第4章 数控机床的机械结构

1第4章数控机床的机械结构认识数控机床的机械结构1数控机床机械结构的特点2项目训练73数控机床的主传动系统4数控机床进给传动系统5自动换刀装置6数控机床的回转工作台24.1认识数控机床的机械结构1、熟悉数控车床的机械结构34.1认识数控机床的机械结构2、熟悉加工中心的机械结构44.2数控机床机械结构的特点一、数控机床机械结构特点1）静刚度和动刚度高合理选择构件的结构形式，如基础件采用封闭的完整箱体结构；合理选择及布局隔板和筋条，尽量减小接合面，提高部件间接触刚度等；合理进行结构布局；采取补偿构件变形的结构措施。2）抗振性高54.2数控机床机械结构的特点立柱结构筋条结构64.2数控机床机械结构的特点一、数控机床机械结构特点3）灵敏度高4）热变形小在数控机床结构布局设计中可考虑尽量采用对称结构（如对称立柱等），进行强制冷却（如采用空冷机），使排屑通道对称布置等措施。5）自动化程度高，操作方便回转交换式APC移动交换式APC二、数控机床布局特点1、不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量数控铣床四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。（a）适应较轻工件，（b）适应较大尺寸工件，（c）适应较重工件，（d）适应更重更大工件。二、数控机床布局特点2、不同布局有不同的运动分配及工艺范围数控镗铣床的三种布局方案中，（a）主轴立式布置，上下运动，对工件顶面进行加工；（b）主轴卧式布置，加工工作台上分度工作台的配合，可加工工件多个侧面；（c）在（b）基础上再增加一个数控转台，可完成工件上更多内容的加工。二、数控机床布局特点3、不同布局有不同的机床结构性能数控卧式镗铣床中，（a）、（b）为T形床身布局，工作台支承于床身，刚度好，工作台承载能力强；(c)、(d)工作台为十字形布局，（c）主轴箱悬挂于单立柱一侧，使立柱受偏载，(d)主轴箱装在框式立柱中间，对称布局，受力后变形小，有利于提高加工精度。二、数控机床布局特点4、不同布局影响机床操作方便程度数控车床的四种不同布局方案，（a）为水平床身-水平滑板，床身工艺性好，便于导轨面的加工，下部空间小，故排屑困难，刀架水平放置加大了机床宽度方向的结构尺寸；二、数控机床布局特点4、不同布局影响机床操作方便程度（b）为倾斜床身-倾斜滑板，排屑亦较方便，中小规格的数控车床其床身的倾斜度以60°为宜；（c）水平床身-倾斜滑板，具有水平床身工艺性好，宽度方向的尺寸小，且排屑方便，是卧式数控车床的最佳布局形式。134.3数控机床的主传动系统4.3.1数控机床主传动的特点1）具有更大的调速范围并实现无级调速。一般要求主轴具备1∶（100～1000）的恒转矩调速范围和1∶10的恒功率调速范围。2）具有较高的精度与刚度，传递平稳，噪声低3）良好的抗振性和热稳定性。4）在车削中心上，要求主轴具有C轴控制功能。5）在加工中心上，要求主轴具有高精度的准停功能。6）具有恒线速度切削控制功能。144.3数控机床的主传动系统4.3.2数控机床主轴的变速方式1、带有变速齿轮的主轴传动大中型数控机床较常采用的配置方式，确保低速时有较大的扭矩，滑移齿轮的移位大多采用液压拨叉或直接由液压缸驱动齿轮来实现。(a)齿轮变速；(b)带传动；(c)两个电机分别驱动；(d)调速电机直接驱动154.3.2数控机床主轴的变速方式2、主要用在转速较高、变速范围不大的小型数控机床上。可以避免由齿轮传动所引起的振动和噪声。适用于高速低转矩特性的主轴，常用有多楔带和同步齿形带。带的结构形式(a)多楔带;(b)同步齿形带16同步齿形带传动是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动方式，带型有梯形齿和圆弧齿。同步齿形带的结构和传动4.3.2数控机床主轴的变速方式173、高速时，由一个电机通过带传动；低速时，由另一个电机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，使恒功率区增大，扩大了变速范围，避免了低速时转矩不够且电机功率不能充分利用的问题。4.3.2数控机床主轴的变速方式184大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出的扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。