第四章数控机床的结构

第四章数控机床的结构1第四章4.1数控机床的组成4.2数控机床的总体布局形式4.3数控机床的主传动系统4.4进给系统的机械传动结构4.5数控机床的辅助装置24.1数控机床的组成数控机床的结构主要由以下几部分组成：（1）主传动系统；（2）进给系统；（3）伺服系统；（4）工件实现回转、定位的装置；（5）自动换刀装置；（6）辅助装置；（7）其它特殊功能装置。数控机床的结构要求：精密、高速、高效、抗振、刚度大、间隙小、摩擦因数小。JCS-018立式镗铣加工中心机床的外形图4.2数控机床的整体布局形式数控机床的布局根据工件的工艺分类所需运动及主要技术参数而确定各部件的相对位置，并保证工件和刀具的相对运动，加工精度，方便操作、调整和维修。机床的布局直接影响机床的结构和使用性能。数控机床的布局特点多采用机、电、液、气一体化布局，全封闭或半封闭；机械结构简化，操作维修方便等。4.2数控机床的整体布局形式（1）图具有可编程尾架座双刀架数控车床。4.2数控机床的整体布局形式（2）加工中心都带有刀库，刀库的形式和布局影响机床的布局。图是一种立式加工中心，刀库位于机床侧面。4.2数控机床的整体布局形式（3一般数控车床都可实现X、Z方向联动。图为五坐标联动的加工中心。4.2数控机床的整体布局形式（4）适应快速换刀要求的布局4.2数控机床的整体布局形式（5）图示的机床有四个工位，三个工位为加工工位，一个工位为装卸工件工位，该机床可实现多面加工，因而生产率较高。4.2数控机床的整体布局形式（6）图为可换工作台的加工中心，一个工作台上的零件加工时，另一个工作台可装卸工件，使装卸工件时间和加工时间重合，减少了辅助时间，提高了生产率。4.2数控机床的整体布局形式（7）当工件较大，移动不方便时，可使机床立柱移动。4.2数控机床的整体布局形式（8）提为高刚度减小热变形要求的布局4.2数控机床的整体布局形式（9）4.2数控机床的整体布局形式（10）1）水平床身；2）倾斜床身；3）水平床身斜滑板；4）立式床身4.2.1数控车床的总体布局形式水平床身加工工艺性好，刀架水平放置有利于提高其运动精度，但这种结构床身下部空间小，排屑困难。4.2.1数控车床的总体布局形式倾斜床身-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°，大型的数控车床采用75°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。4.2.1数控车床的总体布局形式立式床身自动换刀装置布置方便，排屑性能好，受热影响性小，防护方便。但这种结构床身受自重影严重，需平衡机构，床身变形对加工精度影响大。4.2.1数控车床的总体布局形式4.2.2卧式数控镗铣床、卧式加工中心的总体布局形式1）传统的卧式镗床形式；2）构架结构双立柱、Z轴工作台移动式布局；3）T形床身布局。4.2.2卧式数控镗铣床、卧式加工中心的总体布局形式传统的卧式镗床形式，源于早期数控机床或数控化改造的机床。4.2.2卧式数控镗铣床、卧式加工中心的总体布局形式框架结构双立柱、Z轴工作台移动形式，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。4.2.2卧式数控镗铣床、卧式加工中心的总体布局形式数控镗铣床的三种布局方案：（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。4.2.2卧式数控镗铣床、卧式加工中心的总体布局形式数控卧式镗铣床中，（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；4.2.2卧式数控镗铣床、卧式加工中心的总体布局形式数控卧式镗铣床中，(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。4.2.2卧式数控镗铣床、卧式加工中心的总体布局形式卧式加工中心移动式立柱，工作台不升降，T形床身。