数控机床第2章 数控机床的机械结构

第2章数控机床的机械结构2.1概述2.2数控机床的总体布局2.3数控机床的主传动系统2.4数控机床的进给系统2.5数控机床的导轨2.6数控机床的自动换刀装置2.7数控机床的回转工作台本章要点下页返回图库2.1概述下页上页返回数控机床机械结构的主要特点数控机床对机械结构的基本要求提高数控机床性能的措施图库从本质上说，数控机床和普通机床一样，也是一种经过切削将金属材料加工成各种不同形状零件的设备。早期的数控机床，包括目前部分改造、改装的数控机床，大都是在普通机床的基础上，通过对进给系统的革新、改造而成的。因此，在许多场合，普通机床的构成模式、零部件的设计计算方法仍然适用于数控机床。但是，随着数控技术（包括伺服驱动、主轴驱动）的迅速发展，为了适应现代制造业对生产效率、加工精度、安全环保等方面越来越高的要求，现代数控机床的机械结构已经从初期对普通机床的局部改造，逐步发展形成了自己独特的结构。特别是随着电主轴、直线电动机等新技术、新产品在数控机床上的推广应用，部分机械结构日趋简化，新的结构、功能部件不断涌现，数控机床的机械机构正在发生重大的变化，虚拟轴机床的出现和实用化，使传统的机床结构面临着更严峻的挑战。2.1.1数控机床机械结构的主要特点结构简单、操作方便、自动化程度高下页上页返回数控机床需要根据数控系统的指令，自动完成对进给速度、主轴转速、道具运动轨迹以及其他机床辅助技能（如自动换刀，自动冷却）的控制。它必须利用伺服进给系统代替普通机床的进给系统，并可以通过主轴调速系统实现主轴自动变速。因此，在机械结构上，数控机床的主轴箱、进给变速箱结构一般非常简单；齿轮、轴类零件、轴承的数量大为减少；电动机可以直接连接主轴和滚珠丝杠，不用齿轮；在使用直线电动机，电主轴的场合，甚至可以不用丝杠、主轴箱。在操作上，它不像普通机床那样，需要操作者通过手柄进行调整和变速，操作机构比普通机床要简单多，许多机床甚至没有手动机械操作系统。此外，由于数控机床的大部分辅助动作都可以通过数控系统的辅助技能（M技能）进行控制，因此，常用的操作按钮也较普通机床少。结构简单、操作更方便，更简单图库2.1.1数控机床机械结构的主要特点广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品下页上页返回数控机床进行的是高速、高精度加工，再简化机械结构的同时，对于机械传动装置和元件也提出了更高的要求。高效、无间隙传动装置和元件在数控机床上去得了广泛的应用。如：滚珠丝杠副、塑料滑动导轨、静压导轨、直线滚动导轨等高效执行部件，不仅可以减少进给系统的摩擦阻力，提高传动效率；而且还可以使运动平稳和获得较高的定位精度。特别是随着新材料，新工艺的普及、应用，高速加工已经成为目前数控机床的发展方向之一，快进速度达到了每分钟数十米，甚至上百米，主轴转速达到了每分钟上万转、甚至十几万转，采用电主轴、支线电动机、直线滚动导轨等新产品、新技术已势在必行。图库2.1.1数控机床机械结构的主要特点具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件下页上页返回“工艺复合化”和“功能集成化”是无人化、柔性加工的基本要求，也是数控机床最显著的特点和当前的发展方向。因此，自动换刀装置（ATC）、动力刀架、自动换屑装置、自动润滑装置等特殊机械部件是必不可少，有的机床还带有自动工作台交换装置（APC）。“功能集成化”是当前数控机床的另一重要发展方向。在现代数控机床上，自动换刀装置、自动工作台交换装置等已经成为基本装置。随着数控机床向无人化、柔性化加工发展，功能集成化更多体现在：工件的自动装卸、自动定位，刀具的自动对刀、破损检测、寿命管理，工件的自动测量和自动补偿功能上，因此，国外还新近开发了集中突破传统机床界限，集钻、铣、镗、车、磨等加工于一体的所谓“万能加工机床”，大大提高了附加值，并随之不断出现新的机械部件。