第四章数控机床机械结构与特点ppt课件.ppt

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1、第4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(1)机床基础部件，如床身、立柱、工作台等；(2)主传动系统；(3)进给传动系统；(4)实现某些辅助动作和辅助功能的系统和装置如液压、气动、润滑、冷却等系统及排屑、防护装置和刀架、自动换刀装置；5)工件实现回转、定位的装置及附件，如数控回转工作台；(6)特殊功能装置，如监控装置、加工过程图形显示、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CNC技术的发展，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构的改进，逐步发展到形成数控机床的独特的机械结构

2、。,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 数控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2高灵敏度 运动部件具有高高灵敏度 方法：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象。由电动机驱动滚珠丝杠或静压丝杠带动数控机床的工作台、刀架等部件的移动。主轴多数采用滚动轴承和静压轴承。,3热变形小 机床的主轴、工作台、刀架等运动部件的发热量要小，以防止产生热变形。立柱一般采取双壁框式结构，在提高刚度的同时使零件结构对称，防止因热变形而产生倾斜偏移。通常采用恒温冷却装置，减少主轴轴承在运转中产生的热量。为减少电

3、动机运转发热的影响，在电动机上安装有散热装置和热管消热装置。,4高精度保持性 防止使用中的变形和快速磨损 采取措施：淬火、磨削导轨、粘贴抗磨塑 料导轨等，以提高运动部件的耐磨性。5高可靠性 6工艺复合化和功能集成化,第二节 数控机床主传动系统,一、数控机床主传动系统的特点 主轴部件的刚度、精度、抗振性和热变形直接影响加工零件的精度和表面质量。主运动的转速高低及范围、传递功率大小和动力特性，决定了数控机床的切削加工效率和加工工艺能力。主传动系统的特点：1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 主轴转速比同类型普通机床主轴最高转速高出两倍左右。,2主轴部件

4、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，包括粗加工和精加工。提高效率的强力切削 在加工过程中机床是在程序控制下自动运行的，更需要主轴部件刚度和精度有较大裕量，从而保证数控机床使用过程中的可靠性。3良好的抗振性和热稳定性 主轴部件要有较高的固有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑。,4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 主轴上设计有刀具自动装卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。二、数控机床主轴的传动方式 1齿轮传动方式大、中型数控机床多采用此方式通过几对齿轮降速，确保低速时的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。,

5、小型数控机床也采用这种传动方式的，以获得强力切削时所需要的扭矩。2.带传动方式 带传动主要应用在小型数控机床上克服齿轮传动时引起振动和噪声的缺点适用于低扭矩特性要求.,数控机床上应用的带传动有：多楔带又称复合三角带能够满足主传动要求的高速、大转矩和不打滑的要求。多楔带安装时需较大的张紧力，使得主轴和电动机承受较大的径向负载，这是多楔带的一大缺点。,同步齿形带传动。是综合了带、链传动优点的新型传动方式,优点：(1)传动效率高，可达98以上。(2)无滑动，传动比准确。(3)传动平稳，噪声小。(4)使用范围较广，速度可达50ms，速比可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦。(5)维修保养方便，不需要润

6、滑。(6)安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。,主要参数与规格(1)节距P，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节线(中性层)，并以节线的周长L作为齿形带的公称长度。(2)模数m 带的基本特性尺寸是模数，它是节距与之比，即m=P,是齿形带尺寸计算的一个主要依据，一般取值范围为110mm。(3)齿形带的其他参数和尺寸 除了模数外，齿形带设计计算需要的其他参数还有齿数,宽度、齿距等.同步带的图样标注方法为：模数x宽度x齿数(mx bxz)。,3调速电动机直接驱动主轴传动方式 电动机直接带动主轴运动，简化了主轴箱体与主轴的结构，有效

7、地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，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 优点：主轴部件结构紧凑、惯性小、重量轻，可提高启动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声；缺点：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齿轮等方式传动，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。达到这个严酷要求的最经济的办法，是将主

8、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、带等一系列中间环节，才有可能达到这一目的。,(3)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,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，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，仍可确保低于其临界转速，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.,4.两个电动机分别驱动,三、主轴部件 组成：主轴 主轴支承 装在主轴上的传动件 密封件等(一)数控机床的主轴支承 1主轴轴承类型(1)滚动轴承 摩擦系数

9、小，能够预紧，润滑维护简单。在一定的转速范围和载荷变动范围内能稳定地工作等特点。噪声大，滚动体数目有限，刚度变化大，抗振性差，并且限制转速。,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，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受径向载荷。,双列推力角接触球轴承，接触角为60，球径小，数目多，能承 受双向轴向载荷。磨薄中间隔套，可以调整间隙或预紧，轴向刚度较高，允许转速高。该轴承

