数控机床的机械结构

主要内容主要内容概述数控机床的总体布局数控机床的主传动系统数控机床的进给传动系统数控机床的导轨数控机床的自动换刀装置数控机床的回转工作台第四章数控机床的机械结构CNC1主要内容导轨4.1概述CNC机械结构组成辅助装置床身立柱主轴部件进给系统工作台刀架和刀库自动换刀装置2主要内容机械结构的主要特点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、直线滚动导轨等高效执行部件，减小摩擦力，提高传动效率。4.1概述CNC3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、精度和抗振性）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、粗精合一4.1概述CNC4主要内容对机械结构的基本要求:较高的静、动刚度和良好的抗振性良好的热稳定性较高的运动精度和低速稳定性良好的操作、安全防护措施4.1概述CNC5主要内容提高数控机床性能的措施:合理选择数控机床的总体布局提高结构件的刚度提高机床抗振性改善机床的热变形保证运动的精度和稳定性4.1概述CNC6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。4.2数控机床总体布局CNC7数控车床常用的布局型式有平床身、斜床身和立式床身这三种4.2数控机床总体布局CNC4.2.1数控车床常见布置型式8主要内容数控车床水平床身CNC平床身:经济型、普及型数控车床以及数控化改造的车床4.2数控机床总体布局4.2.1数控车床常见布置型式9主要内容数控铣床常见布局数控车床倾斜床身CNC斜床身性能要求较高的中、小规格数控车床4.2.1数控车床常见布置型式4.2数控机床总体布局10主要内容立式数控车床CNC立式床身大型数控车床或精密数控车床4.2.1数控车床常见布置型式4.2数控机床总体布局11主要内容CNC4.2.2卧式数控镗铣床(卧式加工中心)的布局型式种类较多，主要区别在于立柱的结构型式和x、z坐标轴的移动方式上(y轴移动方式无区别)。常用的立柱有单立柱和框架结构双立柱两种型式4.2数控机床总体布局12主要内容CNC4.2.2卧式数控镗铣床(卧式加工中心)的布局型式卧式数控铣床移动立柱卧式加工中心4.2数控机床总体布局13主要内容CNC4.2.2卧式数控镗铣床(卧式加工中心)的布局型式卧式加工中心双交换工作台4.2数控机床总体布局14CNC4.2.3立式数控镗铣床(立式加工中心)的布局型式与卧式数控镗铣床类似4.2数控机床总体布局15主要内容数控铣床常见布局立式数控铣床CNC4.2数控机床总体布局龙门数控铣床4.2.3立式数控镗铣床(立式加工中心)的布局型式16O形整体床身立式加工中心CNC4.2数控机床总体布局4.2.3立式数控镗铣床(立式加工中心)的布局型式17对机械结构的基本要求CNC4.3数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统必须通过变速，才能使主轴获得不同的转速，以适应不同的加工要求。在变速的同时，还能传递一定的功率和足够的扭矩，满足切削的需要。4.3.1主传动的基本要求和变速方式主传动系统的基本要求：能够自动实现无级变速具有足够高的转速和足够大的功率主传动系统应简化结构，减少传动件具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹紧装置安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制18主要内容CNC4.3数控机床的主传动系统主传动的无级变速的方法–交流主轴驱动系统–采用变频器带变频电动机或普通交流电动机实现无级变速的方式（经济型、普及型数控机床）–使用主轴和电动机一体化的新颖功能部件——电主轴（高速加工机床）4.3.1主传动的基本要求和变速方式19CNC4.3数控机床的主传动系统4.3.2主轴的联接型式用辅助机械变速机构联接在使用无级变速传动的基础上，再增加两级或三级辅助机械变速机构作为补充。通过分段变速方式，确保低速时的大扭矩，扩大恒功率调速范围，满足机床重切削时对扭矩的要求辅助机械变速机构：通过电磁离合器、液压或气动带动滑移齿轮等方式实现20主要内容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CNC4.3数控机床的主传动系统4.3.2主轴的联接型式21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CNC4.3数控机床的主传动系统4.3.2主轴的联接型式22CNC4.3数控机床的主传动系统4.3.2主轴的联接型式定传动比的联结型式主电动机和主轴一般采用定传动比的联结型式，或是主电动机和主轴直接联结的型式，在使用定传动比传动时，通常采用三角皮带或同步皮带传动电动机和主轴直接联结的型式，可以大大简化主轴传动系统的结构，有效地提高主轴刚度和可靠性。23主轴脉冲编码器同步齿形带主轴电机主轴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CNC4.3数控机床的主传动系统定传动比的联结型式24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。CNC4.3数控机床的主传动系统定传动比的联结型式25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CNC4.3数控机床的主传动系统定传动比的联结型式26CNC4.3数控机床的主传动系统采用电主轴电主轴的电动机转子和主轴为一体。外壳有进行强制冷却的水槽，中空套筒用于安装各种机床主轴。27主要内容电主轴：主轴与电机制成一体。