数控技术第四章

数控技术2/2/20231第四章数控机床的结构与传动机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置的各种运动和动作指令，都必须由机床本体转换成真实的、准确的机械运动和动作，才能实现数控机床的功能，并保证数控系统性能的要求。数控机床的本体由下列各部分组成：1.机床基础件，床身，底座，立柱，滑座，工作台等。支承作用。2.主传动系统，实现主运动。3.进给系统，实现进给运动。4.实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，液压，气动，润滑，冷却，防护，排屑。5.实现工件回转、分度定位的装置和附件，回转工作台。6.刀库、刀架和自动换刀装置（ATC）7.托盘交换装置(APC)8.特殊功能装置，如刀具破损监测、精度检测和监控装置等。

其中，1—4为基本件，5—8为可选件。2/2/202322/2/20233概述

数控机床机械结构的主要特点数控机床对机械结构的基本要求提高数控机床性能的措施从本质上说，数控机床和普通机床一样，也是一种经过切削将金属材料加工成各种不同形状零件的设备。早期的数控机床，包括目前部分改造、改装的数控机床，大都是在普通机床的基础上，通过对进给系统的革新、改造而成的。因此，在许多场合，普通机床的构成模式、零部件的设计计算方法仍然适用于数控机床。但是，随着数控技术（包括伺服驱动、主轴驱动）的迅速发展，为了适应现代制造业对生产效率、加工精度、安全环保等方面越来越高的要求，现代数控机床的机械结构已经从初期对普通机床的局部改造，逐步发展形成了自己独特的结构。特别是随着电主轴、直线电动机等新技术、新产品在数控机床上的推广应用，部分机械结构日趋简化，新的结构、功能部件不断涌现，数控机床的机械机构正在发生重大的变化，虚拟轴机床的出现和实用化，使传统的机床结构面临着更严峻的挑战。2/2/20234结构简单、操作方便、自动化程度高

数控机床需要根据数控系统的指令，自动完成对进给速度、主轴转速、道具运动轨迹以及其他机床辅助技能（如自动换刀，自动冷却）的控制。它必须利用伺服进给系统代替普通机床的进给系统，并可以通过主轴调速系统实现主轴自动变速。因此，在机械结构上，数控机床的主轴箱、进给变速箱结构一般非常简单；齿轮、轴类零件、轴承的数量大为减少；电动机可以直接连接主轴和滚珠丝杠，不用齿轮；在使用直线电动机，电主轴的场合，甚至可以不用丝杠、主轴箱。在操作上，它不像普通机床那样，需要操作者通过手柄进行调整和变速，操作机构比普通机床要简单多，许多机床甚至没有手动机械操作系统。此外，由于数控机床的大部分辅助动作都可以通过数控系统的辅助技能（M技能）进行控制，因此，常用的操作按钮也较普通机床少。结构简单、操作更方便，更简单2/2/20235广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品

数控机床进行的是高速、高精度加工，再简化机械结构的同时，对于机械传动装置和元件也提出了更高的要求。高效、无间隙传动装置和元件在数控机床上去得了广泛的应用。如：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，不仅可以减少进给系统的摩擦阻力，提高传动效率；而且还可以使运动平稳和获得较高的定位精度。特别是随着新材料，新工艺的普及、应用，高速加工已经成为目前数控机床的发展方向之一，快进速度达到了每分钟数十米，甚至上百米，主轴转速达到了每分钟上万转、甚至十几万转，采用电主轴、支线电动机、直线滚动导轨等新产品、新技术已势在必行。2/2/20236具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件“工艺复合化”和“功能集成化”是无人化、柔性加工的基本要求，也是数控机床最显著的特点和当前的发展方向。因此，自动换刀装置（ATC）、动力刀架、自动换屑装置、自动润滑装置等特殊机械部件是必不可少，有的机床还带有自动工作台交换装置（APC）。“功能集成化”是当前数控机床的另一重要发展方向。在现代数控机床上，自动换刀装置、自动工作台交换装置等已经成为基本装置。随着数控机床向无人化、柔性化加工发展，功能集成化更多体现在：工件的自动装卸、自动定位，刀具的自动对刀、破损检测、寿命管理，工件的自动测量和自动补偿功能上，因此，国外还新近开发了集中突破传统机床界限，集钻、铣、镗、车、磨等加工于一体的所谓“万能加工机床”，大大提高了附加值，并随之不断出现新的机械部件。2/2/20237对机械结构、零部件的要求高

