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1、项目八数控机床总体结构设计,机电控制及自动化系,8.1数控机床总体方案设计,数控机床设计的基本要求,工艺范围,加工精度及精度保持性,数控机床的工艺范围是指该机床适应不同生产能力要求的能力。,工艺范围窄，则机床的结构较为简单，容易实现自动化，生产效率也较高。但机床工艺范围过窄，会使机床的使用受到限制。而盲目扩大机床的工艺范围，将使机床的结构趋于复杂。,机床的精度可分为机床本身的精度，即空载条件下的精度（包括几何精度、运动精度、传动精度、等位精度等）和工作精度（加工精度）。在机床布局阶段要注意采取措施，尽量提高机床的传动精度和刚度，减少振动和热变形。,8.1数控机床总体方案设计,数控机床设计的基本
2、要求,生产率和自动化,数控机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力，包括空间上的柔性（功能柔性）和时间上的柔性（结构柔性）。,机床的生产率用单位时间内机床所能加工的工件数量来表示。数控机床的切削效率越高，辅助时间越短，其生产率就越高。数控机床的自动化程度越高，其生产率也越高。,柔性和开放性,开放性是指机床与物流系统之间进行物料（工件、刀具、切屑等）交接的方便程度。,8.1数控机床总体方案设计,数控机床设计的基本要求,噪声与绿色设计,成本概念贯穿在产品的整个生命周期内，应在尽可能保证数控机床性能要求的前提下提高其性能价格比。,噪声会损坏人的听觉器官和生理功能，还反映机床设计与制造的质量水平。降低噪
3、声是机床设计者的重要任务之一。,成本和生产周期,生产周期是衡量产品市场竞争力的重要指标，应尽可能缩短机床的生产周期，尽可能采用现代设计方法设计数控机床。,绿色设计是一种综合考虑了产品设计、制造、使用和回收等整个生命周期的环境特性和资源效率的先进设计理论和方法。,8.1数控机床总体方案设计,数控机床设计的基本要求,机床宜人性,可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。,机床宜人性是指为操作者提供舒适、安全、方便、省力等劳动条件的程度。数控机床设计要布局合理、操作方便、造型美观、色彩悦目。符合人机工程学原理和工程美学原理。,可靠性,8.1数控机床总体方案设计,数控机床设计的主要
4、内容及步骤,主要技术指标设计,总体方案设计,主要包括机床的工艺范围；生产率；精度、刚度、热变形、噪声等性能指标；主要参数；驱动方式；成本及生产周期等。,包括运动功能设计、基本参数设计、传动系统设计、总体结构布局设计、控制系统设计等。,总体方案综合评价与选择,在总体方案设计阶段，对各种方案进行综合评价，从中选择较好的方案。,8.1数控机床总体方案设计,数控机床设计的主要内容及步骤,总体方案的设计修改或优化,对所选择的方案进行修改或优化，确定最终方案。上述设计内容，在设计过程中交叉进行。,详细设计,机床整机综合评价,确定结构原理方案，分析计算及优化，装配图及零件图设计，编制技术文档等。,对所设计的
5、机床进行整机性能分析和综合评价。,8.1数控机床总体方案设计,系列化和模块化设计,机床系列化设计,在机床设计过程中，选择功能、结构和尺寸等方面较典型的机床为基型，运用结构典型化、零部件通用化、标准化的原则，设计出其他各种尺寸参数的数控机床产品，构成机床产品的基型系列。在基型系列的基础上，同样根据结构典型化、零部件通用化、标准化的原则以及用户的需要，派生出不同用途的变型机床，构成派生系列。,模块化设计,机床产品的模块化设计是确定一组具有同一功能和结合要素，但性能和结构不同且能互换或组合的结构或功能单元，形成产品的模块系统，选用不同的模块进行组合，便可形成不同类型和规格的产品。,8.1数控机床总体
