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1、第四章 数控机床的机械结构,4-1对机械结构的要求,一、数控机床的机械结构要求,1、高精度2、高速度3、高自动化,要求数控机床必须具有很高的 强度、刚度和抗振性,因此，数控机床的功能要求和设计要求与普通机床有较大的差异。数控机床的结构设计要求可以归纳为如下几方面：1、具有大切削功率，高的静、动刚度和良好的抗振性能；2、具有较高的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性；3、具有实现辅助操作自动化的结构部件。,1、数控机床应具有更高的静、动刚度,一、数控机床的机械结构要求,（1）提高刚度的原因在重载荷的作用下，机床的各部件、构件会受力变形，引起刀具和工件的相对位置的变化机床刚度差影响机床抗振性,刚
2、度:是指支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵抗变形的能力,(静刚度),(动刚度),（2）提高刚度的措施,合理选择支承件的结构形式,措施1 支承件截面形状尽量选用抗弯的方截面和抗扭的圆截面 或采用封闭型床身,封闭整体箱形结构,（2）提高刚度的措施,措施2 合理布置支承件隔板的筋条,隔板的作用是将作用于支承板的局部载荷传递给其它壁板,从而使整个支承件承受载荷,提高支承件的自身刚度,“T”形隔板连接，主要提高水平面抗弯刚度，对提高垂直面抗弯刚度和抗扭刚度不显著，多用在刚度要求不高的床身上,（2）提高刚度的措施,“W”形隔板，能较大地提高水平面上的抗弯抗扭刚度，对中心距超过1500mm的长床身，效果最为
3、显著,（2）提高刚度的措施,“”形隔板，在垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较高，铸造性能好，在大中型车床上应用较多,（2）提高刚度的措施,斜向拉筋，床身刚度最高，排屑容易,措施3 增加导轨与支承件的连接部分的刚度,（2）提高刚度的措施,连接刚度:支承件在连接处抵抗变形的能力,称为支承件的连 接刚度.,措施4 增加机床各部件的接触刚度和承载能力,（2）提高刚度的措施,采用刮研的方法增加单位面积上的接触点在结合面之间施加足够大的预加载荷,增加接触面积,合理的结构布局,（2）提高刚度的措施,合理的结构布局,（2）提高刚度的措施,采用补偿变形的措施,（2）提高刚度的措施,测出受力点的相对变形的大小和方向
4、，或者预知构件的变形规律，就可采取补偿变形的方法消除受力变形的影响,合理选用构件的材料,措施1 床身、立柱等支承件采用钢板或型钢焊接 增加刚度、减轻重量、提高抗振性,（2）提高刚度的措施,铸件:容易获得复杂结构的支承件,铸铁的内摩擦力大,阻尼 系数大,振动的衰减性能好,成本低.铸件的周期较长,需 做木型模,易产生缩孔、气泡等缺陷,焊接件:钢材的强度比铸铁高，质量可比铸件减轻20%-50%，不需要木模和浇注，生产周期短，不易出现废品,措施2 采用封砂床身结构,（2）提高刚度的措施,在铸件中不清除砂心，在焊接件中灌注混凝土或砂增加摩擦阻力,人造大理石床身（混凝土聚合物）,措施3 采用混凝土、树脂混
5、凝土或人造花岗岩作支承件的材料,（2）提高刚度的措施,天然大理石床身,（2）提高刚度的措施,一、数控机床的机械结构要求,2、减少机床的热变形,（1）产生热变形的原因：,内外热源的影响不能人工修正热变形误差,（2）减少热变形的措施：,减少发热将热源从主机中分离出去,措施1 主运动采用直流或交流调速电动机进行无级调速 减少传动轴和传动齿轮数量 减少主传动箱内的发热量,进行热变形补偿,措施2 采用低摩擦系数的导轨和轴承 采用滚动导轨、静压导轨或滚动轴承,（2）减少热变形的措施：,控制温升,措施 通过散热和冷却方法,改善机床结构,措施1 采用对称原则设计数控机床结构,措施2 使机床主轴的热变形发生在刀
