数控机床的结构

第六章数控机床的结构第六章数控机床的结构第2页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统目录6.1数控机床结构概述一、数控机床机械结构的主要组成二、数控机床对机械结构的基本要求三、数控机床的布局特点6.2数控机床的主传动系统一、主传动装置二、主轴结构6.3数控机床的进给传动系统一、进给传动系统的特点及基本型式二、丝杠螺母副三、回转工作台四、机床导轨五、数控机床进给系统的间隙消除第六章数控机床的结构第3页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统6.4其他装置一、自动换刀装置二、排屑装置三、液压和气动装置第六章数控机床的结构第4页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统•引言•普通机床的弱点:•1)结构刚性不足;•2)抗震性能差;•3)滑动面的摩擦阻力较大;•4)传动件中的间隙较大；•5）电动机不能伺服驱动；•6）加工精度和效率远远不能满足要求。•所以，不能简单地认为，在普通机床上增加一套数控装置，就变成了数控机床。第六章数控机床的结构第5页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统6.1数控机床结构概述一、数控机床机械结构的主要组成数控机床的机械结构主要由下列几部分组成：1）机床的基础部件，包括床身、底座、立柱、横梁、滑座和工作台等。2）主传动系统(包括主轴部件)。3）进给传动系统。4）辅助功能系统和装置，如液压、气动、润滑、冷却、排屑、防护等。5）刀架或自动换刀装置（ATC）。6）自动交换工作台（APC）。7）特殊功能装置，如刀具破损监控、精度检查和监控装置。(应该不属于纯粹的机械结构，属于机电结构)8）各种检测反馈装置(应该不属于机械结构)。第六章数控机床的结构第6页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统二、数控机床对机械结构的基本要求1．数控机床及其加工过程的特点（1）结构简单、操作方便、自动化程度高（2）高的加工精度和切削效率（3）多工序和多功能集成（4）高的可靠性和精度保持性2．数控机床对机械结构的基本要求（1）高的动、静刚度和良好的抗振性能（2）良好的热稳定性（3）高的运动精度与良好的低速稳定性（4）良好的操作性能和安全防护性能第六章数控机床的结构第7页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统三、数控机床的布局特点数控机床总体方案设计由下列三部分组成：1．数控车床的布局特点（a）水平床身（b）倾斜床身（c）立式床身数控车床常见的布局型式第六章数控机床的结构第8页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统水平床身数控车床常用于经济型、普及型数控车床以及数控改造的车床。其结构特点是：制造水平床身的加工工艺性较好，部件精度较容易保证；其刀架水平布置，不受刀架、滑板自重的影响，有利于提高刀架的运动精度；但该结构床身下部空间小，排屑困难，且受热变形影响较大。性能要求较高的中、小型数控车床多采用倾斜床身或水平床身斜滑板结构。其结构特点是：占地面积小，易于排屑，便于操作与观察，易于安装上、下料机械手。还有一个优点是可采用封闭截面整体结构，提高床身的刚度。床身导轨倾斜角度有45°、60°和75°，但倾斜角度太大会影响导轨的导向性及受力情况。大型数控车床常采用立式床身布局。立式床身的排屑性能最好；但受自重的影响最大，有时需要加平衡机构来消除。第六章数控机床的结构第9页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统2．数控铣床、加工中心的布局特点•（1）卧式数控镗铣床（加工中心）的常用布局型式（a）（b）（c）卧式数控镗铣床（加工中心）常见的布局型式（a）移动式（b）回转式卧式加工中心双交换工作台布局第六章数控机床的结构第10页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统•（2）立式数控镗铣床（加工中心）的常用布局型式立式数控镗铣床（加工中心）常见的布局型式立式加工中心双交换工作台布局（a）（b）（c）第六章数控机床的结构第11页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统3．高速加工中心的布局特点（a）固定门式立柱布局（b）“箱中箱”结构布局两种高速加工中心的布局型式高速切削概念始于1931年德国所罗门（CarlSalomon）博士的研究成果，21世纪初，高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用，正成为切削加工的主流技术。高速加工：集高速度、高精度、高刚度于一身。第六章数控机床的结构第12页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统机床本体第六章数控机床的结构第13页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统高速加工机床总体结构特点：（1）将三轴进给系统的结构全部（或大部分）移出工作台外，以最大限度减轻移动部件的质量和运动惯量，这也是高速加工中心结构布局设计的总原则。（2）改进基础件结构和材料机床的基本结构有床身、底座和立柱等，高速切削会产生很大的附加惯性力，因而机床床身、立柱等必须具有足够的强度、刚度和高水平的阻尼特性。很多高速机床的床身和立柱材料采用聚合物混凝土（或人造花岗岩），这种材料阻尼特性为铸铁的7～10倍，比重只有铸铁的1/3。提高机床刚性的另一个措施是改革床体结构，如将立柱和底座合为一个整体，使得机床可以依靠自身的刚性来保持机床精度。第六章数控机床的结构第14页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统4．虚拟轴机床虚拟轴机床结构原理虚拟轴机床的布局型式虚拟轴机床是最近出现的一种全新概念的机床，它和传统的机床相比，在机床的机构、本质上有了巨大的飞跃，它的出现被认为是机床发展史上的一次重大变革。