10、一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承，并将其外圈外径作成负偏差，保证只承受轴向载荷。,双列圆锥滚子轴承，它有一个公用外圈和两个内圈，由外圈的凸 肩在箱体上进行轴向定位，箱体孔可以镗成通孔。薄的中间隔套可以调整间隙或预紧，两列滚子的数目相差一个，能使振动频率不一致，明显改善了轴承的动态性。这种轴承能同时承受径向和轴向载荷，通常用作主轴的前支承。,一般数控机床的主轴轴承可以使用滚动轴承，特别是立式主轴和装在套筒内能作轴向移动的主轴。为了适应主轴高速发展的要求，滚动轴承的滚珠可采用陶瓷滚珠。(2)静压滑动轴承 静压滑动轴承的油膜压强由液压缸从外界供给，与主轴转速的高低无关，承载能力不随转速而变

11、化，而且无磨损，启动和运转时摩擦力矩相同。所以静压轴承的回转精度高，刚度大。但静压轴承需要一套液压装置，成本较高，污染大。,2主轴轴承的配置,(1)图26a所示的结构配置形式是现代数控机床主轴结构中刚性最好的一种。它使主轴的综合刚度得到大幅度提高，可以满足强力切削的要求，所以目前各类数控机床的主轴普遍采用这种配置形式。,(2)前支承采用3个超精密级角接触球轴承组合方式，具有较好的高速性能。后支承结构有采用2个角接触球轴承支承的，见图26b，也有用一个圆柱滚子轴承支承的，吸收热膨胀量的能力，适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。,(3)圆锥滚子轴承，见图26c。这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重

12、载荷，尤其能承受较大的动载荷，安装与调整性能好。但是这种轴承配置方式限制了主轴的最高转速和精度 适用：中等精度、低速与重载的数控机床主轴。,(补)主轴端部的结构形状设计要求：保证定位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。,图为车床主轴端部，卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端面定位，用拨销传递转矩，卡盘装有固定螺栓，卡盘装于主轴端部时，螺栓从凸缘上的孔中穿过，转动快卸卡板将数个螺栓同时栓住，再拧紧螺母将卡盘固牢在主轴端部。主轴为空心，前端有莫氏锥度孔，用以安装顶尖或心轴。,图为铣、镗类机床的主轴端部，铣刀或刀杆在前端7：24的锥孔内定位，并用拉杆从主轴后端拉紧，而且由前端的端面键传递

13、转矩。,左图为外圆磨床砂轮主轴的端部,下图为钻床与普通镗杆端部,3主轴轴承的装配 采用选配定向法：尽可能使主轴支承孔与主轴轴颈的偏心量和轴承内圈与滚道的偏心量接近，并使其方向相反。可提高主轴组件的精度。维修作记号法：机床拆装主轴轴承时，因原生产厂家已调整好轴承的偏心位置，所以要在拆卸前做好周向位置记号。,（说明）,为提高主轴组件刚度，数控机床还常采用三支承主轴组件。尤其是前后轴承间跨距较大的数控机床，采用辅助支承可以有效地减少主轴弯曲变形。三支承主轴结构中，一个支承为辅助支承，辅助支承可以选为中间支承，也可以选为后支承。辅助支承在径向要保留必要的游隙，避免由于主轴安装轴承处轴径和箱体安装轴承处

14、孔的制造误差(主要是同轴度误差)造成的干涉。辅助支承常采用深沟球轴承。液体静压轴承和动压轴承主要应用在主轴高转速、高回转精度的场合，如应用于精密、超精密数控机床主轴，数控磨床主轴。对于要求更高转速的主轴，可以采用空气静压轴承，这种轴承可达每分钟几万转的转速，并有非常高的回转精度。,4滚动轴承的间隙与预紧所谓轴承预紧，就是使轴承滚道预先承受一定的载荷，不仅能消除间隙而且还使滚动体与滚道之间发生一定的变形，从而使接触面积增大，轴承受力时变形减少，抵抗变形的能力增大。因此，对主轴滚动轴承进行预紧和合理选择预紧量，可以提高主轴部件的旋转精度、刚度和抗振性，机床主轴部件在装配时要对轴承进行预紧，使用一段

15、时间以后，间隙或过盈有了变化，还得重新调整，所以要求预紧结构便于进行调整。滚动轴承间隙的调整或预紧，通常是使轴承内、外圈相对轴向移动来实现的。常用的方法有以下几种,预紧目的：使滚动体与内外圈滚道在接触处产生预变形，使受载后承载的滚动体数量增多，受力趋向均匀，从而提高承载能力和刚度，有利于减少主轴回转轴线的漂移，提高旋转精度。(1)轴承内圈移动,(2)修磨座圈或隔套,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

