第四章数控机床的机械结构与部件和数控机床编程及加工

zw主编第一章数控机床概述

第二章数控机床的程序编制

第三章计算机数控(CNC)系统

第四章数控机床的机械结构与部件

第五章伺服驱动系统

第六章数控机床用可编程序控制器

第七章数控机床的使用与维修

附录第四章数控机床的机械结构与部件第一节数控机床的结构组成及特点

第二节数控机床的主传动系统及主轴部件

第三节数控机床进给系统机械传动部分元件

第四节自动换刀装置

第五节分度工作台和回转工作台第一节数控机床的结构组成及特点一、数控机床机械结构的主要组成

二、数控机床机械结构的主要特点

(1)机床刚度的基本概念机床刚度是机床的技术性能之一，它反映了机床结构抵抗变形的能力。

(2)提高数控机床结构刚度的措施

1)提高机床构件的静刚度和固有频率，改善薄弱环节的结构或布局，以减少所承受的弯曲负载和扭矩负载。

2)改善数控机床结构的阻尼特性。

3)采用新材料和钢板焊接结构。

(1)改进机床布局和结构第一节数控机床的结构组成及特点1)采用热对称结构。

2)采用倾斜床身和斜滑板结构。

3)采用热平衡措施。

(2)控制温度对机床发热部位(如主轴箱等)采用散热、风冷和液冷等控制温升的办法来吸收热源发出的热量，这是各类数控机床广泛采用的一种减少热变形影响的对策。

(3)对切削部位采取强冷措施在大切削量切削加工时，落在工作台、床身等部件上的炽热切屑是重要的热源。

(4)热位移补偿预测热变形规律，建立数学模型存入计算机中进行实时补偿。第一节数控机床的结构组成及特点图4-1热变形自动补偿装置

a)轴向补偿b)立柱热平衡补偿第一节数控机床的结构组成及特点图4-2传动系统比较

a)某普通车床b)某数控车床第一节数控机床的结构组成及特点

(1)塑料滑动导轨传统的铸铁－铸铁滑动导轨，除经济型数控机床外，在其他数控机床上已不采用，取而代之的是铸铁—塑料或镶钢—塑料滑动导轨。

1)聚四氟乙烯导轨软带。

①摩擦特性好：其动、静摩擦因数基本不变，而且摩擦因数很低，能防止低速爬行，运动平稳，能获得高的定位精度。普通导轨副的动、静摩擦因数相差较大，几乎近一倍。第一节数控机床的结构组成及特点②耐磨性好：聚四氟乙烯导轨软带材料中含有青铜、二硫化钼和石墨，本身具有自润滑作用，对润滑油的供油量要求不高，采用间歇供油即可。此外塑料质地较软，即使嵌入金属碎屑、灰尘等，也不至损坏金属导轨和软带本身。

③减振性好：塑料的阻尼性能好，其减振消声性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大的意义。

④工艺性好：可降低对粘贴塑料的金属基体的硬度和表面质量的要求，而且塑料易于加工(铣、刨、磨、刮)，能获得优良的导轨表面质量。第一节数控机床的结构组成及特点图4-3加工中心工作台和滑座的横剖面图

1—床身2—工作台3—下压板4—导轨软带5—粘导轨软带的镶条第一节数控机床的结构组成及特点图4-4软带导轨粘合

1—粘结层厚度2—粘结材料3—导轨软带第一节数控机床的结构组成及特点2)环氧型耐磨涂层。图4-5注塑后的导轨示意图

1—滑座2—胶条3—注塑层第一节数控机床的结构组成及特点(2)滚动导轨滚动导轨具有摩擦因数低，一般是0.003左右；动、静摩擦因数相差小，几乎不受运动速度变化的影响；定位精度和灵敏度高，精度保持性好等优点。图4-6滚柱式滚动导轨块第一节数控机床的结构组成及特点1)滚动导轨块。

2)单元式直线滚动导轨。图4-7单元式直线滚动导轨第一节数控机床的结构组成及特点图4-8直线滚动导轨结构

1—导轨体2—侧面密封垫3—保持器4—滚珠5—端部密封垫6—端盖7—滑块8—润滑油环(3)静压导轨静压导轨是在两个相对运动的导轨面间通入压力油，使运动件浮起。第二节数控机床的主传动系统及主轴部件一、数控机床主传动系统

