《数控加工设备 第二版 第5章 数控机床的机械结构》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控加工设备 第二版 第5章 数控机床的机械结构（105页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第5章 数控机床的机械结构,5.1 数控机床的结构特点 高的刚度及良好的抗振性能 热稳定性好 运动导轨副的摩擦特性好 传动系统简化 进给传动无间隙,5.1.1 机床刚度和抗振性 1基本概念 （1）刚度是机床的基本技术性能之一，它反应了机床结构抵抗变形的能力。 因机床在加工过程中，承受多种外力的作用，包括运动部件和工件的自重、切削力、驱动力、加减速时的惯性力、摩擦阻力等，各部件在这些力的作用下将产生变形，变形会直接或间接地引起刀具和工件之间产生相对位移，破坏刀具和工件原来所占有的正确位置，从而影响加工精度。,根据承受载荷性质的不同，刚度可分为静刚度和动刚度。 机床的静刚度是指机床在静态力的作用下
2、抵抗变形的能力。它与构件的几何参数及材料的弹性模量有关。 机床的动刚度是指机床在动态力的作用下抵抗变形的能力。,由上式可知，机床的动刚度与静刚度、激振频率与固有频率的比值、及阻尼比有关。 当=1时，即两种频率相等时，为共振状态，动刚度最小。 当1时，即激振频率远比固有频率大时，动刚度随着的加大而增加。,当在同样的频率比的条件下，动刚度与静刚度成正比，动刚度与阻尼比也成正比，即阻尼比和静刚度越大，动刚度也越大。 数控机床要在高速和重负荷条件下工作，为了满足数控机床加工的高生产率、高速度、高精度、高可靠性和高自动化程度的要求，与普通机床相比，数控机床应有更高的静刚度、动刚度和更高的抗振性。,（2）
3、抗振性 高速切削是产生动态力的直接因素，数控机床在高速切削时容易产生振动。 机床加工时可能产生两种振动：强迫振动和自激振动。 机床的抗振性是指抵抗这两种振动的能力。,2提高数控机床结构刚度的措施 （1）合理选择结构形式 正确选择床身的截面形状和尺寸、合理选择和布置筋板、提高构件的局部刚度和采用焊接结构。 如图5-1所示为数控车床的床身截面，床身导轨的倾斜布置可有效的改善排屑条件。,截面形状采用封闭式箱体结构，加大了床身截面的外轮廓尺寸，使该床身具有很高的抗弯刚度和抗扭刚度。,图5-1 数控车床的床身截面,（2）合理安排结构布局 合理的结构布局，使构件承受的弯距和扭矩减小，从而提高机床的刚度。
4、如图5-2（a）图5-2 (c)所示，卧式加工中心的主轴箱单面悬挂在立柱侧面，切削力将使立柱产生弯曲和扭转变形；而采用图5-2（d）的布局，加工中心的主轴箱置于立柱对称平面内，切削力引起的变形将显著减小。这就相当于提高了机床的刚度。,图5-2数控机床的布局,（3）采用补偿变形措施 机床工作时，在外力的作用下，不可避免地存在变形，如果能采取一定措施减小变形对加工精度的影响，其结果相当于提高了机床的刚度。 对于大型的龙门铣床，当主轴部件移动到横梁中部时，横梁的下凹弯曲变形最大，为此可将横梁导轨加工成中部凸起的抛物线形，可以使变形得到补偿。 （4）改善构件间的接触刚度和机床与地基联结处的刚度等。,3
5、提高机床结构抗振性的措施 （1）提高机床构件的静刚度 可以提高构件或系统的固有频率，从而避免发生共振。 （2）提高阻尼比 在大件内腔充填泥芯和混凝土等阻尼材料，在振动时因相对摩擦力较大而耗散振动能量。,采用阻尼涂层法，即在大件表面喷涂一层具有高内阻尼和较高弹性的粘滞弹性材料，涂层厚度越大阻尼越大。 采用减振焊缝，在保证焊接强度的前提下，在两焊接件之间部分焊住，留有贴合而未焊死的表面，在振动过程中，两贴合面之间产生的相对摩擦即为阻尼，使振动减少。,（3）采用新型材料和钢板焊接结构 近年来很多高速机床的床身材料采用了聚合物混凝土，它具有刚度高、抗振好、耐腐蚀和耐热的特点，用丙烯酸树脂混凝土制成的床
