数控机床的主传动系统

第二章数控机床的结构模块2：机械结构一、数控机床结构要求与总体布局二、数控机床主运动的特点三、数控机床主轴的变速方式四、主轴部件本章内容一、数控机床结构要求•机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置的各种运动和动作指令，都必须由机床本体转换成真实的、准确的机械运动和动作，才能实现数控机床的功能，并保证数控机床的性能要求。数控机床的机床本体由下列各部分组成：•（1）主传动系统，其功用是实现主运动•（2）进给系统，其功用是实现进给运动•（3）机床基础件，通常指床身、底座、立柱、滑座、工作台等。其功用是支承机床本体的零、部件，并保证这些零、部件在切削加工过程中占有的准确位置。•（4）实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，如液压、气动、润滑、冷却以及防护、排屑等装置。•（5）实现工件回转、分度定位的装置和附件，如回转工作台。•（6）刀库、刀架和自动换刀装置•（7）自动托盘交换装置•（8）特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测和监控装置等。•其中，机床基础件、主传动系统、进给系统以及液压、润滑、冷却等辅助装置是构成数控机床的机床本体的基本部件，其他部件则按数控机床的功能和需要选用。•尽管数控机床的机床本体的基本构成与传统的机床十分相似，但由于数控机床在功能和性能上的要求与传统机床存在着巨大的差距，所以数控机床的机床本体在总体布局、结构、性能上与传统机床有许多明显的差异。•数控技术、伺服驱动技术的发展及在机床上的应用，为数控机床的自动化、高精度、高效率提供了可能性，但要将可能性变成现实，则必须要求数控机床的机械结构具有优良的特性才能保证。这些特征包括结构的静刚度、抗振性、热稳定性、低速运动的平稳性及运动时的摩擦特性、几何精度、传动精度等。•1、提高机床结构的静刚度•机床结构的静刚度是指在切削力和其他力的作用下，机床抵抗变形的能力。•有标准规定数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高50%。•1）合理设计基础件的截面形状和尺寸•机床在外力的作用下，各基础件将承受弯曲和扭转载荷，其弯曲和扭转变形的大小则取决于基础件的截面抗弯和抗扭惯性矩，抗弯、抗扭惯性矩大，变形则小，刚度就高。•教材p56表3-1列出了在截面积相同（即重量相同）时，不同截面形状和尺寸的惯性矩。•由表中数据可知：•①在形状和截面积相同时，减小壁厚，加大截面轮廓尺寸，可大大增加刚度；•②封闭截面的刚度远远高于不封闭截面的刚度；•③圆形截面的抗扭刚度高于方形截面，抗弯刚度则低于方形截面；•④矩形截面在尺寸大的方向具有很高的抗弯刚度。•2）采用合理的结构布局，改善机床的受力状态，提高机床的静刚度•如教材P59图3-4所示•3）采取补偿构件变形的结构措施•在外力作用下，机床的变形是不可避免的，如果能采取措施使变形对加工精度的影响减小，其结果相当于提高了机床的刚度。依照这一思路，产生了许多补偿有关零、部件的静力变形的方法，这种方法普遍用于补偿因自重而引起的静力变形。•如教材P60图3-6所示。•2、提高机床结构的抗振性•机床的振动会在被加工工件表面留下振纹，影响工件的表面质量，严重时则使加工过程难以进行下去。机床加工时可能产生两种形式的振动：强迫振动和自激振动。机床的抗振性指的是抵抗这两种振动的能力。•提高机床结构抗振性的措施：•P62•3、减小机床的热变形•热膨胀是各种金属和非金属材料的固有特性。机床在工作时，有许多部件和部位会产生大量热量，如电机、滚动轴承、切屑以及刀具与工件的切削部位、液压系统等。这些产生热量的部件和部位称为热源。热源产生的热量通过传导、对流、辐射传递给机床的各个部件，引起温升，产生膨胀。由于热源分布不均匀，各热源产生的热量不等，零部件各处质量不均匀，形成机床各部位温升不一致，从而产生不均匀的温度场合不均与的热膨胀变形，以致破坏刀具与工件的正确相对位置，影响加工精度。•4、改善运动导轨副的摩擦特性•机床导轨是机床基本结构的要素之一。