数控机床的机械结构.ppt

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,1,主要内容,导轨,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。,3,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,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,5,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,6,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。,7,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,4.2.1 数控车床常见布置型式,8,主要内容,数控车床水平床身,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,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,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,4.2.2 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,4.2.2 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,4.2.2 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,14,4.2.3 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,4.2 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,16,O形整体床身立式加工中心,4.2 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,4.3 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,4.3 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,19,4.3 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,4.3 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,4.3 数控机床的主传动系统,4.3.2 主轴的联接型式,22,4.3 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,4.3 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。,4.3 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。,4.3 数控机床的主传动系统,定传动比的联结型式,26,4.3 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,4.3 数控机床的主传动系统,采用电主轴,28,主要内容,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。,4.3 数控机床的主传动系统,采用电主轴,30,4.3 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,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,4.3 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,33,4.3 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,34,4.3 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。,36,主要内容,37,进给传动系统结构简图,4.4 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,（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,（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,（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）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,42,4.4 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,43,4.4 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。,44,4.4 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,45,4.4 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,46,4.4 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100 mmin的进给速度和大于10ms2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：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。,4.4.3 滚珠丝杠螺母副的原理,48,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。,4.4.3 滚珠丝杠螺母副的原理,49,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,4.4.3 滚珠丝杠螺母副的原理,50,内循环：始终与丝杠保持接触。