数控机床的机械结构课件2

1、数 控 机 床1上一章详细讨论进给伺服系统的软件硬件结构；进给伺服系统基本功能的原理及实现方法。第1页，共79页。数 控 机 床2内容提要本章将讨论数控机床的主运动系统、进给系统机械结构、运动传动机构以及典型部件等的功能、实现方法和安装调试方法。第2页，共79页。数 控 机 床35.1数控机床的主运动结构 5.2进给系统的机械传动结构 5.3数控机床的刀具交换装置 5.4数控机床的布局第3页，共79页。数 控 机 床45.1数控机床的主运动结构第4页，共79页。数 控 机 床5 1、定义、功用、组成 定义： 主运动系统：指驱动主轴运动的系统。 主轴：指带动刀具和工件旋转，产生切削运 动且消耗功

2、率最大的运动轴。5.1.1概述第5页，共79页。数 控 机 床6功用： 传递动力：传递切削加工所需要的动力 传递运动：传递切削加工所需要的运动 运动控制：控制主运动的大小方向开停组成： 动力源：电机 传动系统：定比传动机构、变速装置 运动控制装置:离合器、制动器等 执行件：主轴第6页，共79页。数 控 机 床7 动力功率高由于日益增长的对高效率要求，加之刀具材料和技术的进步，大多数NC机床均要求有足够高的功率来满足高速强力切削。一般NC机床的主轴驱动功率在3.7kw250kw之间。2、 对主传动系统要求第7页，共79页。数 控 机 床8 调速范围宽调速范围：有恒扭矩、恒功率调速范围之分。现在，

3、数控机床的主轴的调速范围一般在：10010000，且能无级调速。要求恒功率调速范围尽可能大，以便在尽可能低的速度下，利用其全功率。变速范围负载波动时，速度应稳定。第8页，共79页。数 控 机 床9 控制功能的多样化同步控制功能：NC车床车螺纹用；主轴准停功能：加工中心自动换刀、 NC车床车 螺纹用；恒线速切削功能：NC车床和NC磨床在进行端面加工时，为了保证端面加工的粗糙度要求，要求接触点处的线速度为恒值；C轴控制功能：车削中心。第9页，共79页。数 控 机 床10 性能要求高电机过载能力强。要求有较长时间（130min）和较大倍数的过载能力在断续负载下，电机转速波动要小。速度响应要快，升降速

4、时间要短。电机温升低，振动和噪音小。可靠性高，寿命长，维护容易。体积小，重量轻，与机床联接容易。第10页，共79页。数 控 机 床113、主运动变速系统的参数运动参数：主运动速度有关的参数：变速范围、转速等。动力参数：电机功率、扭矩。 动力参数主运动的功率 N=Nc/ （kw） 第11页，共79页。数 控 机 床12 主运动的调速范围主轴的调速范围是指主轴变速能力：通常数控机床的都较普通机床要高，R n：10010000第12页，共79页。数 控 机 床131.普通电机机械变速系统主轴部件特点：能够满足各种切削运动转矩输出的要求，但变速范围不大，由于是有级变速使切削速度的选择受到限制，而且该配

5、置的结构较复杂，所以现在仅有少数经济型数控机床采用该配置，其它已很少采用。5.1.2主运动的配置形式和驱动电机第13页，共79页。数 控 机 床142. 变频器交流电机12机械变速主轴部件 这种配置的结构简单、安装调试方便，且在传动上能满足转速与转矩的输出要求，但其调速范围及特性相对于交、直流主轴电机系统而言要差一些。 主要用于经济型或中低档数控机床上。 第14页，共79页。数 控 机 床153. 交、直主轴电机 主轴部件这种配置形式同上面一样，但电机是性能更好交直流主轴电机，其变速范围宽，最高转速可达8000 r/min，且控制功能丰富，可满足中高档数控机床的控制要求第15页，共79页。数

6、控 机 床16 4. 电主轴 电主轴又称内装式主轴电机，即主轴与电机转子合为一体，其优点是主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高启动、停止的响应特性，利于控制振动和噪声。转速高，目前最高可达200000 r/min。其缺点是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电机主轴的关键问题 第16页，共79页。数 控 机 床17车床用电主轴铣床用电主轴第17页，共79页。数 控 机 床185.1.3主轴部件1、概述功用：夹持工件或刀具实现切削运动；传递运动及切削加工所需要的动力。组成：主轴、支承、传动零件、装夹刀具或工件的附件及辅助零部件。第18页，

