数控机床机械结构概述

模块二数控机床机械结构本章讲述的内容

数控机床机械结构概述主传动系统及主轴部件进给系统传动部件回转工作台和工作台面自动交换装置自动换刀装置其它辅助装置

1课题一数控机床机械结构概述一、熟悉数控车床的机械结构

2二、熟悉加工中心的机械结构

第一节数控机床机械结构概述3TIANJIN中德培训中心刀库主轴X轴Y轴Z轴操作显示单元机械手4主轴的作用

支撑安装其上的旋转零部件及传递扭矩

5进给部件：其作用是在伺服电机的驱动下完成直线运动的定位、进给。6下图是滚珠丝杠、联轴节的实物照片。

自动换刀装置：7

数控车床的转塔刀架、加工中心的刀库及换刀机构，能够使工件一次装夹后不用再拆卸工件就可完成多工序的加工。

位置检测装置：完成位置信号的反馈，反馈精度决定了机床的加工精度。以下是：光电编码器、直线光栅尺、圆光栅、位置传感器等位置检测元件。8

三、数控机床机械结构的主要特点（1）高刚度：适应高速和重切削工况（2）高灵敏度：适应自动状态下的高精度要求（3）高抗振性：保证工件的高精度和低表面粗糙度（4）热变形小：保证部件的运动精度（5）高精度保持性：保证高速重载工况下的加工精度（6）高可靠性：保证自动或半自动条件下无故障工作（7）刀具先进：刀具耐用度高结构合理9四、提高数控机床性能的措施1.合理选择数控机床的总体布局

机床的总体布局直接影响到机床的结构和性能。合理选择机床布局，不但可以使机械结构更简单、合理、经济，而且能提高机床刚度、改善机床受力情况，提高热稳定性和操作性能，使机床满足数控化的要求。