图4-9数控机床主传动

系统分类第二节数控机床的主传动系统及主轴部件二、主传动系统分类

图4-10二级齿轮变速主轴结构第二节数控机床的主传动系统及主轴部件

三、典型主传动系统及部件

图4-11TND360型主轴箱传动系统第二节数控机床的主传动系统及主轴部件图4-12TND360型车床主轴结构

1、2—后轴承3—轴承4、5—前轴承第二节数控机床的主传动系统及主轴部件图4-13液压动力卡盘液压缸结构图

1—引油导套2—液压缸体3—活塞4—法兰盘第二节数控机床的主传动系统及主轴部件图4-14动力卡盘结构图

1—盘体2—拉杆3—滑体4—卡爪滑座5—Ｔ形滑块6—卡爪第二节数控机床的主传动系统及主轴部件图4-15C轴的功能简图

a)在圆柱面或端面上铣槽b)在圆柱面上铣螺旋槽c)在端面上铣螺旋槽d)铣直线和平面第二节数控机床的主传动系统及主轴部件图4-16MOC200MS3的C轴传动系统

a)主轴结构简图b)C轴传动及主传动系统简图

1—蜗杆2—主轴3—蜗轮4、6—齿形带5—主轴电动机7—脉冲编码器8—C轴伺服电动机第二节数控机床的主传动系统及主轴部件图4-17CH6144的C轴传动系统

1～４—传动齿轮5—滑移齿轮6—换位液压缸7—主轴齿轮8—主轴9—主轴箱10—制动液压缸

11—V带轮12—主轴制动盘13—同步带带轮14—脉冲编码器

15—C轴伺服电动机16—C轴控制箱第二节数控机床的主传动系统及主轴部件图4-18S3-317型车削中心的C轴传动系统

1—C轴伺服电动机2—滑移齿轮3—主轴4—分度齿轮5—插销连杆6—压紧液压缸第二节数控机床的主传动系统及主轴部件图4-19XH754型加工中心主轴

1—活塞2—螺旋弹簧3—磁感应传感器4—永久磁铁5、10—带轮6—钢球7—拉杆

8—碟形弹簧9—V带11—交流调速电动机12、13—行程开关第二节数控机床的主传动系统及主轴部件图4-20用磁力轴承的高速主轴部件

1—刀具系统2、9—轴承3、8—传感器4、7—径向轴承5—轴向止推轴承

6—高频电动机10—冷却水管路11—气液压力放大器第三节数控机床进给系统机械传动部分元件一、对进给系统的性能要求

二、滚珠丝杠副

图4-21滚珠丝杠副的原理图第三节数控机床进给系统机械传动部分元件图4-23外循环滚珠丝杠副

a)插管式b)螺旋槽式第三节数控机床进给系统机械传动部分元件图4-24内循环滚珠丝杠副第三节数控机床进给系统机械传动部分元件表4-1循环方式第三节数控机床进给系统机械传动部分元件表4-2结构特征

(1)垫片调隙式如图4-25所示，调整垫片厚度使左右两螺母产生方向相反位移，使两个螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上，即可消除间隙和产生预紧力。第三节数控机床进给系统机械传动部分元件(2)螺纹调隙式如图4-26所示，右螺母4外端有凸缘，而左螺母1左端是螺纹结构，用两个圆螺母2、3把垫片压在螺母座上，左、右螺母和螺母座上加工有键槽，采用平键联结，使螺母在螺母座内可以轴向滑移而不能相对转动。图4-25垫片调隙式第三节数控机床进给系统机械传动部分元件(3)齿差调隙式如图4-27所示，在左、右两个螺母的凸缘上各加工有圆柱外齿轮，分别与左、右内齿圈相啮合，内齿圈紧固在螺母座左、右端面上，所以左、右螺母不能转动。图4-27齿差调隙式第三节数控机床进给系统机械传动部分元件(4)单螺母变位螺距式如图4-28所示，它是在螺母体内的两列循环内螺旋滚道之间的轴向产生一个ΔL0的导程变量，从而使两列滚珠在轴向错位实现预紧。图4-28单螺母变位螺距式第三节数控机床进给系统机械传动部分元件表4-3预紧方式第三节数控机床进给系统机械传动部分元件表4-4精度等级标号及选择第三节数控机床进给系统机械传动部分元件图4-29滚珠丝杠副的基本参数第三节数控机床进给系统机械传动部分元件1)公称直径d0：用于标识的尺寸值(无公差)。

