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1、第4章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构与普通机床相比有相似之数控机床的机械结构与普通机床相比有相似之处，但其工艺特点对数控机床的机械结构提出处，但其工艺特点对数控机床的机械结构提出了更高的要求。了更高的要求。本章对数控机床机械机构的特点进行较为全面本章对数控机床机械机构的特点进行较为全面的阐述。重点对数控机床的主传动系统、导轨的阐述。重点对数控机床的主传动系统、导轨及进给传动系统进行详细介绍。及进给传动系统进行详细介绍。1数控技术及应用清华版4数控机床的机械结构4.1 数控机床机械结构的主要特点4.1.1 数控机床的主要工艺特点(1)自动化程度高、柔性好：数控机床可以自动控制各运动部件的
2、动作顺序，自动变速，以及实现多坐标联动加工，因而还能完成一般机床难以完成的复杂型面加工。当改变加工工件时，只需要改变加工程序，因此能实现单件、小批生产的加工自动化。(2)加工精度高、质量稳定：数控机床是根据数控加工程序自动进行加工的，因而可以避免人为的误差，自动保证稳定的加工精度。此外，在计算机控制的数控机床上，还可以利用软件进行精度校正和工件误差补偿，进一步提高加工精度。(3)生产效率高：数控机床采用了高转速、大进给量，有大的切削功率，可同时实现粗、精加工，加之无需工序间的检验与测量，因而生产效率可大大提高。在采用自动换刀的数控机床(加工中心)上，工序可以高度集中，工件在一次装夹后可以完成工
3、件各面的钻、铣、镗、攻螺纹等的加工，因而适合于加工表面多，相互位置精度要求高的工件，生产效率可显著提高，生产周期也可大大缩短。2数控技术及应用清华版4数控机床的机械结构4.1.2 对数控机床机械结构提出的要求数控机床的上述特点，对其机械结构数控机床的上述特点，对其机械结构提出了更高的要求，主要有以下几个提出了更高的要求，主要有以下几个方面。方面。1. 高刚度高刚度2. 高抗振性高抗振性3. 减少机床的热变形减少机床的热变形4. 提高进给运动的动态性能和定位提高进给运动的动态性能和定位精度精度3数控技术及应用清华版4数控机床的机械结构4.2 数控机床的主要组成部分及其结构简介4.2.1 数控机床
4、的主要组成部分数控机床的主要组成部分与普通机床相类似，包括以下几个组成部分：主传动系统及主轴部件使刀具(或工件)产生主切削运动。进给传动系统使工件(或刀具)产生进给运动并实现定位。基础件床身、立柱、滑座、工作台等。其他辅助装置如液压、气动、润滑、切削液等系统及装置。图4.1为一台小型立式加工中心的外形图。 4数控技术及应用清华版4数控机床的机械结构4.2.2 主传动系统及主轴部件机床的主传动系统将电动机机床的主传动系统将电动机的扭矩或功率传递给主轴部的扭矩或功率传递给主轴部件，使安装在主轴内的工件件，使安装在主轴内的工件或刀具实现主切削运动。主或刀具实现主切削运动。主传动系统和主轴部件一般都传
5、动系统和主轴部件一般都设计成一个主轴箱。设计成一个主轴箱。1. 主轴箱的机械结构加工中心的主轴箱由于要沿z轴方向运动，因此要求主传动系统的传动件尽量少、结构紧凑、运动轻便。一般采用了无级调速电动机直接带动主轴回转，或经12级变速传动主轴，图4.2为某加工中心主轴箱的机械结构图。 2. 主轴准停装置某加工中心主轴准停装置的工作原理如图4.3所示。5数控技术及应用清华版4数控机床的机械结构4.2.3 进给传动系统数控机床的进给传动系统与一般的机床有着本质上的差别，它是数控机床的进给传动系统与一般的机床有着本质上的差别，它是进给伺服系统的一个重要组成部分。由数控系统发出的速度和进给伺服系统的一个重要
6、组成部分。由数控系统发出的速度和位移指令信号经过伺服驱动装置和进给传动系统，可以使工作位移指令信号经过伺服驱动装置和进给传动系统，可以使工作台或刀架实现要求的进给运动和精确的定位，自动完成切削过台或刀架实现要求的进给运动和精确的定位，自动完成切削过程。大部分数控机床带有程。大部分数控机床带有23个直线进给运动，有的还带有圆周个直线进给运动，有的还带有圆周进给运动。典型的直线进给运动的进给系统机械结构的示意图进给运动。典型的直线进给运动的进给系统机械结构的示意图如图如图4.4所示。所示。 6数控技术及应用清华版4数控机床的机械结构4.2.4 自动换刀装置1. 简介(1)自动换刀装置应满足的要求：