一体式T形床身：刚度好，精度保持性好，但其铸造和加工工艺性能较差；分离式T形床身：铸造和加工工艺性能大大改善，但联接部位要用定位键和专用的的定位销定位，并用大螺栓紧固以保证刚度和精度。4.2.2卧式数控镗铣床、卧式加工中心的总体布局形式卧式加工中心各坐标的的运动可由工作台移动或主轴移动来完成。右图为各坐标运动形式不同组合的几种布局形式：4.2.3立式数控镗铣床、立式加工中心的总体布局形式立式数控镗铣床、立式加工中心的总体布局形式可分为：工作台移动式、T形床身、Z轴为立柱移动式和T形床身X、Y、Z3轴均为立柱移动式。与卧式加工中心相比，立式加工中心结构简单，占地面积小，价格相对便宜。中小型立式加工中心一般采用固定立柱式，将主轴吊在立柱一侧。4.2.3立式数控镗铣床、立式加工中心的总体布局形式立式加工中心通常有三个直线运动坐标，还可以在工作台上安放一个第四轴A轴，可以加工螺旋类和圆柱凸轮等零件。下图为立式加工中心的几种布局结构：4.3数控机床的主传动系统数控机床和普通机床一样，要求具有较宽的调速范围，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，以获得最佳的表面加工质量、精度和生产率。4.3.1对数控机床主传动系统的要求1）转速高，功率大；2）调速可靠，可自动无级调速；3）回转精度高，足够的刚度、抗振性，热稳定性好；4）动态响应好，调速运行平稳；5）可快速自动换刀；6）主轴定向准停；7）有恒线速度切削功能；8）旋转轴可联动。4.3.2主传动机械结构数控机床机械结构要求：高刚度机床刚度是指机床抵抗由切削力和其它力引起变形的能力。1）提高构件的自身刚度：正确选择截面形状和尺寸，合理选择及布置隔板和肋条；2）提高局部刚度；3）提高接触刚度；4）5）采取补偿构件变形的措施。4.3.2主传动机械结构数控机床机械结构要求：高抗振性1）强迫振动使机床产生强迫振动的内部振源有高速转动零部件的动态不平衡力、往复运动件的换向冲击力、周期变化的切削力等。2）这里是指切削自激振动，也称颤振。如图所示。3）(1)减少机床的内部振源(2)提高静刚度(3)增加构件或结构的阻尼4.3.2主传动机械结构数控机床机械结构要求：高的低速运动平稳性数控机床各坐标轴低速进给运动的平稳性极大地影响到零件的加工精度。在闭环进给系统中，如图所示为其进给系统的机械传动机构，伺服电动机虽匀速旋转，如果速度较低，则工作台4可能出现爬行现象。机械学中的爬行现象,在滑动摩擦副中从动件在匀速驱动和一定摩擦条件下产生的周期性时停时走或时慢时快的运动现象。爬行是机械振动中自激振动的一种形式。4.3.2主传动机械结构1)摩擦副存在着静、动摩擦系数不同和当处于边界或混合摩擦时，动摩擦系数又随滑动速度的增加而降低，这就可能使系统具有负阻尼或零阻尼。2)传动机构的刚度不足。消除爬行的措施1)减少静、动摩擦系数之差和改变动摩擦系数随速度变化的特性。2)提高传动系统的传动刚度。4.3.2主传动机械结构数控机床机械结构要求：高的定位精度机床工作台的定位精度受到所有电气或机械装置及元件设计和制造精度的综合影响。在机床使用过程中，定位精度进一步受到负载变化、振动、热变形、机床导轨和丝杠螺母副的磨损以及数控装置元件特性变化等的影响。1）齿轮副的传动误差、滚珠丝杠螺母副的传动误差2）导轨副的误差；3）4）机械传动部分的热变形；5）矢动量的来源和消除措施。4.3.2主传动机械结构数控机床机械结构要求：热变形对加工精度的影响小数控机床的热变形，是影响加工精度的重要因素。引起机床热变形的热源主要是机床的内部热源，如主电动机、进给电动机发热，摩擦热以及切削热等。减少机床热变形及其影响的措施是：1）2）改善散热和隔热条件；3）4）合理设计机床的结构布局，减小热变形对精度的影响；5）采取热变形补偿措施。4.3.2主传动机械结构数控机床机械结构要求：人机关系要求机床应操作方便、省力、容易掌握、不易发生操作错误和故障，这样不仅能减少工人的疲劳、保证工人和机床的安全，还能提高机床的生产率。