数控机床的机械结构讲义课件

数控机床的机械结构导入：输入装置输出装置计算机数控装置PLC主轴控制单元主轴机床伺服电机速度控制单元工作台位置检测反馈装置数控机床的组成§8-1对机械结构的要求一、数控机床的机械结构要求1、高精度2、高速度3、高自动化要求数控机床必须具有很高的强度、刚度和抗振性因此，数控机床的功能要求和设计要求与普通机床有较大的差异。数控机床的结构设计要求可以归纳为如下几方面：1、具有大切削功率，高的静、动刚度和良好的抗振性能；2、具有较高的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性；3、具有实现辅助操作自动化的结构部件。1、数控机床应具有更高的静、动刚度一、数控机床的机械结构要求（1）提高刚度的原因在重载荷的作用下，机床的各部件、构件会受力变形，引起刀具和工件的相对位置的变化机床刚度差—影响机床抗振性刚度:是指支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵抗变形的能力(静刚度)(动刚度)（2）提高刚度的措施合理选择支承件的结构形式措施1支承件截面形状尽量选用抗弯的方截面和抗扭的圆截面或采用封闭型床身封闭整体箱形结构（2）提高刚度的措施措施2合理布置支承件隔板的筋条隔板的作用是将作用于支承板的局部载荷传递给其它壁板,从而使整个支承件承受载荷,提高支承件的自身刚度“T”形隔板连接，主要提高水平面抗弯刚度，对提高垂直面抗弯刚度和抗扭刚度不显著，多用在刚度要求不高的床身上（2）提高刚度的措施“W”形隔板，能较大地提高水平面上的抗弯抗扭刚度，对中心距超过1500mm的长床身，效果最为显著（2）提高刚度的措施“”形隔板，在垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较高，铸造性能好，在大中型车床上应用较多（2）提高刚度的措施斜向拉筋，床身刚度最高，排屑容易措施3增加导轨与支承件的连接部分的刚度（2）提高刚度的措施连接刚度:支承件在连接处抵抗变形的能力,称为支承件的连接刚度.措施4增加机床各部部件的接触刚刚度和承载能能力（2）提高刚刚度的措施采用刮研的方方法增加单位位面积上的接接触点在结合面之间间施加足够大大的预加载荷荷,增加接触触面积合理的结构布布局（2）提高刚刚度的措施合理的结构布布局（2）提高刚刚度的措施采用补偿变形形的措施（2）提提高刚度度的措施施测出受力力点的相相对变形形的大小小和方向向，或者者预知构构件的变变形规律律，就可可采取补补偿变形形的方法法消除受受力变形形的影响响合理选用用构件的的材料措施1床身、立立柱等支支承件采采用钢板板或型钢钢焊接——增加加刚度、、减轻重重量、提提高抗振振性（2）提提高刚度度的措施施铸件:容易获得得复杂结结构的支支承件,铸铁的的内摩擦擦力大,阻尼系数大,振动的的衰减性性能好,成本低低.铸件件的周期期较长,需做木型模模,易产产生缩孔孔、气泡泡等缺陷陷焊接件:钢材的强强度比铸铸铁高，，质量可可比铸件件减轻20%-50%，，不需要木木模和浇浇注，生生产周期期短，不不易出现现废品措施2采用封砂砂床身结结构（2）提提高刚度度的措施施在铸件中中不清除除砂心，，在焊接接件中灌灌注混凝凝土或砂砂增加摩摩擦阻力力人造大理理石床身身（混凝凝土聚合合物）措施3采用混凝凝土、树树脂混凝凝土或人人造花岗岗岩作支支承件的的材料（2）提提高刚度度的措施施天然大理理石床身身（2）提提高刚度度的措施施一、数控控机床的的机械结结构要求求2、减少少机床的的热变形形（1）产产生热变变形的原原因：内外热源源的影响响不能人工工修正热热变形误误差（2）减减少热变变形的措措施：减少发热热—将热热源从主主机中分分离出去去措施1主运动采采用直流流或交流流调速电电动机进进行无级级调速——减少少传动轴轴和传动动齿轮数数量——减少少主传动动箱内的的发热量量进行热变变形补偿