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）不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量数控铣床四种布局方案适应的工件重量、尺寸不同。a）适应较轻工；b）适应较大尺寸工件；c）适应较重工件；d）适应更重更大工件。

（2）不同布局有不同的运动分配及工艺范围

数控镗铣床的三种布局方案：a）主轴立式布置，上下运动，对工件顶面进行加工；b）主轴卧式布置，加工工作台上分度工作台的配合，可加工工件多个侧面；c）在（b）基础上再增加一个数控转台，可完成工件上更多内容的加工。

（3）不同布局有不同的机床结构性能数控卧式镗铣床中：（a）、（b）为T形床身布局，工作台支承于床身，刚度好，工作台承载能力强；(c)、(d)工作台为十字形布局，（c）主轴箱悬挂于单立柱一侧，使立柱受偏载；(d)主轴箱装在框式立柱中间，对称布局，受力后变形小，有利于提高加工精度。（4）不同布局影响机床操作方便程度数控车床的四种不同布局方案，（a）为水平床身-水平滑板，床身工艺性好，便于导轨面的加工，下部空间小，故排屑困难，刀架水平放置加大了机床宽度方向的结构尺寸；4）不同布局影响机床操作方便程度（b）倾斜床身-倾斜滑板，排屑亦较方便，中小规格的数控车床其床身的倾斜度以60°为宜；（c）水平床身-倾斜滑板，具有水平床身工艺性好，宽度方向的尺寸小，且排屑方便，是卧式数控车床的最佳布局形式。2.提高结构件的刚度

结构的刚度直接影响机床的精度和动态性能。机床的刚度主要决定于组成机械系统的部件质量、刚度、阻尼、固有频率以及负载激振频率等。提高机床结构刚度主要措施有：改善机械部分构件；利用平衡机构补偿部件变形；改善构件间的连接形式；缩短传动链，适当加大传动轴，对轴承和滚珠丝杠等传动部件进行预紧等等。四、提高数控机床性能的措施16四、提高数控机床性能的措施3.提高机床抗振性

高速转动零部件的动态不平衡力与切削产生的振动，是引起机床振动的主要原因。

提高数控机床抗振性的主要措施有：（1）对机床高速转旋转部件，特别是主轴部件进行动平衡，对传动部件进行消隙处理，减少机床激振力；（2）提高机械部件的静态刚度和固有频率，避免共振；（3）在机床结构大件中充填阻尼材料，在大件表面喷涂阻尼涂层抑制振动等。17四、提高数控机床性能的措施4.改善机床的热变形

引起机床热变形的主要原因是机床内部热源发热，摩擦以及切削产生的发热。

减少机床热变形的措施主要有：（1）采用伺服电动机和主轴电动机、变量泵等低能耗执行元件，减少热量的产生；（2）简化传动系统的结构，减少传动齿轮、传动轴，采用低摩擦系数的导轨和轴承，减少摩擦发热；（3）采用对称结构设计，使部件均匀受热；（4）改善散热条件、增加隔热措施、对发热部件（如：电柜、丝杆、油箱等）进行强制冷却，吸收热量，避免温升；（5）对切削部分采用高压、大流量冷却系统冷却等等。18四、提高数控机床性能的措施5.保证运动的精度和稳定性

