第8章数控机床的机械结构与装置

主要内容主要内容数控机床机械结构的特点和基本要求数控机床的主传动系统数控机床的进给传动系统数控机床的自动换刀装置数控机床的导轨数控机床的辅助装置主要内容主传动系统进给传动系统自动换刀装置自动托盘交换装置机床基础件主要内容机床的床身、立柱和导轨工作台主轴部件进给系统刀架和刀库自动换刀装置其他辅助装置数控机床的机械结构包括：主要内容8.1.1数控机床机械结构的特点1)结构简单、操作方便、自动化程度高主轴箱、进给箱结构简单；电机直接连主轴、滚珠丝杠；采用直线电机、电主轴则不需丝杠、主轴箱；不需手柄等操作机构；......2)广泛采用高效、无间隙传动装置滚珠丝杠副、塑料滑动导轨、静压导轨、直线滚动导轨8.1概述主要内容3)具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件工艺复合化、功能集成化自动换刀装置、动力刀架、自动排屑装置、自动润滑装置、自动工作台交换装置、自动装卸、自动对刀、破损检测、立卧转换等。4)对机械结构、零部件要求高（刚度、功率、精度……）高速、高精度、高效无人化、工艺复合、功能集成开机时间长、工作负载增加、粗精合一8.1.1数控机床机械结构的特点8.1.2对机械结构的基本要求:1.刚度高2.抗振性好3.热变形小采用合理的机床结构和布局优化设计构件的截面形状和尺寸合理选择和布置筋板提高构件的局部刚度采用焊接结构减小机床的内部振源提高静刚度提高阻尼比控制热源和发热量加强冷却散热改进机床布局和结构设计主要内容对机械结构的基本要求封闭整体箱形结构提高静刚度的措施基础大件采用封闭整体箱形结构合理布置加强筋提高部件之间的接触刚度主要内容对机械结构的基本要求纵向隔板——主要提高抗弯刚度横向隔板——主要提高抗扭刚度斜向隔板——兼有提高抗弯刚度、抗扭刚度的效果提高动刚度的措施改善机床的阻尼特性（如填充阻尼材料）床身表面喷涂阻尼涂层充分利用结合面的摩擦阻尼采用新材料，提高抗震性人造大理石床身（混凝土聚合物）主要内容实心混凝土底座内封泥沙提高抗振性措施——增加阻尼主要内容主轴冷却风管减小热变形措施——对机床热源进行强制冷却主要内容热对称结构立柱减小热变形措施——采用热对称结构采用热变形补偿装置减小热变形减小热变形措施——采用热变形补偿装置数控铣床常见布局水平床身提高刚度并减小热变形措施——改进机床布局主要内容数控铣床常见布局倾斜床身主要内容数控铣床常见布局立式数控车床主要内容立式数控铣床主要内容数控铣床常见布局卧式数控铣床主要内容数控铣床常见布局龙门数控铣床主要内容数控铣床常见布局固定立柱立式加工中心主要内容数控铣床常见布局滑枕立式加工中心主要内容数控铣床常见布局O形整体床身立式加工中心主要内容数控铣床常见布局移动立柱卧式加工中心主要内容数控铣床常见布局移动立柱卧式加工中心主要内容快走丝电火花线切割机床主要内容垂直慢走丝电火花线切割机床水平慢走丝电火花线切割机床主要内容产生主切削力1.主传动系统作用1)足够的转速范围2)足够的功率和扭矩3)各零部件应具有足够的精度、强度、刚度和抗振性4)噪声低、运行平稳2.对主传动系统的要求8.2数控机床的主传动系统主要内容3.主传动的变速方式1)采用变速齿轮传动2)采用同步齿形带传动3)采用主轴电机直接驱动（一体化主轴，电主轴）8.2数控机床的主传动系统主要内容1）采用变速齿轮传动通过少数几对齿轮降速，使之成为分段无级变速。滑移齿轮的移位采用液压拨叉或电磁离合器控制。应用：大中型数控机床8.2数控机床的主传动系统主要内容例：TND360型数控车床两级齿轮变速液压拔叉实现齿轮滑移作用：慢速对刀和手动调整机床8.2数控机床的主传动系统主轴脉冲编码器同步齿形带主轴电机主轴2）采用带传动主要应用在小型数控机床，可避免齿轮传动引起的振动和噪声，但它只适用于低扭矩特性要求的主轴。常用带：多楔带、同步带8.2数控机床的主传动系统例：JCS-018型立式加工中心8.2数控机床的主传动系统主要内容多楔带兼有v带和平带的优点，既有平带柔软、强韧的特点，又有v带紧凑、高效等优点。8.2数控机床的主传动系统主要内容同步带是利用带齿与带轮的啮合同步传动力的一种新型传动带。不仅具有带传动的特点，适用于大中心距传递，而且又具有齿轮传动和链传动的特点，能够保证准确的传动比。