7、自动换刀装置的功能就是储备一定数量的刀具，并完成在加工过程中的自动更换刀具。自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、有足够的刀具储存量、刀库体积小以及安全可靠等基本要求。(2)自动换刀装置的主要形式：各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的型式、工艺范围以及刀具的种类和数量等。 2. 刀库刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具体结构对数控机床的设计有很大影响。(1) 刀库的存储量(2) 刀库的形式(3) 选刀方法7数控技术及应用清华版4数控机床的机械结构4.3 数控机床的导轨4.3.1 对导轨的基本要求导轨应满足以下基本要求。(1) 导向精度：是指机床的运动部
8、件沿导轨移动时的直线性和它与有关基面之间相互位置的准确性。无论在空载时还是在切削加工时，导轨都应有足够的导向精度。影响导向精度的主要因素包括导轨的结构形式、导轨的制造精度和装配质量，以及导轨和基础件的刚度等。(2) 精度保持性：是指导轨在长期使用中保持导向精度的能力。导轨的耐磨性是保持精度的决定性因素，它与导轨的摩擦性质、导轨的材料等有关。除了力求减少磨损量外，还应使导轨面在磨损后能自动补偿和便于调整。(3) 低速运动平稳性：运动部件在导轨上低速运动或微量移动时，运动应平稳，无爬行现象。这一要求对数控机床尤为重要。它与导轨的结构类型、材料、润滑条件等有关。要求导轨的摩擦系数要小，以减小摩擦阻力
9、。而且动、静摩擦系数应尽量接近，同时还应有良好的阻尼特性。(4) 结构简单、工艺性好：要便于加工、装配、调整和维修。8数控技术及应用清华版4数控机床的机械结构4.3.2 导轨的分类和特点机床上常用的导轨，按其接触面间的机床上常用的导轨，按其接触面间的摩擦性质的不同，可分为以下三大类。摩擦性质的不同，可分为以下三大类。1. 滑动导轨滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性强等优点，因此在一般的机床上应用最为广泛。常用的导轨截面形状有三角形、矩形、燕尾形及圆柱形等四种，如图4.5所示。2. 滚动导轨在导轨工作面间放入滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面间成为滚动摩擦，可以大大降低摩擦系数，提高
10、运动灵敏度。3. 静压导轨静压导轨是在导轨工作面间通入具有一定压强的润滑油，使运动件浮起。导轨面间充满润滑油形成的油膜，因而始终处于纯液体摩擦状态。(1)开式静压导轨 (2)闭式静压导轨 9数控技术及应用清华版4数控机床的机械结构4.3.3 滚动导轨的结构和参数选择原则1. 滚动导轨的结构形式(1)滚珠导轨(图4.6) (2)滚柱导轨(图4.7) (3)滚针导轨 (4)直线滚动导轨块(副)组件 2. 滚动导轨的预紧预紧的方法有以下两种。(1)采用过盈配合 (2)采用调整元件 3. 滚动导轨参数选择原则(1)滚动体尺寸和数目的选择 (2)滚动导轨的长度 4. 滚动导轨的计算滚动导轨的计算主要应对
11、滚动体的承载能力进行计算，精密机床还要验算导轨的刚度，使其在机床精度允许的范围内。10数控技术及应用清华版4数控机床的机械结构4.4 进给系统的机械传动机构4.4.1 对进给系统的机械传动机构的要求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变为工作台或刀架的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)等以及它们的支承部件(轴承座等)。 1. 高传动刚度高传动刚度 2. 高谐振高谐振3. 低摩擦低摩擦4. 低惯量低惯量5. 无间隙无间隙11数控技术及应用清华版4数控机床的机械结构4.4.2 滚珠丝杠螺母副1. 工作原理和特点2. 结构类型3. 滚珠丝杠副的支撑方式4