6、方案设计,数控机床总体方案设计,数控机床总体方案设计的目的，在于从整体上保证设计的优化。,工件与刀具间的相对关系：位置与运动、工件重量和形状特点等,对机床本身,要点：,外形、操作和维护,对外部因素,数控机床总体方案设计的构成,主要尺寸规格,技术参数设计,运动参数,动力参数,相互位置关系,总体布局设计,运动分配,运动仿真,整机静刚度,结构优化设计,整机运动性能,整机热性能,8.1数控机床总体方案设计,数控机床总体方案设计,总体布局与工件形状、尺寸和质量的关系,数控机床加工工件所需的运动仅仅是相对运动，因此对执行部件的运动分配可以有多种方案。这取决于被加工工件的尺寸、形状和质量。,以车削类机床为例
7、，有卧式车床、端面车床、单立柱立式车床和龙门框架式立车等不同的布局方案，是由加工件的尺寸与质量不同所决定的。,运动分配与部件的布局,运动数目，尤其是进给运动数目的多少，直接与表面成形运动和机床的加工功能有关。运动的分配与部件布局是机床总体布局的中心问题。,如数控镗铣床通常有四个进给运动的部件，要根据加工的需要来配置这四个进给运动部件。,8.1数控机床总体方案设计,数控机床总体方案设计,总体布局与机床结构性能,数控机床的总体布局应能兼顾机床有良好的精度、刚度、抗振性和热稳定等结构性能。,机床的使用要求与总体布局,便于同时操作和观察,刀具、工件装卸、夹紧方便,排屑,8.2数控机床的结构和性能要求,
8、数控机床的机械结构,主传动系统,伺服系统,进给系统,工件实现回转、定位的装置及附件,自动换刀装置,辅助功能的系统和装置,8.2数控机床的结构和性能要求,数控机床对机械结构的要求,较高的机床静、动刚度及良好的抗振性能,床身刚度是指在外载作用下床身抵抗变形的能力，它可分为静刚度和动刚度两种。,静刚度：床身抵抗静载荷的能力,抗振性,动刚度：床身抵抗动载荷(交变力)的能力,提高静刚度,满足数控机床高效、高精度、高可靠性及自动化要求,提高动刚度,提高机床的抗振性，避免切削时的共振和颤振,8.2数控机床的结构和性能要求,数控机床对机械结构的要求,提高的机床静、动刚度的方法,提高主轴和结构件的刚度,合理设计
9、截面形状（表8-1）,设置隔板和加强筋,补偿有关零、部件的静力变形,8.2数控机床的结构和性能要求,数控机床对机械结构的要求,提高的机床静、动刚度的方法,提高接触刚度,提高机床结构的抗振性,采用刮研的方法增加单位面积上的接触点；,在接合面之间施加一定的预加载荷来增加接触面积。,减小激振力,避免自激振动,提高阻尼比,8.2数控机床的结构和性能要求,数控机床对机械结构的要求,良好的热稳定性，减少机床的热变形,传动件间的摩擦热，刀具的切削热，电机、液压气动系统和冷却系统所散发的热等。,减少发热,采用热对称结构,采用预拉伸的滚珠丝杠结构,数控机床工作时的热源：,产生热变形，导致机床床身直线伸长及因床身
10、上下面或左右面温度差而变形，破坏了部件之间的相对位置，使工件与刀具之间的相对运动关系发生变化，引起数控机床加工精度下降,影响：,控制措施：,控制温升,改进机床布局和结构设计,排屑通畅,热变形补偿,8.2数控机床的结构和性能要求,数控机床对机械结构的要求,高的运动精度和低速运动平稳性,传动系统的刚度、间隙、摩擦死区、非线性环节等,机床零部件的耐磨性,影响因素：,采用滚动导轨、贴塑导轨和静压导轨；用滚珠丝杠代替滑动丝杠；采用无间隙传动副；采用脉冲补偿装置进行螺距误差补偿,方法：,采用多主轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀装置以减少换刀时间。,提高机床的寿命和精度保持性,减少辅助时间和改善操作性能,有
11、明快、干净、协调的人机界面，利于操作者观察加工情况。,8.3数控机床的总体布局,确定加工对象和加工方法,机床总体布局的内容：,确定机床各主要部件间的相对运动和相对位置关系。,数控车床的布局结构特点,必备的运动和相应部件,部件的相对位置和运动,8.3数控机床的总体布局,加工中心的布局结构特点,所要考虑的问题：,选择合适的刀库、换刀机械手与识刀装置的类型，力求这些结构部件的结构简单，动作少且可靠；机床的总体结构尺寸紧凑，刀具存储交换时保证刀具与工件和机床部件之间不发生干涉等。,卧式加工中心,卧式加工中心（卧式数控镗铣床）常见的布局型式,8.3数控机床的总体布局,加工中心的布局结构特点,卧式加工中心
