数控机床与编程5结构

数控机床与编程数控机床的机械结构第4章

数控机床的机械结构4.1概述4.2数控机床的总统布局4.3数控机床的主传动系统4.4数控机床的进给传动系统4.5数控机床的典型部件4.5.1导轨4.5.2自动换刀机构4.5.3回转工作台4.1概述数控机床结构特点结构简单、操作方便、自动化程度高广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件对机械结构、零部件的要求高对数控机床的基本要求较高的静动刚度和良好的抗振性良好的热稳定性较高的运动精度和较好的低速稳定性良好的操作、安全防护性能数控机床对结构的基本要求提高机床结构的静刚度如采用合理的筋板结构采用合理的结构布局补偿有关零部件的静力变形提高机床结构的抗振性减小机床的热变形改善运动导轨副的摩擦特性卧式镗铣床与卧式加工中心结构布局比较横梁弯曲变形补偿大型龙门铣床，可将横梁导轨加工成中部凸起的抛物线形，或安装辅助梁和预校正螺钉补偿主轴箱移动到横梁中部时引起的弯曲变形补偿主轴箱自重的影响，可以用加平衡重块或其他平衡力的方法，抵消部分直接作用于横梁上的自重4.2数控机床的总统布局数控车床常用布局型式a）水平床身b）斜床身c）平床身斜滑板d）立床身4.2数控机床的总统布局数控镗铣床及加工中心常用布局型式a）传统的卧式镗床b）框架结构c）T型床身框架结构4.2数控机床的总统布局卧式加工中心双交换工作台a）移动式双交换工作台b）回转式双交换工作台

4.2数控机床的总统布局立式加工中心的常用布局型式a）工作台移动式b）立柱移动式c）动柱式4.2数控机床的总统布局高速加工数控机床的特殊布局1－X轴导轨2－内框3－主轴箱4－Y轴导轨a）固定门式立柱b）内外双框架4.2数控机床的总统布局并联运动机床（虚拟轴机床）布局形式a）卧式镗铣床b）卧式加工中心4.3数控机床的主传动系统主传动的变速方式无级变速采用交流主轴驱动系统实现无级变速传动采用变频器带变频电动机或普通交流电动机实现无级变速的方式采用电主轴，即电动机转子和主轴一体，无须任何传动件，可以使主轴达到每分钟数万转、甚至十几万转的高速分段无级变速数控机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械有级变速传动，以满足机床要求的调速范围和转矩特性4.3数控机床的主传动系统对主传动的基本要求要求主轴具有较高的转速和较大的调速范围，并实现无级调速。要求机床主轴部件必须有较大的刚度和较高的精度。主轴部件要有较高的固有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑。为实现刀具的快速或自动装卸，数控机床主轴具有特有的刀具安装结构。主轴部件的支承主轴轴承a）锥孔双列圆柱滚子轴承b）双列推力角接触球轴承c）双列圆锥滚子轴承d）带凸肩的双列圆柱滚子轴承轴承外形主轴轴承的配置主轴部件结构数控车床主轴部件结构1、6、8—螺母2—同步带3、16—同步带轮4—脉冲编码器5、12、13、17—螺钉7—主轴9—主轴箱体10—角接触球轴承11、14—双列圆柱滚子轴承15—带轮全功能数控车床主轴箱结构简图铣削加工中心