如：在数控机床上采用斜床身布局，可以改善受力情况，提高床身的刚度，提高操作性能。在高速加工机床上，则通过采用固定门式立柱（立式机床）、“箱中箱”（卧式机床）等特殊的布局型式，以最大限度地降低运动部件的质量，提高机床部件的快进速度和加速度，以满足高速加工的需要。10（1）不不同同布布局局适适应应不不同同的的工件件形形状状、、尺尺寸寸及及重重量量数控控铣铣床床四种种布布局局方方案案适适应应的的工工件件重重量量、、尺尺寸寸不不同同。。a）适适应应较较轻轻工工；；b）适适应应较较大大尺尺寸寸工工件件；；c）适适应应较较重重工工件件；；d）适适应应更更重重更更大大工工件件。。（2）不不同同布布局局有有不不同同的的运动动分分配配及及工工艺艺范范围围数控控镗镗铣铣床床的的三三种种布布局局方方案案：：a）主轴轴立立式式布布置置，上上下下运运动动，，对对工工件件顶顶面面进进行行加加工工；；b）主轴轴卧卧式式布布置置，加加工工工工作作台台上上分度度工工作作台台的配配合合，，可可加加工工工工件件多多个个侧侧面面；；c）在在（（b）基基础础上上再再增增加加一一个个数数控控转转台台，，可可完完成成工工件件上上更更多多内内容容的的加加工工。。（3）不不同同布布局局有有不不同同的的机床床结结构构性性能能数控控卧卧式式镗镗铣铣床床中中：：（a）、、（（b）为为T形床床身身布布局局，工工作作台台支支承承于于床床身身，，刚刚度度好好，，工工作作台台承承载载能能力力强强；；(c)、(d)工作作台台为为十字字形形布布局局，（（c）主主轴轴箱箱悬悬挂挂于于单单立立柱柱一一侧侧，，使使立立柱柱受受偏偏载载；；(d)主轴轴箱箱装装在在框框式式立立柱柱中中间间，，对对称称布布局局，，受受力力后后变变形形小小，，有有利利于于提提高高加加工工精精度度。（4）不同同布布局局影影响响机床床操操作作方方便便程程度度数控控车车床床的的四四种种不不同同布布局局方方案案，，（a）为为水平平床床身身-水平平滑滑板板，床床身身工工艺艺性性好好，，便便于于导导轨轨面面的的加加工工，，下下部部空空间间小小，，故故排排屑屑困困难难，，刀刀架架水水平平放放置置加加大大了了机机床床宽宽度度方方向向的的结结构构尺尺寸寸；；4）不同同布布局局影影响响机机床床操操作作方方便便程程度度（b）倾斜斜床床身身-倾斜斜滑滑板板，排排屑屑亦亦较较方方便便，，中中小小规规格格的的数数控控车车床床其其床床身身的的倾倾斜斜度度以以60°°为宜宜；；（c）水平平床床身身-倾斜斜滑滑板板，具具有有水水平平床床身身工工艺艺性性好好，，宽宽度度方方向向的的尺尺寸寸小小，，且且排排屑屑方方便便，，是是卧卧式式数数控控车车床床的的最最佳佳布布局局形形式式。。2.提高高结构构件件的刚刚度度结构构的的刚刚度度直直接接影影响响机床床的的精精度度和和动动态态性性能能。机机床床的的刚刚度度主主要要决决定定于于组组成成机机械械系系统统的的部部件件质质量量、、刚刚度度、、阻阻尼尼、、固固有有频频率率以以及及负负载载激激振振频频率率等等。。提高高机机床床结结构构刚刚度度主主要要措措施施有有：：改改善善机机械械部部分分构构件件；；利利用用平平衡衡机机构构补补偿偿部部件件变变形形；；改改善善构构件件间间的的连连接接形形式式；；缩短短传传动动链链，适适当当加加大大传传动动轴轴，，对对轴轴承承和和滚滚珠珠丝丝杠杠等等传传动动部部件件进进行行预预紧紧等等等等。。四、、提提高高数数控控机机床床性性能能的的措措施施16四、、提提高高数数控控机机床床性性能能的的措措施施3.提高高机机床床抗振振性性高速速转转动动零零部部件件的的动动态态不不平平衡衡力力与与切切削削产产生生的的振振动动，，是是引引起起机机床床振振动动的的主主要要原原因因。。提高高数数控控机机床床抗抗振振性性的的主主要要措措施施有有：：（1）对对机机床床高高速速转转旋旋转转部部件件，，特特别别是是主主轴轴部部件件进进行行动平平衡衡，对对传传动动部部件件进进行行消消隙隙处处理理，，减减少少机机床床激激振振力力；；（2）提提高高机机械械部部件件的的静静态态刚刚度度和和固固有有频频率率，，避避免免共共振振；；（3）在在机机床床结结构构大大件件中中充充填填阻尼尼材材料料，在在大大件件表表面面喷喷涂涂阻阻尼尼涂涂层层抑抑制制振振动动等等。。