高速、高效、高精度的加工要求，无人化管理以及工艺复合化、功能集成化，一方面可以大大的提高生产率，同时，也必然会使机床的开机时间，工作负载随之增加，机床必须在高负荷下，长时间可靠工作。因此，对组成机床的各种零部件和控制系统的可靠性要求很高。此外，为了提高加工效率，充分发挥机床性能，数控机床通常都能够同时进行粗细加工。这就要求机床技能满足大切削量的粗加工对机床的刚度、强度和抗震性的要求，而且也能达到精密加工机床对机床精度的要求。因此，数控机床的主轴电机的功率一般比同规格的普通机床大，主要部件和基础件的加工精度通常比普通机床高，对组成机床各部件的动、静态性能以及热稳定性的精度保持性也提出了更高的要求。4-1数控机床的结构要求2/2/20238具有较高的静、动刚度和良好抗震性机床的刚度反映了机床机构抵抗变形的能力，。机床变形产生的误差，通常很难通过调整和补偿的方法予以彻底的解决。为了满足数控机床高效、高精度、高可靠性以及自动化的要求，与普通机床相比，数控机床应具有更高的精刚度。此外，为了充分发挥机床的效率，加大切削用量，还必须提高机床的抗震性，避免切削时产生的共振和颤振。而提高机构的动刚度是提高机床抗震性的基本途径。2/2/20239具有较好的热稳定性机床的热变性是影响机床加工精度的主要因素之一。由于数控机床的主轴转速、快速进给都远远超过普通机床，机床又长时间处于连续工作状态，电动机、丝杠、轴承、导轨的发热都比较严重，加上高速切削产生的切屑的影响，使得数控机床的热变性影响比普通机床要严重得多。虽然在先进的数控系统具有热变性补偿功能，但是它并不能完全消除热变性对于加工精度的影响，在数控机床上还应采取必要的措施，尽可能减小机床的热变性。2/2/202310具有较高的运动精度和良好的低速稳定性利用伺服系统代替普通机床的进给系统是数控机床的主要特点。伺服系统最小的移动量（脉冲当量），一般只有0.001mm，甚至更小；最低进给速度，一般只有1mm/min，甚至更低。这就要求进给系统具有较高的运动精度，良好的跟踪性能和低速稳定性，才能对数控系统的位置指令做出准确的响应，从而得到要求的定位精度。传动装置的间隙直接影响着机床的定位精度，虽然在数控系统中可以通过间隙补偿、单向定位等措施减小这一影响，但不能完全消除。特别是对于非均匀间隙，必须机械消除间隙措施，才能得到较好的解决。2/2/202311具有良好的操作、安全防护性能方便、舒适的操作性能，是操作者普遍关心的问题。在大部分数控机床上，刀具和工件的装卸、刀具和夹具的调整、还需要操作者完成，机床的维修更离不开人，而且由于加工效率的提高，数控机床的工件装卸可能比普通机床更加频繁，因此良好的操作性能是数控机床设计时必须的问题。数控机床是一种高度自动化的加工设备，动作复杂，高速运动部件较多，对机床动作互锁、安全防护性能的要求也比普通机床要高很多。同时，数控机床一般都有高压、大流量的冷却系统，为了防止切屑、冷却液的飞溅，数控机床通常都应采用封闭和半封闭的防护形式，增加防护性能。