机床的运动精度和稳定性，不仅和数控系统的分辨率、伺服系统的精度的稳定性有关，而且还在很大程度上取决于机械传动的精度。传动系统的刚度、间隙、摩擦死区、非线性环节都对机床的精度和稳定性产生很大的影响。减小运动部件的质量，采用低摩擦系数的导轨和轴承以及滚珠丝杆副、静压导轨、直线滚动导轨、塑料滑动导轨等高效执行部件，可以减少系统的摩擦阻力，提高运动精度，避免低速爬行。缩短传动链，对传动部件进行消隙，对轴承和滚珠丝杠进行预紧，可以减消机械系统的间隙和非线性影响，提高机床的运动精度和稳定性。19课题二护数喜控机床盲主传动俊系统及数主轴部难件一数控机床蚁主传动系墙统的要求恐：数控机床枝主传动系衣统是指数控机床常的主轴运绸动传动系节统，是机灯床的成蹲形运动延之一，醋其精度贝决定了户零件的搅加工精萍度。1.具有较链大的调简速范围把并实现俗无级调坡速：数控机抓床的主贝传动系们统要求侧有较大团的调速峡范围，叫以保证妄加工时骡能选用合理的释切削用汪量，从而像获得最姓佳的生出产率、胸加工精蝴度和表浸面质量印。2.具有较台高的精危度和刚怪度，传璃动平稳雀，噪音慈低。3.具有良好华的抗振性突和热稳定套性。20二、主轴亏传动的配先置方式数控机史床主传错动主要估有以下痛三种配卫置方式1.带有变速挎齿轮的主汇传动2.通过带交传动的挠主传动3.调速电孙机直接舱驱动的疲主传动a右b吹c211.带厅有变速什齿轮的艳主传动通过几对元齿轮降速构，成为分砖段无级变份速，确保柜低速时有幻玉足够的扭察矩，以满涌足主轴输驳出扭矩特朋性的要求触。滑移齿轮伸的位移常漠采用液压掉拨叉或直态接有液压胡缸带动齿六轮来实现绞。这种配顿置方式在大中型厕数控机驰床中应骨用较多，也有哗一部分宝小型数痒控机床般采用这徒种传动取方式，僚获得强力切削皮需要的扭评矩。如图诉a所示222.通过带照传动的柔主传动23带的结构形式(a)多楔带;(b)同步齿形带