6、具切入的垂直方向上,措施3 采用排屑系统,主轴,冷却风管,对机床热源进行强制冷却,主轴,冷却风管,对机床热源进行强制冷却,对称结构立柱,措施1 采用对称原则设计数控机床结构,措施2 使机床主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上,机床排屑系统,措施3 采用排屑系统,倾斜床身,措施3 采用排屑系统,措施4 将热源置于易散热的位置,将主传动箱和主电动机放在机床的外面,3、减少运动副的摩擦，提高传动精度,4、提高机床寿命和精度保持性,一、数控机床的机械结构要求,措施1 采用滚动导轨或静压导轨来减少摩擦副之间的摩擦,措施2 采用滚珠丝杠或无间隙齿轮传动减小摩擦,措施1 采用耐磨性好的零部件,措施2 机床
7、运动部件间具有良好的润滑,滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副,5、自动化的机构、宜人的操作性,一、数控机床的机械结构要求,便于操作的机床结构,一、数控机床的机械结构要求,6、安全防护和宜人的造型,数控机床大都采用机、电、液、气一体化布局，全封闭或半封闭防护，机械结构大大简化，易于操作及实现自动化。,二、对主传动的要求,2、对主传动的要求,1、主传动的作用：产生主切削力,足够的转速范围足够的功率和扭矩各零部件应具有足够的精度、强度、刚度和抗振性噪声低、运行平稳,3、主传动的配置方式,主轴电动机直接驱动（一体化主轴，电主轴）,特点：,有效提高主轴部件刚度，但主轴输出扭矩小,电主轴,2、电动机经同步齿形带传
8、动主轴,3、电动机经齿轮变速传动主轴,4、主轴部件,动画,三、对进给传动系统的要求,1、进给传动系统作用,接受数控系统发出的进给脉冲，经放大和转换后驱动执行元件实现预期的运动。,2、传统进给传动系统与数控伺服进给系统的区别,传统进给传动系统：多采用一个电机，执行件之间采用大量的齿轮传动，以实现内外传动链的各种传动比要求。故传动链很长，结构相当复杂,数控伺服进给系统：每一个运动都由单独的伺服电机驱动，传动链大大缩短，传动件大大减少，有利于减少传动误差，提高传动精度,3、对进给传动系统的要求,减少运动件的摩擦阻力,提高机床进给系统的快速响应性能和运动精度，减少爬行现象,响应性能：是进给伺服系统动态
9、性能的指标，反映了系统的跟踪精度,运动精度：是机床的主要零、部件在以工作状态 的速度运动时的精度,爬行现象：低速时运动不平衡的现象称为爬行现象,机床爬行现象一般发生在低速度、重载荷的运动情况下当主动件1作匀速运动时，被动件3往往会出现明显的速度不均匀，产生跳跃式的时停时走的运动状态，或时快时慢现象,3、对进给传动系统的要求,提高传动精度和刚度,措施1 保证部件加工精度措施2 在传动链中加入减速齿轮减小脉冲当量，提高传动精度措施3 预紧支撑丝杠的轴承消除齿轮、蜗轮传动件间隙措施4 预紧消除滚珠丝杠螺母副的轴向传动间隙,3、对进给传动系统的要求,减小各运动零部件的惯量,稳定性好，寿命长,稳定性好：
10、保证低速时不产生爬行，外负载变化时不发生振动,寿命：是指数控机床保持传动精度和定位精度时间的长短，即保持原制造精度的能力,4-2数控机床典型机械结构,一、主轴准停装置,机械式主轴准停,二、自动换刀装置,自动换刀装置,刀库,机械手,(ATC),作用交换主轴与刀库中的刀（工）具,对自动换刀装置的 基本要求,换刀时间短刀具重复定位精度高有足够的刀具贮存量刀库占地面积小及安全可靠,自动换刀装置的形式,回转刀架换刀更换主轴头换刀更换主轴箱换刀带刀库的自动换刀系统,二、自动换刀装置,1、回转刀架换刀,1）回转刀架结构要求：良好的强度和刚性2）回转刀架的换刀动作,刀架抬起,刀架转位,刀架压紧,二、自动换刀装
