轴部件及主轴箱,2主轴的润滑与冷却 主轴轴承润滑和冷却是保证主轴正常工作的必要手段。为了尽可能减少主轴部件
12、温升引起的热变形对机床工作精度的影响，通常利用润滑油循环系统把主轴部件的热量带走，使主轴部件与箱体保持恒定的温度。,3刀杆自动拉紧放松机构 刀杆自动拉紧放松机构如图542所示。,4主轴的准停装置 其工作原理见图543。,主轴高速化首先要解决的技术问题有三方面： (1) 高速电动机的控制技术 (2) 高速轴承的开发 (3) 冷却润滑技术的研究,六、高速主轴的设计,同步带传动，是一种新型的带传动，如图550所示，它是利用同步带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传递运动或动力。,第四节 同步带传动,1) 传动过程中无相对滑动，因而可保持恒定的传动比，传动精度较高； 2) 同步带传动工作平稳，结构紧凑，无噪
13、声，有良好的减振性能，无需润滑； 3) 同步带无需特别张紧，故作用在轴和轴承上的载荷较小，传动效率较高； 4) 同步带传动的缺点是制造工艺较复杂，传递功率较小，寿命较低。,一、同步带传动的特点,1结构图551为同步带的结构图。,二、同步带的结构和规格,2主要参数与规格 (1)节距t相邻两齿在节线上的距离。 (2)模数m带的基本特性尺寸是模数，它是节距t与之比，即m=t/。 (3)齿形带的其它参数和尺寸还有齿数、带宽、周节等。,1带轮的结构 小尺寸的带轮可制成实心的，较大尺寸带轮则可做成腹式结构。如图552所示。,三、带轮的结构,2带轮的主要参数及尺寸 为了保证齿形带与带轮轮齿的正确啮合和良好接
14、触，必须满足： 1) 带轮沿节圆度量的周节必须与齿形带的周节相等，即带与带轮的模数相等； 2)当m2时,带轮的齿槽角应与齿形带的齿形相等(=40)。,3带轮的材料与轮齿加工 带轮的材料一般采用铸铁或钢，在高速、小功率场合下，还可以采用轻合金、塑料等。带轮的轮齿最好采用直线齿廓的圆盘铣刀或范成直线齿廓的特制滚刀加工；小批量生产时，亦可用8号渐开线圆盘铣刀或标准齿轮滚刀加工。,数控机床进给系统的机械传动机构，是指将电动机的旋转运动传递给工作台或刀架以实现进给运动的整个机械传动链，包括齿轮传动副、丝杠螺母副(或蜗杆蜗轮副)及其支承部件等。,第五节 数控机床的进给传动系统,一、滚珠丝杠传动,1滚珠丝杠
15、的结构 图553为滚珠丝杠的原理图。,2滚珠丝杠副的参数如图555所示。,3滚珠丝杠副的代号、精度与标注方法 (1)国产的滚珠丝杠螺母副结构类型代号结构类型代号见表55。 (2)滚珠丝杠螺母副的精度等级滚珠丝杠螺母副的精度等级及应用范围如表56所示。,4滚珠丝杠副的支承和制动方式 (1) 支承方式 滚珠丝杠常用推力轴承支座，以提高轴向刚度。 (2)制动方式 由于滚珠丝杠副的传动效率高，无自锁作用，为防止因自重下降，故必须装有制动装置。,5滚珠丝杠副消除间隙和预加载荷 如图559所示。,6滚珠丝杠的预拉伸 为了补偿热膨胀，可将丝杠预拉伸。预拉伸量应略大于热膨胀量。图561是丝杠预拉伸的一种结构图。,7中空强冷滚珠丝杠 将丝杠制成空心，通入冷却液强行冷却可以有效地散发丝杠传动中的热量，对保证定位精度大有益处，由此也可获得较高的进给速度。,二、静压丝杠螺母副,1工作原理和特点 (1) 工作原理 静压丝杠螺母副工作原理如图563所示。,(2) 特点 静压丝杠螺母的特点是： 1) 摩擦系数很小，仅为0.0005； 2) 油膜层可以吸振，提高了运动的平稳性，由于油液不断流动，有利于散热和减少热变形，提高了机床的加工精度和光洁度； 3) 油膜层具有一定刚度； 4) 承载能力与供油压力成正比，与转速无关； 5) 当丝杠转动时通过油膜推动螺母直线移动，反
