第七章 数控机床结构

数控技术长沙学院机械设计制造及自动化专业2009.7.14第七章第7章数控机床结构数控机床机械结构要求对主传动系统和进给系统的的要求数控机床典型机械结构7.1数控机床的机械结构要求

------如何提高数控机床的性能的措施1、高精度2、高速度3、高自动化要求数控机床必须具有很高的强度、刚度和抗振性因此，数控机床的功能要求和设计要求与普通机床有较大的差异。数控机床的结构设计要求可以归纳为如下几方面：

1、具有大切削功率，高的静、动刚度和良好的抗振性能；

2、具有较高的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性；

3、具有实现辅助操作自动化的结构部件。第7章数控机床结构数控机床应具有更高的静、动刚度提高刚度的原因：在重载荷的作用下，机床的各部件、构件会受力变形，引起刀具和工件的相对位置的变化机床刚度差—影响机床抗振性刚度:是指支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵抗变形的能力(静刚度)(动刚度)第7章数控机床结构7.1.1提高刚度的措施合理选择支承件的结构形式措施1支承件截面形状尽量选用抗弯的方截面和抗扭的圆截面或采用封闭型床身封闭整体箱形结构第7章数控机床结构

左图为卧式加工中心的框式立柱结构。从正面看，立柱截面成封闭框形．轮廓尺寸大，保证以高扭转刚度承受切削扭矩产生的扭转载荷。

从俯视截面看，两个立柱截面形状为矩形，矩形尺寸大的方向正是因切削力作用产生大的弯曲载荷的方向。这种结构具有很高的抗扭和抗弯刚度。第7章数控机床结构措施2合理布置支承件隔板的筋条

隔板的作用是将作用于支承板的局部载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件承受载荷，提高支承件的自身刚度。“T”形隔板连接，主要提高水平面抗弯刚度，对提高垂直面抗弯刚度和抗扭刚度不显著，多用在刚度要求不高的床身上。第7章数控机床结构“W”形隔板，能较大地提高水平面上的抗弯抗扭刚度，对中心距超过1500mm的长床身，效果最为显著“”形隔板，在垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较高，铸造性能好，在大中型车床上应用较多第7章数控机床结构斜向拉筋，床身刚度最高，排屑容易第7章数控机床结构第7章数控机床结构措施3增加机床各部件的接触刚度和承载能力采用刮研的方法增加单位面积上的接触点在结合面之间施加足够大的预加载荷,增加接触面积合理的结构布局第7章数控机床结构合理的结构布局第7章数控机床结构采用补偿变形的措施测出受力点的相对变形的大小和方向，或者预知构件的变形规律，就可采取补偿变形的方法消除受力变形的影响第7章数控机床结构提高机床结构的抗振性措施1

床身、立柱等支承件采用钢板或型钢焊接

——增加刚度、减轻重量、提高抗振性。铸件:

容易获得复杂结构的支承件,铸铁的内摩擦力大，阻尼系数大，振动的衰减性能好，成本低。铸件的周期较长，需做木型模，易产生缩孔、气泡等缺陷。焊接件:钢材的强度比铸铁高，质量可比铸件减轻20%-50%，不需要木模和浇注，生产周期短，不易出现废品。第7章数控机床结构措施2采用封砂床身结构在铸件中不清除砂心，在焊接件中灌注混凝土或砂增加摩擦阻力第7章数控机床结构第7章数控机床结构人造大理石床身（混凝土聚合物）措施3采用混凝土、树脂混凝土或人造花岗岩作支承件的材料天然大理石床身第7章数控机床结构7.1.3减少机床的热变形（1）产生热变形的原因：内外热源的影响不能人工修正热变形误差（2）减少热变形的措施：减少发热措施1主运动采用直流或交流调速电动机进行无级调速

——减少传动轴和传动齿轮数量

——减少主传动箱内的发热量第7章数控机床结构措施2将热源置于易散热的位置将主传动箱和主电动机放在机床的外面第7章数控机床结构措施3采用低摩擦系数的导轨和轴承

——采用滚动导轨、静压导轨或滚动轴承控制温升措施通过散热和冷却方法第7章数控机床结构主轴冷却风管对机床热源进行强制冷却主轴冷却风管对机床热源进行强制冷却第7章数控机床结构对称结构立柱措施1采用对称原则设计数控机床结构第7章数控机床结构改善机床结构第7章数控机床结构措施2使机床主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上机床排屑系统措施3采用排屑系统—将热源从主机中分离出去倾斜床身第7章数控机床结构7.1.4减少运动副的摩擦，提高传动精度措施1采用滚动导轨或静压导轨来减少摩擦副之间的摩擦措施2采用滚珠丝杠或无间隙齿轮传动—减小摩擦第7章数控机床结构7.1.5提高机床寿命和精度保持性措施1采用耐磨性好的零部件措施2机床运动部件间具有良好的润滑第7章数控机床结构7.2对主传动系统的要求2、对主传动的要求1、主传动的作用：产生主切削力足够的转速范围足够的功率和扭矩各零部件应具有足够的精度、强度、刚度和抗振性噪声低、运行平稳第7章数控机床结构3、主传动的配置方式主轴电动机直接驱动（一体化主轴，电主轴）