,内循环结构：反向器尺寸较长，承载钢球数减少，且钢球高速时流畅性差；而外循环插管式结构简单，承载能力大，不受导程限制。,4.4.3 滚珠丝杠螺母副的原理,51,4.4.3 滚珠丝杠螺母副的原理,滚珠丝杠螺母副的预紧是提高刚度、减小传动系统间隙的重要措施。滚珠丝杠螺母副的预紧方法与螺母的型式有关。对于单螺母结构主要有三种： 增加滚珠直径预紧法 螺母夹紧预紧法 整体螺母变位螺距预紧法,52,主要内容,(车)滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副,4.4.3 滚珠丝杠螺母副的原理,53,4.4 数控机床的进给传动系统,4.4.4 滚珠丝杠螺母副的支承,支承轴承,双向推力角接触球轴承； 是滚针/推力圆柱滚子轴承,54,4.4 数控机床的进给传动系统,4.4.4 滚珠丝杠螺母副的支承,支承型式,一端固定，一端自由支承方式,一端固定，一端游动支承方式,两端支承方式,两端固定支承方式,55,4.4 数控机床的进给传动系统,4.4.5 滚珠丝杠螺母副与驱动电动机的联接型式 联轴器直接联接 ： 这是一种最简单的联接型式 挠性联轴器是数控机床上广泛采用的一种联轴器，采用了柔性片，它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的“干涉”现象。 通过齿轮联接 通过同步齿形带联接 具有带传动和链传动的共同优点，传动效率高，广泛用于一般数控机床和高速、高精度的数控机床传动。,56,主要内容,4.5.1 数控机床对导轨的基本要求,4.5 数控机床的导轨,1）较高的导向精度导轨副相对运动时的直线度或圆度 影响导向精度的因素：几何精度、接触精度、结构型式和装配 精度,2）良好的精度保持性耐磨性 导轨的磨损形式：磨料磨损、粘着磨损和疲劳磨损。,3）足够的刚度导轨抵抗承载后的变形 导轨的变形：接触变形、扭转变形、支承件变形而引起的变形。,4）良好的摩擦特性,5）结构简单、工艺性好,57,主要内容,导轨按接触面的摩擦性质可以分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三种，其中，数控机床最常用的是镶粘塑料滑动导轨和滚动导轨。,4.5.2 数控机床导轨的种类与特点,4.5 数控机床的导轨,滑动导轨具有结构简单制造方便、刚度好、抗振性高等优点，是机床上使用最广泛的导轨形式。 镶粘塑料导轨：通过在滑动导轨面上镶粘一层由多种成分复合的塑料导轨软带，来达到改善导轨性能的目的。 常用的塑料导轨软带主要有以下几种： 以聚四氟乙烯(PTFY)为基体，通过添加不同的填充料构成的高分子复合材料。 以环氧树脂为基体，加入MoS2、胶体石墨、TiO2等制成的抗磨涂层材料。,滑动导轨,58,主要内容,滑动导轨,4.5 数控机床的导轨,镶粘塑料导轨的结构示意图,59,滚动导轨,滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠、滚柱、滚针等滚动体，使导轨面之间的滑动摩擦变成为滚动摩擦。 优点： 灵敏度高 定位精度高，重复定位精度可达0.2um 摩擦阻力小，移动轻便，磨损小，精度保持性好，寿命长。 滚动导轨的结构形式： 滚珠导轨：用于运动部件质量不大，切削力较小的数控机床 滚柱导轨：适合载荷较大的机床 滚针导轨：滚针导轨的特点是尺寸小，结构紧凑。适用于导轨尺寸受限制的机床,4.5 数控机床的导轨,60,静压导轨,在静压导轨两个相对运动的导轨面间通入压力油，可使运动件浮起。在工作过程中，导轨面上油腔中的油压能随外加负载的变化自动调节，以平衡外加负载，保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态。,静压导轨横截面的几何形状一船有v形和矩形两种，静压导轨在数控机床上应用较少 。,4.5 数控机床的导轨,61,4.5.3 滚动导轨的结构原理与特点,结构原理 特点 ：滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使得块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，因此，在大大降低两者间的运动摩擦阻力,4.5 数控机床的导轨,62,4.5 数控机床的导轨,63,自动换刀装置,4.6 数控机床的自动换刀装置,自动换刀装置的作用 自动换刀装置可帮助数控机床节省辅助时间，并满足在一次安装中完成多工序、工步加工要求。,4.6.1 自动换刀装置基本要求和形式,对自动换刀装置的要求 （1）刀具存放数量多； （2）换刀时间短； （3）刀具重复定位精度高； （4）结构简单、制造成本低； （5）可靠性高。,64,自动换刀装置,4.6 数控机床的自动换刀装置,4.6.1 自动换刀装置基本要求和形式,换刀形式 1、回转刀架换刀 在数控车床 ，其结构类似普通车床上回转刀架，根据加工对象不同可设计成四方或六角形式，由数控系统发出指令进行回转换刀。 2、使用自动换刀装置和刀库换刀 在加工中心 ，将加工中所需刀具分别装于标准刀柄，在机外进行尺寸调整之后按一定方式放入刀库，由交换装置从刀库和主轴上取刀交换。 (1) 机械手换刀是利用机械手实现主轴和刀库间刀具交换的方式。 (2) 无机械手换刀方式是通过刀库与机床主轴的相对运动，结合刀库的回转运动实现刀具自动交换的方式。,65,自动换刀装置,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,4.6.2 回转刀架,4.6 数控机床的自动换刀装置,66,自动换刀装置,4.6.3 加工中心刀库类型与布局,刀库 刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局及具体结构对数控机床的总体设计有很大影响。,刀库类型 一般有链式刀库、鼓轮式刀库等几种： (1) 鼓轮式刀库:占地小，结构紧凑，容量大，但选刀、取刀动作复杂，多用于 FMS 的集中供刀系统。 (2) 链式刀库：结构紧凑，容量大，链环的形状也可随机床布局制成各种形式而灵活多变，还可将换刀位突出以便于换刀，应用较为广泛。,刀库容量 指刀库存放刀具的数量，一般根据加工工艺要求而定。刀库容量小，不能满足加工需要；容量过大，又会使刀库尺寸大，占地面积大，选刀过程时间长，且刀库利用率低，结构过于复杂，造成很大浪费。,4.6 数控机床的自动换刀装置