偿措施2采用低摩摩擦系数数的导轨轨和轴承承——采用用滚动导导轨、静静压导轨轨或滚动动轴承（2）减减少热变变形的措措施：控制温升升措施通过散热热和冷却却方法改善机床床结构措施1采用对称称原则设设计数控控机床结结构措施2使机床主主轴的热热变形发发生在刀刀具切入入的垂直直方向上上措施3采用排屑屑系统主轴冷却风管管对机床热热源进行行强制冷冷却主轴冷却风管管对机床热热源进行行强制冷冷却对称结构构立柱措施1采用对称称原则设设计数控控机床结结构措施2使机床主主轴的热热变形发发生在刀刀具切入入的垂直直方向上上机床排屑屑系统措施3采用排屑屑系统倾斜床身身措施3采用排屑屑系统措施4将热源置置于易散散热的位位置将主传动动箱和主主电动机机放在机机床的外外面3、减少少运动副副的摩擦擦，提高高传动精精度4、提高高机床寿寿命和精精度保持持性一、数控控机床的的机械结结构要求求措施1采用滚动动导轨或或静压导导轨来减减少摩擦擦副之间间的摩擦擦措施2采用滚珠珠丝杠或或无间隙隙齿轮传传动—减减小摩擦擦措施1采用耐磨磨性好的的零部件件措施2机床运动动部件间间具有良良好的润润滑滚珠丝杠杠螺母副副+滚动动导轨副副5、自动动化的机机构、宜宜人的操操作性一、数控控机床的的机械结结构要求求便于操作作的机床床结构一、数控控机床的的机械结结构要求求6、安全全防护和和宜人的的造型数控机床床大都采采用机、、电、液液、气一一体化布布局，全全封闭或或半封闭闭防护，，机械结结构大大大简化，，易于操操作及实实现自动动化。二、对主主传动的的要求2、对主主传动的的要求1、主传传动的作作用：产生主切切削力足够的转转速范围围足够的功功率和扭扭矩各零部件件应具有有足够的的精度、、强度、、刚度和和抗振性性噪声低、、运行平平稳3、主传传动的配配置方式式主轴电动动机直接接驱动（一体化化主轴，，电主轴轴）特点：有效提高高主轴部部件刚度度，但主主轴输出出扭矩小小电主轴主轴电动机2、电动动机经同同步齿形形带传动动主轴3、电动动机经齿齿轮变速速传动主主轴主轴电动机4、主轴轴部件动画三、对进进给传动动系统的的要求1、进给给传动系系统作用用接受数控控系统发发出的进进给脉冲冲，经放放大和转转换后驱驱动执行行元件实实现预期期的运动动。2、传统统进给传传动系统统与数控控伺服进进给系统统的区别别传统进给给传动系系统：多采用一一个电机机，执行行件之间间采用大大量的齿轮传传动，以以实现内内外传动动链的各各种传动动比要求求。故传传动链很长，，结构相相当复杂杂数控伺服服进给系系统：每一个运运动都由由单独的的伺服电电机驱动动，传动链大大大缩短短，传动动件大大大减少，，有利于于减少传传动误差差，提高传动动精度3、对进进给传动动系统的的要求减少运动动件的摩摩擦阻力力提高机床床进给系系统的快快速响应性能能和运动精度度，减少爬行现象象响应性能能：是进进给伺服服系统动动态性能能的指标标，反映了系系统的跟跟踪精度度运动精度度：是机机床的主主要零、、部件在在以工作作状态的速度运运动时的的精度爬行现象象：低速速时运动动不平衡衡的现象象称为爬爬行现象象机床爬行行现象一一般发生生在低速速度、重重载荷的的运动情情况下当主动件件1作匀匀速运动动时，被被动件3往往会会出现明明显的速度不均匀，产生跳跳跃式的的时停时走走的运动状状态，或或时快时慢慢现象3、对进进给传动动系统的的要求提高传动动精度和和刚度措施1保证部件件加工精精度措施2在传动链链中加入入减速齿齿轮—减减小脉冲冲当量，，提高传传动精度度措施3预紧支撑撑丝杠的的轴承——消除齿齿轮、蜗蜗轮传动动件间隙隙措施4预紧消除除滚珠丝丝杠螺母母副的轴轴向传动动间隙3、对进进给传动动系统的的要求减小各运运动零部部件的惯惯量稳定性好好，寿命命长稳定性好好：保证证低速时时不产生生爬行，，外负载载变化时时不发生生振动寿命：是是指数控控机床保保持传动动精度和和定位精精度时间间的长短短，即保持原原制造精精度的能能力§8-2数控机机床典型型机械结构构一