17四、、提提高高数数控控机机床床性性能能的的措措施施4.改善善机机床床的的热变变形形引起起机机床床热热变变形形的的主主要要原原因因是是机机床床内内部部热热源源发发热热，，摩摩擦擦以以及及切切削削产产生生的的发发热热。。减少少机机床床热热变变形形的的措措施施主主要要有有：：（1）采用用伺伺服服电电动动机机和和主主轴轴电电动动机机、、变变量量泵泵等等低能能耗耗执行行元元件件，，减减少少热热量量的的产产生生；；（2）简化化传传动动系系统统的的结结构构，减减少少传传动动齿齿轮轮、、传传动动轴轴，，采采用用低摩摩擦擦系系数数的导导轨轨和和轴轴承承，，减减少少摩摩擦擦发发热热；；（3））采用用对称称结结构构设设计计，使使部部件件均均匀匀受受热热；；（4））改善善散热热条条件件、增增加加隔隔热热措措施施、、对对发发热热部部件件（（如如：：电电柜柜、、丝丝杆杆、、油油箱箱等等））进进行行强制制冷冷却却，，吸吸收收热热量量，，避避免免温温升升；（5）对切切削削部部分分采采用用高压压、、大大流流量量冷却却系系统统冷冷却却等等等等。。18四、、提提高高数数控控机机床床性性能能的的措措施施5.保证证运运动动的的精度度和和稳稳定定性性机床床的的运运动动精精度度和和稳稳定定性性，，不不仅仅和和数数控控系系统统的的分分辨辨率率、、伺伺服服系系统统的的精精度度的的稳稳定定性性有有关关，，而而且且还还在在很很大大程程度度上上取取决决于于机械械传传动动的的精精度度。传传动动系系统统的的刚刚度度、、间间隙隙、、摩摩擦擦死死区区、、非非线线性性环环节节都都对对机机床床的的精精度度和和稳稳定定性性产产生生很很大大的的影影响响。。减小小运运动动部部件件的的质量量，采采用用低摩摩擦擦系系数数的导导轨轨和和轴轴承承以以及及滚滚珠珠丝丝杆杆副副、、静静压压导导轨轨、、直直线线滚滚动动导导轨轨、、塑塑料料滑滑动动导导轨轨等等高效效执执行行部部件件，可可以以减减少少系系统统的的摩摩擦擦阻阻力力，，提提高高运运动动精精度度，，避避免免低速速爬爬行行。缩短短传传动动链链，对对传传动动部部件件进进行行消消隙隙，，对对轴轴承承和和滚滚珠珠丝丝杠杠进进行行预预紧紧，，可可以以减减消消机机械械系系统统的的间间隙隙和和非非线线性性影影响响，，提提高高机机床床的的运运动动精精度度和和稳稳定定性性。。19课题题二二数数控控机机床床主主传传动动系系统统及及主主轴轴部部件件一数控控机机床床主主传传动动系系统统的的要要求求：：数控控机机床床主主传传动动系系统统是是指指数控控机机床床的的主主轴轴运运动动传传动动系系统统，是是机机床床的的成成形形运运动动之之一一，，其其精精度度决决定定了了零零件件的的加加工工精精度度。。1.具有较大大的调速速范围并并实现无无级调速速：数控机床床的主传传动系统统要求有有较大的的调速范范围，以以保证加加工时能能选用合理的切切削用量量，从而获获得最佳佳的生产产率、加加工精度度和表面面质量。。2.具有较高高的精度度和刚度度，传动动平稳，，噪音低低。3.具有良好好的抗振振性和热热稳定性性。20二、主轴轴传动的的配置方方式数控机床床主传动动主要有有以下三三种配置置方式1.带有变速速齿轮的的主传动动2.通过带传传动的主主传动3.调速电机机直接驱驱动的主主传动abc211.带有有变速齿齿轮的主主传动通过几对对齿轮降降速，成成为分段段无级变变速，确确保低速速时有足足够的扭扭矩，以以满足主主轴输出出扭矩特特性的要要求。滑移齿轮轮的位移移常采用用液压拨拨叉或直直接有液液压缸带带动齿轮轮来实现现。这种种配置方方式在大中型数数控机床床中应用用较多，也有一一部分小小型数控控机床采采用这种种传动方方式，获获得强力切削削需要的的扭矩。如图a所示222.通过带传传动的主主传动23带的结构形式(a)多楔带;(b)同步齿形带