主轴部件结构1-端面键2-主轴3-拉钉4-钢球立式加工中心的主轴部件结构图数控刀具电主轴加工中心主轴部件结构电主轴的结构1-引出线2-电动机定子3-电动机转子4-套筒5-绕组6-外壳西门子电主轴电主轴加工的零件4.4数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动系统与一般的机床有着本质，上的差别，它是进给伺服系统的一个重要组成部分。由数控系统发出的速度和位移指令信号经过伺服驱动装置和进给传动系统，可以使工作台或刀架实现要求的进给运动和精确的定位，自动完成切削过程。大部分数控机床带有2～3个直线进给运动，有的还带有圆周进给运动。直线进给运动的进给系统机械结构示意图1－电动机2－主动齿轮3－减速齿轮4－螺母5－丝杠6－刀架（或工作台）7－导轨对进给传动系统的基本要求提高传动部件的刚度减小传动部件的惯量减小传动部件的间隙减小系统的摩擦阻力进给传动系统的基本型式数控机床的进给运动可以分为直线运动和圆周运动两大类。直线进给运动包括机床的基本坐标轴（X、Y、Z轴）以及和基本坐标轴平行的坐标轴（U、V、W等）的运动；圆周进给运动是指绕基本坐标轴X、Y、Z回转的坐标轴运动。直线进给运动①通过丝杠螺母副（通常为滚珠丝杠或静压丝杠），将伺服电动机的旋转运动变为直线运动；②通过齿轮、齿条副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动；③直接采用直线电动机进行驱动。实现圆周运动除少数情况直接使用齿轮副外，一般都采用蜗轮蜗杆副。滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠副的循环方式外循环。滚珠在循环返回过程中，与丝杠滚道脱离接触的称为外循环。外循环滚珠丝杠副按滚珠循环时的返回方式主要有插管式和螺旋槽式。内循环。在整个循环过程中，滚珠始终与丝杠各表面保持接触的称为内循环。滚珠丝杠副特点传动效率高，摩擦损失小。传动平稳不易产生爬行。定位精度高、传动刚度高。不能自锁、有可逆性。丝杠在垂直状态使用时，应增加制动装置。制造成本高。静压丝杠螺母副静压丝杠螺母副是通过油压在丝杠和螺母的接触面之间，产生一层保持一定厚度，且具有一定刚度的压力油膜，使丝杠和螺母之间由边界摩擦变为液体摩擦。当丝杠转动时通过油膜推动螺母直线移动，反之，螺母转动也可使丝杠直线移动。1-螺母2、3、5、11－油孔4－螺母座6－活塞7－节流器8－丝杠9、12－油槽10－油腔静压丝杠螺母副的结构齿轮传动副的间隙消除偏心套调整法垫片调整斜齿轮垫片调隙法周向弹簧调整法轴向压簧调整法齿轮传动副的间隙消除锥齿轮周向弹簧调整法锥齿轮轴向压簧调隙高速机床的进给系统直线电动机优点采用直线电动机驱动，不需要丝杠、齿轮齿条等转换装置即能直接实现直线运动，因此，它大大简化了进给系统结构，提高了传动效率。采用直线电动机驱动时，可以达到大于100m/min的进给速度和大于10m/s2的加速度。旋转电动机必须通过丝杠、齿条等转换机构转换成直线运动，传动环节对精度、刚度、快速性、稳定性的影响无法避免。直线电动机从根本上消除了传动环节，故进给系统的精度高、刚度大、快速性、稳定性好，噪声很小或无噪声。直线电动机及安装1、9、10－位置检测器2、6－转子3、13－定子4－床身5、8－辅助导轨

7、14－冷却板11－拖链12－导轨4.5数控机床的典型部件数控机床的典型部件数控机床的导轨自动换刀装置回转工作台4.5.1导轨导轨是机床的基本结构要素之一，是机床进给传动系统的重要环节。导轨的作用是对运动部件起导向和支承作用，因此机床的加工精度、承载能力、使用寿命很大程度上取决于机床导轨的精度和性能。运动部件：沿床身、立柱、横梁等基础件的导轨面运动的。数控机床对导轨的主要要求导向精度高：机床运动部件沿导轨移动时的直线性和相关基准面之间相互位置的准确性。精度保持性好：导轨在长期使用中保持导向精度的能力。

足够的刚度良好的摩擦特性：良好的耐磨性。此外，导轨结构工艺性要好，便于制造和装配，便于检验、调整和维修，而且有合理的导轨防护和润滑措施等。导轨的种类按运动部件的运动轨迹，导轨可分为直线运动导轨和圆周运动导轨。按导轨接合面的摩擦特性，导轨可分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。滑动导轨普通滑动导轨：是金属与金属相摩擦，摩擦系数大，而且动、静摩擦系数差大，一般在普通机床上使用。塑料滑动导轨：简称塑料导轨，是塑料与金属相摩擦，导轨的滑动性好，在数控机床上广泛采用。