11、置,2、更换主轴换刀,优点：换刀时间短，换刀的可靠性强。,缺点：主轴系统的刚度较差。,适用场合：适应于工序较少、精度要求不太高的机床,回转刀架换刀,3、更换主轴箱换刀,适用场合：适用于箱体类零件的加工,二、自动换刀装置,4、带刀库的自动换刀系统,组成,刀库选刀系统刀具交换机构刀具自动装卸机构,特点：结构较复杂，换刀过程动作多，换刀时间长。,适用场合：多用于钻床、镗铣床和数控组合机床。,二、自动换刀装置,三、刀库,2、刀库的种类,1、刀库的功能功能：储存加工工序所需的各种刀具及辅助工具。,直线式,特点：结构简单，刀库容量小，一般可容纳 8-12把刀具，故少用。,三、刀库,鼓轮式（圆盘式）,1）单
12、鼓轮式,刀具、鼓轮轴线平行,刀具、鼓轮轴线垂直,盘式刀库,三、刀库,刀具、鼓轮轴线成锐角,特点：结构简单紧凑，应用较多，但刀具单 环排列，空间利用率低，适用于刀库 容量较小的场合，一般不多于50-60把刀。,三、刀库,鼓轮端面上双环排列,特点：刀库空间利用率较高，但装刀、取 刀机构复杂，仅适用于机床空间有 限制而刀库容量较大的场合。,三、刀库,鼓轮端面上多环排列,鼓轮弹仓式,2）多鼓轮式,双鼓轮式,三、刀库,三鼓轮式 行星鼓轮式,特点：不同类型的刀具及轻重型刀具可分别放置，空间利用率高，但传动机构和运动控制装置 复杂，适用于刀库容量大的场合。,三、刀库,链式,单环链式,特点：结构紧凑，刀库容量
13、大，可充分利用空间，通常为轴向取刀，位置精度较低，适用于刀库容量大的场合。,龙门加工中心,三、刀库,多环链式,三、刀库,加长链式,格子箱式,单面网格式,特点：刀库结构紧凑，空间利用率高，但换刀时间 较长，小直径刀具为轴向取刀，大直径刀具 为径向取刀，布局不灵活，通常刀库安置在 工作台上，应用较少。,三、刀库,三、刀库,多面网格式,特点：刀库容量大，辅助装置较复杂，用于需刀库 容量大的机床上。,三、刀库,3、刀库的容量,铣削加工,车削加工,钻削加工,四、刀具的选刀方式,1、自动选刀：在自动换刀装置换刀时，按数控装 置发出的换刀指令，刀具交换装置 从刀库中挑选各工序所需刀具的操 作称为自动换刀。,
14、2、刀具的选择方式,顺序选择方式,任意选择方式,刀座编码方式,刀具编码方式,四、刀具的选刀方式,顺序选择方式,刀具的顺序选择方式是将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座中。,特点：不需要刀具识别装置，结构简单，工作可 靠，但刀库中刀具在不同工序中不能重复 使用，因此，刀具的数量的刀库的容量大。,四、刀具的选刀方式,刀具编码方式,接触式识别装置,四、刀具的选刀方式,刀柄,刀具识别装置,触针,编码环,特点：结构简单，寿命较短，可靠性较差，难于快速换刀,四、刀具的选刀方式,非接触式识别装置,特点：无磨损，无噪音，寿命长，反应速度快，适用于高 速，换刀频繁的场合。,四、刀具的选刀方式,光电识
15、别装置,四、刀具的选刀方式,刀座编码方式,永久性编码,临时性编码,刀座编码,四、刀具的选刀方式,刀座编码,四、刀具的选刀方式,识别码块,识别传感器,刀柄编码,四、刀具的选刀方式,临时性编码,五、刀具交换装置,1、无机械手换刀,五、刀具交换装置,1、无机械手换刀,2、机械手换刀,五、刀具交换装置,机械手形式,五、刀具交换装置,机械手换刀,五、刀具交换装置,机械手传动结构,六、滚珠丝杠螺母副,1、滚珠丝杠螺母副的结构,滚珠丝杠螺母副,六、滚珠丝杠螺母副,1、滚珠丝杠螺母副的结构,丝杠,滚珠,螺母,作用：将回转运动转换成直线运动,六、滚珠丝杠螺母副,2、滚珠丝杠螺母副的特点,优点：传动效率高 摩擦阻
16、力小 传动精度高 有可逆性 使用寿命长,缺点：制造工艺复杂 不能实现自锁,六、滚珠丝杠螺母副,3、滚珠丝杠螺母副的循环方式,外循环：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环,内循环：滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的成为内循环,六、滚珠丝杠螺母副,4、滚珠丝杠螺母副的预紧,预紧的目的：减小轴向间隙,轴向间隙：指丝杠和螺母间无相对转动时，二者之间的最大 轴向窜动量,预紧的方法,双螺母垫片式,双螺母螺纹式,双螺母齿差式,双螺母垫片式,六、滚珠丝杠螺母副,双螺母螺纹式,六、滚珠丝杠螺母副,双螺母齿差式,六、滚珠丝杠螺母副,5、滚珠丝杠螺母副的安装,六、滚珠丝杠螺母副,特点：其承载能力小，轴向
