數(shù)控機床的機械結構講義課件

1、數(shù)控機床的機械結構數(shù)控機床的機械結構導入：導入：輸輸入入裝裝置置輸輸出出裝裝置置計計算算機機數(shù)數(shù)控控裝裝置置PLCPLC主軸控制單元主軸控制單元主軸主軸機床機床伺服電機伺服電機速度控制單元速度控制單元工工作作臺臺位置檢測反饋裝置位置檢測反饋裝置數(shù)控機床的組成8-1對機械結構的要求一、數(shù)控機床的機械結構要求1、高精度2、高速度3、高自動化要求數(shù)控機床必須具有很高的 強度、剛度和抗振性 因此，數(shù)控機床的功能要求和設計要求與普通機床有較大的差異。數(shù)控機床的結構設計要求可以歸納為如下幾方面： 1、具有大切削功率，高的靜、動剛度和良好的抗振性能； 2、具有較高的幾何精度、傳動精度、定位精度和熱穩(wěn)定性；

2、3、具有實現(xiàn)輔助操作自動化的結構部件。1、數(shù)控機床應具有更高的靜、動剛度一、數(shù)控機床的機械結構要求（1）提高剛度的原因 在重載荷的作用下，機床的各部件、構件會受力變形，引起刀具和工件的相對位置的變化 機床剛度差影響機床抗振性剛度:是指支承件在恒定載荷或交變載荷作用下抵抗變形的能力(靜剛度靜剛度)(動剛度動剛度)（2）提高剛度的措施 合理選擇支承件的結構形式措施1 支承件截面形狀盡量選用抗彎的方截面和抗扭的圓截面 或采用封閉型床身封閉整體箱形結構封閉整體箱形結構（2）提高剛度的措施措施2 合理布置支承件隔板的筋條 隔板的作用是將作用于支承板的局部載荷傳遞給其它壁板,從而使整個支承件承受載荷,提高

3、支承件的自身剛度“T”形隔板連接，主要提高水平面抗彎剛度，對提高垂直面抗彎剛度和抗扭剛度不顯著，多用在剛度要求不高的床身上（2）提高剛度的措施“W”形隔板，能較大地提高水平面上的抗彎抗扭剛度，對中心距超過1500mm的長床身，效果最為顯著（2）提高剛度的措施“”形隔板，在垂直面和水平面上的抗彎剛度都比較高，鑄造性能好，在大中型車床上應用較多（2）提高剛度的措施斜向拉筋，床身剛度最高，排屑容易措施3 增加導軌與支承件的連接部分的剛度（2）提高剛度的措施連接剛度:支承件在連接處抵抗變形的能力,稱為支承件的連 接剛度.措施4 增加機床各部件的接觸剛度和承載能力（2）提高剛度的措施u 采用刮研的方法增

4、加單位面積上的接觸點u 在結合面之間施加足夠大的預加載荷,增加接觸面積 合理的結構布局（2）提高剛度的措施 合理的結構布局（2）提高剛度的措施 采用補償變形的措施（2）提高剛度的措施測出受力點的相對變形的大小和方向，或者預知構件的變形規(guī)律，就可采取補償變形的方法消除受力變形的影響 合理選用構件的材料措施1 床身、立柱等支承件采用鋼板或型鋼焊接 增加剛度、減輕重量、提高抗振性（2）提高剛度的措施鑄件: 容易獲得復雜結構的支承件,鑄鐵的內摩擦力大,阻尼 系數(shù)大,振動的衰減性能好,成本低.鑄件的周期較長,需 做木型模,易產生縮孔、氣泡等缺陷焊接件:鋼材的強度比鑄鐵高，質量可比鑄件減輕20%-50%，

5、 不需要木模和澆注，生產周期短，不易出現(xiàn)廢品措施2 采用封砂床身結構（2）提高剛度的措施在鑄件中不清除砂心，在焊接件中灌注混凝土或砂增加摩擦阻力人造大理石床身（混凝土聚合物）措施3 采用混凝土、樹脂混凝土或人造花崗巖作支承件的材料（2）提高剛度的措施天然大理石床身（2）提高剛度的措施一、數(shù)控機床的機械結構要求2、減少機床的熱變形（1）產生熱變形的原因： 內外熱源的影響 不能人工修正熱變形誤差（2）減少熱變形的措施： 減少發(fā)熱將熱源從主機中分離出去措施1 主運動采用直流或交流調速電動機進行無級調速 減少傳動軸和傳動齒輪數(shù)量 減少主傳動箱內的發(fā)熱量 進行熱變形補償措施2 采用低摩擦系數(shù)的導軌和軸承