2/2/2023124-1数控机床的结构要求主要结构特性：静刚度、抗振性、热稳定性、低速运动的平稳性、运动时的摩擦特性、几何精度、传动精度。

一、提高机床结构的静刚度静刚度：在切削力和其他力的作用下，机床抵抗变形的能力。合理设计基础件的截面形状和尺寸，采用合理的筋板结构

图4-1图4-2图4-3图4-4采用合理的结构布局，改善受力状态，提高机床的静刚度

图4-5图4-6补偿有关零、部件的静力变形图4-7提高机床部件的接触刚度采用钢板焊接结构2/2/2023132/2/202314二、提高机床结构的抗振性基础件内腔充填泥芯、混凝土等阻尼材料。图4-8表面采用阻尼涂层采用新材料制造基础件充分利用结合面间的阻尼三、减少机床的热变形改进机床布局和结构设计

采用热对称结构图4-9采用预拉伸的滚珠丝杠结构在机床布局时，尽量减少内部热源

图4-10控制温升热变形补偿图4-114-1数控机床的结构要求2/2/202315四、改善运动导轨副的摩擦特性一）塑料滑动导轨主要有导轨软带和导轨涂层，常与铸铁或钢导轨配成导轨副聚四氟乙烯导轨软带摩擦特性好图4-12耐磨性好减振性好工艺性好图4-13环氧型耐磨导轨涂层抗压强度高摩擦特性好图4-12耐磨性好具有良好的可加工性稳定性好涂层工艺图4-144-1数控机床的结构要求2/2/202316二）滚动导轨滚动导轨块图4-15直线滚动导轨图4-16主要特点：对安装基面的要求不高；制造精度高可高速运行，运行速度可大于60m/min能长时间保持高精度可预加负载，提高刚度抗振性不如滑动导轨，不宜用在有过大振动和冲击的机床上。4-1数控机床的结构要求2/2/202317三）静压导轨在两个相对运动的导轨面间通以压力油，将运动件浮起，使导轨面间处于纯液体摩擦状态。图4-174-1数控机床的结构要求2/2/2023184-2数控机床的主运动与主轴部件数控机床主运动的特点：主轴转速更高、变速范围更宽、消耗功率更大一、数控机床主运动的参数运动参数：是指主轴转速和变速范围。动力参数：是指主运动的功率。主轴转速和调速速范围主轴转速：

r/min主轴最低转速：r/min主轴最高转速：r/min调速范围：数控机床的调速范围宽，一般Rn>100，有时甚至Rn>10002/2/202319主运动的功率扭矩特性