16、理后硬度为22-28HRC；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850-1000HV。,（三）主轴上刀具自动夹紧和切屑清除,.数控机床进给传动系统,一、数控机床对进给传动系统的要求 进给传动系统承担了数控机床各直线坐标轴、回转坐标轴的定位和切削进给。进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精度。要求

17、：长寿命、高刚度、无传动间隙、高灵敏度、低摩擦阻力采用滚动导轨、静压导轨 广泛应用滚珠丝杠螺母副,各种机械部件首先保证它们的加工精度，其次采用合理的预紧来消除轴向传动间隙 在进给系统反向运动时仍然由数控装置发出脉冲指令进行自动补偿。数控机床进给传动系统的主要机电部件有：伺服电动机、检测元件、联轴节、减速机构(齿轮副和带轮)、滚珠丝杠螺母副(或齿轮齿条副)、丝杠轴承、运动部件(工作台、导轨、主轴箱、滑座、横梁和立柱)等。,.滚珠丝杠螺母副(一)滚珠丝杠螺母副的特点,滚珠丝杠工作原理内循环外循环列：钢珠每一个循环闭路称为列圈数：每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列

18、、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈。外循环每列有1。5圈，25圈，35圈等几种，剩下的半圈作回珠用。,特点：1摩擦损失小，传动效率高2传动灵敏，运动平稳，低速时无爬行3使用寿命长4轴向刚度高5具有传动的可逆性6不能实现自锁7制造工艺复杂，成本高,(二)滚珠丝杠螺母副间隙的调整 轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动量。除了结构本身所有的游隙之外，还包括施加轴向载荷后产生弹性变形所造成的轴向窜动量。目的：消除间隙，保证反向传动精度。方法：双螺母预紧预紧是指它在过盈的条件下工作，把弹性变形量控制在最小限度。,用双螺母加预紧力消除轴向间隙时，必须注意：预紧力也不宜过

19、大、过小要特别减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙。常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式：垫片预紧方式螺纹预紧方式齿差预紧方式等。,垫片预紧方式通过调整垫片的厚度使左、右螺母产生轴向位移，就可达到消除间隙和产生预紧力的作用 简单、刚性好、装卸方便、可靠 调整困难，调整精度不高,螺纹预紧方式用键限制螺母在螺母座内的转动。调整时，拧动圆螺母将螺母沿轴向移动一定距离，在消除间隙之后用圆螺母将其锁紧。简单紧凑，调整方便，但调整精度较差，且易于松动,齿差预紧方式螺母1和2的凸缘上各制有一个圆柱外齿轮，两个齿轮的齿数相差一个齿，两个内齿圈3和4与外齿轮齿数分别相同，并用预紧螺钉和销钉固定在螺母座的两端。调整时先

20、将内齿圈取下，根据间隙的大小调整两个螺母1、2分别向相同的方向转过一个或多个齿，使两个螺母在轴向移近了相应的距离达到调整间隙和预紧的目的。,(三)滚珠丝杠螺母副的结构形式结构形式：按螺旋滚道法向截面形状：单圆弧型和双圆弧型按滚珠循环方式：内循环式和外循环式按消除轴向间隙和调整预紧方式的不同分：垫片预紧方式、螺纹预紧方式和齿差预紧按用途分：定位滚珠丝杠副(P类)、传动滚珠丝杠副(T类)两类。数控机床进给运动采用P类。,滚道半径R稍大于滚珠半径rb,接触角随初始间隙和轴向载荷大小而变化。当增大后，轴向刚度、传动效率随之增大。为保证=45，必须严格控制径向间隙 单圆弧型 为消除轴向间隙和调整预紧，必

21、须采用双螺母结构 双圆弧型 滚道由半径R稍大于滚珠半径rb的对称双圆弧组成。理论上轴向和径向间隙为零，接触角=45是恒定的。,消除轴向间隙和调整预紧，不仅可以采用双螺母结构，也可以采用增大滚珠直径的单螺母结构。(四)滚珠丝杠螺母副的主要参数及代号1、滚珠丝杠螺母副的主要参数(1)公称直径dm即滚珠丝杠的名义直径。滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时，包络滚珠球心的圆柱直径是滚珠丝杠螺母副的特征尺寸。名义直径与承载能力有直接关系，dm越大，承载能力和刚度越大。,(2)公称导程 公称导程是丝杠相对于螺母旋转一圈时，螺母上基准点的轴向位移。导程的大小是根据机床的加工精度要求确定的。导程过小势必使滚珠直径