图库2.1.1数控机床机械结构的主要特点对机械结构、零部件的要求高下页上页返回高速、高效、高精度的加工要求，无人化管理以及工艺复合化、功能集成化，一方面可以大大的提高生产率，同时，也必然会使机床的开机时间，工作负载随之增加，机床必须在高负荷下，长时间可靠工作。因此，对组成机床的各种零部件和控制系统的可靠性要求很高。此外，为了提高加工效率，充分发挥机床性能，数控机床通常都能够同时进行粗细加工。这就要求机床技能满足大切削量的粗加工对机床的刚度、强度和抗震性的要求，而且也能达到精密加工机床对机床精度的要求。因此，数控机床的主轴电机的功率一般比同规格的普通机床大，主要部件和基础件的加工精度通常比普通机床高，对组成机床各部件的动、静态性能以及热稳定性的精度保持性也提出了更高的要求。图库2.1.2数控机床对机械结构的基本要求具有较高的静、动刚度和良好抗震性下页上页返回图库机床的刚度反映了机床机构抵抗变形的能力，。机床变形产生的误差，通常很难通过调整和补偿的方法予以彻底的解决。为了满足数控机床高效、高精度、高可靠性以及自动化的要求，与普通机床相比，数控机床应具有更高的精刚度。此外，为了充分发挥机床的效率，加大切削用量，还必须提高机床的抗震性，避免切削时产生的共振和颤振。而提高机构的动刚度是提高机床抗震性的基本途径。2.1.2数控机床对机械结构的基本要求具有较好的热稳定性下页上页返回图库机床的热变性是影响机床加工精度的主要因素之一。由于数控机床的主轴转速、快速进给都远远超过普通机床，机床又长时间处于连续工作状态，电动机、丝杠、轴承、导轨的发热都比较严重，加上高速切削产生的切屑的影响，使得数控机床的热变性影响比普通机床要严重得多。虽然在先进的数控系统具有热变性补偿功能，但是它并不能完全消除热变性对于加工精度的影响，在数控机床上还应采取必要的措施，尽可能减小机床的热变性。2.1.2数控机床对机械结构的基本要求具有较高的运动精度和良好的低速稳定性下页上页返回图库利用伺服系统代替普通机床的进给系统是数控机床的主要特点。伺服系统最小的移动量（脉冲当量），一般只有0.001mm，甚至更小；最低进给速度，一般只有1mm/min，甚至更低。这就要求进给系统具有较高的运动精度，良好的跟踪性能和低速稳定性，才能对数控系统的位置指令做出准确的响应，从而得到要求的定位精度。传动装置的间隙直接影响着机床的定位精度，虽然在数控系统中可以通过间隙补偿、单向定位等措施减小这一影响，但不能完全消除。特别是对于非均匀间隙，必须机械消除间隙措施，才能得到较好的解决。2.1.2数控机床对机械结构的基本要求具有良好的操作、安全防护性能下页上页返回图库方便、舒适的操作性能，是操作者普遍关心的问题。在大部分数控机床上，刀具和工件的装卸、刀具和夹具的调整、还需要操作者完成，机床的维修更离不开人，而且由于加工效率的提高，数控机床的工件装卸可能比普通机床更加频繁，因此良好的操作性能是数控机床设计时必须的问题。数控机床是一种高度自动化的加工设备，动作复杂，高速运动部件较多，对机床动作互锁、安全防护性能的要求也比普通机床要高很多。同时，数控机床一般都有高压、大流量的冷却系统，为了防止切屑、冷却液的飞溅，数控机床通常都应采用封闭和半封闭的防护形式，增加防护性能。2.1.3提高数控机床性能的措施合理选择数控机床的总体布局下页上页返回图库机床的总体布局直接影响到机床的结构和性能。合理选择机床布局，不但可以使机械结构更简单、合理、经济，而且能提高机床刚度、改善机床受力情况，提高热稳定性和操作性能，使机床满足数控化的要求。如：在数控机床上采用斜床身布局，可以改善受力情况，提高床身的刚度，提高操作性能。卧式数控镗床采用T形床身，框架结构双立柱、立柱移动式（Z）布局，可以减少机床的机构层次，大大提高机床结构刚度和加工精度，精度的稳定性好，热变性的影响小。