主要用在在转速较较高、变变速范围围不大的的小型数控控机床上。可以以避免由由齿轮传传动所引引起的振振动和噪噪声。适适用于高速低转转矩特性的主主轴，常常用有多楔带和同步齿形形带。24同步齿形形带的结结构和传传动同步齿形形带传动动是一种种综合了了带传动动和链传传动优点点的新型型传动方方式，带带型有梯梯形齿和和圆弧齿齿。3.调速电机机直接驱驱动的主主传动这种传动动方式大大大简化化了主轴箱与与主轴的结构，，提高了了主轴部件件的刚度度。但主轴轴输出扭扭矩小，，电动机机发热对对主轴影影响较大大。如图图c所示。25直接驱动动式三、主轴轴的变速速方法数控机床床和普通通机床一一样，主主传动系系统也必须通过过变速，才能使使主轴获获得不同同的转速速，以适适应不同同的加工工要求。。并且在在变速的的同时，，还要求求传递一定定的功率率和足够够的转矩矩，满足切切削的需需要。主主轴在齿齿轮变速速中常用用变速方方法为：：1.液压拨叉叉如图2-2所示示2.电磁离合合器如图2-3和2-4所所示261、液压压拨叉27滑移齿轮轮液压拨叉叉带动滑滑移齿轮轮实现变变速。2、电磁磁离合器器28电磁离合合器是靠靠磁力吸吸引，增增加片间间摩擦力力，或者者使其镶镶入齿内内，来传传递扭力力。图2-3为无集电电环摩擦擦片式电电磁离合合器。连接件2和套筒筒3是输输入输出出端，即通电电后2与与3连在在一起运运动，断断电后，，2、3各自独独立转动动。29主轴轴承承常见的的支撑形形式(a)形式一；；(b)形式二；；(c)形式三1）前支撑撑采用双双列短圆圆柱滚子子轴承和和60°角接触双双列向心心推力球球轴承组组合，后后支撑采采用成对对向心推推力球轴轴承。可可提高主轴轴的综合合刚度，满足强力切削削的要求。。普遍用用于各类数控控机床主主轴。4主轴轴轴承的的主要配配置形式式前支承后支承2）前支撑撑采用高精度双双列向心心推力球球轴承。能承受径向、双双向轴向向负载，组组配使用用能满足足刚度要要求，并并能方便便的消除除轴向和径径向间隙隙对其预紧紧。这种轴承承允许主主轴的最最高转速速较高，，可达4000r／min，但承载载能力小小，适于于高速、轻轻载、高高精密的数控机机床主轴轴。在立立式、卧卧式加工工中心上上得到广广泛应用用，主轴轴承承常见的的支撑形形式(a)形式一；；(b)形式二；；(c)形式三前支承后支承31主轴轴承承常见的的支撑形形式(a)形式一；；(b)形式二；；(c)形式三前支承后支承3）前后支支撑分别别采用双列和单单列圆锥锥滚子轴轴承。径向和轴轴向刚度度高，能承受受重载荷荷（尤其其较强的的动载荷荷），容容易消除除间隙和预预紧，其安装装、调整整性能好好，但限限制了主主轴转速速和精度度，因此此可用于于中等精度度、低速速、重载载的数控机机床的主主轴。轴承的性性能比较较32机床采用用的是7∶24号锥柄刀刀具，锥锥柄的尾尾端安装装有拉钉钉，拉杆杆通过4个钢球拉拉住拉钉钉的凹槽槽，使刀刀具在主主轴锥孔孔内定位位及夹紧紧。33五、主轴轴内刀具具的自动动夹紧和和切屑的的清除装装置机床执行行换刀指指令，机机械手从从主轴拔拔刀时，，主轴需需松开刀刀具。这这时，液液压缸上上腔通压压力油，，活塞推推动拉杆杆向下移移动，使使碟形弹弹簧压缩缩，钢球球进入主主轴锥孔孔上端的的槽内，，刀柄尾尾部的拉拉钉被松松开，机机械手拔拔刀。加工中心心主轴前前端有7∶24号锥孔，，内部和和后端安安装的是是刀具自自动夹紧紧机构。。341—刀架架；2——拉钉；；3—主轴轴；4——拉杆；；5—碟形形弹簧；；6—活塞塞；7—液压压缸；8、10—行程程开关；；9—压缩缩空气管管接头；；11—弹弹簧；12—钢钢球；13—端端面键压缩空气气进入活塞和拉杆的中孔，，吹净主主轴锥孔孔，为装装入新刀刀具做好好准备。。当机械械手将下一把刀刀具插入主轴轴后，液液压缸上上腔无油油压，在碟形弹弹簧和弹弹簧的恢恢复力作用下，，拉杆、、钢球和和活塞退退回到图图示的位位置，使刀具被被夹紧。刀杆夹夹紧机构构用弹簧簧夹紧，，液压放放松，以以保证在在工作中中突然停停电时，，刀杆不不会自行行松脱。。