机床的加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量，而对数控机床的导轨则有更高的要求，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；耐磨性要高，精度保持性要好等。这些都与导轨副的摩擦特性有关，要求摩擦系数小，静、动摩擦系数之差小。现代数控机床采用的导轨主要由塑料滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。二、数控机床的总体布局数控车床的常用布局形式卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局形式立式数控镗铣床（立式加工中心）的常用布局形式数控机床交换工作台的布局高速加工数控机床的特殊布局虚拟轴机床1、数控车床的常用布局形式平床身斜床身立式床身图2-1数控车床的三种常用布局(a)平床身布局(b)斜床身布局(c)立式床身布局常用布局形式这三种布局方式各有特点，一般经济型、普及型数控车床以及数控化改造的车床，大都采用平床身；性能要求较高的中、小规格数控车床采用斜床身（有的机床是用平床身斜滑板）；大型数控车床或精密数控车床采用立式床身。•1）水平床身•水平床身的工艺性好，便于导轨面的加工。水平床身配上水平放置的刀架可提高刀架的运动精度，一般可用于大型数控车床或小型精密数控车床的布局。但是水平床身由于下部空间下，故排屑困难。从结构尺寸上看，刀架水平放置使得滑板横向尺寸较长，从而加大了机床宽度方向的结构尺寸。如下图所示：•2）斜床身•水平床身配置倾斜放置的滑板，并配置倾斜式导轨防护罩，这种布局形式一方面有水平床身工艺性好的特点，另一方面机床宽度方向的尺寸较水平配置滑板的要小，且排屑方便。水平床身配上倾斜放置的滑板和斜床身配置斜滑板布局形式被中、小型数控车床所普遍采用。此两种布局形式的特点是排屑容易，热铁屑不会堆积在导轨上，也便于安装自动排屑器；操作方便，易于安装机械手，以实现单机自动化；机床占地面积小，外形简单、美观，容易实现封闭式防护。•斜床身其导轨倾斜的角度分别为30、45、60、75和90（称为立式床身）。若倾斜角度小，排屑不便；若倾斜角度大，导轨的导向性差，受力情况也差。导轨倾斜角度的大小还会直接影响机床外形尺寸高度与宽度的比例。综合考虑上面的因素，中小规格的数控车床其床身的倾斜角度以60为宜。2、卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局形式卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的布局形式种类较多，其主要区别在于立柱的结构形式和X、Z坐标轴的移动方式上（Y轴移动方式无区别）。单立柱框架结构双立柱图2-2卧式数控镗铣床（卧式加工中心）常见的布局形式常用的立柱Z坐标轴的移动方式有工作台移动式（图2-2a、b）和立柱移动式（图2-2c）两种。以上基本形式通过不同组合，还可以派生其他多种变形，如X、Z两轴都采用立柱移动，工作台完全固定的结构形式；或X轴为立柱移动、Z轴为工作台移动的结构形式等。图2-2卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局形式在图2-2所示的三种中、小规格卧式数控镗铣床（卧式加工中心）常见的布局形式中，图2-2a所示的结构形式和传统的卧式镗床相同，多见于早期的数控机床或数控化改造的机床；图2-2b所示的采用了框架结构双立柱、Z轴工作台移动式布局，为中、小规格卧式数控机床常用的结构形式。图2-2c所示的采用了T形床身、框架结构双立柱、立柱移动式（Z轴）布局，为卧式数控机床典型结构。框架结构双立柱采用了对称结构，主轴箱在两立柱中间上、下运动，与传统的主轴箱侧挂式结构相比，大大提高了结构刚度。另外，主轴箱是从左、右两导轨的内侧进行定位，热变形产生的主轴轴线变位被限制在垂直方向上，因此，可以通过对Y轴的补偿，减小热变形的影响。2.2.2卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局形式T形床身布局可以使工作台沿床身做X方向移动时，在全行程范围内，工作台和工件完全支承在床身上，因此，机床刚性好，工作台承载能力强，加工精度容易得到保证。