主要用狮在转速冈较高、旋变速范伸围不大腔的小型数倚控机床上。可以顾避免由齿划轮传动所似引起的振信动和噪声蚀。适用于高速低转良矩特性的主睡轴，常用煮有多楔带和同步齿形墓带。24同步齿形究带的结构弱和传动同步齿法形带传腔动是一庭种综合宝了带传连动和链象传动优兆点的新洋型传动贼方式，三带型有主梯形齿融和圆弧粮齿。3.调速电机丧直接驱动辣的主传动这种传动渣方式大大规简化了主轴箱意与主轴的结构，饰提高了主轴部角件的刚师度。但主轴燃输出扭矩脱小，电动托机发热对列主轴影响使较大。如膏图c所示。25直接驱动台式三、主歉轴的变谦速方法数控机越床和普详通机床马一样，匹主传动堤系统也必须通过闹变速，才能使限主轴获得交不同的转碰速，以适欠应不同的参加工要求挣。并且在腐变速的同读时，还要醋求传递一次定的功适率和足潮够的转旱矩，满足矿切削的乏需要。淋主轴在督齿轮变飘速中常义用变速匪方法为菠：1.液压拨叉如图2药-2所摄示2.电磁离师合器如图2-些3和2-洪4所示261、液比压拨叉27滑移齿轮液压拨叉攀带动滑移歉齿轮实现户变速。2、电哀磁离合齐器28电磁离合榜器是靠磁酸力吸引，悔增加片间皮摩擦力，丧或者使其懂镶入齿内捞，来传递注扭力。图2-3为无集逼电环摩决擦片式么电磁离忙合器。连接件2妈和套筒3攀是输入输屑出端，即通电目后2与3幅连在一起慰运动，断贷电后，2闷、3各自羡独立转动驶。29主轴轴承银常见的支剩撑形式(a)形式一乘；(b)形式二员；(c)形式三1）前支撑酱采用双列车短圆柱滚愧子轴承和60°角接触社双列向洞心推力纠球轴承签组合，疮后支撑符采用成岗对向心剑推力球尿轴承。饿可提高主絮轴的综适合刚度，满足强力切削的要求脚。普遍坐用于各类数先控机床费主轴。4主知轴轴承斑的主要掏配置形就式前支承后支承2）前支莲撑采用高精度双跌列向心推奔力球轴承。能承受径向、双死向轴向负载，恋组配使筋用能满驴足刚度踏要求，珍并能方盯便的消局除轴向和摇径向间投隙对其预紧绍。这种轴政承允许性主轴的纪最高转于速较高忠，可达4000撒r／min，但承载弱能力小，嚼适于高速、览轻载、林高精密的数控机仪床主轴。衔在立式、弯卧式加工胡中心上得毫到广泛应复用，主轴轴惠承常见描的支撑月形式(a)形式一；(b)形式二咬；(c)形式三前支承后支承31主轴轴兽承常见搞的支撑羊形式(a)形式一；(b)形式二卧；(c)形式三前支承后支承3）前后努支撑分藏别采用双列和姻单列圆早锥滚子头轴承。径向和轴隶向刚度高，能承亦受重载伯荷（尤除其较强嚷的动载狮荷），砌容易消撤除间隙和寄预紧，其安重装、调猛整性能福好，但陪限制了带主轴转回速和精羽度，因大此可用答于中等精度盛、低速、复重载的数控京机床的逮主轴。轴承的性枝能比较32机床采旷用的是7∶2腿4号锥柄刀无具，锥柄悠的尾端安厉装有拉钉族，拉杆通著过4个钢球秒拉住拉索钉的凹散槽，使寇刀具在舒主轴锥疫孔内定派位及夹娱紧。33五、主撒轴内刀胆具的自尺动夹紧仿和切屑难的清除伤装置机床执行悉换刀指令墨，机械手词从主轴拔等刀时，主余轴需松开脸刀具。这川时，液压漫缸上腔通浓压力油，孙活塞推动剧拉杆向下摘移动，使摄碟形弹簧爹压缩，钢僻球进入主奥轴锥孔上扣端的槽内刷，刀柄尾欺部的拉钉嗓被松开，脑机械手拔强刀。加工中凳心主轴弊前端有7∶2描4号锥孔，宅内部和后愉端安装的拥是刀具自放动夹紧机悬构。341—刀架睬；2—拉斤钉；3—主轴许；4—拉奔杆；5—碟形独弹簧；6—活并塞；7—液堵压缸；8、1许0—行若程开关拆；9—压缩辅空气管接晌头；11—弹退簧；12—钢泥球；13—陷端面键压缩空宰气进入活塞和拉杆的中孔，榨吹净主轴旗锥孔，为宅装入新刀擦具做好准睛备。当机您械手将下一把刀是具插入主懂轴后，游液压缸尾上腔无傻油压，在碟形初弹簧和剃弹簧的曲恢复力作用下沈，拉杆依、钢球偶和活塞衫退回到得图示的纸位置，使刀具被翁夹紧。刀杆后夹紧机锣构用弹女簧夹紧速，液压气放松，裙以保证社在工作禽中突然详停电时晋，刀杆光不会自红行松脱骗。351—刀架嫌；2—拉窝钉；3—主卫轴；4食—拉杆粒；5—碟形刷弹簧；6—活剂塞；7—液棚压缸；8、1假0—行脾程开关贫；9—压缩锦空气管接招头；11—弹拴簧；12—哭钢球；13—荐端面键自动换刀捏卧式镗铣妥床主轴的疾夹紧机构361—刀杆详；2—主嘴轴；3—感钢球；4猪—喷气头脉；5—套花筒；6、匪8—碟形既弹簧；7根—拉杆；左9—定向盘凸轮；1瓦0—定向拘开关挡块增；11—阁活塞六、主轴赞的准停装誓置主轴准鹿停换刀返示意图又称为主轴定位功能，这势是自动换视刀所必需闪的功能。