351—刀架架；2——拉钉；；3—主轴轴；4——拉杆；；5—碟形形弹簧；；6—活塞塞；7—液压压缸；8、10—行程程开关；；9—压缩缩空气管管接头；；11—弹弹簧；12—钢钢球；13—端端面键自动换刀刀卧式镗镗铣床主主轴的夹夹紧机构构361—刀杆杆；2——主轴；；3—钢钢球；4—喷气气头；5—套筒筒；6、、8—碟碟形弹簧簧；7——拉杆；；9—定定向凸轮轮；10—定向向开关挡挡块；11—活活塞六、主轴轴的准停停装置主轴准停停换刀示示意图又称为主轴定位位功能，这这是自动动换刀所所必需的的功能。。在自动动换刀的的镗铣加加工中心心上，切削的转转矩通常是通通过刀杆的端端面键来传递的的，这就就要求主轴具有有准确定定位于圆圆周上特特定角度度的功能能。37主轴准停停阶梯孔孔或精镗镗孔示意意图当加工阶阶梯孔或或精镗孔孔后退刀刀时，为为防止刀刀具与小小阶梯孔孔碰撞或或拉毛已已精加工工的孔表表面，必必须先让刀，，再退刀刀，因此，刀刀具就必必须具有有定位功能能。六、主轴轴的准停停装置381）机械准准停控制制采用机械械凸轮机机构或光光电盘方方式进行行粗定位位，然后后有一个个液动或或气动的的定位销销插入主主轴上的的销孔或或销槽实实现精确确定位，，完成换换刀后定定位销退退出，主主轴才开开始旋转转。结构复杂杂，在早早期数控控机床上上使用较较多。典型的V形槽轮定定位盘机机械准停停原理示示意图六、主轴轴的准停停装置391）当执执行准停停指令时时，首先先发出降速信号号，主轴箱箱自动改改变传动动路线，，使主轴轴以设定定的低速速运转。。2）延时时数秒后后，接通无触触点开关关，当定位位盘上的的感应片片（接近近体）对对准无触触点开关关时，发发出准停信号号，立即使使主轴电电动机停停转并断断开主轴轴传动链链，此时时主轴电电动机与与主传动动件依惯惯性继续续空转；；3）在经经过短暂暂延时，，接通压力力油，定位液液压缸动动作，活活塞带动动定位滚滚子压紧定位位盘的外表面面，当主主轴带动动定位盘盘慢速旋旋转至V形槽对对准定位位滚子时时，滚子子进入槽槽内，使使主轴准准确停止止，同时时限位开开关LS2信号号有效，，表明主轴准停停动作完成。4）这里里LS1为准停释放放信号。采用这这种准停停方式，，必须要要有一定定的逻辑辑互锁，，即当LS2信号有效效时，才才能进行行换刀动作作；只有在在LS1信号有效效后，才才能启动动主轴电电动机正常运转转。准停控控制通常常由数控控系统所所配的可可编程控控制器完完成。2）电气准准停控制制永久磁铁铁与磁传传感器在在主轴上上的位置置磁传感器器主轴准准停控制制在主轴上上安装一一个永久久磁铁与与主轴一一起旋转转，在距距离永磁磁体旋转转外轨迹迹1~2mm处处固定一一个磁传传感器，，它经过过放大器器并与主主轴控制制单元相相连接，，当主轴轴需要定定向时，，便可停停止在调调整好的的位置上上。六、主轴轴的准停停装置43编码器主主轴准停停控制原原理图编码器主主轴准停停控制通过主轴轴电动机机内置安安装的位位置编码码器或在在机床主主轴箱上上安装一一个与主轴1:1同步旋转的的位置编码码器来实现准停停控制，准准停角度可可任意设定定。六、主轴的的准停装置置44七、主轴组组件的润滑滑与密封1.主轴轴轴承的润滑滑方式1）油脂润滑：最常用，，特别是前前支承上更更常用；必必须采用有有效地密封封措施，防防止切削液液或润滑液液进入轴承承。2）油液循环润润滑：后支承上上常用；3）油雾润滑：油液经高高压气体雾雾化后，从从喷嘴喷到到需润滑部部位的润滑滑方式，常常用于高速速主轴轴承承，油雾易易吹出，污污染环境。。4）油气润滑：针对高速速主轴开发发的新型润润滑方式，，45七、主轴组组件的润滑滑与密封2.主轴的的密封：接接触式和非非接触式两两种。前者主要有有油毡圈和和耐油橡胶胶密封两种种。46接触式式密封封(a)油毡圈圈密封封；(b)耐油橡橡胶密密封圈圈密封封2.非非接触触式密封（a））利用用轴承承盖与与轴的的间隙隙密封封;（b））在螺螺母的的外圆圆上开开锯齿齿形环环槽；；（c））迷宫宫式密密封结结构。。47非接触触式密密封(a)形式一一；(b)形式二二；(c)形式三三八、故故障排排除1、故故障现现象：：加工中中心主主轴定定位不不良，，引发发换刀刀过程程发生生中断断。分析及及处理理过程程：（1））开始始时，，出现现的次次数不不多，，重新新开机机后又又能工工作，，但故