定子转子CNC4.3数控机床的主传动系统采用电主轴28主要内容CNC主轴前轴承转子磁极定子磁极后轴承4.3数控机床的主传动系统采用电主轴29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。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。CNC4.3数控机床的主传动系统采用电主轴30CNC4.3数控机床的主传动系统4.3.3主轴部件的支承数控机床的主轴一般都采用滚动轴承作为支承主轴轴承31主要内容CNC后端定位：推力轴承布置在后支承的两侧，轴向载荷由后支承承受。4.3数控机床的主传动系统4.3.3主轴部件的支承前后两端定位：推力轴承布置在前后支承的两外侧，轴向载荷由前后支承，轴向间隙由后端调整。前端定位：推力轴承布置在前支承，轴向载荷由前支承承受。轴承的配置32高速度轴承配置CNC4.3数控机床的主传动系统4.3.3主轴部件的支承轴承的配置33CNC4.3数控机床的主传动系统4.3.4主轴部件结构主轴和电机间采用的是皮带联接的定传动比传动方式34CNC4.3数控机床的主传动系统4.3.4主轴部件结构内装电主轴的主轴部件结构35主要内容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。4.4数控机床的进给传动系统CNC36主要内容4.4数控机床的进给传动系统CNC37进给传动系统结构简图CNC4.4数控机床的进给传动系统影响数控机床定位精度和轮廓加工精度的决定性因素传动系统的刚度和惯量；传动部件精度与传动系统的非线型数控机床对机械传动系统的要求提高传动部件的刚度减小传动部件的惯量减小传动部件的间隙减小系统的摩擦阻力4.4.1数控机床对进给传动系统的要求38主要内容4.4数控机床的进给传动系统CNC（1）传动刚度要高传动刚度主要取决于丝杠螺母副(直线运动)或蜗轮蜗杆副(回转运动)及其支撑部件的刚度。传动刚度不足与摩擦阻力一起会导致工作台产生爬行现象以及造成反向死区，影响传动准确性。措施：缩短传动链，合理选择丝杠尺寸以及对丝杠螺母副及支撑部件等进行预紧是提高传动刚度的有效途径。4.4.1数控机床对进给传动系统的要求39主要内容4.4数控机床的进给传动系统CNC（2）转动惯量要小进给系统中每个部件的转动惯量对进给系统的启动、制动特性等都有直接的影响，尤其是高速运转零件的转动惯量。措施：在满足传动强度和刚度的前提下，应尽可能使各零件的结构、配置合理，减小旋转零件的直径和质量，以减少运动部件的转动惯量。4.4.1数控机床对进给传动系统的要求40主要内容4.4数控机床的进给传动系统CNC（3）传动间隙要小机械间隙是造成进给系统反向死区的另一主要原因，因此，对传动链的各个环节，包括齿轮副、丝杠螺母副、联轴器及其支撑部件等均应采用消除间隙的结构措施。4.4.1数控机床对进给传动系统的要求41主要内容4.4数控机床的进给传动系统CNC（4）摩擦阻力要小在进给系统中要尽量减少传动件之间的摩擦阻力，尤其是减少丝杠传动和工作台运动导轨之间的摩擦，以消除低速进给爬行现象，从而提高整个伺服进给系统的稳定性。广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料导轨和静压导轨。4.4.1数控机床对进给传动系统的要求42CNC4.4数控机床的进给传动系统4.4.2数控机床进给传动系统的基本型式数控机床的进给运动有两大类–直线进给运动:机床的基本坐标轴(X、Y、Z轴)以及和基本坐标轴平行的坐标轴(U、V、W等)的运动–圆周进给运动:指绕基本坐标轴X、Y、Z回转的坐标轴运动。实现直线进给运动主要有三种型式通过丝杠(通常为滚珠丝杠或静压丝杠)螺母副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。通过齿轮、齿条副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动直接采用直线电动机进行驱动实现圆周运动除少数情况直接使用齿轮副外，一般都采用蜗轮蜗杆副43CNC4.4数控机床的进给传动系统滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副是目前中、小型数控机床使用最为广泛的传动型式。44CNC4.4数控机床的进给传动系统为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止出现爬行现象，必须要降低数控机床进给系统的摩擦力，减少静、动摩擦系数之差。滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上几乎没有什么差别。它可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。因此，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副。滚珠丝杠由专门工厂制造。滚珠丝杠螺母副45CNC4.4数控机床的进给传动系统直线电机作为高效驱动元件正被广为应用，尤其在激光切割和高速加工中。直线电动机46CNC4.4数控机床的进给传动系统直线电动机直线电动机是高速、高精度数控机床最有代表性的先进制造技术之一。利用直线电动机驱动，可以完全取消传动中将旋转运动变为直线运动的环节，大大简化机械传动系统的结构，即“零传动”。优点采用直线电动机驱动，不需要丝杠、齿轮齿条等转换装置即能直接实现直线运动，它大大简化了进结系统结构，提高了传递效率。采用直线电动机驱动时，速度可以达到大于100m／min的进给速度和大于10m／s2的加速度直线电动机从根本上消除传动环节，故进给系统的精度高、刚度大、快速性和稳定性好，噪声很小或无噪声缺点效率和功率因数要低，特别在低速时更明显直线感应电动机的起动推力受电源电压的影响较大，故对驱动器的要求较高和导轨、工作台做成一体，必须采取措施以防止磁力和热变形对加工的影响47按丝杠与螺母的摩擦性质分：滑动丝杠螺母副