直接驱动式4.3.2数控机床主轴的变速方式19主轴轴承常见的支撑形式(a)形式一；(b)形式二；(c)形式三1、主轴轴承的支撑形式1）前支撑采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承组合，后支撑采用成对向心推力球轴承。可提高主轴的综合刚度，满足强力切削的要求。普遍用于各类数控机床主轴。4.3数控机床的主传动系统4.3.3主轴部件2）前支撑采用高精度双列向心推力球轴承。向心推力轴承有良好的高速性，主轴最高转速可达4000r／min，但承载能力小，适于高速、轻载、高精密的数控机床主轴。3）前后支撑分别采用双列和单列圆锥滚子轴承。径向和轴向刚度高，能承受重载荷，其安装、调整性能好，但限制了主轴转速和精度，因此可用于中等精度、低速、重载的数控机床的主轴。212、刀具自动装卸切屑清除装置4.3.3主轴部件机床执行换刀指令，机械手从主轴拔刀时，主轴需松开刀具。这时，液压缸上腔通压力油，活塞推动拉杆向下移动，使碟形弹簧压缩，钢球进入主轴锥孔上端的槽内，刀柄尾部的拉钉被松开，机械手拔刀。加工中心主轴前端有7∶24号锥孔，内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构。22压缩空气进入活塞和拉杆的中孔，吹净主轴锥孔，为装入新刀具做好准备。当机械手将下一把刀具插入主轴后，液压缸上腔无油压，在碟形弹簧和弹簧的恢复力作用下，拉杆、钢球和活塞退回到图示的位置，使刀具被夹紧。刀杆夹紧机构用弹簧夹紧，液压放松，以保证在工作中突然停电时，刀杆不会自行松脱。4.3.3主轴部件2、刀具自动装卸切屑清除装置23机床采用的是7∶24号锥柄刀具，锥柄的尾端安装有拉钉，拉杆通过4个钢球拉住拉钉的凹槽，使刀具在主轴锥孔内定位及夹紧。2、刀具自动装卸切屑清除装置4.3.3主轴部件243、主轴的准停主轴准停换刀示意图又称为主轴定位功能，这是自动换刀所必需的功能。在自动换刀的镗铣加工中心上，切削的转矩通常是通过刀杆的端面键来传递的，这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能。4.3.3主轴部件25主轴准停阶梯孔或精镗孔示意图当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，必须先让刀，再退刀，因此，刀具就必须具有定位功能。3、主轴的准停4.3.3主轴部件261）机械准停控制采用机械凸轮机构或光电盘方式进行粗定位，然后有一个液动或气动的定位销插入主轴上的销孔或销槽实现精确定位，完成换刀后定位销退出，主轴才开始旋转。结构复杂，在早期数控机床上使用较多。典型的V形槽轮定位盘机械准停原理示意图4.3.3主轴部件272）电气准停控制永久磁铁与磁传感器在主轴上的位置4.3.3主轴部件磁传感器主轴准停控制在主轴上安装一个永久磁铁与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹1~2mm处固定一个磁传感器，它经过放大器并与主轴控制单元相连接，当主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。28编码器主轴准停控制原理图4.3.3主轴部件编码器主轴准停控制通过主轴电动机内置安装的位置编码器或在机床主轴箱上安装一个与主轴1：1同步旋转的位置编码器来实现准停控制，准停角度可任意设定。29(a)形式一；(b)形式二；(c)形式三4、主轴的密封4.3.3主轴部件30接触式密封(a)油毡圈密封；(b)耐油橡胶密封圈密封4.3.3主轴部件311）摩擦阻力要小广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料导轨和静压导轨。2）传动刚度要高3）转动惯量要小4）谐振频率要高5）传动间隙要小4.4数控机床进给传动系统4.4.1对数控机床进给系统的要求321、滚珠丝杠副结构原理4.4数控机床进给传动系统4.4.2滚珠丝杠螺母机构331)传动效率高，摩擦损失小。2)运动平稳无爬行。3)传动精度高，反向时无空程。4)磨损小，精度保持性好，使用寿命长。5)具有运动的可逆性。