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1、第第4 4章数控机床的机械结构与特点章数控机床的机械结构与特点 第一节 数控机床机械结构特点一、数控机床机械结构的组成一、数控机床机械结构的组成(1)机床基础部件，如床身、立柱、工作台等；机床基础部件，如床身、立柱、工作台等；(2)主传动系统；主传动系统；(3)进给传动系统；进给传动系统；(4)实实现现某某些些辅辅助助动动作作和和辅辅助助功功能能的的系系统统和和装装置置如如液液压压、气气动动、润润滑滑、冷冷却却等等系系统统及及排排屑屑、防防护护装装置置和和刀刀架架、自动换刀装置；自动换刀装置；5)工工件件实实现现回回转转、定定位位的的装装置置及及附附件件，如如数数控控回回转转工工作台；作台；(
2、6)特特殊殊功功能能装装置置，如如监监控控装装置置、加加工工过过程程图图形形显显示示、精度检测等。精度检测等。1.数控机床机械结构的主要组成由于数控机床主轴驱动、进给驱动和由于数控机床主轴驱动、进给驱动和CNC技术技术的发展，的发展，以及为适应高效率生产的需要，数控以及为适应高效率生产的需要，数控机床的机械结构已经从初期对通用机床局部结机床的机械结构已经从初期对通用机床局部结构的改进，逐步发展到形成数控机床的独特的构的改进，逐步发展到形成数控机床的独特的机械结构。机械结构。刀架床身主轴箱高精度导轨滚珠丝杠床座尾座1高刚度和高抗振性高刚度和高抗振性 数控机床经常在高速和连续重载切削条件下工作数控
3、机床经常在高速和连续重载切削条件下工作 工作中应无变形和振动工作中应无变形和振动2高灵敏度高灵敏度 运动部件具有高运动部件具有高高灵敏度高灵敏度 方法方法：导轨部件通常采用滚动导轨、塑料导轨、静导轨部件通常采用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，在低速运动时无爬行现压导轨等，以减少摩擦力，在低速运动时无爬行现象象。由由电电动动机机驱驱动动滚滚珠珠丝丝杠杠或或静静压压丝丝杠杠带带动动数数控控机机床床的的工工作作台台、刀刀架架等等部部件件的的移移动动。主主轴轴多多数数采采用用滚动轴承和静压轴承滚动轴承和静压轴承。3热变形小热变形小 机机床床的的主主轴轴、工工作作台台、刀刀架架等等运运动动
4、部部件件的的发发热热量量要要小小，以防以防止产生热变形止产生热变形。立立柱柱一一般般采采取取双双壁壁框框式式结结构构，在在提提高高刚刚度度的的同同时时使使零零件结构对称，防止件结构对称，防止因热变形而产生倾斜偏移因热变形而产生倾斜偏移。通通常常采采用用恒恒温温冷冷却却装装置置，减减少少主主轴轴轴轴承承在在运运转转中中产产生生的热量。的热量。为为减减少少电电动动机机运运转转发发热热的的影影响响，在在电电动动机机上上安安装装有有散散热装置和热管消热装置热装置和热管消热装置。4高精度保持性高精度保持性 防止使用中的变形和快速磨损防止使用中的变形和快速磨损 采采取取措措施施：淬淬火火、磨磨削削导导轨轨
5、、粘粘贴贴抗抗磨磨塑塑 料料导导轨等，以提高运动部件的耐轨等，以提高运动部件的耐磨性磨性。5高可靠性高可靠性 6工艺复合化和功能集成化工艺复合化和功能集成化 第二节第二节 数控机床主传动系统数控机床主传动系统一、数控机床主传动系统的特点一、数控机床主传动系统的特点 主主轴轴部部件件的的刚刚度度、精精度度、抗抗振振性性和和热热变变形形直直接接影影响响加工零件的精度和表面质量。加工零件的精度和表面质量。主主运运动动的的转转速速高高低低及及范范围围、传传递递功功率率大大小小和和动动力力特特性性，决决定定了了数数控控机机床床的的切切削削加加工工效效率率和和加加工工工工艺艺能能力力。主传动系统的特点主传
6、动系统的特点：1主轴转速高、调速范围宽并实现无级调速主轴转速高、调速范围宽并实现无级调速 能进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工能进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工 主轴转速比同类型普通机床主轴最高转速高出两倍主轴转速比同类型普通机床主轴最高转速高出两倍左右左右。2主轴部件具有较大的刚度和较高的精度主轴部件具有较大的刚度和较高的精度 一次装夹要完成全部或绝大部分切削加工，包括粗加一次装夹要完成全部或绝大部分切削加工，包括粗加工和精加工工和精加工。提高效率的强力切削提高效率的强力切削 在在加加工工过过程程中中机机床床是是在在程程序序控控制制下下自自动动运运行行的的，更更需需要要主主轴轴