12、,为了提高数控机床的加工效率，在卧式加工中心上经常采用双交换工作台，进行工件的自动交换，以进一步缩短辅助加工时间，提高机床效率。,8.3数控机床的总体布局,加工中心的布局结构特点,立式加工中心,立式加工中心与卧式加工中心相比，结构简单、占地面积小、价格便宜。中小型立式加工中心一般采用固定立柱式，主轴箱吊在立柱一侧。,8.3数控机床的总体布局,加工中心的布局结构特点,五面加工中心与多坐标加工中心,五面加工中心具有立式和卧式加工中心的功能。,8.3数控机床的总体布局,加工中心的布局结构特点,并联机床的布局,并联机床（虚拟轴机床）常见的布局有立式和卧式两种。立式布局结构简单、制造方便，但工件可接近性
13、较差；卧式机床改善了立式机床的工件可接近性和工作空间对机床所占空间之比低的缺点，但是，由杆系本身重量而产生的弯矩增大（立式时，此负荷可略），使它对联杆的要求比立式布局更高。,8.4数控机床的床身设计,对床身结构的基本要求,机床的床身是整个机床的基础支承件，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件。为了满足数控机床高速度、高精度、高生产率、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、动刚度，更好的抗振性。,要求：,高的精度和精度保持性,应具有足够的静、动刚度,较好的热稳定性,8.4数控机床的床身设计,床身结构,床身结构型式,日本森精机SL系列数控车床的床身截面,数控机床床身结构
14、,（a）车床类床身（b）镗床、龙门刨床类床身（c）大型和重型机床类床身,8.4数控机床的床身设计,床身结构,钢板焊接结构,无制作木模和铸造工序，不易出废品,优势：,焊接结构设计灵活，便于产品更新、改进结构,结构特性更好，可提高抗弯截面惯性矩，减小质量,箱体封砂结构,床身封砂结构是利用筋板隔成封闭箱体结构，将大件的泥芯留在铸件中不清除，利用砂粒良好的吸振性能，可以提高结构件的阻尼比和床身结构的静刚度，有明显的消振作用。,8.4数控机床的床身设计,床身的截面形状,数控机床的床身通常为箱体结构。合理设计床身的截面形状及尺寸、采用合理布置的筋板结构可以在较小质量下获得较高的静刚度和适当的固有频率。,8
15、.4数控机床的床身设计,人造花岗石床身的结构设计,人造花岗石（AG）材质是一种新型床身材质它除了具有好的阻尼性能(阻尼为灰铸铁的810倍)外，还具有尺寸稳定性好、抗腐蚀性强、制造成本低等优点，与灰铸铁比，它热容量大，热导率低，构件的热变形小，AG床身的后期加工量很少，这样可以大大减少占用大型机床加工时间和加工成本，并能节约大量金属，如一个磨床床身就可以节约90左右的金属材料。,结构形式,整体结构,框架结构,分块结构,8.5数控机床刀库与自动换刀装置,数控车床,随着自动化技术的发展，为进一步提高生产率、改进产品质量，大部分数控机床已采用了自动换刀装置,电(液)动换位的自动刀架,回转刀盘,加工中心
16、,刀库和换刀机械手,功能：,储备一定数量的刀具，并完成刀具的自动交换,技术要求,换刀时间短、刀具重复定位精度高、有足够的刀具储存量、刀库占地面积小及安全可靠等,便于制造、维修、调整；布局合理，使机床总布局美观大方,有较好的刚性，避免冲击、振动及噪声；有防屑、防尘装置,8.5数控机床刀库与自动换刀装置,自动换刀的形式,转塔刀架,回转刀架换刀,更换主轴换刀（转塔头）,刀库式结构,带刀库的自动换刀系统,刀库与主轴之间直接换刀,更换刀库换刀,更换主轴箱换刀,有的数控机床像组合机床一样，采用多主轴的主轴箱，利用更换这种主轴箱达到换刀的目的。,有刀库的转塔头换刀装置,此类换刀机构弥补了转塔换刀数量不足的缺