梯形齿同步带圆弧齿同步带8.2数控机床的主传动系统主要内容主轴电机直接驱动3）电主轴：主轴与电机制成一体，使主轴驱动机构简化。电主轴组成：空心轴转子、带绕组的定子、速度检测元件。空心轴转子，既是电机的转子，也是主轴。定子转子8.2数控机床的主传动系统主要内容电主轴8.2数控机床的主传动系统主要内容8.2数控机床的主传动系统主要内容8.2数控机床的主传动系统主要内容优点：主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高启动、停止响应特性，利于控制振动和噪声。大大简化了主运动系统结构，实现了所谓“零传动”，使传动精度大大提高，在高速数控机床大量采用。缺点:电机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴，因此，主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是内装式主轴电机的关键问题。8.2数控机床的主传动系统主要内容8.2数控机床的主传动系统电主轴采用变频调速，磁场矢量控制；安装前后轴承间（中大型高速加工中心)后轴承之后（小型）发热问题电主轴定子外面带螺旋槽，冷却轴承发热：磁悬浮、陶瓷轴承）平衡问题8.2数控机床的主传动系统平衡问题结构严格对称；问：能否键连接或螺纹连接？转子留余量，加热，主轴装入，精车转子两端盖对称加工16-24个M4-M6的螺纹孔，测试，选入螺钉，环氧树脂固化轴承配置角接触球轴承，滚动体小而多主要内容车削中心C轴功能8.2数控机床的主传动系统主要内容8.2数控机床的主传动系统主轴准停功能•每次机械手自动装取刀具时，必须保证刀柄上的键槽对准主轴的端面键•为满足主轴这一功能而设计的装置称为主轴准停装置或称主轴定向装置•在加工精密的坐标孔时，由于每次都能在主轴的固定圆周位置换刀，故能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而减少被加工孔的尺寸分散度8.2数控机床的主传动系统8.2数控机床的主传动系统主要内容换刀时需要主轴准停在某一位置,有机械式和电气式。而现代CNC机床上，一般都采用电气方式定向。8.2数控机床的主传动系统8.2数控机床的主传动系统高刚性轴承配置8.2数控机床的主传动系统高速度轴承配置8.2数控机床的主传动系统主要内容主轴的润滑、冷却方式水套冷却油气润滑8.2数控机床的主传动系统主要内容1.进给传动系统作用进给传动系统是将伺服电机的旋转运动转变为执行部件的直线运动或回转运动。进给系统组成:伺服电机及检测元件、传动机构、运动变换机构、导向机构、执行件常用的传动机构:一到两级传动齿轮和同步带；运动变换机构:丝杠螺母副、蜗杆蜗轮副、齿轮齿条副等；导向机构:滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、轴承等8.3数控机床进给传动系统主要内容8.4数控机床进给传动系统主要内容2.对进给传动系统的要求8.3数控机床进给传动系统有较高的工作精度响应速度快调速范围宽稳定性好可靠性高主要内容(车)滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副8.3数控机床进给传动系统主要内容滚珠丝杠螺母副+滑动导轨8.3数控机床进给传动系统按丝杠与螺母的摩擦性质分：滑动丝杠螺母副：主要用于旧机床的数控化改造、经济型数控机床等；滚珠丝杠螺母副：广泛用于中、高档数控机床；静压丝杠螺母副：主要用于高精度数控机床、重型机床。8.3数控机床进给传动系统丝杠（螺母）旋转，滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使螺母（丝杠）轴向移动，从而实现将旋转运动变换成直线运动。8.3数控机床进给传动系统主要内容滚珠循环方式常用的有两种：外循环：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触8.3数控机床进给传动系统8.3数控机床进给传动系统内循环：始终与丝杠保持接触。内循环：始终与丝杠保持接触。