2)节圆直径DPW：滚珠与滚珠螺母体及滚丝杠位于理论接触点时滚珠球心包络的圆柱直径。

3)导程Ph：滚珠螺母相对滚珠丝杠旋转2π弧度时的行程。

4)接触角α：滚道与滚珠间所传递的负荷矢量与滚珠丝杠轴线的垂直面之间的夹角，如图4-29b所示,理想接触角α＝45°。

第三节数控机床进给系统机械传动部分元件图4-30滚珠丝杠在机床上的支承方式

a)仅一端装推力轴承b)一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承

c)两端装推力轴承d)两端装推力轴承和深沟球轴承1)图4-30ａ所示为仅一端装推力轴承。

2)图4-30ｂ所示为一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承。第三节数控机床进给系统机械传动部分元件3)图4-30ｃ所示为两端装推力轴承。

4)图4-30ｄ所示为两端装推力轴承和深沟球轴承。

三、进给系统传动齿轮间隙的消除

图4-31偏心轴套式消除间隙的结构

1—偏心套2—电动机第三节数控机床进给系统机械传动部分元件图4-33双片薄齿轮错齿调整法

1、2—薄片齿轮3—短圆柱4—弹簧第三节数控机床进给系统机械传动部分元件

图4-34斜齿轮垫片调整法

1、2—薄片齿轮3—垫片4—宽齿轮第三节数控机床进给系统机械传动部分元件图4-36锥齿轮轴向压簧调整法

1、2—锥齿轮3—压簧4—螺母5—传动轴第三节数控机床进给系统机械传动部分元件4.预加负载双齿轮——齿条传动图4-38预加负载双齿轮-齿条无间隙传动机构

a)工作原理b)液压预加负载式

1—小齿轮2—齿条3—调整轴4—进给电动机轴5—右旋齿轮6—加载弹簧7—左旋齿轮第三节数控机床进给系统机械传动部分元件图4-39蜗杆—蜗轮条传动机构

1—蜗轮条2—蜗杆第三节数控机床进给系统机械传动部分元件图4-40蜗杆—蜗轮条机构工作原理

1—油箱2—过滤器3—油泵4—电动机5—溢流阀6—粗过滤器

7—精过滤器8—压力表9—压力继电器10—节流器第三节数控机床进给系统机械传动部分元件1)摩擦阻力小，起动摩擦因数小于0.0005，功率消耗少，传动效率高，可达0.94～0.98，在很低的速度下运动也很平稳。

2)使用寿命长。

3)抗振性能好。

4)有足够的轴向刚度。

5)蜗轮条能无限接长，因此，运动部件的行程可以很长，不像滚珠丝杠受结构的限制。第四节自动换刀装置一、数控车床刀架

图4-41数控车床方刀架结构

1—电动机2—联轴器3—蜗杆轴4—蜗轮5—刀架底座6—粗定位盘

7—刀架体8—球头销9—转位套10—电刷座11—发信体

12—螺母13、14—电刷15—定位销第四节自动换刀装置图4-42回转刀架

1—刀架2、3—端面齿盘4—滑块5—蜗轮6—轴7—蜗杆8、9、10—传动齿轮

11—电动机12—微动开关13—小轴14—圆环15—压板16—楔铁第四节自动换刀装置图4-43动力转塔刀架

a)刀架外形b)传动示意图第四节自动换刀装置二、加工中心自动换刀系统

图4-44鼓轮式刀库之一

a)径向取刀形式b)轴向取刀形式第四节自动换刀装置图4-45鼓轮式刀库之二

a)刀具径向安装b)成一定角度分布的结构第四节自动换刀装置图4-46各种链式刀库

a)单环链式b)多环链式c)折叠链式第四节自动换刀装置图4-47编码刀柄示意图

1—编码环2—锁紧螺母3—拉紧螺杆第四节自动换刀装置图4-48光电识别方法

1—刀座2—刀具3—投光器

4—机械手5—屏板第四节自动换刀装置图4-49换刀过程第四节自动换刀装置(1)无机械手换刀无机械手换刀的方式是利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换。图4-50刀库转位机构