4.4.2滚珠丝杠螺母机构1、342、滚珠丝杠螺母副的结构类型外循环式滚珠丝杠结构1)外循环。滚珠在循环过程结束后，通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。结构简单，工艺性好，承载能力较高，但径向尺寸较大。应用最为广泛，也可用于重载传动系统。4.4.2滚珠丝杠螺母机构352）内循环。靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环。反向器2的数目与滚珠圈数相等。结构紧凑，刚度好，滚珠流通性好，摩擦损失小，制造较困难，适用于高灵敏、高精度的进给系统。内循环式滚珠丝杠结构4.4.2滚珠丝杠螺母机构363、双螺母消隙通常采用预加载荷的方法来减小弹性变形所带来的轴向间隙，以保证反向传动精度和轴向刚度。4.4.2滚珠丝杠螺母机构（1）垫片调隙式37（2）螺纹调隙式3、4.4.2滚珠丝杠螺母机构（3）齿差调隙式在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与套筒两端内齿圈相啮合，其齿数相差一个齿。调整时，让两个螺母相对于套筒方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量s=（1/z1-1/z2)Pn。齿差调隙式能精确调整预紧量，调整方便、可靠，结构尺寸较大，多用于高精度的传动。3、39单螺母消隙（4）单螺母变位螺距预紧4.4.2滚珠丝杠螺母机构40（5）单螺母螺钉预紧螺母在专业生产工厂完成精磨之后，沿径向开一薄槽，通过内六角调整螺钉实现间隙的调整和预紧。间隙的调整和预紧极为方便。4.4.2滚珠丝杠螺母机构41(a)仅一端装推力轴承；(b)(c)两端装推力轴承，(d)两端装推力轴承和深沟球轴承4、4.4.2滚珠丝杠螺母机构425、滚珠丝杠副的制动装置机床工作时，电磁铁通电，使摩擦离合器脱开，运动由电机经减速齿轮传给丝杠，使主轴箱上、下移动。当加工完毕或中间停车时，电机和电磁铁同时断电，借压力弹簧作用合上摩擦离合器，使丝杠不能转动，主轴箱便不会下落。数控铣镗床主轴箱进给丝杠制动示意图4.4.2滚珠丝杠螺母机构431、直齿圆柱齿轮传动副消除间隙的方法1）偏心套调整法偏心套消除间隙结构4.4数控机床进给传动系统4.4.3传动齿轮间隙调整机构442）锥度齿轮轴向垫片调整法锥度齿轮轴向垫片消除间隙结构4.4.3传动齿轮间隙调整机构453）双片薄齿轮错齿调整法(a)结构一；(b)结构二4.4.3传动齿轮间隙调整机构461）斜齿轮轴向垫片调整法薄片斜齿轮1和2的齿形拼装在一起加工，装配时在两薄片齿轮间装入已知厚度为t的垫片3，这样螺旋线便错开了，使两薄片斜齿轮分别与宽齿轮4的左、右齿面贴紧，从而消除间隙。承载能力较小，且不能自动补偿消除间隙，属刚性消除间隙的范畴。斜齿轮轴向垫片消除间隙结构2、4.4.3传动齿轮间隙调整机构472）斜齿轮轴向压簧错齿调整法轴向尺寸较大，只适合于负载较小的场合。斜齿轮轴向压簧错齿消除间隙结构4.4.3传动齿轮间隙调整机构484、锥齿轮轴向压簧消除间隙结构1）锥齿轮轴向压簧调整法4.4.3传动齿轮间隙调整机构492）锥齿轮周向弹簧调整法锥齿轮周向弹簧消除间隙结构4.4.3传动齿轮间隙调整机构5、齿轮齿条传动副消除间隙的方法如果通过弹簧在轴2上作用一个轴向力F，使斜齿轮产生微量轴向移动，这时轴1和轴3便以相反的方向转过微小的角度，使齿轮4和5分别与齿条的两齿面贴紧，从而消除间隙。齿轮齿条消除间隙结构51锥环无键消隙联轴器1、锥环无键联轴器4.4数控机床进给传动系统4.4.4联轴器52挠性联轴器4.4.4联轴器532、(a)结构一；(b)结构二；(c)结构三其结构简单，径向尺寸小，但拆装困难(要求两中心轴线严格对准)，使用受到一定限制。4.4.4联轴器541、4.4数控机床进给传动系统4.4.5数控机床的导轨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。55（1)直线滚动导轨4.4.5数控机床的导轨2、滚动导轨导轨体固定在不动部件上，滑块固定在运动部件上。除导向外还能承受颠覆力矩，其制造精度高，可高速运行，并能长时间保持精度，通过预加负载可提高刚性，具有自调的能力，安装基面允许误差大。56直线滚动导轨的外形和结构4.4