6、 采用滾動導軌、靜壓導軌或滾動軸承（2）減少熱變形的措施： 控制溫升措施 通過散熱和冷卻方法 改善機床結構措施1 采用對稱原則設計數(shù)控機床結構措施2 使機床主軸的熱變形發(fā)生在刀具切入的垂直方向上措施3 采用排屑系統(tǒng)主軸冷卻風管對機床熱源進行強制冷卻主軸冷卻風管對機床熱源進行強制冷卻對稱結構立柱措施1 采用對稱原則設計數(shù)控機床結構措施2 使機床主軸的熱變形發(fā)生在刀具切入的垂直方向上機床排屑系統(tǒng)措施3 采用排屑系統(tǒng)傾斜床身措施3 采用排屑系統(tǒng)措施4 將熱源置于易散熱的位置將主傳動箱和主電動機放在機床的外面3、減少運動副的摩擦，提高傳動精度4、提高機床壽命和精度保持性一、數(shù)控機床的機械結構要求措施1

7、 采用滾動導軌或靜壓導軌來減少摩擦副之間的摩擦措施2 采用滾珠絲杠或無間隙齒輪傳動減小摩擦措施1 采用耐磨性好的零部件措施2 機床運動部件間具有良好的潤滑滾珠絲杠螺母副+滾動導軌副5、自動化的機構、宜人的操作性一、數(shù)控機床的機械結構要求便于操作的機床結構一、數(shù)控機床的機械結構要求6、安全防護和宜人的造型 數(shù)控機床大都采用機、電、液、氣一體化布局，全封閉或半封閉防護，機械結構大大簡化，易于操作及實現(xiàn)自動化。二、對主傳動的要求2、對主傳動的要求1、主傳動的作用：產生主切削力 足夠的轉速范圍 足夠的功率和扭矩 各零部件應具有足夠的精度、強度、剛度和抗振性 噪聲低、運行平穩(wěn)3、主傳動的配置方式 主軸電

8、動機直接驅動（一體化主軸，電主軸） 特點：有效提高主軸部件剛度，但主軸輸出扭矩小電主軸主軸電動機2、電動機經同步齒形帶傳動主軸3、電動機經齒輪變速傳動主軸主軸電動機4、主軸部件動畫三、對進給傳動系統(tǒng)的要求1、進給傳動系統(tǒng)作用 接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給脈沖，經放大和轉換后驅動執(zhí)行元件實現(xiàn)預期的運動。2、傳統(tǒng)進給傳動系統(tǒng)與數(shù)控伺服進給系統(tǒng)的區(qū)別傳統(tǒng)進給傳動系統(tǒng)：多采用一個電機，執(zhí)行件之間采用大量的齒輪傳動，以實現(xiàn)內外傳動鏈的各種傳動比要求。故傳動鏈很長，結構相當復雜數(shù)控伺服進給系統(tǒng)：每一個運動都由單獨的伺服電機驅動，傳動鏈大大縮短，傳動件大大減少，有利于減少傳動誤差，提高傳動精度3、對進給傳動系統(tǒng)的

9、要求 減少運動件的摩擦阻力提高機床進給系統(tǒng)的快速響應性能和運動精度，減少爬行現(xiàn)象響應性能：是進給伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的指標， 反映了系統(tǒng)的跟蹤精度運動精度：是機床的主要零、部件在以工作狀態(tài) 的速度運動時的精度爬行現(xiàn)象：低速時運動不平衡的現(xiàn)象稱為爬行現(xiàn)象機床爬行現(xiàn)象一般發(fā)生在低速度、重載荷的運動情況下當主動件1作勻速運動時，被動件3往往會出現(xiàn)明顯的速度不均勻，產生跳躍式的時停時走的運動狀態(tài)，或時快時慢現(xiàn)象3、對進給傳動系統(tǒng)的要求 提高傳動精度和剛度措施1 保證部件加工精度措施2 在傳動鏈中加入減速齒輪減小脈沖當量，提高傳動精度措施3 預緊支撐絲杠的軸承消除齒輪、蝸輪傳動件間隙措施4 預緊消除滾珠絲杠