1、2—齿轮3—蜗杆4—蜗轮5—压盖6—转动套7—螺母第四节自动换刀装置图4-51刀库液压缸结构图

1—刀库2—液压缸3—立柱顶面第四节自动换刀装置(2)机械手换刀采用机械手进行刀具交换的方式应用得最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。图4-52换刀分解动作示意图第四节自动换刀装置图4-53机械手臂和刀爪

1、3—弹簧2—锁紧销4—活动销5—刀爪6—活动销第五节分度工作台和回转工作台一、分度工作台

图4-54端面齿盘式分度工作台

1、2、15、16—推杆3—下齿盘4—上齿盘5、13—推力轴承6—活塞7—工作台8—齿条活塞

9—升降液压缸上腔10—升降液压缸下腔11—齿轮12—齿圈14、17—挡块18—分度液压缸右腔

19—分度液压缸左腔20、21—分度液压缸进回油管道22、23—升降液压缸进回油管道第五节分度工作台和回转工作台图4-55定位销式分度工作台的结构

1—分度工作台2—锥套3—螺钉4—支座5—消隙液压缸6—定位孔衬套7—定位销8—锁紧液压缸

9—齿轮10—长工作台11—锁紧缸活塞12—弹簧13—油槽14、19、20—轴承

15—螺栓16—活塞17—中央液压缸18—油管21—底座22—挡块第五节分度工作台和回转工作台二、数控回转工作台图4-56数控回转工作台

1—电液脉冲马达2、4—齿轮3—偏心环5—楔形拉紧圆柱销6—压块7—螺母

8—锁紧螺钉9—蜗杆10—蜗轮11—调整套12、13—夹紧瓦14—夹紧液压缸

15—活塞16—弹簧17—钢球18—光栅19—撞块20—感应块第五节分度工作台和回转工作台习题与思考题数控机床编程及加工机械工程实验教学中心实验目的通过数控机床的加工程序编制，掌握编程的方法及技巧；将在计算机上用OpenSoftCNC软件模拟显示加工过程校验程序，然后在数控机床上对工件进行加工；结合机械加工工艺，实现最优化编程，提高加工质量和生产效率。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理数控编程的目的；数控编程的内容；编程步骤。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理所谓编程，就是把零件的图形尺寸、工艺过程、工艺参数、机床的运动以及刀具位移等内容，按照数控机床的编程格式和能识别的语言记录在程序单上的全过程。这样编制的程序还必须按规定把程序单制备成控制介质如程序纸带、磁带等，变成数控系统能读懂的信息，再送入数控机床，数控机床的CNC装置对程序经过处理之后，向机床各坐标的伺服系统发出指令信息，驱动机床完成相应的运动。机械工程实验教学中心数控编程的目的数控编程的基本原理①分析零件图纸，确定加工工艺过程；②计算走刀轨迹，得出刀位数据；③编写零件加工程序；④制作控制介质；⑤校对程序及首件试加工。机械工程实验教学中心数控编程的内容数控编程的基本原理机械工程实验教学中心数控编程的步骤零件图纸分析零件图纸制定工艺规程数学处理编写程序文件制作控制介质程序校验及试切数控机床OpenSoftCNC软件介绍OpenSoftCNC软件包括数控车床模拟仿真和数控铣床模拟仿真系统，由软件+标准硬件系统构成，不要求专用硬件或运动控制卡，所有数控功能和逻辑控制功能均由软件完成，操作界面由系统操作和机床控制两大部分组成。机械工程实验教学中心OpenSoftCNC软件介绍机械工程实验教学中心为例，软件提供下列指令：以数控车床模拟仿真系统（OpenSoftCNC01T）组别指令功能编程格式模态

1G00快速线性移动G00X(U)_Z(W)_√G01直线插补G01X(U)_Z(W)_√G02顺时针圆弧插补G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆时针圆弧插补G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺纹插补G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺纹插补G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X轴返回程序零点G27

G28Z轴返回程序零点G28

G92定义绝对坐标系G92X_Z_√2G04延时G04E_

3M00暂停M00

M02程序结束M02

4M03主轴正转M03√M04主轴反转M04√M05主轴停M05√5M08开冷却液M08√M09关冷却液M09√

6M97程序跳转M97P_

M98子程序调用M98P_L_

M99子程序返回M99

7M20自定义开关1有效M20√M21自定义开关1无效M21√8M22自定义开关2有效M22√M23自定义开关2无效M23√9S主轴转速控制S00～S07；S0000～S9999√10T指定刀具T00～T05√11F指定速度F12～F4000