第九章-数控机床的结构设计

9.1概述9.2数控机床的布局特点9.3数控机床的主运动结构9.4进给系统的机械传动结构9.5数控机床的刀具交换装置9.6机床床身9.7刀具系统9.8夹具及附件第九章数控机床的结构设计9.1概述机床数控技术由机械技术、控制技术和外围技术三大部分组成，其中，控制技术和外围技术在前几章已做了介绍，本章主要介绍数控机床的机械结构及主要部件。数控机床的机床本体（主要是机械传动结构及功能部件）的设计可靠性在很大程度上也决定了整机的可靠性。数控机床的功能部件包括滚珠丝杆、滚动导轨、数控车床转塔刀架、加工中心的刀库和机械手等。

9.1.1数控机床机械结构特点与普通机床相比，数控机床在结构上进行了改进，主要表现在以下几个方面：（1）主传动装置多采用无级变速或分段无级变速方式，可利用程序控制主轴的变向和变速，主传动具有较宽的调速范围，数控机床的机械传动结构大为简化，传动链也大大缩短。有些数控机床的主传动系统已开始采用结构紧凑及性能优异的电主轴。（2）为减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度，更多地采用了高效传动部件，进给传动装置中广泛采用无间隙滚珠丝杠传动和无间隙齿轮传动，利用贴塑导轨或静压导轨来减少运动副的摩擦力，提高传动精度。有些数控机床的进给部件直接使用直线电机驱动，从而实现了高速、高灵敏度伺服驱动。（3）为适应连续的自动化加工和提高加工生产率，数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小；床身、立柱、横梁等主要支承件采用合理的截面形状，且采取一些补偿变形的措施，使其具有较高的结构刚度。（4）为了改善劳动条件、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率，加工中心刀库采用了刀具自动夹紧装置与自动换刀装置及自动排屑装置等辅助装置，可进行多工序、多面加工，大大提高了生产率。

9.1.2数控机床对机械结构的要求根据数控机床的适用场合和机构特点，对数控机床结构提出以下要求：（1）较高的机床静、动刚度

（2）减少机床的热变形（3）减少运动间的摩擦和消除传动间隙（4）提高机床的寿命和精度保持性（5）减少辅助时间和改善操作性能数控机床的性能指标种类项目含义影响精度指标定位精度数控机床工作台等移动部件在确定的终点所达到的实际位置的水平直接影响加工零件的位置精度重复定位精度同一数控机床上，应用相同程序加工一批零件所得连续质量的一致程度影响一批零件的加工一致性和稳定性分度精度分度工作台在分度时，理论要求回转的角度值和实际回转角度值的差值。影响零件加工部位的空间位置及孔系加工的同轴度分辨率指数控机床对两个相邻的分散细节间可分辨的最小间隔，即认识识别的最小单位的能力决定机床的加工精度和表面质量脉冲当量执行运动部件的移动量决定机床的加工精度和表面质量坐标轴可控轴数机床数控装置能控制的坐标数目影响机床功能、加工适应性和工艺范围联动轴数机床数控装置控制的坐标轴同时到达空间某一点的坐标数目影响机床功能、加工适应性和工艺范9.2数控机床的布局特点数控机床的结构性能数控机床的结构性能和布局特点数控机床的结构性能一、对数控机床结构的基本要求：1、有良好的静刚度、动刚度2、有更小的热变形3、有良好的低速运动性能4、有更好的宜人性数控机床的结构性能1、有良好的静刚度、动刚度良好的静刚度、动刚度是数控机床保证加工精度及其精度保证特性的关键因素之一。与普通机床相比，其静刚度、动刚度应提高50%以上。为使数控机床具有良好的静刚度，应注意合理选择构件的结构形式，如基础件采用封闭的完整箱体结构，构件采用封闭式截面，合理选择及布局隔板和筋条（图3、4），尽量减小接合面，提高部件间接触刚度等；合理进行结构布局（图5）；采取补偿构件变形的结构措施（图6）。

1、有良好的静刚度、动刚度1、有良好的静刚度、动刚度

提高数控机床动刚性则可通过改善机床阻尼特性（如填充阻尼材料）来提高抗振性；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）等方法实现。

