第2章 数控机床的结构1-2

本章要点2.1数控机床的结构要求2.2数控机床主传动系统及主轴部件2.3数控机床进给系统2.4进给传动间隙消除2.5数控加工自动换刀系统本章重点数控机床的主传动、进给传动及其间隙消除第2章数控机床的结构12.1数控机床的结构要求2.1.1概述数控机床机械结构组成：

主运动传动系统、进给运动系统、支承系统和自动换刀系统等；1机床切削时的受力分析1）切削受力情况静态力：运动部件和工件的自重；动态力：切削力、驱动力、运动摩擦力、加减速惯性力；2）外力对机床的影响变形：接触变形、弯曲扭转变形、局部变形、热变形；后果：加工精度、机床刚度下降22数控机床机械结构设计要求1）要求能承受大功率切削，高的静动刚度和抗振性能；2）具有高的精度和热稳定性；3）具有实现辅助操作自动化的结构部件；3数控机床机械结构特点1）机械结构简单，组成部件结构新，刚度高；2）进给传动链短，传动效率高，结构更新快；3）采用多主轴、多刀架结构，和ATC、APC装置；4）机床的精度稳定性好，运行可靠；5）人机关系和谐、安全；3例如：美国森精机新开发的NT4200DCG五轴车铣削复合机床车床＋铣床（外观）4水平床身＋均布支承＋下位刀架常规模式车床部分52.1.2数控机床的结构要求将机床床身、立柱、主轴、工作台、刀架系统、以及电气等部件模块化、系列化，用户可如同配置个人PC机那样选择配置整机。1部件要模块化、机电一体化2要有高的静动刚度机床的刚度是指机床在切削力和其他力的作用下抵抗变形的能力。机床的静、动刚度是保证机床精度的关键因素之一，与普通机床相比，其静、动刚度应提高50%以上。

61)提高静刚度：

主要包括主轴部件、支承部件整体刚度、部件之间的接触刚度、刀具部件的刚度提高。①主轴部件：

采用三支承结构和刚性好的滚子轴承、推力轴承、静压轴承等，如图。主轴的三支承结构及其推力轴承7a)筋板筋条

不同的加强筋板、筋条，能给立柱、构件带来的刚度不同。如图(e)，有数据表明其提高相对抗弯、抗扭刚度的效果最好。机床立柱加强筋结构

②支承部件：8壁板上设置加强筋条结构又如：下列壁板加强筋条中，图(f)为蜂窝状筋条，其刚度提高的效果为最好。9b)导轨与支承件的联接刚度联接是否合理对构件的局部刚度影响很大。如图，导轨较宽时可选用双壁联接，较窄时选用单壁加厚或单壁加垂直筋。导轨与支承件的联接垂直筋导轨面10c)合理布局与补偿变形如图，合理的主轴箱布局和加平衡重，可以显著减小变形，提高刚度。合理的主轴箱布局不合理的主轴箱布局11加平衡重12③接触刚度和刀架刚度：接触刚度高，机床的承载能力强。一般通过修磨刮研来增加单位面积上的接触点。车床增加刀架底座尺寸，减小刀具伸出量，可有效提高刀架的整体刚度2)提高动刚度：数控机床动刚性可通过改善机床阻尼特性（如填充阻尼材料）来提高抗振性。例如：在床身表面喷涂阻尼涂层；采用新材料（如人造花岗石，混凝土等）；*采用钢板和型钢焊接支承结构件，可提高构件的谐振频率，防止发生共振。13人造大理石床身（混凝土聚合物）143减少机床的热变形

热源：切削及其切屑、运转的电动机、液压系统、摩擦、外界热辐射等。垂直偏移纵向偏移热源使机床各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破环，使机床加工精度下降。

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数控机床的加工过程都是由计算机控制的，加工所产生的热变形，中途人为调节困难，因此如何设法减少热变形，意义重大。在数控机床结构中通常采用以下措施。1)减少发热

(1)机床内部热源，应当尽可能地从主机中分离出去；(2)改善运动副的摩擦特性和润滑条件；(3)切屑、冷却液应及时排出；(4)控制润滑油、液压油的温度；2)控制温升

通过良好的散热、隔热、冷却来控制温升。*如在机床的发热部位强制冷却；而在机床低温部分通过加热的方法，使机床各点的温度趋于一致，这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。16冷却风管主轴对机床热源进行强制冷却17对机床热源进行强制冷却主轴冷却风管183)改善机床结构

设计合理的机床结构和布局，设计热传导对称结构，使温升一致，以减少热变形。例如：

数控车床的主轴箱，应尽量使主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上。*例如：卧式主轴采用双立柱对称结构。由于左右对称，双立柱受热后的主轴线除垂直方向的平移外，其它方向的变形很小。*

对于采取了上述措施仍不能消除的热变形，可以根据测量结果，由数控系统发出补偿脉冲加以修正。19卧式坐标镗床热变形20刀具的切入方向应与热变形方向垂直214减少运动件的摩擦和消除传动间隙高速、高分辨率的数控机床，对进给部件的要求很高，既要能高速又要能以极低的速度运动。要求运动副的摩擦小，传动间隙小，才能精确定位，保证精度，提高低速运动的平稳性。1)减小摩擦和传动间隙