7、共79页。数 控 机 床19要求：主轴的精度要高。包括运动精度（回转精度、轴向串动）、和安装刀具或夹持工件的夹具的定位精度（轴向、径向）。部件的结构刚度和抗振性好。较低的运转温升以及较好的热稳定性。部件的耐磨性和精度保持性好。自动可靠的装夹刀具或工件第19页，共79页。数 控 机 床20对数控机床除上述要求外，还应有：（在机械结构方面）刀具的自动夹紧装置主轴的准停装置主轴孔的清理装置等第20页，共79页。数 控 机 床21 主轴部件的结构主轴端部的结构形式端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，因此，要保证刀具或夹具定位（轴向、定心）准确，装夹可靠、牢固，而且装卸方便。目前，主轴的端部形状已标准化。

8、第21页，共79页。数 控 机 床22第22页，共79页。数 控 机 床235.2进给系统的机械传动结构第23页，共79页。数 控 机 床241、进给系统的功用协助完成加工表面的成形运动，传递所需的运动及动力。5.2.1进给系统机械传动结构概述第24页，共79页。数 控 机 床252、进给系统机械部分的组成传动机构+运动变换机构+导向机构+执行件（工作台）传动机构: 齿轮传动、同步带传动运动变换：丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等导向机构：导轨（滑动导轨、滚动导轨、静压导轨）第25页，共79页。数 控 机 床26工作台导轨副第26页，共79页。数 控 机 床273、主要要求（1）减小摩擦力

9、采用摩擦力及动静摩擦力差值较小的传动件及导轨. （2）提高传动精度和刚度 消除传动间隙，增加传动系统刚度.（3）减小运动惯量 快速响应.减小运动部件质量.第27页，共79页。数 控 机 床285.2.2回转工作台1、定义与分类定义：实现周向进给和分度运动工作台分类：分度工作台： 实现工作台的定角度回转运动，即分度、转位和定位工作。数控回转工作台： 除了分度和转位的功能之外，还能实现数控圆周进给运动。第28页，共79页。数 控 机 床29分类：按定位元件分插销定位；反靠定位；齿盘定位；钢球定位。 2、分度工作台工作原理：按照控制系统的指令自动地进行，每次转位回转一定的角度，如（ 1、5、10、1

10、5、30、45、90、180）。第29页，共79页。数 控 机 床303、数控回转工作台 （1）工作原理：实现圆周进给运动的工作台-数控回转工作台（数控转台）（2）功能：除了可以实现圆周进给运动之外，还可以完成分度运动（3）分类：开环、闭环。第30页，共79页。数 控 机 床315.2.3导轨1、导轨的作用导向：直线运动直线导轨；圆运动轴承支承、承载2、数控机床常用导轨形式塑料导轨：滑动摩擦滚动导轨：滚动摩擦静压导轨：液体摩擦第31页，共79页。数 控 机 床323、对导轨的基本要求一定的导向精度；良好的摩擦特性：摩擦系数小（较高的灵敏度），动静摩擦系数之差小（低速平稳性好）；阻尼特性好（高速

11、时不振动）；足够的刚度和强度；良好的精度保持性。第32页，共79页。数 控 机 床33内容小结1、数控机床的主运动结构概述2、主运动的配置形式和驱动电机3、主轴部件4、进给系统的机械传动结构概述5、分度工作台6、数控回转工作台7、导轨第33页，共79页。数 控 机 床34习题与思考题1、简述数控机床主运动系统的功用。2、简述数控机床对主传动系统的要求。3、简述数控机床主运动的配置形式及其特点。4、简述数控机床进给系统机械部分的组成。5、简述数控机床对导轨的基本要求第34页，共79页。数 控 机 床355.3数控机床的刀具交换装置第35页，共79页。数 控 机 床36内容提要本节将讨论数控机床的

12、自动刀具交换装置的形式、刀库的类型、刀具系统及选刀方式，最后将介绍一个自动刀具交换装置的实例。第36页，共79页。数 控 机 床375.3.1概述 什么是自动换刀装置：储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换功能的装置ATC：Automatic Tool Changer 为什么需要自动换刀装置：缩短非切削时间，提高生产率，可使非切削时间减少到2030；“工序集中”，扩大数控机床工艺范围，减少设备占地面积；提高加工精度；第37页，共79页。数 控 机 床38数控机床对ATC要求：换刀时间尽可能短；刀具重复定位精度高；刀具储存量足够；结构紧凑，便于制造、维修、调整；布局应合理，使机床总布局美观大方；