1、提高静、动刚度的措施（1）提高静刚度的措施

1）基础大件采用封闭整体箱形结构

2）合理布置加强筋

3）提高部件之间的接触刚度。（2）提高动刚度的措施

1）改善机床的阻尼特性（如填充阻尼材料）

2）床身表面喷涂阻尼涂层

3）充分利用结合面的摩擦阻尼

4）采用新材料，提高抗震性数控机床的结构性能2、有更小的热变形

数控机床加工中的摩擦等均会引起温升及变形而影响加工精度。为确保加工精度，在数控机床结构布局设计中可考虑尽量采用对称结构（如对称立柱等），进行强制冷却（如采用空冷机），使排屑通道对称布置等措施。

数控机床的结构性能3、有良好的低速运动性能

数控机床各坐标轴进给运动的精度及其灵敏性亦极大地影响到零件加工精度，要提高数控机床的运动精度可采取降低执行件的质量，减小静、动摩擦系数之差，清除传动件间间隙，提高传动刚度等措施。数控机床运动件之间的摩擦要小，要消除传动系统的间隙，达到低速时无爬行，高速时快速响应。数控机床的结构性能4、有更好的宜人性

从使用数控机床的操作使用角度出发，机床结构布局应有良好的人机关系（如面板、操作台位置布置等）和较高的环保标准。

数控机床的布局特点

数控机床的总体结构布局应按上述要求，既满足从机床性能、加工适应范围等内部因素考虑确定各构件间位置，同时亦满足从外观、操作、管理到人机关系等外部因素考虑安排机床总布局。

数控机床不同的布局形式给机床工作带来了不同的影响，从而形成不同的特点，其影响主要表现在如下几个方面：2、不同布局有不同的运动分配及工艺范围3、不同布局有不同的机床结构性能4、不同布局影响机床操作方便程度1、不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量

二、数控机床布局特点

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。

如图7所示均为数控铣床，但四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。其中，(a)适应较轻工件，(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。1、不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量

如图8所示为数控镗铣床的三种布局方案。其中，（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。2、不同布局有不同的运动分配及工艺范围如图9所示为几种数控卧式镗铣床。其中，（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，其中（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。3、不同布局有不同的机床结构性能不同的机床布局使机床操作中不少工作（如工件、刀具装卸、切屑清理、加工观察等）方便程度不同。如图10为数控车床的三种不同布局方案，其中（c）为立床身，排屑最方便，切屑直接落入自动排屑的运输装置；（b）为斜床身，排屑亦较方便；（a）为横床身，加工观察与排屑均不易。4、不同布局影响机床操作方便程度

9.3数控机床的主传动系统产生主切削力（一）传动系统作用1.足够的转速范围

2.足够的功率和扭矩

3.各零部件应具有足够的精度、强度、刚度和抗振性

4.噪声低、运行平稳（二）对主传动系统的要求

1.采用变速齿轮传动

采用少数几对齿轮降速，用液压拨叉自动变速，电机主轴仍为无级变速，并实现主轴的正反启动、停止、制动。该方式扭矩大，噪声大，一般用于较低速加工。

2.采用同步齿形带传动

采用直流或交流主轴伺服电机，由同步齿形带传动至主轴，该方式主轴箱及主轴结构简单，主轴部件刚性好；传动效率高、平稳、噪声小；不需润滑；但由于输出扭矩小，低速性能不太好，在中档机床中应用较多。

3.采用主轴电机直接驱动（一体化主轴，电主轴）

亦称一体化主轴、电主轴，由主轴电机直接驱动，电机、主轴合二为一，主轴为电机的转子。该方式处理好散热、润滑非常关键，一般应用于高速机床。

（三）主传动的变速方式

变速齿轮传动

齿形带—1齿形带—2齿形带—3齿形带—4齿形带

主轴电机直接驱动

1.主轴轴承

2.主轴准停装置

3.刀具自动夹紧和清洁装置

4、润滑与冷却

四、主轴部件

1.主轴轴承

数控机床主轴轴承的支承形式、轴承材料、安装方式均不同于普通机床，其目的是保证足够的主轴精度。

2.主轴准停装置

满足刀具交换时，刀柄键槽位置必须固定的要求。

四、主轴部件

3.刀具自动夹紧和清洁装置

自动夹紧一般由液压或气压装置予以实现；而切屑清除则是通过设于主轴孔内的压缩空气喷嘴来实现，其孔眼分布及其角度是影响清除效果的关键。

4、润滑与冷却

低速时，采用油脂、油液循环润滑；高速时采用油雾、油气润滑方式。主轴的冷却以减少轴承及切割磁力线发热，有效控制热源为主。

四、主轴部件

数控车床主轴结构

4.主轴的润滑、冷却方式

（1）主轴轴承润滑方式：油脂润滑、油液循环润滑、油雾润滑、油气润滑

（2）主轴冷却方式：减少轴承及切割磁力线发热，有效地排除已产生的热量

主轴的润滑、冷却方式

9.4数控机床进给传动系统（一）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。（二）对进给传动系统的要求