、主轴轴准停装装置机械式主主轴准停停二、自动动换刀装装置自动换刀刀装置刀库机械手(ATC)作用———交换主主轴与刀刀库中的的刀（工工）具对自动换换刀装置置的基本要求求换刀时间间短刀具重复复定位精精度高有足够的的刀具贮贮存量刀库占地地面积小小及安全全可靠自动换刀刀装置的的形式回转刀架架换刀更换主轴轴头换刀刀更换主轴轴箱换刀刀带刀库的的自动换换刀系统统二、自动动换刀装装置1、回转转刀架换换刀1）回转转刀架结结构要求求：良好好的强度度和刚性性2）回转转刀架的的换刀动动作刀架抬起起刀架转位位刀架压紧紧二、自动动换刀装装置2、更换换主轴换换刀优点：换换刀时间间短，换换刀的可可靠性强强。缺点：主主轴系统统的刚度度较差。。适用场合合：适应应于工序序较少、、精度要要求不太太高的机机床回转刀架架换刀3、更换换主轴箱箱换刀适用场合合：适用用于箱体体类零件件的加工工二、自动动换刀装装置4、带刀刀库的自自动换刀刀系统组成刀库选刀系统统刀具交换换机构刀具自动动装卸机机构特点：结结构较复复杂，换换刀过程程动作多多，换刀刀时间长长。适用场合合：多用用于钻床床、镗铣铣床和数数控组合合机床。。二、自动动换刀装装置三、刀库库2、刀库库的种类类1、刀库库的功能能功能：储储存加工工工序所所需的各各种刀具具及辅助助工具。。直线式特点：结结构简单单，刀库库容量小小，一般般可容纳纳8-12把把刀具，故故少用。三、刀库鼓轮式（圆圆盘式）1）单鼓轮轮式刀具、鼓鼓轮轴线平平行刀具、鼓鼓轮轴线垂垂直盘式刀库三、刀库刀具、鼓鼓轮轴线成成锐角特点：结构构简单紧凑凑，应用较较多，但刀刀具单环排列，空空间利用率率低，适用用于刀库容量较小的的场合，一一般不多于于50-60把刀。。三、刀库鼓轮端面面上双环排排列特点：刀库库空间利用用率较高，，但装刀、、取刀机构复杂杂，仅适用用于机床空空间有限制而刀库库容量较大大的场合。。三、刀库鼓轮端面面上多环排排列鼓轮弹仓仓式2）多鼓轮轮式双鼓轮式式主轴三、刀库三鼓轮式式行行星鼓轮式式特点：不同同类型的刀刀具及轻重重型刀具可可分别放置置，空间利用率率高，但传传动机构和和运动控制制装置复杂，适用用于刀库容容量大的场场合。三、刀库链式单环链式式特点：结构构紧凑，刀刀库容量大大，可充分分利用空间间，通常为为轴向取刀刀，位置精精度较低，，适用于刀刀库容量大大的场合。。龙门加工中心三、刀库多环链式式三、刀库加长链式式格子箱箱式单面面网格格式特点：：刀库库结构构紧凑凑，空空间利利用率率高，，但换换刀时时间较长，，小直直径刀刀具为为轴向向取刀刀，大大直径径刀具具为径向向取刀刀，布布局不不灵活活，通通常刀刀库安安置在在工作台台上，，应用用较少少。三、刀刀库三、刀刀库多面面网格格式特点：：刀库库容量量大，，辅助助装置置较复复杂，，用于于需刀刀库容量大大的机机床上上。三、刀刀库3、刀刀库的的容量量铣削加加工车削加加工刀具数可加工件的比率102040305060708010090105015202530钻削加加工四、刀刀具的的选刀刀方式式1、自自动选选刀：：在自自动换换刀装装置换换刀时时，按按数控控装置发出出的换换刀指指令，，刀具具交换换装置置从刀库库中挑挑选各各工序序所需需刀具具的操操作称为为自动动换刀刀。2、刀刀具的的选择择方式式顺序选选择方方式任意选选择方方式刀座编编码方方式刀具编编码方方式四、刀刀具的的选刀刀方式式顺序选选择方方式刀具的的顺序序选择择方式式是将将刀具具按加加工工工序的的顺序序，依依次放放入刀刀库的的每一一个刀刀座中中。特点：：不需需要刀刀具识识别装装置，，结构构简单单，工工作可可靠，但但刀库库中刀刀具在在不同同工序序中不不能重重复使用，，因此此，刀刀具的的数量量的刀刀库的的容量量大。。四、刀刀具的的选刀刀方式式刀具编编码方方式接触式式识别别装置置四、刀刀具的的选刀刀方式式刀柄刀具识识别装装置触针编码环环特点：：结构构简单单，寿寿命较较短，，可靠靠性较较差，，难于于快速速换刀刀四、刀刀具的的选刀刀方式式非接触触式识识别装装置11010特点：：无磨磨损，，无噪噪音，，寿命命长，，反应应速度度快，，适用用于高高速，换换刀频频繁的的场合合。