10、螺母副的軸向傳動間隙3、對進給傳動系統(tǒng)的要求 減小各運動零部件的慣量 穩(wěn)定性好，壽命長穩(wěn)定性好：保證低速時不產生爬行，外負載變化時不發(fā)生振動壽命：是指數(shù)控機床保持傳動精度和定位精度時間的長短， 即保持原制造精度的能力8-2數(shù)控機床典型機械結構一、主軸準停裝置機械式主軸準停二、自動換刀裝置自動換刀裝置刀庫機械手(ATC)作用交換主軸與刀庫中的刀（工）具對自動換刀裝置的 基本要求v換刀時間短v刀具重復定位精度高v有足夠的刀具貯存量v刀庫占地面積小及安全可靠自動換刀裝置的形式回轉刀架換刀更換主軸頭換刀更換主軸箱換刀帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)二、自動換刀裝置1、回轉刀架換刀1）回轉刀架結構要求：良好的強度和

11、剛性2）回轉刀架的換刀動作刀架抬起刀架轉位刀架壓緊二、自動換刀裝置2、更換主軸換刀優(yōu)點：換刀時間短，換刀的可靠性強。缺點：主軸系統(tǒng)的剛度較差。適用場合：適應于工序較少、精度要求不太高的機床 回轉刀架換刀3、更換主軸箱換刀適用場合：適用于箱體類零件的加工二、自動換刀裝置4、帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)組成刀庫選刀系統(tǒng)刀具交換機構刀具自動裝卸機構特點：結構較復雜，換刀過程動作多，換刀時間長。適用場合：多用于鉆床、鏜銑床和數(shù)控組合機床。二、自動換刀裝置三、刀庫2、刀庫的種類1、刀庫的功能功能：儲存加工工序所需的各種刀具及輔助工具。 直線式特點：結構簡單，刀庫容量小，一般可容納 8-12把刀具，故少用。三、刀

12、庫鼓輪式（圓盤式）1）單鼓輪式刀具、鼓輪軸線平行刀具、鼓輪軸線垂直盤式刀庫三、刀庫刀具、鼓輪軸線成銳角特點：結構簡單緊湊，應用較多，但刀具單 環(huán)排列，空間利用率低，適用于刀庫 容量較小的場合，一般不多于50-60把刀。三、刀庫鼓輪端面上雙環(huán)排列特點：刀庫空間利用率較高，但裝刀、取 刀機構復雜，僅適用于機床空間有 限制而刀庫容量較大的場合。三、刀庫鼓輪端面上多環(huán)排列鼓輪彈倉式2）多鼓輪式雙鼓輪式主軸三、刀庫三鼓輪式 行星鼓輪式特點：不同類型的刀具及輕重型刀具可分別放置， 空間利用率高，但傳動機構和運動控制裝置 復雜，適用于刀庫容量大的場合。三、刀庫鏈式單環(huán)鏈式特點：結構緊湊，刀庫容量大，可充分利

13、用空間，通常為軸向取刀，位置精度較低，適用于刀庫容量大的場合。龍門加工中心三、刀庫多環(huán)鏈式三、刀庫加長鏈式格子箱式單面網(wǎng)格式特點：刀庫結構緊湊，空間利用率高，但換刀時間 較長，小直徑刀具為軸向取刀，大直徑刀具 為徑向取刀，布局不靈活，通常刀庫安置在 工作臺上，應用較少。三、刀庫三、刀庫多面網(wǎng)格式特點：刀庫容量大，輔助裝置較復雜，用于需刀庫 容量大的機床上。三、刀庫三、刀庫3 3、刀庫的容量、刀庫的容量銑削加工車削加工刀具數(shù)可加工件的比率102040305060708010090105015202530鉆削加工四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式1、自動選刀：在自動換刀裝置換刀時，按數(shù)控裝、自動

14、選刀：在自動換刀裝置換刀時，按數(shù)控裝 置發(fā)出的換刀指令，刀具交換裝置置發(fā)出的換刀指令，刀具交換裝置 從刀庫中挑選各工序所需刀具的操從刀庫中挑選各工序所需刀具的操 作稱為自動換刀。作稱為自動換刀。2、刀具的選擇方式、刀具的選擇方式順序選擇方式順序選擇方式任意選擇方式任意選擇方式刀座編碼方式刀座編碼方式刀具編碼方式刀具編碼方式四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式 順序選擇方式順序選擇方式 刀具的順序選擇方式是將刀具按加工工序刀具的順序選擇方式是將刀具按加工工序的順序，依次放入刀庫的每一個刀座中。的順序，依次放入刀庫的每一個刀座中。特點：不需要刀具識別裝置，結構簡單，特點：不需要刀具識別裝置，結構簡