防止机床对周围环境的污染，是对机床设计和制造提出的一项主要要求。噪声要低，不仅噪音声级要达到规定值以下，而且不能对人耳有强烈的不适感，渗、漏油必须避免。4.3.2主传动机械结构主轴部件结构：数控机床的主轴部件，既要满足精加工时精度较高的要求，又要具备粗加工时高效切削的能力，因此应有更高的动、静刚度和抵抗变形的能力。主轴部件主要包括主轴、轴承、传动件和密封件，对于具有自动换刀能力的数控机床，主轴部件还应有刀具自动装卸装置、主轴准停装置和吹屑装置等。4.3.2主传动机械结构主轴的支承图所示为TND360型车床主轴部件。因为主轴在切削时要承受较大的切削力，所以轴径较大，刚性好。在主轴端部，卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端面定位，用拨销传递扭矩。主轴为空心轴，通过棒料的直径可达60mm。前轴承为三个推力角接触球轴承，前面两个轴承大口朝向主轴前端，接触角为25°，以承受轴向切削力；后面轴承大口朝向主轴后端，接触角为14°，三个轴承的内外圈轴向由轴肩和箱体孔的台阶固定，以承受轴向负荷。后支承由一对背靠背的推力角接触球轴承组成，只承受径向载荷，并由后压套进行预紧.TND360型车床主轴结构1、2-后轴承3-轴承4、5-前轴承4.3.2主传动机械结构主轴部件的支承：主轴部件是数控机床的关键部件之一，它直接影响机床的加工质量。主轴部件包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。常用主轴轴承：1）锥孔双列圆柱滚子轴承2）双列推力角接触球轴承3）双列圆锥滚子轴承4）带凸肩的双列圆锥滚子轴承4.3.2主传动机械结构动力卡盘为了减少辅助时间和劳动强度，并适应自动化和半自动化加工的需要，数控车床多采用动力卡盘装夹工件，目前使用较多的是自动定心液压动力卡盘。该卡盘主要由引油导套、液压缸和卡盘三部分组成。动力卡盘液压缸结构图1-引油导套2-液压缸体3-活塞4-法兰盘4.3.2主传动机械结构自动夹紧装置在带有刀库的数控机床中，为了实现刀具的自动装卸，主轴内设有刀具自动夹紧装置。图示为自动换刀数控铣镗床的主轴部件，其主轴前端的7：24锥最孔用于装夹锥柄刀具或刀杆。主轴的端面键可用于传递刀具的扭矩，也可用于刀具的周向定位。刀具夹紧时，蝶形弹簧11通过拉杆7，双瓣卡爪5，在套筒14的作用下，将刀柄的尾端拉紧。当换刀时，在主轴上端油缸的上腔A通入压力油，活塞12的端部推动拉杆7向下移动，同时压缩蝶形弹簧11，当拉杆7下移到使双瓣卡爪5的下端移出套筒14时，在弹簧6的作用下，卡爪张开，喷气头13将刀柄顶松，刀具即可由机械手拔除。待机械手将新刀装入后，油缸10的下腔通入压力油，活塞12向上移，蝶形弹簧伸长将拉杆7和双瓣卡爪5拉着向上，双瓣卡爪5重新进入套筒14，将刀柄拉紧。活塞12移动的二个极限位置都有相应的行程开关（LS1，LS2）作用，作为刀具松开和夹紧的回答信号。数控铣镗床的主轴部件1-调整半环；2-3182120型锥孔双列圆柱滚子轴承；3-2268120型双向向心球轴承；4、9-调整环；5-双瓣卡爪；6-弹簧；7-拉杆；8-46115型向心推力球轴承；10-油缸；11-碟型弹簧；12-活塞；13-喷气头；14-套筒4.3.2主传动机械结构刀杆尾部的拉紧结构，除主轴部件中的卡爪式以外，还有图(a)所示的弹簧夹头结构，它有拉力放大作用，可用较小的液压推力产生较大的拉紧力。图(b)所示为钢球拉紧结构。刀杆尾部拉紧结构4.3.2主传动机械结构数控机床的主轴准停装置：自动换刀时，刀柄上的键槽要对准主轴的端面键。为此，主轴每次停转必须准确地停在某一固定位置上。这种使主轴停在某一固定位置上的装置称为主轴准停装置。1）机械控制的主轴准停装置2）电气控制的主轴准停装置4.3.2主传动机械结构电气控制的主轴准停装置当机床停车换刀时，数控装置发出主轴停转指令，主轴电机立即降速。当主轴