17、刚度低，仅适用于短丝杠,一端装止推轴承（固定自由式）,5、滚珠丝杠螺母副的安装,六、滚珠丝杠螺母副,一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承（固定支承式）,特点：轴向刚度较小，丝杠有伸缩余地，结构复杂，仅 适用于长丝杠,5、滚珠丝杠螺母副的安装,六、滚珠丝杠螺母副,两端装止推轴承,特点：将装止推轴承装在滚珠丝杠两端，并施加预紧拉 力，有助于提高传动刚度，但对热伸长较敏感,5、滚珠丝杠螺母副的安装,六、滚珠丝杠螺母副,两端装双重止推轴承及深沟球轴承（固定固定式）,特点：传动刚度高，结构和安装工艺复杂，适用于长丝 杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠,6、滚珠丝杠螺母副的润滑与防护,六、滚珠丝杠螺母副,润滑
18、的作用：减少摩擦，降低温升，并与密封装置一起 保护丝杠不受外物的 损伤与腐蚀,润滑油：机油、90180号透平油、140号主轴油,润滑脂：锂基油脂或高压润滑脂,防护：防止尘埃、切屑等硬质颗粒进入,密封圈：采用毛毡圈（耐油橡胶、尼龙）,防护罩：采用螺旋钢带、伸缩套筒、锥形套筒或皮革、人造革制成的,不锈钢卷筒式防护罩,工程塑料防护套,七、数控机床导轨,2、对导轨的基本要求,1、导轨的功能：支承和导向,导向精度：是指机床的运动部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精度保持性：是指导轨在长期使用中保持导向精度的能力低速运动平稳性：结构简单、工艺性好：,七、数控机床导轨,3、导轨的分
19、类和特点,按运动轨迹,按工作性质,按接触面的摩擦性质,直线运动导轨：相对运动轨迹为直线,圆周运动导轨：相对运动轨迹为圆,主运动导轨：动导轨作主运动，导轨副间相对运动速度高,进给运动导轨：动导轨作进给运动，导轨副间相对运动速度低,调整导轨：实现部件之间的相对位置调整，在机床工作时无相对 运动,滑动导轨,滚动导轨,静压导轨,七、数控机床导轨,滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点,在数控机床上应用广泛，目前多数使用金属对塑料形式，称为贴塑导轨或注塑导轨,滑动导轨,注塑导轨：环氧树脂为基体，加入二硫化钼和胶体石墨及铅粉 等混合而成,贴塑导轨：聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼、石
20、墨 及铅粉等混合而成,七、数控机床导轨,滚动导轨,特点：摩擦系数小、运动轻便、位移精度和定位精 度高、耐磨性好、抗震性较差、结构复杂、防护要求较高,静压导轨,七、数控机床导轨,优点：1、液体静压导轨由于其导轨的工作面完全处于纯液体 摩擦下，因而工作时摩擦系数极低（f=0.0005）；2、导轨的运动不受负载和速度的限制，且低速时移动 均匀，无爬行现象；3、由于液体具有吸振作用，因而导轨的抗振性好；4、承载能力大、刚性好；5、摩擦发热小，导轨温升小。缺点：1、液体静压导轨的结构复杂，多了一套液压系统；2、成本高；3、油膜厚度难以保持恒定不变。使用范围：液体静压导轨主要用于大型、重型数控机床上。,七、数控机床导轨,4、导轨的预紧,过盈法预紧,七、数控机床导轨,4、导轨的预紧,调整元件法预紧,八、回转工作台,1、作用：实现绕X、Y、Z轴的圆周进给运动 2、种类：数控回转工作台、数控分度工作台,数控回转工作台,八、回转工作台,数控分度头,