特点：有效提高主轴部件刚度，但主轴输出扭矩小第7章数控机床结构电主轴第7章数控机床结构主轴电动机②、电动机经同步齿形带传动主轴第7章数控机床结构③、电动机经齿轮变速传动主轴主轴电动机第7章数控机床结构7.3对进给传动系统的要求（1）、进给传动系统作用

接受数控系统发出的进给脉冲，经放大和转换后驱动执行元件实现预期的运动。（2）、传统进给传动系统与数控伺服进给系统的区别传统进给传动系统：多采用一个电机，执行件之间采用大量的齿轮传动，以实现内外传动链的各种传动比要求。故传动链很长，结构相当复杂数控伺服进给系统：每一个运动都由单独的伺服电机驱动，传动链大大缩短，传动件大大减少，有利于减少传动误差，提高传动精度第7章数控机床结构（3）、对进给传动系统的要求减少运动件的摩擦阻力提高机床进给系统的快速响应性能和运动精度，减少爬行现象响应性能：是进给伺服系统动态性能的指标，反映了系统的跟踪精度运动精度：是机床的主要零、部件在以工作状态的速度运动时的精度爬行现象：低速时运动不平衡的现象称为爬行现象第7章数控机床结构机床爬行现象一般发生在低速度、重载荷的运动情况下当主传动件作匀速运动时，工作台3往往会出现明显的速度不均匀，产生跳跃式的时停时走的运动状态，或时快时慢现象。第7章数控机床结构提高传动精度和刚度措施1保证部件加工精度措施2在传动链中加入减速齿轮—减小脉冲当量，提高传动精度措施3预紧支撑丝杠的轴承—消除齿轮、蜗轮传动件间隙措施4预紧消除滚珠丝杠螺母副的轴向传动间隙第7章数控机床结构减小各运动零部件的惯量稳定性好，寿命长稳定性好：保证低速时不产生爬行，外负载变化时不发生振动寿命：是指数控机床保持传动精度和定位精度时间的长短，即保持原制造精度的能力第7章数控机床结构7.3.1、滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副第7章数控机床结构（1）、滚珠丝杠螺母副的结构丝杠滚珠螺母作用：将回转运动转换成直线运动第7章数控机床结构（2）、滚珠丝杠螺母副的特点优点：①传动效率高②摩擦阻力小③传动精度高④有可逆性⑤使用寿命长缺点：①制造工艺复杂②不能实现自锁

第7章数控机床结构（3）、滚珠丝杠螺母副的循环方式①外循环：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环②内循环：滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的成为内循环第7章数控机床结构第7章数控机床结构第7章数控机床结构（4）、滚珠丝杠螺母副的预紧预紧的目的：减小轴向间隙轴向间隙：指丝杠和螺母间无相对转动时，二者之间的最大轴向窜动量预紧的方法双螺母垫片式双螺母螺纹式双螺母齿差式第7章数控机床结构通过调整垫片的厚度使左、右螺母产生轴向位移，就可达到消除间隙和产生预紧力的作用简单、刚性好、装卸方便、可靠.调整困难，调整精度不高

第7章数控机床结构双螺母垫片式用键限制螺母在螺母座内的转动。调整时，拧动圆螺母将螺母沿轴向移动一定距离，在消除间隙之后用圆螺母将其锁紧。简单紧凑，调整方便，但调整精度较差第7章数控机床结构双螺母螺纹式螺母1和2的凸缘上各制有一个圆柱外齿轮，两个齿轮的齿数相差一个齿，两个内齿圈3和4与外齿轮齿数分别相同，并用预紧螺钉和销钉固定在螺母座的两端。调整时先将内齿圈取下，根据间隙的大小调整两个螺母1、2分别向相同的方向转过一个或多个齿，使两个螺母在轴向移近了相应的距离达到调整间隙和预紧的目地。

第7章数控机床结构双螺母齿差式（5）、滚珠丝杠螺母副的支承

滚珠丝杠主要承受轴向载荷，它的径向载荷主要是卧式丝杠的自重图a所示是一端固定一端自由的支承形式。其特点是结构简单，轴向刚度低，适用于短丝杠及垂直布置丝杠一般用于数控机床的调整环节和升降台式数控铣床的垂直坐标轴第7章数控机床结构图b所示是一端固定一端浮动的支承形式，丝杠轴向刚度与图a形式相同，丝杠受热后有膨胀伸长的余地，需保证螺母与两支承同轴。这种形式的配置结构较复杂，工艺较困难，适用于较长丝杠或卧式丝杠