PZ----切削力切向分力（N）;V----切削速度（m/min）;T----切削扭矩（N·m）;n----主轴转速（r/min）;功率扭矩特性曲线4-2数控机床的主运动与主轴部件2/2/202320二、主运动的传动与变速主运动的传动形式带有变速齿轮的主传动特点：齿轮变速组即可降速，扩大输出扭矩和恒功率变速范围，适用于大中型机床。4-2数控机床的主运动与主轴部件通过皮带传动的主传动特点：传动平稳、结构简单、输出扭矩和变速范围小，适用于小型机床2/2/202321电机直接驱动的主传动精密联轴器连接：结构紧凑、传动效率高，但主轴的转速和扭矩与电机完全一致，低速性能的改善是其广泛应用的关键。4-2数控机床的主运动与主轴部件内装电机主轴：主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，振动噪声小、动态响应特性和刚度好。但发热对主轴精度影响较大。用于立式加工中心的内装电机主轴如图（最高转速可达20000rpm）2/2/202322主传动的自动变速无级调速：一般由电机调速与齿轮变速实现联合调速自动变速：齿轮变速组的自动变速一般由液压拨叉或电磁离合器自动操纵。图5-21为某数控车床电机与齿轮联合调速主传动系统4-2数控机床的主运动与主轴部件2/2/202323液压变速机构图5-21所示三联滑移齿轮的液压变速原理如下4-2数控机床的主运动与主轴部件对应的动作示意图如下2/2/2023244-2数控机床的主运动与主轴部件三联滑移齿轮液压变速动作示意图2/2/202325电磁离合器变速4-2数控机床的主运动与主轴部件2/2/202326电磁离合器种类：摩擦片式牙嵌式两种无滑环摩擦片式电磁离合器特点：可在运转中变速、具有过载保护功能，但尺寸大、摩擦发热大。4-2数控机床的主运动与主轴部件2/2/202327牙嵌式电磁离合器特点：传递扭矩大、尺寸小，传动比准确，可用于内联系传动链中。4-2数控机床的主运动与主轴部件2/2/202328三、主轴部件主轴部件包括：主轴、主轴支承及安装在主轴上的传动零件，对于自动换刀数控机床还包括自动夹紧、清屑、准停等装置。一）主轴端部结构和主轴支承主轴端部结构图5-274-2数控机床的主运动与主轴部件主轴支承主轴支承的选用主轴支承一般应根据主轴转速、承载能力、回转精度等性能选用。中小型机床：多采用滚动轴承。重型机床：多采用液体静压轴承高精度机床：多采用气体静压轴承超高速机床（2~10×104rpm）：多采用磁力轴承或陶瓷滚珠轴承。2/2/202329数控机床常用滚动轴承的结构形式如图5-284-2数控机床的主运动与主轴部件2/2/202330数控机床常用主轴轴承的配置形式如图4-2数控机床的主运动与主轴部件2/2/202331二）刀具自动夹紧、切屑清除和主轴准停装置刀具自动夹紧、切屑清除4-2数控机床的主运动与主轴部件动画演示2/2/202332主轴准停装置作用：以保证加工中型机床实现刀具自动交换。4-2数控机床的主运动与主轴部件动画演示2/2/202333一、自动换刀装置的结构类型回转刀架换刀装置（常用于数控车床）多主轴转塔头换刀装置（常用于数控镗铣床）带刀库的自动换刀装置

只带刀库的自动换刀系统刀库—机械手自动换刀系统4-3自动换刀装置动画演示动画演示2/2/202334二、刀库类型及刀具的选择与识别刀库类型盘形刀库（储存量一般为15—40把刀）链式刀库（储存量一般为30—120把刀）格子式刀库（选刀及取刀动作复杂，应用最少）4-3自动换刀装置选刀方式顺序选择方式任意选择方式