13、较好的刚性，避免冲击、振动及噪声，运转安全可靠；防屑、防尘装置。应用 数控车床、“加工中心”、车削中心、五面加工机床第38页，共79页。数 控 机 床395.3.2自动换刀装置的形式 1、回转刀架换刀工作原理同分度工作台第39页，共79页。数 控 机 床40第40页，共79页。数 控 机 床41 2、更换主轴换刀 第41页，共79页。数 控 机 床423、更换主轴箱换刀 第42页，共79页。数 控 机 床434、更换刀库换刀 第43页，共79页。数 控 机 床44 5、带刀库的自动换刀系统这类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换机构及刀具在主轴上的自动装卸机构等四部分组成，刀库可装在机床的工作台

14、上、立柱上或主轴箱上，也可作为一个独立部件装在机床之外。 这类换刀装置应用最广泛。 第44页，共79页。数 控 机 床45刀库装在机床的工作台上，这种换刀装置，直接利用机床本身及刀库的运动进行换刀。当某一刀具加工完毕从工件退出后，即开始进行自动换刀 。第45页，共79页。数 控 机 床46现在的中小型加工中心，刀库不是装在工作台上，而是装在立柱上的一个托架上。采用刀库在托架的导轨上平行于X方向运动与主轴的上下运动实现换刀。 第46页，共79页。数 控 机 床47第47页，共79页。数 控 机 床48当刀库的容量大、刀具较重或机床总体布局等原因，刀库也可作为一个独立部件，装在机床之外 第48页，

15、共79页。数 控 机 床49刀库远离主轴，常常要附加运输装置，来完成刀库与主轴之间刀具的运输。 第49页，共79页。数 控 机 床50为了缩短换刀时间，可采用带刀库的双主轴或多主轴换刀系统 第50页，共79页。数 控 机 床515.3.3刀 库 1、刀库的形式（1）盘式刀库第51页，共79页。数 控 机 床52第52页，共79页。数 控 机 床53（2）链式刀库第53页，共79页。数 控 机 床54第54页，共79页。数 控 机 床55第55页，共79页。数 控 机 床56第56页，共79页。数 控 机 床57第57页，共79页。数 控 机 床582、设计刀库时应考虑的主要问题 （1）合理确定

16、刀库容量 对总体布局和 成本影响机大；对机床工艺能 力和效率有影响； 第58页，共79页。数 控 机 床59（2）尽量缩短选刀时间（3）刀库运动速度应适宜 外链式刀库的线速度可达100800mms，盘刀库的转速多为1060s。 （4）要求刀库运行平稳 （5）刀座在刀库中的排列 （6）其他应注意的问题夹持可靠，刀库防尘、防屑及安全防护等 第59页，共79页。数 控 机 床605.4数控机床的布局第60页，共79页。数 控 机 床61 概念：数控机床的布局是指机床机械结构部件相对安装位置的总体方案。5.4.1概述第61页，共79页。数 控 机 床62数控机床机械结构机床基础件 ：床身、底座、立柱、

17、横梁、工作台主运动系统（主轴）进给传动系统辅助功能部件：气动、润滑、冷却、排屑、防护等刀架或自动换刀装置（ATC）自动托盘交换装置（APC、AWC）特殊功能装置：刀具破损监控、精度检测等。 第62页，共79页。数 控 机 床63高自动化：要求自动保证稳定的加工精度。高精度和大功率：数控机床集高精度与重切削于一身，因此对传动件和基础件的结构和刚度有了更高的要求。高速度: 简化传动机构，趋势：“零传动”5.4.2数控机床的功能和性能对布局结构的要求第63页，共79页。数 控 机 床64工艺复合化和功能集成化： 附件和辅助装置增多 工艺复合化是指“一次装夹，多工序加工” 功能集成化是指“一机多能”。

18、高可靠性 数控机床应能在高负荷下长时间无故障连续工作， 因而对机械元、部件的可靠性提出了很高的要求。第64页，共79页。数 控 机 床65数控机床总体布局与工艺因素表面形成方法对总体布局的影响 数控车床，数控铣床、数控齿轮加工机床等工序集中 加工中心、五面加工机床、车铣复合机床等工件的尺寸、重量对布局的影响 小型、中型、大型和重型数控机床；5.4.3影响数控机床总体布局的因素第65页，共79页。数 控 机 床66总体布局与刀库配置盘式刀库、链式刀库等总体布局与操作使用 方便操作、使用等 总体布局与其它机电一体化结构 全封闭式结构第66页，共79页。数 控 机 床675.4.4数控机床的总体布局实例第67页，共79页。数 控 机 床68第68页，共79页。数 控 机 床69第69页，共79页。数 控 机 床70第70页，共79页。数 控 机 床71第71页，共79页。数 控 机 床72第72页，共79页。数 控 机 床73第73页，共79页。数 控 机 床74第74页，共79页。数 控 机 床75