滑动导轨滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点，是机床上使用最广泛的导轨形式。但普通的铸铁—铸铁、铸铁—淬火钢导轨，存在的缺点是静摩擦系数大，而且动摩擦系数随速度变化而变化，摩擦损失大，低速（1～60mm/min）时易出现爬行现象等，降低了运动部件的定位精度。滑动导轨的常见截面形状滑动导轨的常见截面形状有：矩形、三角形、燕尾槽形和圆柱形。常见截面形状特点a）是矩形导轨，具有刚度高，承载能力大，制造、检验和维修方便。但是导轨不可避免地存在侧面间隙，导向精度较差。由于侧面间隙不能自动补偿，因此必须设置间隙调整机构。b）是三角形导轨，有两个导向面，同时控制垂直方向和水平方向的导向精度，导向性能与顶角a有关，a越小导向性越好，但a减小时导轨面当量摩擦系数加大；a角加大承载能力增加。当其水平布置时，导轨磨损后可自动补偿。常见截面形状特点c）是燕尾形导轨，是三角形导轨的变形。其高度较小，可承受颠覆力矩；但刚度差，摩擦阻力也大、制造、检验和维修都不方便。β角通常取为55°，用一根镶条可同时调整M、J两个方向间隙。d）是圆柱形导轨，易制造，不易积存较大切屑和润滑油，磨损后难以调整和补偿间隙。主要用于受轴向载荷的场合。滚动导轨滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠、滚柱、滚针等滚动体，使导轨面之间的滑动摩擦变成为滚动摩擦滚动导轨与滑动导轨相比的优点是：①灵敏度高，且其动摩擦与静摩擦系数相差甚微，因而运动平稳，低速移动时不易出现爬行现象；②定位精度高，重复定位精度可达0.2μm；③摩擦阻力小，移动轻便，磨损小，精度保持性好，寿命长。但滚动导轨的抗振性较差，对防护要求较高。滚动导轨滚动导轨特别适用于机床的工作部件要求移动均匀、运动灵敏及定位精度高的场合。根据滚动体的类型，滚动导轨有下列3种结构形式滚珠导轨滚柱导轨滚针导轨静压导轨静压导轨的滑动面之间开有油腔，将有一定压力的油通过节流输入油腔，形成压力油膜，浮起运动部件，使导轨工作表面处于纯液体摩擦，不产生磨损，精度保持性好；同时摩擦系数也极低（0.0005），使驱动功率大大降低；低速无爬行，承载能力大，刚度好。此外，油液有吸振作用，抗振性好。其缺点是结构复杂，要有供油系统，油的清洁度要求高。静压导轨横截面的几何形状一般有V形和矩形两种。采用V形便于导向和回油，采用矩形便于做成闭式静压导轨。另外，油腔的结构对静压导轨性能影响很大。静压导轨较多地应用在大型、重型数控机床上。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。取而代之的是用铸铁—塑料或镶钢—塑料滑动导轨。塑料导轨常用在导轨副的运动导轨上，与之相配的金属导轨是铸铁或钢质导轨两种。铸铁牌号为HT300，表面淬火硬度至45～50HRC，表面粗糙度磨削至Ra0.20～0.10；镶钢导轨常用55钢或其他合金钢，淬硬至58～62HRC。导轨塑料常用聚四氟乙烯导轨软带和环氧树脂导轨两类。聚四氟乙烯导轨软带这种导轨软带材料是以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结，并做成厚度0.1～2.5mm塑料软带，粘结在导轨界面上图中：1－床身2－滑板3－镶条4－塑料软带5－压板环氧树脂导轨该导轨是以环氧树脂为基体，加入二硫化钼等制成的抗磨涂层材料。这种涂料附着力强，可用涂敷工艺或压注成形工艺涂到预先加工成锯齿形状的导轨上，涂层厚度为1.5～2.5mm。全国已生产的有环氧树脂耐磨涂料，在它与铸铁组成的导轨副中，摩擦系数为0.1～0.12，在无润滑油情况下仍有较好的润滑和防爬行的效果。塑料涂层导轨主要使用在大型和重型机床上。滚动导轨特点（1）滚珠导轨这种导轨以滚珠作为滚动体，运动灵敏度好，定位精度高；但其承载能力和刚度较小，一般都需要通过预紧提高承载能力和刚度。为了避免在导轨面上压出凹坑而丧失精度，一般采用淬火钢制造导轨面。滚珠导轨适用于运动部件质量不大，切削力较小的数控机床。（2）滚柱导轨这种导轨的承载能力及刚度都比滚珠导轨大，但对于安装的要求也高。安装不良，会引起偏移和侧向滑动，使导轨磨损加快、降低精度。目前数控机床、特别是载荷较大的机床，通常都采用滚柱导轨。（3）滚针导轨滚针导轨的滚针比同直径的滚柱长度更长。滚针导轨的特点是尺寸小，结构紧凑。为了提高工作台的移动精度，滚针的尺寸应按直径分组。滚针导轨适用于导轨尺寸受限制的机床上。