15、單， 工作可工作可 靠，但刀庫中刀具在不同工序中不能重復靠，但刀庫中刀具在不同工序中不能重復 使用，因此，刀具的數(shù)量的刀庫的容量大。使用，因此，刀具的數(shù)量的刀庫的容量大。四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式 刀具編碼方式刀具編碼方式u接觸式識別裝置接觸式識別裝置四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式刀柄刀柄刀具識別裝置刀具識別裝置觸針觸針編碼環(huán)編碼環(huán)特點：結構簡單，壽命較短，可靠性較差，難于快速換刀特點：結構簡單，壽命較短，可靠性較差，難于快速換刀四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式u非接觸式識別裝置非接觸式識別裝置11010特點：無磨損，無噪音，壽命長，反應速度快，適用于高特點：無磨損，無噪音

16、，壽命長，反應速度快，適用于高 速，換刀頻繁的場合。速，換刀頻繁的場合。四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式u光電識別裝置光電識別裝置四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式 刀座編碼方式刀座編碼方式永久性編碼永久性編碼臨時性編碼臨時性編碼刀座編碼刀座編碼四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式刀座編碼刀座編碼四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式識別碼塊識別碼塊識別傳感器識別傳感器刀柄編碼刀柄編碼四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式臨時性編碼臨時性編碼五、刀具交換裝置五、刀具交換裝置1、無機械手換刀、無機械手換刀五、刀具交換裝置五、刀具交換裝置1、無機械手換刀、無機械手換刀2、機械手換刀、機械手換刀五

17、、刀具交換裝置五、刀具交換裝置機械手形式五、刀具交換裝置五、刀具交換裝置機機械械手手換換刀刀五、刀具交換裝置五、刀具交換裝置機機械械手手傳傳動動結結構構六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副1 1、滾珠絲杠螺母副的結構、滾珠絲杠螺母副的結構滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副1 1、滾珠絲杠螺母副的結構、滾珠絲杠螺母副的結構絲杠絲杠滾珠滾珠螺母螺母作用：將回轉運動轉換成直線運動作用：將回轉運動轉換成直線運動六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副2 2、滾珠絲杠螺母副的特點、滾珠絲杠螺母副的特點優(yōu)點：優(yōu)點：傳動效率高傳動效率高 摩擦阻力小摩擦阻力小 傳動精度高傳動精度高 有可逆性有可逆

18、性 使用壽命長使用壽命長缺點：缺點：制造工藝復雜制造工藝復雜 不能實現(xiàn)自鎖不能實現(xiàn)自鎖 六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副3 3、滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式、滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式外循環(huán)：滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)外循環(huán)：滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)內循環(huán)：滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠保持接觸的成為內循環(huán)內循環(huán)：滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠保持接觸的成為內循環(huán)六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副4 4、滾珠絲杠螺母副的預緊、滾珠絲杠螺母副的預緊預緊的目的：減小軸向間隙預緊的目的：減小軸向間隙軸向間隙：指絲杠和螺母間無相對轉動時，二者之間的最大軸向間隙：指絲杠

19、和螺母間無相對轉動時，二者之間的最大 軸向竄動量軸向竄動量預緊的方法預緊的方法雙螺母墊片式雙螺母墊片式雙螺母螺紋式雙螺母螺紋式雙螺母齒差式雙螺母齒差式u雙螺母墊片式雙螺母墊片式六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副u雙螺母螺紋式雙螺母螺紋式六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副u雙螺母齒差式雙螺母齒差式六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副5 5、滾珠絲杠螺母副的安裝、滾珠絲杠螺母副的安裝六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副特點：其承載能力小，軸向剛度低，僅適用于短絲杠特點：其承載能力小，軸向剛度低，僅適用于短絲杠一端裝止推軸承（固定一端裝止推軸承（固定自由式）自由式）5 5、滾珠絲杠螺母副的安裝、

20、滾珠絲杠螺母副的安裝六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副一端裝止推軸承，另一端裝深溝球軸承（固定一端裝止推軸承，另一端裝深溝球軸承（固定支承式）支承式）特點：軸向剛度較小，絲杠有伸縮余地，結構復雜，僅特點：軸向剛度較小，絲杠有伸縮余地，結構復雜，僅 適用于長絲杠適用于長絲杠5 5、滾珠絲杠螺母副的安裝、滾珠絲杠螺母副的安裝六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副兩端裝止推軸承兩端裝止推軸承特點：將裝止推軸承裝在滾珠絲杠兩端，并施加預緊拉特點：將裝止推軸承裝在滾珠絲杠兩端，并施加預緊拉 力，有助于提高傳動剛度，但對熱伸長較敏感力，有助于提高傳動剛度，但對熱伸長較敏感5 5、滾珠絲杠螺母副的安裝、滾珠