(1)减少运动件重量；(2)减少运动件的静、动摩擦力之差；(3)减少或消除传动间隙，缩短传动联；(4)提高运动副精度，采用无间隙传动副；2)避免低速爬行

低速爬行指进给运动部件的降速定位运动，在接近定位点时，由于摩擦力的存在，当速度低于某临界值时，出现时快时慢甚至停顿冲动的现象。223)摩擦力与速度的关系滑动导轨滚动导轨静压导轨23

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提高机床的寿命和精度保持性

为了提高机床的寿命和精度保持性，在设计时应充分考虑数控机场零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给丝杠、主轴部件等主要零件的耐磨性。在使用过程中，应保证数控机床各部件润滑良好。6减少辅助时间和改善操作性能

在数控机床的单件加工中，辅助时间（非切削时间）占有较大的比重。要提高机床的生产率，就必须采取措施最大限度地压缩辅助时间。对于切屑数量较大的数控机床，床身结构必须有利于排屑。*

24机床排屑系统25现代的数控机床越来越多采用了多主轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀装置等，以减少换刀时间，并带有自动排屑装置。利于排屑的车床结构切屑输送带26几种典型布局XZ1)45°倾斜床身的数控车床床身、导轨的配置271)45°倾斜床身的数控车床整机282)工作台移动式的OUKMA立式MC床身、导轨结构配置292)工作台移动式的OUKMA立式MC积木图302.2CNC主传动系统及主轴部件2.2.1主传动变速配置主传动是为机床提供动力，使主运动部件获得一定速度和方向成形运动的传动链，包括主轴电动机、主传动系统和主轴部件。1数控机床对主传动的基本要求

1)宽的调速范围；

2)无级变速或分段无级变速，变速可靠；

3)主传动链短，传动件少；4)主轴要具有恒线速切削功能；5)主轴要具有位置伺服功能；

6)主轴的旋转精度、运动精度要高；7)高的刚度和抗震性，耐磨性、热稳定性好；312)主轴部件的旋转精度：

主轴部件旋转精度指装配后，在无载荷和低速转动条件下(静态)主轴前端和300mm处的径向跳动和轴向窜动值。出厂时，普通级MC，300mm处允许误差＜0.02mm。

旋转精度反映主轴瞬时回转中心与理想回转中心在空间的位置误差，即体现主轴的轴心漂移。2主轴电动机和主轴精度

常用的主轴电机为交流变频调速电机和交流伺服电机。

交流变频调速的优点是成本较低，但不能实现电动机轴在圆周任意方向的准确定位。

交流伺服主轴电动机可以实现主轴在任意方向上的定位，并且以很大转矩实现微小位移；功率大，成本高。1)主轴电动机：321)带有变速齿轮的主传动特点：（1）适用于大、中型数控机床；（2）主轴能在强力低速段输出大扭矩；（3）滑移齿轮采用液压拨叉或电磁离合器来移位；3主传动的调速配置方式332)通过皮带传动的主传动特点：（1）主要应用于低扭矩的小型数控机床；（2）使用三角带或同步带传动，避免了齿轮传动的振动与噪声；343)由调速电机直接驱动的主传动特点：(1)主轴箱体与主轴的结构简单，主轴部件的刚度高；(2)主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大；(3)电主轴适用于高速加工机床；352.2.2主轴部件

主轴部件包括主轴、主轴支承、主轴编码器、主轴准停装置和主轴传动件等。

1主轴1)主轴结构尺寸包括直径、内孔直径、悬挂长度、支承跨距。主轴直径：后端支承轴径一般为前支承轴径的0.7～0.8倍；内孔直径：用于通过棒料、刀具装夹、传动气压或液压卡盘；内孔直径∶主轴直径＝0.3～0.7，一般为0.52)主轴轴端结构作用：安装夹具或刀具；要求：轴端定位精度高，定位刚度好，装卸方便；车床：短圆锥法兰盘，定心好，刚度高，悬挂长度短；主轴一般设计成阶梯圆柱，外径前端>后端，内部多数为空心，前端采用锥孔。362主轴支承机床主轴支承分为径向支承和轴向(推力)支承，推力支承一般位于主轴前支承，以减小机床原点的偏移，定位形式一般有两支承或三支承。主轴轴承一般选用圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、角接触球轴承。形式如图，线接触的滚子轴承比点接触的球轴承刚性好，但转速受温升限制。371)主轴轴承配置方式CNC主轴轴承配置主要有三种型式：

(1)前后支承采用不同轴承--(a)

前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承。

此种配置形式综合刚度高，可以满足强力切削的要求，普遍应用于各类数控机床。38(a)的一种装配结构该轴承结构配置形式是现代主轴结构中刚性最好的一种1)主轴轴承配置方式391)主轴轴承配置方式(2)前后轴承采用高精度多列向心推力球轴承--(b)

此种配置形式高速性能好，主轴转速高达1万转。但承载能力小，适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。后支承也有用一个圆柱滚子轴承的40(b)的二种装配结构1)主轴轴承配置方式41

此种配置能承受较大的径向和轴向力，能承受重载，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。但主轴的最高转速和精度受限制，因此适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。1)主轴轴承配置方式

(3)双列和单列圆锥滚子轴承--(c)422)主轴轴向定位方式常见有以下四种定位方案，其中：