刀座编码方式

刀具编码方式

编码附件方式2/2/202335刀具识别装置4-3自动换刀装置非接触式刀具识别装置接触式刀具识别装置2/2/2023364-4回转工作台作用：按照数控装置的指令作回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床完成指定的加工工序。种类：分度工作台和数控回转工作台。一、分度工作台功能：完成一定角度的回转分度运动。作用：在加工中自动完成工件的转位换面，实现工件一次安装完成几个面的加工。精度保证：采用专门定位元件来保证。种类：定位销式分度工作台和鼠齿盘式分度工作台。定位销式分度工作台主要特点定位精度取决于定位销和定位孔的精度，最高可达±5〃。定位销和定位孔衬套制造和装配精度要求高。定位销和定位孔衬套硬度和耐磨性要求高。2/2/202337定位销式分度工作台结构工作过程分为三步：工作台松开并抬起工作台回转分度工作台下降并锁紧4-4回转工作台2/2/202338鼠齿盘式分度工作台主要特点定位精度高，可达±2〃，最高可达±0.4〃。采用多齿重复定位，重复定位精度稳定。由于多齿啮合，啮合率高，所以定位刚度好，承载能力强。最小分度为360º/Z，分度数目多，适用于多工位分度。由于离合过程具有磨合作用，其定位精度不断提高，使用寿命长。缺点是鼠齿盘制造比较困难。4-4回转工作台2/2/2023394-4回转工作台鼠齿盘及齿形结构如图工作过程分为三步：工作台抬起工作台回转分度工作台下降并定位锁紧2/2/202340二、数控回转工作台功能：完成工作台的连续回转进给和任意角度的分度。作用：即能作为回转坐标轴实现坐标联动加工，又能作为分度头完成工件的转位换面。特点：采用伺服系统实现回转、精确分度和定位。种类：开环数控回转工作台和闭环数控回转工作台4-4回转工作台2/2/2023414-4回转工作台一）开环数控回转工作台特点：采用电液脉冲马达或功率步进电机驱动，如图2/2/202342二）闭环数控回转工作台特点：采用交、直流伺服电机驱动，并带有转角检测元件。4-4回转工作台2/2/202343三）双导程（变齿厚）蜗杆传动作用：用于回转工作台的连续精确分度。基本原理：利用蜗杆齿左右两侧不同的齿矩（左右两侧模数不同），通过轴向移动蜗杆的方法来消除或调整啮合间隙。4-4回转工作台2/2/202344双导程蜗杆传动特殊参数的选择公称模数、齿厚增量系数、齿厚调整量、模数差与节距4-4回转工作台2/2/2023454-4进给传动系统进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件的最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传动精度、灵敏度、和稳定性有关。因此在设计传动机构，选用传动元件时应充分注意：⑴减小摩擦阻力⑵提高传动精度和刚度⑶消除传动间隙和减小运动惯量。一、滚珠丝杠螺母副作用：实现旋转到直线运动的转换工作原理：在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则沿着滚道流动。2/2/202346特点：传动效率高、运动平稳、寿命高以及可预紧消除间隙并提高系统刚度等特点，普遍用于中小型机床的直线进给系统中（大型机床因距离大而采用齿条或蜗条）。种类：内循环和外循环两种。内循环：结构紧凑、流畅性好，但工艺性差。外循环：工艺性好，但径向尺寸较大、流畅性稍差。使用要求：应具有可靠的轴向间隙消除结构、合理的安装结构和有效的防护装置。轴向间隙消除目的：消除反向死区、提高传动精度和运动平稳性。常用消间隙措施：单螺母结构和双螺母结构单螺母结构：过盈滚珠消间隙结构和变导程消间隙结构两种。双螺母结构：双螺母齿差调隙式、双螺母垫片调隙式、双螺母螺纹调隙式4-4进给传动系统2/2/202347滚珠丝杠的安装注意事项：螺母座孔与螺母座之间保持良好的配合，并保证孔对端面的垂直度。要保证螺母座的局部刚度和接触刚度。合理选择滚动轴承、正确安装滚珠丝杠，确保支承结构的刚度。垂直升降丝杠应安装锁紧机构。常用轴承组合方式：向心轴承和圆锥轴承组合：结构简单，但轴向刚度不足。推力轴承或角接触轴承与向心轴承组合：轴向刚度较高，但结构复杂、摩擦发热大。滚珠丝杠专用轴承：结构简单、刚度高，但成本也较高。

4-4进给传动系统2/2/202348滚珠丝杠的防护作用：防止赃物落入滚道，保证滚珠的正常运行并避免滚珠和滚道的磨损。防护措施：接触式密封圈密封：防尘效果好，但增加了滚珠丝杠副的摩擦阻力矩。非接触式迷宫密封：结构复杂，但避免了与滚珠丝杠副的直接接触。运动式密封装置：用于暴露在外的丝杆的防护。钢带缠卷式丝杠防护装置，如图4-4进给传动系统2/2/202349二、静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副丝杠传动的局限性：长丝杠制造困难，且容易弯曲下垂，轴向刚度和扭转刚度较差。静压蜗杆蜗条副工作原理：同静压丝杠螺母副。其中，蜗杆相当于丝杠，蜗条相当于螺母。配油问题：由于蜗杆是旋转的且与蜗条的接触区只有120°左右，必须解决压力油从蜗杆进入静压油腔的问题。配油原理图5-444-4进给传动系统2/2