矮在自动换么刀的镗铣养加工中心粥上，切削的转绕矩通常是曾通过刀杆的端充面键来传递的招，这就要搁求主轴具有射准确定位块于圆周上攻特定角度礼的功能。37主轴准潜停阶梯悲孔或精铲镗孔示示意图当加工于阶梯孔雀或精镗球孔后退领刀时，记为防止岛刀具与宏小阶梯污孔碰撞持或拉毛仓已精加掏工的孔求表面，反必须先让刀，详再退刀，因此，刀浙具就必须筛具有定位功盐能。六、主轴复的准停装漫置381）机械沈准停控摄制采用机械狮凸轮机构愉或光电盘顾方式进行蛋粗定位，纳然后有一怕个液动或良气动的定柜位销插入体主轴上的满销孔或销糟槽实现精雨确定位，仗完成换刀结后定位销稍退出，主白轴才开始留旋转。结构复杂改，在早期锈数控机床恒上使用较营多。典型的V形槽轮定芽位盘机械落准停原理艳示意图六、主轴距的准停装析置391）当执钉行准停指贤令时，首前先发出降速信攻号，主轴箱烤自动改变舟传动路线案，使主轴绝以设定的睬低速运转购。2）延密时数秒脏后，接通无触寒点开关，当定位泽盘上的感座应片（接数近体）对触准无触点瓶开关时，便发出准停信号，立即使券主轴电动低机停转并缝断开主轴馒传动链，防此时主轴童电动机与敲主传动件仰依惯性继敬续空转；3）在受经过短尸暂延时恶，接通压佳力油，定位长液压缸弄动作，旨活塞带款动定位驴滚子压紧定位馒盘的外表面郊，当主轴育带动定位于盘慢速旋羊转至V形缴槽对准定碗位滚子时吗，滚子进盖入槽内，嘱使主轴准赢确停止，帜同时限位袍开关LS辩2信号有验效，表明主轴准训停动作完成。4）这里开LS1为准停释技放信号。采用这霜种准停方露式，必须披要有一定季的逻辑互蒸锁，即当LS2信号有均效时，爽才能进功行换刀动讯作；只有在LS1信号有材效后，岂才能启团动主轴就电动机正常运株转。准停咽控制通但常由数吼控系统局所配的头可编程枕控制器购完成。2）电气准驶停控制永久磁巾铁与磁棒传感器窜在主轴茶上的位姥置磁传感宅器主轴附准停控扭制在主轴上侵安装一个号永久磁铁路与主轴一吐起旋转，记在距离永眠磁体旋转纲外轨迹1泰~2mm逝处固定一尖个磁传感坛器，它经艘过放大器双并与主轴基控制单元僚相连接，奋当主轴需伞要定向时啊，便可停游止在调整废好的位置愤上。六、主局轴的准引停装置43编码器耕主轴准够停控制膝原理图编码器弟主轴准静停控制通过主轴肌电动机内世置安装的绣位置编码袜器或在机龙床主轴箱永上安装一乖个与主轴1:1同步旋转冲的位置编拦码器来实现准讯停控制，倡准停角度社可任意设你定。六、主棒轴的准士停装置44七、主轴狂组件的润忆滑与密封1.主轴罗轴承的润摄滑方式1）油脂润鄙滑：最常麦用，特床别是前亿支承上悠更常用址；必须凉采用有某效地密其封措施嘱，防止责切削液慨或润滑馅液进入麻轴承。2）油液循终环润滑：后支掌承上常凶用；3）油雾润姥滑：油液居经高压状气体雾学化后，奏从喷嘴方喷到需弯润滑部待位的润钥滑方式沙，常用尸于高速鼻主轴轴讯承，油畜雾易吹姿出，污豆染环境选。4）油气润笑滑：针对晕高速主鹊轴开发联的新型领润滑方粗式，45七、主闻轴组件追的润滑瞒与密封2.主轴厕的密封：换接触式和育非接触式晌两种。前者主织要有油汇毡圈和谁耐油橡隐胶密封跪两种。46接触式密衰封(a)油毡圈擦密封；(b)耐油橡胶闻密封圈密涝封2.非派接触式密封（a）利饺用轴承盖扮与轴的间政隙密封;（b）币在螺母监的外圆灶上开锯撑齿形环炎槽；（c）乒迷宫式天密封结弊构。47非接触绕式密封叨(a)形式一；(b)形式二筹；(c)形式三八、故障瞒排除1、故径障现象拦：加工中心险主轴定位拣不良，引钢发换刀过验程发生中刮断。分析及处偿理过程：（1）开纯始时，出骄现的次数绘不多，重绞新开机后盐又能工作题，但故障酷反复出现沿。（2）化经在故鹊障出现励后，对舞机床进元行仔细杂观察后涛，发现迹故障的纱真正原巩因是—闪—主轴在定汽向后发生三位置偏移昆，且主轴奔在定位站后如用跟手碰一既下，主孙轴会产艳生相反掏方向的窑漂移。（3）检友查电气单度元无任何饼报警，该享机床的定棕位采用的省是编码器畏，从故障琴的现象和误可能发生猾的部位来甘看，电气查部分的可体能性比较晕小；机械业部分又很标简单，最