第三章 数控机床的机械结构

第一节数控机床的结构与性能要求第二节常见数控机床的布局第三节数控机床的主传动系统及主轴部件第四节进给系统的机械传动机构第三章数控机床的机械结构第七节数控机床的回转工作台第八节数控加工用辅助装置第五节数控机床的床身与导轨第六节数控机床的刀库与换刀装置第一节数控机床的结构和性能要求从本质上说，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。数控机床对机械结构的基本要求1、具有较高的静、动刚度和良好抗震性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。数控机床对机械结构的基本要求2、良好的热稳定性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。3、具有较高的运动精度和良好的低速稳定性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），一般为0.001mm；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。数控机床对机械结构的基本要求4、高的机床寿命和精度保持性措施1采用耐磨性好的零部件措施2机床运动部件间具有良好的润滑数控机床对机械结构的基本要求•高寿命和精度保持性可以提高数控机床开动率（比普通用机床高2～3倍），以便缩短数控机床投资的回收时间。•设计时就必须考虑数控机床零部件的耐磨性，如导轨、进给丝杆及主轴部件等的耐磨性，以使数控机床在长期使用过程中不丧失精度。保证数控机床各部件的良好润滑也是提高寿命的重要条件减少运动件的摩擦和消除传动间隙1.采用滚动导轨和静压导轨：减小摩擦，避免“低速爬行”，提高定位精度和运动平衡性。2.使用滚珠丝杠代替滑动丝杠：目前数控机床几乎无例外地采用了滚珠丝杠传动。3.采用无间隙传动副：用同步带传动代替齿轮传动、采用脉冲补偿装置进行螺距精度补偿。数控机床对机械结构的基本要求5、具有良好的操作、安全防护性能方便、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。第3章数控机床的机械结构一、数控机床的布局特点数控机床大都采用机、电、液、气一体化布局，全封闭或半封闭防护，机械结构大大简化，易于操作及实现自动化。第二节、常见数控机床的布局如图2-7所示均为数控铣床，但四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。其中，(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。1、不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量图2-8所示为数控镗铣床的三种布局方案。其中：（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。2、不同布局有不同的运动分配及工艺范围图2-9所示为几种数控卧式镗铣床。其中：（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，其中（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。3、不同布局有不同的机床结构性能不同的机床布局使机床操作中不少工作（如工件、刀具装卸、切屑清理、加工观察等）方便程度不同。图2-10为数控车床的三种不同布局方案，其中：（a）横床身，加工观察与排屑均不易。（b）斜床身，排屑亦较方便；（c）立床身，排屑最方便，切屑直接落入自动排屑运输装置；4、不同布局影响机床操作方便程度二、数控车床的布局结构特点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。常用布局形式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。常用布局形式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。常用布局形式（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、工件的调整比较方便，平床身有刀架的影响，加上滑板突出前方，观察、调整较困难。但是，在大型工件和刀具的装卸方面，平床身因其敞开面宽，起吊容易，装卸比较方便。立式床身因切屑可以自由落下，排屑性能最好，导轨防护也较容易。在防护罩的设计上，斜床身和立式床身结构较简单，安装也比较方便；而平床身则需要三面封闭，结构较复杂，制造成本较高。三、加工中心的布局结构特点1.卧式加工中心卧式数控镗铣床（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。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。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。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2-3b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•应用：适合于加工盘类工件，配合各种附件后，可满足各种工件的加工。2.立式加工中心•特点：五面加工中心具有立式和卧式加工中心的功能，通过回转工作台的旋转和主轴头的旋转，能在工件一次装夹后，完成除安装面以外的所有五个面的加工。3.五面加工中心与多坐标加工中心第三节数控机床的主传动及主轴部件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。主轴转速更高；变速范围更宽；提供的动力更强。主运动的自动变速、准停；C轴控制；同步速度控制。(1)调速功能：各种不同的机床对调速范围的要求不同。(2)功率要求：要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的驱动功率或输出扭矩，以适应高效、高速和强力切削的加工需要。(3)精度要求：主轴的旋转精度和运动精度。主轴的静刚度和抗振性。(4)动态响应性能：升降速时间短、调速平稳。对主传动系统的要求31一、数控机床主传动形式1、带有简单变速机构的主传动优点：能满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围调节速度的能力。缺点：结构复杂，需要润滑及温度控制装置；成本较高；制造和维修难。应用：一般大中型铣床多采用这种结构。322、通过皮带传动的主传动优点：结构简单，安装