22、变小，滚珠丝杠螺母副的承载能力亦随之减小。2精度等级滚珠丝杠螺母副按其使用范围及要求分为7个精度等级。精度等级 为1、2、3、4、5、7、101级精度最高，其余依次逐级递减。数控机床和精密机械可选用2、3级精度。,3滚珠丝杠螺母副代号的标注 采用汉语拼音字母、数字及汉字结合标注法,例如CDM601235P4C表示外循环插管式，D表示垫片预紧M表示回珠管埋入式公称直径为60 mm，导程为12mm，螺纹旋向为右旋，负荷钢球圈数为35圈，定位滚珠丝杠，精度等级为4级。,(五)滚珠丝杠螺母副的支承 滚珠丝杠主要承受轴向载荷，它的径向载荷主要是卧式丝杠的自重。一端固定一端自由：图a所示是一端固定一端自由

23、的支承形式。特点：结构简单，轴向刚度低适用：短丝杠及垂直布置丝杠,一般用于数控机床的调整环节和升降台式数控铣床的垂直坐标轴,一端固定一端浮动：图b所示是一端固定一端浮动的支承形式，丝杠轴向刚度与图a形式相同，丝杠受热后有膨胀伸长的余地，需保证螺母与两支承同轴。这种形式的配置结构较复杂，工艺较困难，适用于较长丝杠或卧式丝杠。,两端固定：图c所示是两端固定的支承形式，丝杠的轴向刚度约为一端固定形式的4倍，可预拉伸，这样既可对滚珠丝杠施加预紧力，又可使丝杠受热变形得到补偿，保持恒定预紧力，但结构工艺都较复杂。适用于长丝杠,(六)滚珠丝杠螺母副的密封与润滑1密封通常滚珠丝杠副可用防尘密封圈和防护套密封

24、，密封圈有接触式和非接触式两种，装在滚珠螺母的两端。防护套可防止尘土及杂质进入滚珠丝杠，一端连接在滚珠螺母的端面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。2润滑 常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在安装过程中放进滚珠螺母的滚道内，定期润滑。使用润滑油时应注意要经常通过注油孔注油。,滚珠丝杠螺母副结构的选择方法1滚珠丝杠螺母副结构的选择允许间隙存在(如垂直运动)时，可选用具有单圆弧型螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；如果必须有预紧，并在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具备良好的防尘条件，只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构

25、；,2滚珠丝杠螺母副结构尺寸的选择 公称直径应根据轴向最大工作载荷，按滚珠丝杠副的尺寸系列选择。在允许的情况下螺纹长度要尽量短。导程(或螺距)应按承载能力、传动精度及传动速度选取。3滚珠丝杠螺母副的选择步骤(1)最大的工作载荷。(2)最大动载荷。对于静态或低速运转的滚珠丝杠，还需考虑最大静载荷是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷。(3)刚度的验算。(4)压杆稳定性核算。,四、传动齿轮间隙消除机构(一)直齿圆柱齿轮传动间隙的调整1偏心套调整只能补偿齿厚误差与中心距误差引起的齿侧间隙，不能补偿偏心误差引起的齿侧间隙。,2垫片调整 调整两齿轮在轴向的相对位置即可达到消除齿侧间隙的目的。上述两种方法的特

26、点尽管结构比较简单，传动刚度好，能传递较大的动力，但齿轮磨损后齿侧间隙不能自动补偿。属刚性调整。,3双齿轮错齿调整这种调整法结构较复杂，传动刚度低，不宜传递大扭矩，对齿轮的齿厚和齿距要求较低，可始终保持啮合无间隙，尤其适用于检测装置。,(二)斜齿圆柱齿轮传动间隙的消除1轴向垫片调整2轴向压簧调整,(三)锥齿轮传动间隙的消除1.周向压簧调整 2.轴向压簧调整,.导轨 数控机床对于导轨有着更高的要求：如高速进给时不振动低速进给时不爬行有高的灵敏度能在重载下长期连续工作耐磨性好，精度保持性好与支承件连成一体固定不动的导轨称为静(支承)导轨,与运动部件连成一体的导轨称为动导轨,(一)导轨的类型和要求1

27、导轨的类型按运动部件的运动轨迹分：直线运动导轨和圆周运动导轨按导轨接合面的摩擦性分：滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。滑动导轨分：普通滑动导轨-金属与金属相摩擦，摩擦系数大，一般在普通机床上，塑料滑动导轨-塑料与金属相摩擦，导轨的滑动性好，在数控机床上广泛采用静压导轨,根据介质的不同又可分为液压导轨和气压导轨。,2滑动导轨的要求(1)高的导向精度(2)良好的耐磨性(3)足够的刚度(4)具有低速运动的平稳性-运动部件在导轨上低速移动时，不应发生“爬行”的现象。(二)滑动导轨1滑动导轨的结构 矩形导轨承载能力大，制造简单，水平方向和垂直方向上的位置精度互不相关。侧面间隙不能自动补偿，必须设置间隙调整机