8.3数控机床进给传动系统常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式：垫片预紧方式螺纹预紧方式齿差预紧方式8.3数控机床进给传动系统调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移，该形式结构简单，调整方便，应用广，但仅适用于一般精度机构。8.3数控机床进给传动系统通过圆螺母调整，消除间隙并产生预紧力，再用锁紧螺母锁紧，结构紧凑，调整方便。但调整精度较差，且易于松动。8.3数控机床进给传动系统两螺母的凸缘上制有圆柱外齿，齿数相差1，分别与内齿轮啮合，调整时先取下内齿轮，使两螺母产生相对位移（即在同方向转过相同齿），然后将内齿轮复位固定，达到消除间隙的目的。8.3数控机床进给传动系统轴向位移量：umDmmtZZztztD110,100,992121====−=则主要内容数控机床对于导轨有着更高的要求：•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•耐磨性好，精度保持性好8.3数控机床进给传动系统主要内容•与支承件连成一体固定不动的导轨称为支承导轨•与运动部件连成一体的导轨称为动导轨8.3数控机床进给传动系统主要内容导轨分类：滑动导轨、滚动导轨、静压导轨•塑料滑动导轨--塑料与金属相摩擦，导轨的滑动性好，在数控机床上广泛采用•静压导轨通常在两个相对运动的导轨面间通人压力油，使运动件浮起。油压能随外加负载的变化自动调节，保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态。摩擦系数极小，功率消耗少，磨损少、精度保持性好，寿命长。制造成本较高。目前静压导轨一般应用在大型、重型数控机床上。8.3数控机床进给传动系统主要内容8.3数控机床进给传动系统镶粘塑料导轨的结构示意图直线滚动导轨组成8.3数控机床进给传动系统滚珠安装孔安装孔导轨（通过安装孔用螺栓固定在床身上）滑块（通过安装孔用螺栓固定在移动部件上）8.3数控机床进给传动系统主要内容工作台方形工作台分度回转工作台8.3数控机床进给传动系统主要内容分度工作台分度过程：工作台上升→工作台旋转分度→分度到位工作台下降→分度完成8.3数控机床进给传动系统主要内容工作台分度工作台——鼠牙盘8.3数控机床进给传动系统主要内容工作台•鼠齿盘式分度工作台具有刚性好、承载能力强、重复定位精度高、分度精度高、能自动定心、结构简单等特点。•鼠齿盘制造精度要求高，它分度的度数只能是鼠齿盘齿数的整数倍。8.3数控机床进给传动系统主要内容工作台上升活塞上升，上、下端齿盘脱开大小齿轮啮合分度电机→蜗杆蜗轮→齿轮副→工作台旋转工作台下降活塞下降,上、下端齿盘啮，定位夹紧大小齿轮脱开数控分度指令(M指令)油缸下腔进油油缸上腔进油分度完成分度流程分度工作台——分度流程行程开关发分度信号发下降信号行程开关发分度结束信号8.3数控机床进给传动系统伺服电机旋转主要内容工作台数控回转工作台•为消除累积误差，数控回转工作台设有零点•数控回转工作台可作任意角度的回转和分度，因此能够达到较高的分度精度。8.3数控机床进给传动系统回转工作台分度信号→锁紧油缸松开工作台→伺服电机旋转→蜗杆蜗轮→工作台旋转或分度检测元件：圆光栅转轴工作台夹紧油缸及活塞（均布）蜗轮（与工作台固定）蜗杆（由伺服电动机带动）蜗轮夹紧块圆光栅钢球滚柱轴承8.3数控机床进给传动系统8.3数控机床进给传动系统8.3数控机床进给传动系统数控分度头8.3数控机床进给传动系统交换工作台8.3数控机床进给传动系统交换工作台8.3数控机床进给传动系统自动换刀装置分类:回转刀架式、转塔式回转刀架换刀装置，常用于数控车床。可设计成四方、六方刀架或圆盘式轴向装刀刀架，并相应地安装四把、六把或更多的刀具。回转刀架外观8.4数控机床的自动换刀装置自动换刀装置加工中心自动换刀装置盘式刀库链式刀库8.4数控机床的自动换刀装置刀库类型斗笠式刀库结构汽缸刀盘电机机架（固定在机床立柱上）刀夹刀盘移动导轨分度轮自动换刀装置8.4数控机床的自动换刀装置链式刀库结构链轮链条兼刀套张紧轮导轮8.4数控机床的自动换刀装置8.4数控机床的自动换刀装置箱型刀库线型刀库链式刀库结构——刀套刀柄刀套链条支撑板自动换刀装置8.4数控机床的自动换刀装置自动换刀装置8.4数控机床的自动换刀装置换刀方式：无机械手式有机械手式8.6数控机床的辅助