7、部部件件刚刚度度和和精精度度有有较较大大裕裕量量，从从而而保保证证数数控控机机床使用过程中的可靠性床使用过程中的可靠性。3良好的抗振性和热稳定性良好的抗振性和热稳定性 主主轴轴部部件件要要有有较较高高的的固固有有频频率率，较较好好的的动动平平衡衡，且且要要保持合适的配合间隙，并要进行循环润保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑滑。4为实现刀具的快速或自动装卸，数控机床主轴具有为实现刀具的快速或自动装卸，数控机床主轴具有特有的刀具安装结构特有的刀具安装结构 主主轴轴上上设设计计有有刀刀具具自自动动装装卸卸、主主轴轴定定向向停停止止和和主主轴轴孔孔内的切屑清除装置。内的切屑清除装置。二、数控机床主轴
8、的传动方式二、数控机床主轴的传动方式 1齿轮传动方式齿轮传动方式大、中型数控机床多采用此大、中型数控机床多采用此方式通过几对齿轮降速，方式通过几对齿轮降速，确保低速时的扭矩确保低速时的扭矩，以满足，以满足主轴输出扭矩特性的要求。主轴输出扭矩特性的要求。小小型型数数控控机机床床也也采采用用这这种种传传动动方方式式的的，以以获获得得强强力力切切削时所需要的削时所需要的扭矩。扭矩。2.带传动方式带传动方式 带传动主要应用在小型数控带传动主要应用在小型数控机床上克服齿轮传动时引起机床上克服齿轮传动时引起振动和噪声的缺点适用于低振动和噪声的缺点适用于低扭矩特扭矩特性要求性要求.数控机床上应用的带传动有数
9、控机床上应用的带传动有：多楔带又称复合三角带多楔带又称复合三角带能够满足主传动要求的高速、能够满足主传动要求的高速、大转矩和不打滑的要求。大转矩和不打滑的要求。多多楔楔带带安安装装时时需需较较大大的的张张紧紧力力，使使得得主主轴轴和和电电动动机机承受较大的径向负载，这是多承受较大的径向负载，这是多楔带的一大缺点楔带的一大缺点。同步齿形带传动。同步齿形带传动。是综合了带、链传动优点的新型传动方式是综合了带、链传动优点的新型传动方式优点优点：(1)传动效率高，可达传动效率高，可达98以上。以上。(2)无滑动，传动比准确。无滑动，传动比准确。(3)传动平稳，噪声小传动平稳，噪声小。(4)使使用用范范
10、围围较较广广，速速度度可可达达50ms，速速比比可达可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦。左右，传递功率由几瓦至数千瓦。(5)维修保养方便，不需要润滑。维修保养方便，不需要润滑。(6)安装时中心距要求严格，带与带轮制造工安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高艺较复杂，成本高。主要参数与规格主要参数与规格(1)节距节距P，相邻两齿在节线上的距离。由于强力层在工相邻两齿在节线上的距离。由于强力层在工作时长度不变，所以强力层的中心线被规定为齿形带的作时长度不变，所以强力层的中心线被规定为齿形带的节线节线(中性层中性层)，并以节线的周长，并以节线的周长L作为齿形带的公称长作为齿形带的公称
11、长度。度。(2)模数模数m 带的基本特性尺寸是模数，它是节距与带的基本特性尺寸是模数，它是节距与之比，之比，即即m=P,是齿形带尺寸计算的一个主要依据，一般是齿形带尺寸计算的一个主要依据，一般取值范围为取值范围为110mm。(3)齿形带的其他参数和尺寸齿形带的其他参数和尺寸 除了模数外，齿形带设计除了模数外，齿形带设计计算需要的其他参数还有齿数计算需要的其他参数还有齿数,宽度、齿距等宽度、齿距等.同步带的图样标注方法为：模数同步带的图样标注方法为：模数x宽度宽度x齿数齿数(mx bxz)。3调速电动机直接驱动主轴传动方式调速电动机直接驱动主轴传动方式 电电动动机机直直接接带带动动主主轴轴运运动