28、构。,三角形导轨的三角形截面有两个导向面，同时控制垂直方向和水平方向的导向精度。这种导轨在载荷的作用下能自行补偿而消除间隙，导向精度较其他导轨高。,燕尾槽导轨的高度值最小，能承受颠覆力矩，摩擦阻力也较大。圆柱形导轨制造容易，磨损后调整间隙较困难。,导轨的截面形状有凸形(上图)和凹形(下图)两类。凹形导轨容易存油，但也容易积存切屑和尘粒，因此适用于防护良好的环境。凸形导轨需要良好的润滑条件数控机床上滑动导轨的主要组合方式为：三角形一矩形式和矩形一矩形式2滑动导轨的材料导轨材料主要有：铸铁、钢、塑料以及有色金属 目前常采用的一种导轨(数控机床)材料为金属和塑料的滑动导轨，称为塑料导轨(贴塑导轨),

29、其形式主要有塑料导轨板和塑料导轨软带两种。,近年来国内已研制了数十种塑料基体的复合材料用于机床导轨，其中比较引人注目的为应用较广的填充PTEE（聚四氟乙烯）软带材料，例如美国霞板（Shanban）公司的得尔塞（Turcite-B）塑料导轨软带及我国的TSF软带。Turcite-B自润滑复合材料是在聚四氟乙烯中填充50%的青铜粉，据称还加有二硫化钼、玻璃纤维和氧化物制成带状复合材料。具有优异的减磨、抗咬伤性能，不会损坏配合面，吸振性能好，低速无爬行，并可在干摩擦下工作。,塑料导轨(贴塑导轨)特点：刚度好动、静摩擦系数差值小耐磨性好，使用寿命为普通铸铁导轨的810倍无爬行减振性好,(三)滚动导轨

30、滚动导轨是在导轨工作面之间安排滚动件，使两导轨面之间形成滚动摩擦。低速运动平稳性好，移动精度和定位精度高。滚动导轨的抗振性比滑动导轨差，结构复杂，对脏物也较为敏感，需要良好的防护。1直线滚动导轨 直线滚动导轨又称单元直线滚动导轨，它主要由导轨体、滑块、滚珠、保持架、端盖等组成，导轨体固定在不动部件上，滑块固定在运动部件上。,直线滚动导轨除导向外还能承受颠覆力矩，它具有制造精度高，可高速运行，并能长时间保持高精度的优点。通过预加负载可提高其刚性，且具有自调的能力，安装基面的许用误差大。2.滚动导轨块用滚动体进行循环运动，滚动体为滚珠或滚柱，承载能力和刚度都比直线滚动导轨高，但摩擦系数略大。多用于

31、中等载荷的导轨。,(四)液体静压导轨液体静压导轨(简称静压导轨)是机床上经常使用的一种液压导轨。静压导轨通常在两个相对运动的导轨面间通入压力油，使运动件浮起。在工作过程中，导轨面上油腔中的油压能随外加负载的变化自动调节，保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态。摩擦系数极小，功率消耗少。这种导轨不会磨损，因而导轨的精度保持性好，寿命长。制造成本较高。目前静压导轨一般应用在大型、重型数控机床上。,静压导轨分类:1.按导轨的形式可分为开式和闭式两种数控机床上常采用闭式静压导轨。2.按供油方式又可分为恒压(即定压)供油和恒流(即定量)供油两种。(五)导轨的润滑与防护导轨润滑的目的:减少摩擦阻力和摩擦磨损，

32、避免低速爬行，降低高速时的温升。方式：常用压力循环润滑 定时定量润滑,数控机床上滑动导轨的润滑主要采用压力润滑。导轨的防护目的：防止或减少导轨副磨损，延长导轨寿命的重要方法一。防护装置有刮板式、卷帘式和伸缩式等数控机床上大多采用伸缩式防护罩。,6.4 数控机床的自动换刀装置,6.4.1 自动换刀装置的形式1 回转刀架自动换刀装置数控机床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置。根据不同的适用对象，刀架可设计为四方形、六角形或其他形式。回转刀架可分别安装四把、六把以及更多的刀具，并按数控装置发出的脉冲指令回转、换刀。,图6-19 为CK7815型数控车床自动回转刀架。其工作原理如下：当电动机1

33、1通电时，尾部的电磁制动器在 30 ms以后松开，电动机开始转动，通过齿轮10、9、8带动蜗杆7旋转，从而使蜗轮5转动。蜗轮内孔有螺纹，与轴6上的螺纹配合。这时轴6不能回转，当蜗轮转动时，使得轴6沿轴向向左移动，因为刀架1与轴6、活动鼠牙盘2是固定在一起的，所以刀盘和鼠牙盘也向左移动，鼠牙盘2和3脱开。在轴6上有两个对称槽，内装滑块4，在鼠牙盘脱开后，蜗轮转到一定角度与蜗轮固定在一起的圆盘14上的凸起便碰到滑块4，蜗轮便通过14上的凸块带动滑块4，连同轴6、刀盘一起进行转位。,当转到要求位置之后，刷形选位器发出信号，使电动机反转，圆盘14上的凸块与滑块脱离，不再带动轴6转动，蜗轮与轴6上的螺纹