1.有较高的工作精度

2.响应速度快

3.调速范围宽

4.稳定性好

5.可靠性高

滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副

1.步进电机伺服进给系统

一般用于经济型数控机床。

2.直流电机伺服进给系统

功率稳定，但因采用电刷，其磨损导致在使用中需进行更换。一般用于中档数控机床。

3.交流电机伺服进给系统

应用极为普遍，主要用于中高档数控机床。

4.直线电机伺服进给系统

无中间传动链，精度高，进给快，无长度限制；但散热差，防护要求特别高，主要用于高速机床。（三）进给传动系统种类

电机支承丝杠螺母伺服进给系统

1.滚珠丝杠螺母副

1）工作原理

2）作用：将回转运动转换为直线运动

3）特点：传动效率高，摩擦力小，寿命长，经预紧后可消除轴向间隙，无反向空行程，成本高，不能自锁，尺寸不能太大。

4）用途：各类中小型数控机床的直线进给（四）进给运动传动部件

滚珠丝杠螺母副

2.回转工作台

1）作用：实现绕X、Y、Z轴的圆周进给运动

2）种类：数控回转工作台、数控分度工作台

数控回转工作台

数控分度头

3.导轨

导轨是进给系统的重要环节，是机床基本结构的要素之一。机床加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量。

对导轨的要求：高的导向精度、良好的精度保持性、良好的摩擦特性、运动平稳、高灵敏度、寿命长。

1）滑动导轨

摩擦特性好、耐磨性好、运动平稳、工艺性好、速度较低。

2）滚动导轨

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。

3)静压导轨

9.5数控机床的刀具交换装置换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具容量，体积小，稳定可靠。（一）自动换刀装置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。（二）对自动换刀装置的要求

回转刀架换刀

更换主轴头换刀

机械手换

使用刀库的换刀

刀库与主轴相对运动换刀（三）换刀方式

（四）刀具交换装置普通型数控车床自动换刀装置（水平床身）6工位换刀装置4工位换刀装置数控车床自动换刀装置数控车床自动换刀刀位检测装置霍尔开关检测接触码盘检测光电码盘检测另外还有位置轴编码器和步进电动机检测

1.刀库容量10-40塔式

2.类型盘式

链式

顺序选刀

3.选刀方式

任意选刀

（五）刀库

盘式刀库链式刀库9.6数控机床床身支承机床的零部件并保证这些零部件在加工过程中占有的准确位置。（一）数控机床床身作用（三）数控机床床身类型（二）对床身的要求刚性高、抗振性好、热变形小、易于安装调整。1.铸铁

2.人造大理石

3.钢板焊接

9.7刀具系统（一）刀具系统作用数控车床刀具系统

（二）刀具系统要求1.刀片或刀具几何参数和切削参数的规范化、典型化

2.刀片或刀具材料及切削参数与被加工工件材料之间的匹配

3.刀片或刀具耐用度及其经济寿命指标的合理性

4.刀片或刀柄的定位基准的优化

5.刀片或刀柄对机床主轴的相对位置精度的要求

6.刀片或刀柄的转位、拆装的重复精度的要求

7.刀柄强度、刚性和耐磨性的要求

8.刀柄或工具系统的装机重量限度的要求

9.刀片或刀柄切入位置和方向的要求

10.刀片或刀柄的通用化、规格化、系列化

11.整个工具系统和自动换刀系统的优化

（三）数控刀具的特点

此外，为减少换刀时间和方便对刀，应尽可能采用机夹刀和机夹刀片。夹紧刀片的方式要选择得比较合理，刀片最好选择涂层硬质合金刀片。目前，数控车床用得最普遍的是硬质合金刀具和高速钢刀具两种。

数控车床能兼作粗精车削，因此粗车时，要迁强度高、耐用度好的刀具，以便满足粗车时大背吃刀量、大进给量的要求。精车时，要选精度高、耐用度好的刀具，以保证加工精度的要求。

（四）刀具系统内容

中国：GB10944-89

国际：ISO7388-83

美国：ANSI/ASMEB5.50-1985

日本：MAS403-1982

德国：DIN69871-19881.标准

2.类型

（四）数控刀具结构与刀具材料

1）整体式2）机夹式3）内冷式4）抗振式5