四、刀刀具的的选刀刀方式式光电识识别装装置四、刀刀具的的选刀刀方式式刀座编编码方方式永久性性编码码临时性性编码码刀座编编码四、刀刀具的的选刀刀方式式刀座编编码四、刀刀具的的选刀刀方式式识别码码块识别传传感器器刀柄编编码四、刀刀具的的选刀刀方式式临时性性编码码五、刀刀具交交换装装置1、无无机械械手换换刀五、刀刀具交交换装装置1、无无机械械手换换刀2、机机械手手换刀刀五、刀刀具交交换装装置机械手手形式式五、刀刀具交交换装装置机械手手换刀刀五、刀刀具交交换装装置机械手手传动动结构构六、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副1、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副的结结构滚珠丝丝杠螺螺母副副六、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副1、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副的结结构丝杠滚珠螺母作用：：将回回转运运动转转换成成直线线运动动六、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副2、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副的特特点优点：：①传动动效率率高②摩擦擦阻力力小③传动动精度度高④有可可逆性性⑤使用用寿命命长缺点：：①制造造工艺艺复杂杂②不能能实现现自锁锁六、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副3、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副的循循环方方式①外循循环：：滚珠珠在循循环过过程中中有时时与丝丝杠脱脱离接接触的的称为为外循循环②内循循环：：滚珠珠在循循环过过程中中始终终与丝丝杠保保持接接触的的成为为内循循环六、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副4、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副的预预紧预紧的的目的的：减减小轴轴向间间隙轴向间间隙：：指丝丝杠和和螺母母间无无相对对转动动时，，二者者之间间的最最大轴向窜窜动量量预紧的的方法法双螺母母垫片片式双螺母母螺纹纹式双螺母母齿差差式双螺母母垫片片式六、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副双螺母母螺纹纹式六、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副双螺母母齿差差式六、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副5、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副的安安装六、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副特点：：其承承载能能力小小，轴轴向刚刚度低低，仅仅适用用于短短丝杠杠一端装装止推推轴承承（固固定——自由由式））5、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副的安安装六、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