34、使轴6右移，鼠牙盘2、3结合定位，电磁制动器通电，维持电动机轴上的反转力矩，以保证鼠牙盘之间有一定的压紧力。最后电动机断电，同时轴6右端的小轴13压下微动开关12，发出转位结束信号。刀架的选位由刷形选位器进行选位。松开、夹紧位置检测则由微动开关12实行。整个刀架是一个纯电器系统，结构简单。,图 6-19 数控车床自动回转刀架,2 转塔式自动换刀装置在带有旋转刀具的数控机床中，转塔刀具上装有主轴头。主轴头通常有卧式和立式两种，常用转塔的转位来更换主轴头以实现自动换刀。它是一种比较简单的换刀方式，各个主轴头上预先装有各工序加工所需要的旋转刀具，当收到换刀指令时，各主轴头依次转到加工位置，并接通主运

35、动使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开，如图6-20所示为转塔头式自动换刀数控机床，它有装八把刀具且绕水平轴转位的转塔式自动换刀装置。转塔式换刀装置的主要优点是省去了自动松夹、卸刀装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，减少了换刀时间，提高了换刀的可靠性。但是，由于结构上的原因和空间位置的限制，主轴部件的刚性差且主轴的数目不可能太多。因此，它通常只适用于工序较少、精度要求不太高的数控钻床。,图6-20 转塔头式自动换刀数控机床,3 带刀库的自动换刀装置,1）无机械手交换刀具方式 无机械手的换刀系统一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，同时，刀库中刀具的存

36、放方向一般与主轴上的装刀方向一致。换刀时，由主轴运动到刀库上的换刀位置，利用主轴直接取走或放回刀具。图6-21是一种卧式加工中心无机械手换刀系统的换刀过程。,图6-21 无机械手换刀过程(a)主轴定位；(b)松开刀具夹紧装置；(c)拔出刀具；(d)转位、清洁；(e)夹紧刀具；(f)主轴回原位,(1)如图6-21(a)所示，主轴准确定位，主轴箱上升。(2)如图6-21(b)所示，当主轴箱上升到顶部换刀位置时，刀具进入刀库的交换位置并固定，主轴上的刀具自动夹紧装置松开。(3)如图6-21(c)所示,刀库前移从主轴孔中将需要更换的刀具拔出来。(4)如图6-21(d)所示，刀库转位，根据程序指令将下一

37、工步加工所需要的刀具前移到换刀的位置，同时主轴孔的清洁装置将主轴上的刀具孔清洁干净。(5)如图6-21(e)所示，刀库后退将所选用的刀具插入主轴孔内，主轴上的刀具夹紧装置把刀具夹紧。(6)如图6-21(f)所示，主轴箱下降回落到工作位置，准备进行下一步的工作。,2）带机械手交换刀具方式 采用机械手进行刀具交换方式在加工中心中应用最为广泛。机械手是当主轴上的刀具完成一个工步后，把这一工步的刀具送回刀库，并把下一工步所需要的刀具从刀库中取出来装入主轴继续进行加工的功能部件。对机械手的具体要求是迅速可靠，准确协调。由于不同的加工中心所使用的换刀机械手也不尽相同。从手臂的类型来看，有单臂、双臂机械手。

38、,(1)图(a)是单臂单爪回转式机械手，带一个夹爪的手臂可自由回转，装刀卸刀均靠这个夹爪进行，因此换刀时间较长。,(2)图6-22(b)是单臂双爪摆动式机械手，手臂上的一个夹爪只完成从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务，而另一个夹爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务，其换刀时间较单爪回转式机械手要短。,(3)图6-22(c)是双臂回转式机械手，手臂两端各有一个夹爪，能够同时完成“抓刀拔刀回转插刀返回”等一系列动作。为了防止刀具掉落，各机械手的活动爪都带有自锁机构。由于双臂回转机械手的动作比较简单，而且能够同时抓取和装卸机床主轴和刀库中的刀具，因此换刀时间可进一步缩短，是最常用的一种形式。(c

39、)图右边的机械手在抓取刀具或将刀具送入刀库主轴时，其两臂可伸缩。,(4)图6-22(d)是双机械手，相当于两个单臂单爪机械手，它们相互配合完成自动换刀动作。,(5)图6-22(e)是双臂往复交叉式机械手。这种机械手的两臂可以进行往复运动，并交叉成一定的角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库中取出“新刀”装入主轴，整个机械手可沿某导轨直线移动或围绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴间的换刀动作。,(6)图6-22(f)是双臂端面夹紧式机械手。它的特点是靠夹紧刀柄的两个端面来抓取刀具，而其他机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面抓取刀具。,6.4.2 刀库1 刀库的类型按刀库的结构形式可分