（a）（b）第六章数控机床的结构第15页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统主要内容虚拟轴机床：设计巧妙的5杆并联机构电滚珠丝杠电主轴数控回转工作台第六章数控机床的结构第16页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统6.2数控机床的主传动系统一、主传动装置1．数控机床主传动系统的特点（1）转速高、功率大（2）调速范围宽（3）主轴能自动实现无级变速，转速变换迅速可靠（4）数控机床的主轴组件具有较大的刚度、较高的精度和耐磨性能（5）在加工中心上，还具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的准确动作。（6）为了扩大机床功能，一些数控机床的主轴能实现C轴功能（主轴回转角度的控制）第六章数控机床的结构第17页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统2．数控机床主传动装置（1）带有二级齿轮的变速装置确保低速时输出大扭矩，扩大恒功率调速范围，以满足机床重切削时对输出扭矩特性的要求。（2）采用定比传动装置定比传动装置常用同步齿形带或三角带连接电机与主轴，避免了齿轮传动引起的振动与噪声。（3）采用电主轴电主轴传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，主轴部件的刚性更好。但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴影响较大，需对主轴进行强制冷却。（a）（b）（c）数控机床主传动装置第六章数控机床的结构第18页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统二、主轴结构1．数控车床主轴部件结构1、5—螺钉；2—带轮连接盘；3、15、16—螺钉；4—端盖；6—圆柱滚珠轴承；7、9、11、12—挡圈；8—热调整套；10、13、17—角接触球轴承；14—卡盘过渡盘；18—主轴；19—主轴箱箱体数控车床主轴部件结构示意图1—驱动爪；2—卡爪；3—卡盘；4—活塞杆；5—液压缸；6、7—行程开关液压驱动动力的自定心夹盘第六章数控机床的结构第19页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统2．数控加工中心（镗、铣床）主轴部件结构（1）带刀具夹紧装置和切屑清除装置的主轴部件1－刀架；2－拉钉；3－主轴；4-拉杆；5－碟形弹簧；6－活塞；7－液压缸（或气缸）；8、10－行程开关；9－压缩空气管接头；11－弹簧；12－钢球；13－端面键数控立式加工中心主轴部件第六章数控机床的结构第20页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统（2）主轴准停装置1－多楔带轮；2－磁传感器；3－永久磁铁；4－垫片；5－主轴主轴准停装置的工作原理第六章数控机床的结构第21页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统3．内装电主轴的主轴部件结构1－刀具系统；2、9－捕捉轴承；3、8－传感器；4、7－径向轴承；5－轴向推力轴承；6－高频电动机；10－冷却水管路；11－气－液压力放大器用磁悬浮轴承的高速加工中心电主轴部件第六章数控机床的结构第22页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统主要内容CNC电主轴第六章数控机床的结构第23页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统1—转子；2—定子；3—箱体；4—主轴数控车床电主轴部件第六章数控机床的结构第24页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统电主轴主要融合了以下技术：（1）高速电机技术其关键技术是高速度下的动平衡。（2）高速轴承技术电主轴通常采用复合陶瓷轴承、磁悬浮轴承和静压轴承。（3）润滑电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑方式；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。（4）冷却装置冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。（5）内置脉冲编码器电主轴有内置的脉冲编码器，在自动换刀以及刚性攻螺纹时，可以实现准确的相角控制以及与进给的配合。（6）自动换刀装置加工中心用电主轴，还须配备自动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等。（7）高速刀具的装卡方式常用的BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。从而出现了HSK、SKI等高速刀具；（8）高频变频装置要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。第六章数控机床的结构第25页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统4．主轴部件的支承性能滚动轴承液体静压轴承气体静压轴承磁悬浮轴承陶瓷轴承旋转精度一般或较高，预紧无间隙时较高高，精度保持性好一般同滚动轴承刚度一般或较高，预紧无间隙时较高，且取决于所用轴高，与节流阀形式有关，带薄膜反馈或滑阀反馈时很高较差，因空气可压缩，与承载力大小有关比一般滚动轴承差比一般滚动轴承差抗振性能较差，阻尼比ξ＝0.02～0.04好，阻尼比ξ＝0.045～0.065好较好同滚动轴承速度性能用于中、低速，特殊轴承用于较高速用于各种速度用于超高速用于高速用于中、高速，热传导率低，不易发热摩擦损耗较小μ＝0.002－0.008小μ＝0.0005～0.001小很小同滚动轴承使用寿命疲劳强度限制长长长较长结构尺寸轴向小，径向大轴向大，径向小轴向大，径向小径向大轴向小，径向大制造性能专业化、标准化生产自制，工艺要求高，需供油设备自制，工艺要求比液压系统低，需供气设备较复杂比滚动轴承难使用维护简单，油脂润滑供油系统清洁较难供气系统清洁较易较难较难成本低较高较高高较高数控机床的主轴轴承及其性能第六章数控机床的结构第26页共65页退出目录页返回6.1概述6.2数控机床的主传动系统6.3数控机床的进给传动系统数控机床主