滚动导轨块的结构1－防护板2－端盖3－滚柱4－导向片5－保持器6－本体滚柱导轨直线滚动导轨直线滚动导轨是将支承导轨和运动导轨组合在一起，作为独立的标准导轨副单元，又称单元式直线滚动导轨。使用时用户只要把导轨单元的轨道和导轨块分别固定在机床的固定导轨和运动导轨上即可，因此用户在设计和装配调试上都十分简单方便。直线滚动导轨结构直线滚动导轨由导轨体、滑块、滚珠、保持器、端盖等组成。当滑块沿轨道移动时，滚珠在轨道和滑块之间的圆弧直槽内滚动，并通过端盖内的滚道，从负荷区移到非负荷区，然后继续滚动回到负荷区，不断地循环，从而把轨道和滑块之间的移动变成了滚珠的滚动。直线滚动导轨外形结构滚动导轨的安装总的原则都是将基准导轨的定位面（图中均为右侧）紧靠在安装基准面上；然后用螺栓、斜楔块、压板或定位销固定。滑块的定位方式与导轨相同。4.5.2自动换刀机构在零件的加工制造过程中，大量的时间用于更换刀具、装卸、测量和搬运零件等非切削时间上，切削加工时间占整个工时中较小的比例。为完成对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置称为自动换刀装置（Automatictoolchanger，ATC），它是加工中心上必不可少的部分。自动换刀装置根据其组成结构可分为：回转刀架式、转塔式和带刀库式三种形式。自动换刀装置类型数控车床回转刀架工作循环是刀架接收数控装置的指令→松开→转到指令要求的位置→夹紧→发出转位结束的信号。转塔式自动换刀装置在带有旋转刀具的数控钻镗铣床上，通过多主轴转塔头来换刀是一种比较简单的换刀方式。这种机床的主轴转塔头就是一个转塔刀库，转塔头有卧式和立式两种。车削中心动力刀架a）所示为全功能数控车及车削中心上使用的动力转塔刀架。b）所示为该转塔刀架的传动示意图。带刀库的自动换刀系统机械手是当主轴上的刀具完成一个工步后，把这一工步的刀具送回刀库，并把下一工步所需要的刀具从刀库中取出来装入主轴继续进行加工的功能部件。换刀刀库的类型与容量刀库的作用是用来存放刀具，它是自动换刀装置中最主要的部件之一。刀库的容量、布局以及具体结构随机床结构的不同而差别很大，种类繁多，不胜枚举。加工中心上目前最常见的刀库型式主要有盘式刀库、链式刀库等几种，并根据不同的机床可以采用多种布局型式盘式刀库链式刀库链式刀库的优点是结构紧凑、布局灵活、刀库容量大，可以实现刀具的“预选”，换刀时间短。但刀库一般都需要独立安装于机床侧面或顶部，占地面积通常较大。另外，由于通常情况下，刀具轴线和主轴轴线垂直，因此，换刀必须通过机械手进行，机械结构比盘式刀库复杂。刀库容量刀库中的刀具并不是越多越好，太大的容量会增加刀库的尺寸和占地面积，使选刀过程时间增长。刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要。从使用角度出发，刀库的容量一般取为10～40，盲目地加大刀库容量，将会使刀库的利用率降低，结构过于复杂，造成很大的浪费。4.5.3回转工作台为了扩大数控机床加工范围，提高生产效率，数控机床除了沿坐标轴X、Y、Z三个方向的直线进给运动之外，常常还需要有绕X、Y、Z三个基本坐标轴回转的圆周运动，通常为A、B、C轴。数控机床靠回转工作台实现圆周运动。常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。分度工作台只是将工件分度转位，实现分别加工工件的各个表面的目的，给零件的加工尤其是箱体类零件的加工带来了很大的方便，分度属于辅助运动。回转工作台除了分度和转位的功能之外，还能实现圆周进给运动。对于回转工作台应该满足分辨率小，定位精度高，运动平稳，动作迅速，转台刚性好的基本要求。分度工作台分度工作台的功能是完成回转分度运动，即在需要分度时，将工作台及其工件回转一定角度。其作用是在加工中自动完成工件的转位换面，实现工件一次安装完成几个面的加工。由于结构上的原因，通常分度工作台的分度运动只限于某些规定的角度，不能实现0～360°范围内任意角度的分度。鼠牙盘式分度工作台定位销式分度工作台数控回转工作台数控机床的回转工作台不但能完成分度运动，而且还能进行连续圆周进给运动。数控回转工作台可以按照数控系统的指令，进行连续回转，回转速度是无级、连续可调的。同时，它也能实现任意角度的分度定位。因此，它和直线运动轴在控制上是相同的，也必须采用伺服电动机驱动。回转工作台从安装型式上可以分为立式和卧式两种。立式数控回转工作台立式数控回转工作台主要用于卧式机床，以实现圆周运动，它一般由传动系统、消除间隙机构