40、为圆盘式刀库、链式刀库和箱型式刀库。圆盘式刀库见图 6-23，其结构简单，应用也较多。但因刀具采用单环排列，空间利用率低，因此出现了将刀具在盘中采用双环或多环排列的形式，以增加空间利用率。但这样使刀库的外径扩大，转动惯量也增大，选刀时间也增长，所以，圆盘式刀库一般用于刀具容量较小的刀库。链式刀库如图6-24所示，它适用于刀库容量较大的场合。链的形状可以根据机床的布局配置，也可将换刀位突出以利于换刀。当需要增加链式刀库的刀具容量时，只需增加链条的长度，在一定范围内，无需变更刀库的线速度及惯量。,一般刀具数量为30120把时都采用链式刀库。箱型式刀库的结构也比较简单，有箱型和线型两种，如图6-25

41、、6-26所示。箱型刀库一般容量比较大，刀库的空间利用率较高，换刀时间较长，往往用于加工单元式加工中心。线型刀库容量小，一般在十几把刀左右，多用于自动换刀的数控车床，数控钻床也有采用。另外，按设置部位的不同，刀库可以分为顶置式、侧置式、悬挂式和落地式等多种类型。按交换刀具还是交换主轴，刀库可分为普通刀库（简称刀库）和主轴箱刀库。,图 6-23 圆盘式刀库,图 6-24 链式刀库 单环链式；(b)多环链式,图 6-25 箱型刀库,图 6-26 线型刀库,2 刀库的容量所谓刀库的容量是指刀库能存放的刀具数量。确定刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要。对若干种工件进行分析表明，各种加工所必需的刀具数量

42、是：4把铣刀可完成工件95%左右的铣削工艺，10把孔加工刀具可完成70%的钻削工艺，因此14把刀的容量就可完成70%以上工件的钻铣工艺。如果从完成工件的全部加工所需的刀具数目统计，则80%的工件（中等尺寸，一般复杂程度）完成全部加工任务所需的刀具数为40种以下。所以对于一般的中、小型立式加工中心，配有1440把刀具的刀库就能够满足70%95%的工件加工需要。,3 刀具的选择方式目前，刀具的选择方式主要有：顺序选刀方式、固定地址选刀方式和任意选刀方式。(1）顺序选刀方式。选用刀具按顺序进行，在每次换刀时，刀库转过一个刀具的位置。这种选刀方式的控制过程简单，但要求加工前严格按加工顺序将各刀具顺次插

43、入刀座。采用顺序选刀方式时，为某一工件准备的刀具不能用于其他工件的加工。,(2）固定地址选刀方式。又称为刀座编码方式，这种方式对刀库的刀座进行编码，并将与刀座编码相对应的刀具一一放入指定的刀座中，然后根据刀座的编码选取刀具。该方式可使刀柄结构简化，但刀具不能任意排放，一定要插入对应的刀座中。与顺序选择方式相比较，刀座编码方式的刀具在加工过程中可以重复使用。,(3)任意选刀方式。又称为刀具编码方式，刀具的编码直接编在刀柄上，供选刀时识别，而与刀座无关。刀具可以放入刀库中的任一刀座，在换刀时可以把卸下的刀具就近安放。这种方法简化了加工前的刀具准备工作，也减少了选刀失误的可能性，是目前采用较多的一种

44、方式。刀库选刀方式一般采用就近移动原则，即无论采取哪种选刀方式，在根据程序指令把下一工序要用的刀具移到换刀位置时，都要向距离换刀最近的方向移动，以节省选刀时间。,五、回转进给系统分度工作台、数控回转工作台功能：分度工作台只是将工件分度转位，实现分别加工工件的各个表面的目的。数控回转工作台除了分度和转位的功能之外，还能实现圆周进给运动。两者区别：是否能实现圆周进给运动,1分度工作台 分度工作台是按照数控系统的指令，在需要分度时工作台连同工件按规定的角度回转，有时也可采用手动分度。只能够完成分度运动而不能实现圆周运动。只能完成一定的回转度数。分度工作台是按照数控系统的指令，在需要分度时,工作台连同