6、身，其动刚度比铸铁件的高出了6倍。 用钢板焊接构件代替铸铁构件的趋势也不断扩大。采用钢板焊接构件的主要原因是焊接技术的发展，使抗振措施十分有效；轧钢技术的发展，又提供了多种形式的型钢。,5.1.2 热稳定性 机床的热变形是影响机床加工精度的重要因素之一。数控机床主轴转速、进给速度远高于普通机床，电动机、轴承、液压系统等热源散发的热量，切屑及刀具与工件的相对运动的摩擦产生的热量，通过传导、对流、辐射传递给机床各个部件，引起温升，产生膨胀。,由于热源分布不均，散热性能不同，导致机床各部分温升不一致，从而产生不均匀的热膨胀变形，以至影响刀具和工件的正确相对位置，影响了加工精度，且热变形对加工精度的影
7、响操作者往往难以修正。,减少机床热变形的措施 1改进机床布局和结构 （1）内部热源的发热是造成热变形的主要原因，因此，在机床布局时应减少内部热源，尽量考虑将电动机、液压系统等置于机床主机之外。 （2）采用倾斜床身和斜滑板结构，以利于排屑，还应设置自动排泄装置，随时将切屑排到机床外。同时在工作台或导轨上设置隔热防护罩，使切屑的热量隔离在机床外。,（3）采用热对称结构例如卧式加工中心采用框式双立柱结构，主轴箱嵌入立柱内，并且在立柱左右导轨内侧定位。这样，热变形使主轴中心将主要产生垂直方向的变化，这变形量可以用垂直坐标移动的修正量加以补偿。,2加强冷却和润滑 为控制切削过程产生的热量，现代数控机床，
8、特别是加工中心和数控车床多采用多喷嘴、大流量冷却系统直接喷射切削部位，冷却并排除这些炽热的切屑，并对冷却液用大容量循环散热和冷却装置制冷以控制温升。对于机床上难以分离出去的热源，可采取散热、风冷和液冷等方法来降低温度，减少热变形。,3控制环境温度 在安装数控机床的区域内应尽量采取保持恒定环境温度的措施,精密数控机床还不应受到阳光的直接照射,以免引起不均匀的热变形。 4热位移补偿 通过预测热变形规律，建立数学模型并存入CNC数控系统中，控制输出值进行实时补偿。或者在热变形敏感部位安装传感元件，实测变形量，经放大后送入CNC系统进行修正补偿。,5.1.3 运动导轨副 与普通机床不同，数控机床工作台
9、的位移量是以脉冲当量作为它的最小单位，它常常以极低的速度运动，并且数控机床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它同时要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因此运动部件应具有较高的灵敏度，这就要求导轨副的摩擦特性好，高速进给时不振动，低速进给时不爬行，耐磨性好，灵敏度高，能在重载下长期连续工作。 现代数控机床上主要使用塑料滑动导轨、滚动导轨、静压导轨。,5.1.4 传动系统简化和无间隙传动装置 数控机床的主轴驱动系统和进给驱动系统，分别采用交、直流主轴电动机和饲服电动机驱动，这两类电动机调速范围大，可实现无级调速，因此可由电动机通过少量的齿轮、带轮带动主轴，或者由电动机直接带动主轴
10、或进给滚珠丝杠，这就使传动系统大为简化。,由于加工的需要，数控机床各坐标轴的运动都是双向，传动元件之间的间隙会影响机床的定位精度及重复定位精度，同时数控机床在高速进给速度下，工作要求平稳，因此，对进给系统中的机械传动装置和元件要求具有高寿命、高刚度、无间隙、高灵敏度和低摩擦阻力的特点。,5.2 数控机床的主传动系统及主轴部件,5.2.1 数控机床主传动系统的特点 与普通机床相比较，数控机床的主传动系统具有如下特点： (1)采用直流或交流主轴电动机 现代数控机床的主传动电动机已不再采用普通的交流异步电动机或传统的直流调速电动机，一般采用直流或交流主轴电动机。这种电动机调速范围广，可实现无级调速，
11、因此主轴箱结构简化。,（2）转速高、功率大、变速范围广 数控机床适应性强，适合加工单件、小批量和形状复杂工件，为了适应各种不同材料的加工以及各种不同的加工方法，数控机床的主传动系统要有较宽的转速范围及相应的输出力矩，一般 100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。同时，数控机床还应能够进行大功率切削和高速切削，以实现高效率加工。,（3）主轴变速迅速可靠 数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于数控机床主传动系统采用了可实现无级调速的电动机，机械变档一般又采用液压缸推动滑移齿轮实现，因此变速稳定可靠。 （4）主轴部