12、动，简简化化了了主主轴轴箱箱体体与与主主轴轴的的结结构构，有有效效地地提提高高了了主主轴轴部部件件的的刚刚度度，但但主主轴轴输输出出扭扭矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大。内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体 优优点点：主主轴轴部部件件结结构构紧紧凑凑、惯惯性性小小、重重量量轻轻，可可提提高高启动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声；启动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声；缺点缺点：是电动机运转产生的热量使主轴产生热变形是电动机运转产生的热量使主轴产生热变形。(1)如果电动机不内置，仍采用电动机通过带或
13、齿轮等如果电动机不内置，仍采用电动机通过带或齿轮等方式传动，则在高速运转条件下，由此产生的振动和方式传动，则在高速运转条件下，由此产生的振动和噪声等问题很难解决，势必影响高速加工的精度、加噪声等问题很难解决，势必影响高速加工的精度、加工表面粗糙度，并导致环境质量的恶化工表面粗糙度，并导致环境质量的恶化.(2)高速加工的最终目的是为了提高生产率，相应地要高速加工的最终目的是为了提高生产率，相应地要求在最短时间内实现高转速的速度变化，也即要求主求在最短时间内实现高转速的速度变化，也即要求主轴回转时具有极大的角加、减速度。达到这个严酷要轴回转时具有极大的角加、减速度。达到这个严酷要求的最经济的办法，
14、是将主轴传动系统的转动惯量尽求的最经济的办法，是将主轴传动系统的转动惯量尽可能地减至最小。而只有将电动机内置，省掉齿轮、可能地减至最小。而只有将电动机内置，省掉齿轮、带等一系列中间环节，才有可能达到这一目的。带等一系列中间环节，才有可能达到这一目的。n (3)电动机内置于主轴两支承之间，与用带、齿电动机内置于主轴两支承之间，与用带、齿轮等作末端传动的结构相比轮等作末端传动的结构相比,可较大地提高主可较大地提高主轴系统的刚度，也就提高了系统的固有频率，轴系统的刚度，也就提高了系统的固有频率，从而提高了其临界转速值。这样，电主轴即使从而提高了其临界转速值。这样，电主轴即使在最高转速运转时，仍可确保
15、低于其临界转速，在最高转速运转时，仍可确保低于其临界转速，保证高速回转时的安全。保证高速回转时的安全。(4)由于没有中间传动环节的外力作用，主轴高由于没有中间传动环节的外力作用，主轴高速运行没有冲击而更为平稳，使得主轴轴承寿速运行没有冲击而更为平稳，使得主轴轴承寿命相应得到延长电主轴命相应得到延长电主轴.4.两个电动机分别驱动两个电动机分别驱动三、主轴部件三、主轴部件 组成组成：主轴主轴 主轴支承主轴支承 装在主轴上的传动件装在主轴上的传动件 密封件等密封件等(一一)数控机床的主轴支承数控机床的主轴支承 1主轴轴承类型主轴轴承类型(1)滚动轴承滚动轴承 摩摩擦擦系系数数小小，能能够够预预紧紧，
16、润润滑滑维维护护简简单单。在在一一定定的的转转速范围和载荷变动速范围和载荷变动范围内能稳定地工作等特点范围内能稳定地工作等特点。噪噪声声大大，滚滚动动体体数数目目有有限限，刚刚度度变变化化大大，抗抗振振性性差差，并且限制转速并且限制转速。锥孔双列圆柱滚子轴承，内圈为锥孔双列圆柱滚子轴承，内圈为1：12的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴向移动时，内圈胀大以调整滚道的向移动时，内圈胀大以调整滚道的间隙。滚子数目多，两列滚子交错间隙。滚子数目多，两列滚子交错排列，因而承载能力大，刚性好，排列，因而承载能力大，刚性好，允许转速高。它的内、外圈均较薄，允许转速高。它的内、外圈均较薄，因此，要求主轴颈与箱体孔均有较因此，要求主轴颈与箱体孔均有较高的制造精度，以免轴颈与箱体孔高的制造精度，以免轴颈与箱体孔的形状误差使轴承滚发生畸变而影的形状误差使轴承滚发生畸变而影响主轴的旋转精度度该轴承只能承响主轴的旋转精度度该轴承只能承受径向载荷。受径向载荷。双列推力角接触球轴承双列推力角接触球轴承，接触角，接触角为为60，球径小，数目多，能承，球径小，数目多，能承 受双向轴向载荷。磨薄中间隔套