45、工件按规定的角度回转，有时也可采用手动分度。分度工作台只能够完成分度运动，而不能实现圆周运动，并且它的分度运动只能回转规定的角度（如90、60或45等）。,数控机床中，分度工作台按定位机构不同，分为定位销式和鼠牙盘式。鼠齿盘式分度工作台结构如图6-27所示，它主要由工作台面底座、夹紧液压缸、分度液压缸和鼠牙盘等零件组成。鼠牙盘是保证分度精度的关键零件，在每个齿盘的端面有相同数目的三角形齿，两个齿盘啮合时就能自动确定周向和径向的相对位置。,图6-27 鼠齿盘式分度工作台,(1)工作台抬起，鼠齿盘脱离啮合。机床需要进行分度时，数控装置发出指令,电磁铁控制液压阀使压力油经孔23进入到工作台7中央的夹

46、紧液压缸下腔10,推动活塞6向上移动,经推力轴承5和13将工作台7抬起，内齿轮12向上套入齿轮11,上下两个鼠齿盘4和3脱离啮合，完成分度前的准备工作。,(2)回转分度。当工作台7上升时，推杆2在弹簧力的作用下向上移动,使推杆1向右移动,微动开关S2复位,使压力油经油孔21进入分度油缸左腔19,推动齿条活塞8向右移动,齿轮11作逆时针方向转动,与齿轮11相啮合的内齿轮12转动,分度台也转过相应的角度。回转角度的大小由微动开关和挡块17决定，开始回转时，挡块14离开推杆15使微动开关S1复位，通过电路互锁，始终保持工作台处于上升位置。,(3)工作台下降，完成定位夹紧。当工作台转到预定位置附近，挡

47、块17通过16使微动开关S3工作。压力油经油孔22进入到压紧液压缸上腔9,活塞6带动工作台7下降,上鼠齿盘4与下鼠齿盘3在新的位置重新啮合并定位压紧。为了保护鼠齿盘齿面不受冲击，液压缸下腔10的回油经节流阀可限制工作台的下降速度。,(4)复位为下次分度做准备。当分度工作台下降时，推杆2和1启动微动开关S2,分度液压缸油腔18进压力油,活塞齿条8退回,齿轮11顺时针转动,挡块17、14回到原位，为下次分度做准备。鼠齿盘式分度工作台具有刚性好、承载能力强、重复定位精度高、分度精度高、能自动定心、结构简单等特点。鼠齿盘制造精度要求高，它分度的度数只能是鼠齿盘齿数的整数倍。这种工作台不仅可与数控机床做

48、成一体，也可作为附件使用，广泛应用于各种加工和测量装置中。,6.5.2 数控回转工作台如图6-28所示，数控回转工作台由传动系统、间隙消除装置及涡轮夹紧装置等组成。它由伺服电动机1驱动，经齿轮2和4带动蜗杆9、蜗轮10使工作台回转。通过调整偏心环3来消除齿轮2和4啮合侧隙。为了消除轴与套的配合间隙，通过楔形拉紧圆柱销5（A-A剖面）来连接齿轮4与蜗杆9。蜗杆9采用螺距渐厚蜗杆，蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚，这种蜗杆的左右两侧具有不同的导程。但由于同一侧的螺距是相同的，所以仍能保持正确的啮合。通过移动蜗杆的轴向位置来调节间隙，实现无间隙传动。,图6-28 数控回转工作台,当工作台静止时，必须处于锁紧

49、状态。为此，在蜗轮底部装有八对夹紧块12及13，并在底座上均布着八个小液压缸14。夹紧液压缸14的上腔通入压力油，使活塞向下运动，通过钢球17撑开夹紧块12及13，将蜗轮夹紧。当工作台需要回转时，数控系统发出指令，夹紧液压缸14上腔的油流回油箱，钢球17在弹簧16的作用下向上抬起，夹紧块12和13松开蜗轮，这时蜗轮和回转工作台可按照控制系统的指令作回转运动。,数控回转工作台的导轨面由大型滚珠轴承支撑，并由圆锥滚子轴承及双列圆柱滚子轴承保持回转中心的准确。为消除累积误差，数控回转工作台设有零点，当它作回零运动时首先由安装在蜗轮上的挡块碰撞限位开关，使工作台减速，然后通过感应块和无触点开关的作用使

50、工作台准确停在零点位置上，分度角度位置通常由角度反馈元件圆光栅18反馈给数控系统。数控回转工作台可作任意角度的回转和分度，因此能够达到较高的分度精度。,6.5 辅组装置,一、数控机床的液压和气动系统1数控机床中液压和气动装置的功能(1)自动换刀所需的动作。如机械手的伸、缩、回转和摆动以及刀具的松开和拉紧动作。(2)主轴的自动松开、夹紧。(3)机床运动部件的制动和离合器的控制，齿轮的拨叉挂挡等。(4)机床的润滑、冷却，防护罩、门的自动开关。(5)工作台的松开夹紧，交换工作台的自动交换动作等。(6)机床运动部件的平衡。如机床主轴箱的重力平衡、刀库机械手的平衡等。,二、排屑装置1排屑装置在数控机床中