副一端装装止推推轴承承，另另一端端装深深沟球球轴承承（固固定——支承承式））特点：：轴向向刚度度较小小，丝丝杠有有伸缩缩余地地，结结构复复杂，，仅适用于于长丝丝杠5、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副的安安装六、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副两端装装止推推轴承承特点：：将装装止推推轴承承装在在滚珠珠丝杠杠两端端，并并施加加预紧紧拉力，有有助于于提高高传动动刚度度，但但对热热伸长长较敏敏感5、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副的安安装六、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副两端装装双重重止推推轴承承及深深沟球球轴承承（固固定——固定定式））特点：：传动动刚度度高，，结构构和安安装工工艺复复杂，，适用用于长长丝杠或高高转速速、高高刚度度、高高精度度的丝丝杠6、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副的润润滑与与防护护六、滚滚珠丝丝杠螺螺母副副润滑的的作用用：减减少摩摩擦，，降低低温升升，并并与密密封装装置一一起保护丝丝杠不不受外外物的的损损伤与与腐蚀蚀润滑油油：机机油、、90—180号透透平油油、140号主主轴油油润滑脂脂：锂锂基油油脂或或高压压润滑滑脂防护：：防止止尘埃埃、切切屑等等硬质质颗粒粒进入入密封圈圈：采采用毛毛毡圈圈（耐耐油橡橡胶、、尼龙龙）防护罩罩：采采用螺螺旋钢钢带、、伸缩缩套筒筒、锥锥形套套筒或或皮革革、人造革革制成成的不锈钢钢卷筒筒式防防护罩罩工程塑塑料防防护套套七、数数控机机床导导轨2、对对导轨轨的基基本要要求1、导导轨的的功能能：支支承和和导向向①导向向精度度：是是指机机床的的运动动部件件沿导导轨移移动时时的直直线性性和它与与有关关基面面之间间相互互位置置的准准确性性②精度度保持持性：：是指指导轨轨在长长期使使用中中保持持导向向精度度的能能力③低速速运动动平稳稳性：：④结构构简单单、工工艺性性好：：七、数数控机机床导导轨3、导导轨的的分类类和特特点按运动动轨迹迹按工作作性质质按接触触面的的摩擦擦性质质直线运运动导导轨：：相对对运动动轨迹迹为直直线圆周运运动导导轨：：相对对运动动轨迹迹为圆圆主运动动导轨轨：动动导轨轨作主主运动动，导导轨副副间相相对运运动速速度高高进给运运动导导轨：：动导导轨作作进给给运动动，导导轨副副间相相对运运动速速度低低调整导导轨：：实现现部件件之间间的相相对位位置调调整，，在机机床工工作时时无相相对运动滑动导导轨滚动导导轨静压导导轨七、数数控机机床导导轨滑动动导导轨轨具具有有结结构构简简单单、、制制造造方方便便、、刚刚度度好好、、抗抗振振性性高高等等优优点点,在在数数控控机机床床上上应应用用广广泛泛，，目目前前多多数数使使用用金金属属对对塑塑料料形形式式，，称称为为贴塑塑导导轨轨或注塑塑导导轨轨滑动动导导轨轨注塑塑导导轨轨：：环环氧氧树树脂脂为为基基体体，，加加入入二二硫硫化化钼钼和和胶胶体体石石墨墨及及铅铅粉粉等混混合合而而成成贴塑塑导导轨轨：：聚聚四四氟氟乙乙烯烯为为基基体体，，加加入入青青铜铜粉粉、、二二硫硫化化钼钼、、石石墨墨及铅铅粉粉等等混混合合而而成成七、、数数控控机机床床导导轨轨滚动动导导轨轨特点点：：摩摩擦擦系系数数小小、、运运动动轻轻便便、、位位移移精精度度和和定定位位精精度高高、、耐耐磨磨性性好好、、抗抗震震性性较较差差、、结结构构复复杂杂、、防护护要要求求较较高高静压压导导轨轨七、、数数控控机机床床导导轨轨优点点：：1、、液液体体静静压压导导轨轨由由于于其其导导轨轨的的工工作作面面完完全全处处于于纯纯液液体体