在高速加工机床上，则通过采用固定门式立柱、“箱中箱”等特殊的布局型式，以最大限度地降低运动部件的质量，提高机床部件的快进速度和加速度，以满足高速加工的需要。2.1.3提高数控机床性能的措施提高结构件的刚度下页上页返回图库结构的刚度直接影响机床的精度和动态性能。机床的刚度主要决定于组成机械系统的部件质量、刚度、阻尼、固有频率以及负载激振频率等。提高机床结构刚度主要措施有：改善机械部分构件；利用平衡机构补偿部件变性；改善并构件间的连接形式；缩短传动链，适当加大传动轴，对轴承和滚珠丝杠等传动部件进行预紧等等。2.1.3提高数控机床性能的措施提高机床抗振性下页上页返回图库高速转动零部件的动态不平衡力与切削产生的振动，是引起机床振动的主要原因。提高数控机床抗振性的主要措施有：对机床高速转旋转部件，特别是主轴部件进行动平衡，对传动部件进行消隙处理，减少机床激振力；提高机械部件的静态刚度和固有频率，避免共振，在机床结构大件中充填阻尼材料，在大件表面喷涂阻尼涂层抑制振动等。2.1.3提高数控机床性能的措施改善机床的热变形下页上页返回图库引起机床热变形的主要原因是机床内部热源发热，摩擦以及切削产生的发热。减少机床热变形的措施主要有：采用伺服电动机和主轴电动机、变量泵等低能耗执行元件，减少热量的产生；简化传动系统的结构，减少传动齿轮、传动轴，采用低摩擦系数的导轨和轴承，减少摩擦发热；改善散热条件、增加隔热措施、对发热部件（如：电柜、丝杆、油箱等）进行强制冷却，吸收热量，避免温升；采用对称结构设计，使部件均匀受热；对切削部分采用高压、大流量冷却系统冷却等等。2.1.3提高数控机床性能的措施保证运动的精度和稳定性下页上页返回图库机床的运动精度和稳定性，不仅和数控系统的分辨率、伺服系统的精度的稳定性有关，而且还在很大程度上取决于机械传动的精度。传动系统的刚度、间隙、摩擦死区、非线性环节都对机床的精度和稳定性产生很大的影响。减小运动部件的质量，采用低摩擦系数的导轨和轴承以及滚珠丝杆副、静压导轨、直线滚动导轨、塑料滑动导轨等高效执行部件，可以减少系统的摩擦阻力，提高运动精度，避免低速爬行。缩短传动链，对传动部件进行消隙，对轴承和滚珠丝杠进行预紧，可以减消机械系统的间隙和非线性影响，提高机床的运动精度和稳定性。2.2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虚拟轴机床下页上页返回图库2.2.1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常用布局形式下页上页返回图库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。2.2.1数控车床的常用布局形式常用布局形式下页上页返回图库斜床身布局的数控车床（导轨倾斜角度通常选择45º、60º或75º），不仅可以在同等条件下，改善受力情况，而且还可通过整体封闭式截面设计，提高床身的刚度，特别是自动换刀装置的布置较方便。而平床身、立式床身布局的机床受结构的局限，布置比较困难，限制了机床性能。因此，斜床身布局的数控车床应用比较广泛。2.2.1数控车床的常用布局形式常用布局形式下页上页返回图库在其他方面则三种布局方式各具特点：（1）热稳定性：当主轴箱因发热使主轴轴线产生热变位时，斜床身的影响最小；斜床身、立式床身因排屑性能好，受切屑产生的热量影响也小。（2）运动精度：平床身布局由于刀架水平布置，不受刀架、滑板自重的影响，容易提高定位精度；立式床身受自重的影响最大，有时需要加平衡机构消除；斜床身介于两者之间。2.2.1数控车床的常用布局形式常用布局形式下页上页返回图库（3）加工制造：平床身的加工工艺性较好，部件精度较容易保证。另外，平床身机床工件重量产生的变形方向竖直向下，它和刀具运动方向垂直，对加工精度的影响较小；立式床身产生的变形方向正好沿着运动方向，对精度影响最大；斜床身介于两者之间。（4）操作、防护、排屑性能：斜床身的观察角度最好、