而且，这种结构可以很方便地增加X轴行程，便于机床品种的系列化、零部件的通用化和标准化。立柱移动式结构的优点是：首先，这种形式减少了机床的结构层次，使床身上只有回转工作台、工作台，共三层结构，它比传统的四层十字工作台，更容易保证大件结构刚性；同时又降低了工件的装卸高度，提高了操作性能。其次，Z轴的移动在后床身上进行，进给力与轴向切削力在同一平面内，承受的扭曲力小，镗孔和铣削精度高。此外，由于Z轴的导轨的承重是固定不变的，它不随工件重量改变而改变，因此有利于提高Z轴的定位精度和精度的稳定性。但是，由于Z轴承载较重，对提高Z轴的快速性不利，这是其不足之处。3、立式数控镗铣床（立式加工中心）的常用布局形式立式数控镗铣床（立式加工中心）的布局形式与卧式数控镗铣床类似，图2-3所示的是三种常见布局形式。这三种布局形式中，图2-3a所示的结构形式是常见的工作台移动式数控镗铣床（立式加工中心）的布局，为中、小规格机床的常用结构形式；图2-3C所示的采用了T形床身，X、Y、Z三轴都是立柱移动式的布局，多见于长床身（大X轴行程）或采用交换工作台的立式数控机床。这三种布局形式的结构特点，基本和卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的对应结构相同。同样，以上基本形式通过不同组合，还可以派生其他多种变形，如X、Z两轴都采用立柱移动、工作台完全固定的结构形式，或X轴为立柱移动、Z轴为工作台移动的结构形式等等。图2-3立式数控镗铣床（立式加工中心）常见的布局形式图2-3立式数控镗铣床（立式加工中心）的常用布局形式4、数控机床交换工作台的布局为了提高数控机床的加工效率，在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。图2-4a是移动式双交换工作台布局图，用于工作台移动式加工中心。对于图示的初始状态，其工作过程是：首先在Ⅱ工位工作台上装上工件，交换开始后，X轴自动运动到Ⅰ工位的位置，并松开工作台夹紧机构；交换机构通过液压缸或辅助电动机将机床上的工作台拉到Ⅰ工位上；X轴再自动运动到Ⅱ工位的位置，交换机构将装有工件的Ⅱ工位工作台送到机床上，并夹紧。在机床进行工件加工的同时，操作者可以在Ⅰ工位装卸工件，准备第二次交换。这样就使得工件的装卸和机床加工可以同时进行，节省了加工辅助时间，提高了机床的效率。图2-4所示的是两种常见的双交换工作台布局形式4、数控机床交换工作台的布局图2-4b是回转式双交换工作台布局图，用于立柱移动式加工中心。其工作过程是：首先在Ⅱ工位（装卸工位）工作台上装上工件，交换开始后，Ⅰ工位（加工工位）的工作台夹紧机构自动松开；交换回转台抬起，进行180º回转，将Ⅱ工位上工作台转到Ⅰ工位的位置，并夹紧。在机床进行工件加工的同时，操作者可以在Ⅰ工位装卸工件，准备第二次交换。回转式双交换工作台的优点是交换速度快，定位精度高；对冷却、切屑的防护容易；缺点是结构较复杂，占地面积大。4、数控机床交换工作台的布局此外，还有一种通过双工作区，进行工件交换的布局形式（如图2-5所示），多用于长床身（X轴行程在1500mm以上），且X、Y、Z三轴都是立柱移动式的加工中心上。它的基本结构和立柱移动式机床完全相同，区别仅在于利用中间防护，使机床原工作台分成了两个相对独立的操作区域。其工作过程是：立柱首先运动到Ⅰ区，对安装在该区的零件进行正常加工；与此同时，操作者可以在Ⅱ区装卸工件。在Ⅰ区的零件加工完成后，通过X轴的快速移动，将立柱运动到Ⅱ区，进行Ⅱ区零件的加工；操作者可以在Ⅰ区装卸工件，如此循环。机床通过电气控制系统实现严格的互锁，对于加工区的防护门也需要通过机电联锁装置予以封闭，确保机床的安全性、可靠性。图2-5双工作区交换的布局图图2-5双工作区交换的布局图5、高速加工数控机床的特殊布局5、高速加工数控机床的特殊布局图6、虚拟轴机床三、数控机床的主传动系统主传动的基本要求和变速方式主轴的联接形式主轴部件的支承主轴部件的结构1、主传动的基本要求和变速方式数控机床和普通机床一样，主传动系统也必须通过变速，才能使主轴获得不同的传递，以适应不同的加工要求，并且，在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的转矩，满足切削的需要。数控机床作为高度自动化的设备，它对主传动系统