21、絲杠螺母副的安裝六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承（固定兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承（固定固定式）固定式）特點：傳動剛度高，結構和安裝工藝復雜，適用于長絲特點：傳動剛度高，結構和安裝工藝復雜，適用于長絲 杠或高轉速、高剛度、高精度的絲杠杠或高轉速、高剛度、高精度的絲杠6 6、滾珠絲杠螺母副的潤滑與防護、滾珠絲杠螺母副的潤滑與防護六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副u潤滑的作用：減少摩擦，降低溫升，并與密封裝置一起潤滑的作用：減少摩擦，降低溫升，并與密封裝置一起 保護絲杠不受外物的保護絲杠不受外物的 損傷與腐蝕損傷與腐蝕潤滑油：機油、潤滑油：機油、90180號透

22、平油、號透平油、140號主軸油號主軸油潤滑脂：鋰基油脂或高壓潤滑脂潤滑脂：鋰基油脂或高壓潤滑脂u防護：防止塵埃、切屑等硬質顆粒進入防護：防止塵埃、切屑等硬質顆粒進入密封圈：采用毛氈圈（耐油橡膠、尼龍）密封圈：采用毛氈圈（耐油橡膠、尼龍）防護罩：采用螺旋鋼帶、伸縮套筒、錐形套筒或皮革、防護罩：采用螺旋鋼帶、伸縮套筒、錐形套筒或皮革、人造革制成的人造革制成的 不銹鋼卷筒式防護罩不銹鋼卷筒式防護罩工程塑料防護套工程塑料防護套 七、數(shù)控機床導軌七、數(shù)控機床導軌2 2、對導軌的基本要求、對導軌的基本要求1 1、導軌的功能：支承和導向、導軌的功能：支承和導向導向精度：是指機床的運動部件沿導軌移動時的直線性

23、導向精度：是指機床的運動部件沿導軌移動時的直線性 和它與有關基面之間相互位置的準確性和它與有關基面之間相互位置的準確性精度保持性：是指導軌在長期使用中保持導向精度的能力精度保持性：是指導軌在長期使用中保持導向精度的能力低速運動平穩(wěn)性：低速運動平穩(wěn)性：結構簡單、工藝性好：結構簡單、工藝性好： 七、數(shù)控機床導軌七、數(shù)控機床導軌3 3、導軌的分類和特點、導軌的分類和特點按運動軌跡按運動軌跡按工作性質按工作性質按接觸面的摩擦性質按接觸面的摩擦性質直線運動導軌：相對運動軌跡為直線直線運動導軌：相對運動軌跡為直線圓周運動導軌：相對運動軌跡為圓圓周運動導軌：相對運動軌跡為圓主運動導軌：動導軌作主運動，導軌副

24、間相對運動速度高主運動導軌：動導軌作主運動，導軌副間相對運動速度高進給運動導軌：動導軌作進給運動，導軌副間相對運動速度低進給運動導軌：動導軌作進給運動，導軌副間相對運動速度低調整導軌：實現(xiàn)部件之間的相對位置調整，在機床工作時無相調整導軌：實現(xiàn)部件之間的相對位置調整，在機床工作時無相對對 運動運動滑動導軌滑動導軌滾動導軌滾動導軌靜壓導軌靜壓導軌七、數(shù)控機床導軌七、數(shù)控機床導軌 滑動導軌具有結構簡單、制造方便、剛度好、抗振性高等優(yōu)滑動導軌具有結構簡單、制造方便、剛度好、抗振性高等優(yōu)點點, , 在數(shù)控機床上應用廣泛，目前多數(shù)使用金屬對塑料形式，稱在數(shù)控機床上應用廣泛，目前多數(shù)使用金屬對塑料形式，稱為為貼塑導軌貼塑導軌或或注塑導軌注塑導軌 u滑動導軌滑動導軌注塑導軌：環(huán)氧樹脂為基體，加入二硫化鉬和膠體石墨及鉛粉注塑導軌：環(huán)氧樹脂為基體，加入二硫化鉬和膠體石墨及鉛粉 等混合而成等混合而成貼塑導軌：聚四氟乙烯為基體，