数控机床的机械结构课件

主要内容主要内容概述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第四章数控机床的机械结构CNC1主要内容导轨4.1概述CNC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。4.1概述CNC3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4.1概述CNC5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4.1概述CNC6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。4.2数控机床总体布局CNC7主要内容

数控车床水平床身CNC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CNC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CNC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CNC4.2.2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CNC4.2.2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14CNC4.2.3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15O形整体床身立式加工中心CNC4.2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CNC4.3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CNC4.3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

CNC4.3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CNC4.3数控机床的主传动系统4.3.2主轴的联接型式

22CNC4.3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。CNC4.3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。梯形齿同步带

圆弧齿同步带

CNC4.3数控机床的主传动系统定传动比的联结型式26主要内容CNC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。CNC4.3数控机床的主传动系统采用电主轴30CNC4.3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CNC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CNC4.3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33CNC4.3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34CNC4.3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。4.4数控机床的进给传动系统CNC36主要内容

4.4数控机床的进给传动系统CNC37进给传动系统结构简图CNC4.4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

4.4数控机床的进给传动系统CNC（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

4.4数控机床的进给传动系统CNC（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

4.4数控机床的进给传动系统CNC（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

4.4数控机床的进给传动系统CNC（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

42CNC4.4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43CNC4.4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。

44CNC4.4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45CNC4.4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

46CNC4.4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100m／min的进给速度和大于10m／s2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数控机床的进给传动系统CNC4.4.3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数控机床的进给传动系统CNC4.4.3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数控机床的进给传动系统CNC4.4.3滚珠丝杠螺母副的原理504.4数控机床的进给传动系统CNC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514.4数控机床的进给传动系统CNC4.4.3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：⑴增加滚珠直径预紧法⑵螺母夹紧预紧法⑶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数控机床的进给传动系统CNC4.4.3滚珠丝杠螺母副的原理53CNC4.4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54CNC4.4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55CNC4.4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CNC4.5.1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。CNC4.5.2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CNC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CNC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60CNC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61CNC4.5.3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滚珠安装孔安装孔导轨（通过安装孔用螺栓固定在床身上）滑块（通过安装孔用螺栓固定在移动部件上）CNC4.5数控机床的导轨63自动换刀装置CNC4.6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CNC4.6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CNC4.6.2回转刀架4.6数控机床的自动换刀装置66自动换刀装置CNC4.6.3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67自动换刀装置

加工中心自动换刀装置鼓轮式刀库链式刀库CNC刀库类型4.6.3加工中心加刀库类型与布局

4.6数控机床的自动换刀装置68链式刀库结构链轮链条兼刀套