12、. 滚珠丝杠螺母副的选用5. 滚珠丝杠副的计算12数控技术及应用清华版4数控机床的机械结构4.4.3 齿轮传动副的消隙措施数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副来达到一定的降数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求。由于齿轮制造中不可能达到理想齿面的要求，总是速比要求。由于齿轮制造中不可能达到理想齿面的要求，总是存在着一定的误差，因此，一对啮合着的齿轮，总要有一定的存在着一定的误差，因此，一对啮合着的齿轮，总要有一定的齿侧间隙才能正常地工作。但是，齿侧间隙会造成进给系统的齿侧间隙才能正常地工作。但是，齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量，对闭环系统来说，齿侧间隙也会影响系
13、统的稳定反向失动量，对闭环系统来说，齿侧间隙也会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用以下消除侧隙的措施，以尽量减性。因此，齿轮传动副常采用以下消除侧隙的措施，以尽量减小齿侧间隙。小齿侧间隙。1. 刚性调整法刚性调整法(1)偏心轴套调整法 (2)轴向垫片调整法 (3)双薄片齿轮垫片调整法 2. 柔性调整法柔性调整法这种调整法一般都采用调整弹簧弹力的方法消除齿侧间隙。因而调整之后齿侧间隙仍可自动补偿。在齿轮的齿厚和周节有变化的情况下，也能保持无间隙啮合。但这种调整法结构较复杂，传动刚度低，传动平稳性也差。13数控技术及应用清华版4数控机床的机械结构4.5 习 题(1) 数控机床的机械结构与一般
14、机床相比，在哪些方面数控机床的机械结构与一般机床相比，在哪些方面提出了更高的要求？为什么？提出了更高的要求？为什么？(2) 机床的主传动系统和主轴部件的功能是什么？对加机床的主传动系统和主轴部件的功能是什么？对加工中心的主传动系统和主轴部件提出了哪些要求？工中心的主传动系统和主轴部件提出了哪些要求？(3) 数控机床的进给传动系统的功能是什么？典型的直数控机床的进给传动系统的功能是什么？典型的直线进给传动系统是由哪些部分组成的？线进给传动系统是由哪些部分组成的？ (4) 数控机床常用的导轨有哪几类？各有什么特点？数控机床常用的导轨有哪几类？各有什么特点？ (5) 为什么数控机床广泛采用滚动导轨？
15、为什么数控机床广泛采用滚动导轨？(6) 滚动导轨按照滚动体的不同分成哪几种？各适用于滚动导轨按照滚动体的不同分成哪几种？各适用于什么场合？什么场合？(7) 滚动导轨为什么要进行预紧？如何进行预紧？预紧滚动导轨为什么要进行预紧？如何进行预紧？预紧力过大时，会带来什么问题？力过大时，会带来什么问题？14数控技术及应用清华版4数控机床的机械结构4.5 习 题(8)滚动导轨中滚动体的尺寸和数目选择的一般原则是什么？滚动导轨中滚动体的尺寸和数目选择的一般原则是什么？(9)对滚动体承载能力的计算中，若不能满足要求时，应如何处理？对滚动体承载能力的计算中，若不能满足要求时，应如何处理？(10) 为什么对进给
16、系统的机械传动机构提出了为什么对进给系统的机械传动机构提出了“高传动刚度、高谐振、低高传动刚度、高谐振、低摩擦、低惯量、无间隙摩擦、低惯量、无间隙”的要求？如何才能达到要求？的要求？如何才能达到要求？(11) 为什么在数控机床的进给系统中，普遍采用滚珠丝杠副？为什么在数控机床的进给系统中，普遍采用滚珠丝杠副？(12) 比较滚珠丝杠副中滚珠的两种不同循环方式的结构区别和特点，各适比较滚珠丝杠副中滚珠的两种不同循环方式的结构区别和特点，各适用于何种用于何种 场合？场合？(13) 滚珠丝杠副为什么要预紧？常用的预紧方式有哪几种？它们之间有何滚珠丝杠副为什么要预紧？常用的预紧方式有哪几种？它们之间有何
17、区别？区别？(14) 滚珠丝杠副的支撑方式有哪几种？它们之间有什么区别？各适用于何滚珠丝杠副的支撑方式有哪几种？它们之间有什么区别？各适用于何种场合？种场合？(15) 滚珠丝杠副的主要技术参数有哪几项？它们的一般选用原则是什么？滚珠丝杠副的主要技术参数有哪几项？它们的一般选用原则是什么？(16) 选用滚珠丝杠副时，要进行哪些计算？进行各项计算的目的是什么？选用滚珠丝杠副时，要进行哪些计算？进行各项计算的目的是什么？(17) 齿轮传动副实现消隙的方法有哪几种？刚性调整法和柔性调整法各有齿轮传动副实现消隙的方法有哪几种？刚性调整法和柔性调整法各有什么特点？什么特点？15数控技术及应用清华版4数控机床的机械结构