12、件性能好 主轴部件直接装夹刀具对工件进行切削加工，对加工质量及刀具寿命有很大影响，并且在加工过程中不进行人工调整，因此主轴部件必须具有良好的回转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性、耐磨性。,5.2.2 主传动系统的配置方式 根据数控机床的类型与大小，其主传动主要有以下四种形式。,1带有变速齿轮的主传动系统 如图5-3（a）所示.通过使用双联滑移齿轮实现二级变速。由于现代数控机床使用可无级调速的电动机，所以经过齿轮变速后可实现分段无级变速，扩大了调速范围。又可以通过降速传动扩大输出扭矩，满足主轴低速时对输出扭矩特性的要求。滑移齿轮的移位大都采用液压缸加拨叉，或者直接由液压缸带动齿轮来实现。大、中型
13、数控机床常采用这种形式。,图5-3数控机床主传动系统分类,2带有定比传动的主传动系统 如图5-3(b)所示，主轴电动机经过定比传动传递给主轴。目前，定比传动多采用带（同步齿形带和三角带）传动，也有采用齿轮传动的。 适用于高速、低转距特性的主轴，电动机本身的调速就能够满足要求，且带传动平稳，噪声低、结构简单、安装调试方便。 这种传动主要应用在转速高、变速范围不大的数控机床上。,3用两个电动机分别驱动的主传动系统 如图5-3(c)所示，这是上述两种方式的混合传动，兼有上述两种性能。 高速时电动机通过带传动使主轴旋转，传动平稳。 低速时，另一个电动机通过二级齿轮降速，扩大变速范围，使恒功率区增大，克
14、服了低速时转距不够且电动机功率不能充分利用的缺陷，但结构较为复杂。,4由主轴电动机直接驱动的主传动系统 如图5-3(d)所示，电动机与主轴通过联轴器连接，或者采用内装电动机，即主轴与电动机转子合二为一。 这种方式大大简化了主轴结构，有效的提高了主轴刚度，但主轴输出扭矩小，电动机的发热对主轴精度影响较大，因此使用受到限制。,例：分析图5-4所示的TND360型数控车床主轴箱传动系统,图5-4 TND360型数控车床主轴箱传动系统,5.2.3 车削中心 图5-7为CH6144车削中心的C轴传动系统简图。 主传动系统 车削中心的主传动系统与数控车床基本相同，只是增加了主轴的C轴的坐标功能，以实现主轴
15、的定向停车和圆周进给，并在数控装置控制下实现C轴、Z轴联动插补，或C轴、X轴联动插补，以进行圆柱面上或端面上任意部位的钻削、铣削、攻螺纹及曲面的加工，如图5-5所示。,(a)让C轴分度定位在圆柱面或端面上铣直槽； (b)让C轴、Z轴插补进给在圆柱面上铣螺旋槽； （c）让C轴、X轴插补进给在端面上铣螺旋槽； （d）让C轴、X轴插补进给在在圆柱面或端面上铣直线和平面 图5-5 C轴的功能简介图,C轴传动系统示例 示例1：MOC200MS3车削柔性加工单元的主轴传动系统结构和C轴传动及主传动系统如图5-6所示。 C轴分度采用可啮合和脱开的精密蜗轮蜗杆副结构，由伺服电动机驱动蜗杆1及主轴上的蜗轮3，当
16、机床处于铣削和钻削状态时，即主轴需通过C轴回转或分度时，蜗杆与蜗轮啮合。C轴的分度精度由脉冲编码器7保证，分度精度为0.01。,1-蜗杆 2-主轴 3-蜗轮 4-齿形带 5-主轴电动机 6-同步带 7-脉冲编码器 8-C轴伺服电机 (a)主轴结构简图 (b) C轴传动及主传动系统简图 图5-6 MOC200MS3的C轴传动系统,示例2：如图5-7为CH6144车削中心的C轴传动系统简图。 该部件由主轴传动箱和C轴两部分组成。当主轴处在一般工作状态时，换位液压缸6使滑移齿轮5与主轴齿轮7脱离啮合，制动液压缸10脱离制动，主轴电动机通过V型皮带带动齿轮11使主轴8旋转。当主轴需要C轴控制作分度或回转时，主轴电动机处于停止工作状态，齿轮5与齿轮7啮合。在制动液压缸为制动状态下，C轴伺服电动机根据指令脉冲值旋转，通过C轴变速箱变速，经齿轮5、7使主轴分度，然后制动液压缸工作制动主轴。进行铣削时，除制动液压缸不制动主轴外，其他运行与上述相同，此时主轴按指令作缓慢地连续旋转进给运动。