17、点，换刀时间短，适用于扩大工艺范围的各类转塔式数控机床。,8.5数控机床刀库与自动换刀装置,数控车床四方回转刀架及六角刀架,数控车床四方回转刀架,换刀过程：,刀架抬起,刀架转位,刀架定位,夹紧刀架,8.5数控机床刀库与自动换刀装置,数控车床四方回转刀架及六角刀架,数控车床的六角回转刀架,换刀过程：,刀架抬起,刀架转位,刀架压紧,转位液压缸复位,8.5数控机床刀库与自动换刀装置,数控车床的六角回转刀架,8.5数控机床刀库与自动换刀装置,转塔头式换刀装置,在转塔的各个主轴头上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具，当发出换刀指令时，各种主轴头依次地转到加工位置，并接通主运动，使相应的主轴带动刀具旋转，
18、而其他处于不同加工位置的主轴都与主运动脱开。,8.5数控机床刀库与自动换刀装置,盘形自动回转刀架,8.5数控机床刀库与自动换刀装置,带刀库的自动换刀系统,刀库的类型：,盘式刀库,链式刀库,格子盒式刀库,8.5数控机床刀库与自动换刀装置,带刀库的自动换刀系统,刀具的选择方式,顺序选择法,刀具编码选择法,刀座编码选择法,将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座内。每次换刀时，刀库按顺序转动一个刀座位置。,采用一种特殊的刀柄结构，对每把刀具进行编码，换刀时通过编码识别装置，按选刀指令代码，在刀库中选择所需的刀具。,又称固定地址选择法，即对刀库中的刀座进行编码，当刀具放入相应刀座之后，就具有了
19、相应的编码。在编程时，要指出哪一把刀具放在哪个刀座上。,计算机记忆方式,目前应用最多，特点是刀具号和存刀位置或刀座号(地址)对应地记忆在计算机的存储器或可编程控制器的存储器内，不论刀具存放在哪个位置，数控系统都始终记忆着它的踪迹。,8.5数控机床刀库与自动换刀装置,带刀库的自动换刀系统,刀具交换装置,机械手的型式,（a）单臂单爪机械手（b）单臂双爪机械手（c）双臂回转式机械手,（d）双机械手（e）双臂往复交叉式机械手（f）双臂端面夹紧式机械手,8.5数控机床刀库与自动换刀装置,带刀库的自动换刀系统,刀具交换装置,机械手的型式,8.5数控机床刀库与自动换刀装置,带刀库的自动换刀系统,刀具交换装置
20、,自动换刀动作顺序,双臂回转式机械手（钩手）的换刀过程,a抓刀 b拔刀 c换刀 d插刀 e复位,8.5数控机床刀库与自动换刀装置,带刀库的自动换刀系统,刀具交换装置,自动换刀动作顺序,双臂往复交叉式机械手的换刀过程,8.6数控机床回转工作台,产生原因,为了扩大数控机床的加工性能，适应不同零件的加工需要，数控机床的进给动，除X、Y、Z三个坐标轴的直线进给运动之外，还可以有绕X、Y、Z三个基本坐标轴回转的圆周运动，通常为A、B、C轴。为了实现数控机床的圆周运动，需要采用数控回转工作台（简称数控转台）。,种类：,分度工作台,数控回转工作台,8.6数控机床回转工作台,数控回转工作台,数控转台在外形上和
21、分度台相似，但在控制及驱动上则类似于伺服进给系统，相当于机床增加了一个圆周方向的数控运动自由度。,种类：,开环式数控回转工作台,闭环式数控回转工作台,半闭环式数控回转工作台,开环、闭环和半闭环数控转台的结构大致相同，区别在于：开环数控转台没有转动角度的测量元件，并由步进电机驱动；闭环数控转台由交流伺服电机驱动，有转动角度的测量元件(圆光栅或圆感应同步器)。半闭环数控转台利用伺服电机轴端带的旋转变压器或脉冲编码盘，直接反馈的是电机轴的转速和角位移，进行半闭环控制。,8.6数控机床回转工作台,数控回转工作台,开环式数控回转工作台,8.6数控机床回转工作台,数控回转工作台,闭环式数控回转工作台,8.
22、6数控机床回转工作台,分度工作台,鼠牙盘式分度工作台,8.6数控机床回转工作台,分度工作台,定位销式分度工作台,8.7数控机床排屑装置,切屑的影响,切屑覆盖或缠绕在工件和刀具上，使自动加工便不能正常进行,灼热的切屑向机床或工件散发的热量，使机床或工件产生变形，影响加工精度,主要问题,将切屑从切削区分离，进入排屑装置,利用排屑装置将切屑排出加工区,8.7数控机床排屑装置,切削区排屑方法,斜置床面，利用重力使切屑自动掉入排屑槽中，如在数控车床中,利用大流量冷却液冲刷，强迫切屑冲离切削区进入排屑槽内，如数控加工中心,利用压缩空气吹扫，使切屑掉入排屑槽中,常见排屑装置,平板链式排屑装置,刮板式排屑装置,螺旋式排屑装置,8.7数控机床排屑装置,