第7章数控机床结构图c所示是两端固定的支承形式，丝杠的轴向刚度约为一端固定形式的4倍，可预拉伸，这样既可对滚珠丝杠施加预紧力，又可使丝杠受热变形得到补偿，保持恒定预紧力，但结构工艺都较复杂适用于长丝杠。第7章数控机床结构7.4数控机床导轨（2）、对导轨的基本要求（1）、导轨的功能：支承和导向①导向精度：是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线性和它与有关基面之间相互位置的准确性；②精度保持性：是指导轨在长期使用中保持导向精度的能力；③低速运动平稳性；④结构简单、工艺性好；

第7章数控机床结构（3）、导轨的分类和特点按运动轨迹按接触面的摩擦性质直线运动导轨：相对运动轨迹为直线圆周运动导轨：相对运动轨迹为圆滑动导轨滚动导轨静压导轨第7章数控机床结构

滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点,在数控机床上应用广泛，目前多数使用金属对塑料形式，称为贴塑导轨或注塑导轨

滑动导轨注塑导轨：环氧树脂为基体，加入二硫化钼和胶体石墨及铅粉等混合而成贴塑导轨：聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼、石墨及铅粉等混合而成第7章数控机床结构第7章数控机床结构滚动导轨第7章数控机床结构特点：摩擦系数小、运动轻便、位移精度和定位精度高、耐磨性好、抗震性较差、结构复杂、防护要求较高第7章数控机床结构第7章数控机床结构静压导轨优点：1、纯液体摩擦，工作时摩擦系数极低（f=0.0005）；

2、导轨的运动不受负载和速度的限制，且低速时移动均匀，无爬行现象；

3、由于液体具有吸振作用，因而导轨的抗振性好；

4、承载能力大、刚性好；

5、摩擦发热小，导轨温升小。缺点：1、液体静压导轨的结构复杂，多了一套液压系统；

2、成本高；

3、油膜厚度难以保持恒定不变。使用范围：液体静压导轨主要用于大型、重型数控机床上。第7章数控机床结构第7章数控机床结构第7章数控机床结构7.5.1自动换刀装置自动换刀装置刀库机械手(ATC)作用——交换主轴与刀库中的刀（工）具7.5数控机床典型机械结构

对自动换刀装置的基本要求换刀时间短刀具重复定位精度高有足够的刀具贮存量刀库占地面积小及安全可靠自动换刀装置的形式回转刀架换刀更换主轴头换刀更换主轴箱换刀带刀库的自动换刀系统第7章数控机床结构1、回转刀架换刀1）回转刀架结构要求：良好的强度和刚性2）回转刀架的换刀动作刀架抬起刀架转位刀架压紧2、更换主轴换刀优点：换刀时间短，换刀的可靠性强。缺点：主轴系统的刚度较差。适用场合：适应于工序较少、精度要求不太高的机床

第7章数控机床结构第7章数控机床结构3、更换主轴箱换刀适用场合：适用于箱体类零件的加工第7章数控机床结构4、带刀库的自动换刀系统组成刀库选刀系统刀具交换机构刀具自动装卸机构特点：结构较复杂，换刀过程动作多，换刀时间长。适用场合：多用于钻床、镗铣床和数控组合机床。第7章数控机床结构7.5.2刀库2、刀库的种类1、刀库的功能功能：储存加工工序所需的各种刀具及辅助工具。直线式特点：结构简单，刀库容量小，一般可容纳8-12把刀具，故少用。第7章数控机床结构鼓轮式（圆盘式）1）单鼓轮式刀具、鼓轮轴线平行刀具、鼓轮轴线垂直第7章数控机床结构盘式刀库第7章数控机床结构刀具、鼓轮轴线成锐角特点：结构简单紧凑，应用较多，但刀具单环排列，空间利用率低，适用于刀库容量较小的场合，一般不多于50-60把刀。第7章数控机床结构鼓轮端面上双环排列特点：刀库空间利用率较高，但装刀、取刀机构复杂，仅适用于机床空间有限制而刀库容量较大的场合。第7章数控机床结构鼓轮端面上多环排列鼓轮弹仓式2）多鼓轮式双鼓轮式主轴第7章数控机床结构三鼓轮式行星鼓轮式特点：不同类型的刀具及轻重型刀具可分别放置，空间利用率高，但传动机构和运动控制装置复杂，适用于刀库容量大的场合。第7章数控机床结构链式单环链式特点：结构紧凑，刀库容量大，可充分利用空间，通常为轴向取刀，位置精度较低，适用于刀库容量大的场合。第7章数控机床结构多环链式第7章数控机床结构加长链式第7章数控机床结构格子箱式单面网格式特点：刀库结构紧凑，空间利用率高