數控機床的機械結構課件

主要內容主要內容概述數控機床的主傳動系統數控機床的進給傳動系統數控機床的導軌數控機床的自動換刀裝置數控機床的回轉工作臺第四章數控機床的機械結構CNC1主要內容導軌4.1概述CNC機械結構組成輔助裝置床身立柱主軸部件進給系統工作臺刀架和刀庫自動換刀裝置2主要內容機械結構的主要特點1)結構簡單、操作方便、自動化程度高主軸箱、進給箱結構簡單；電機直接連主軸、滾珠絲杠；采用直線電機、電主軸則不需絲杠、主軸箱；不需手柄等操作機構；2)廣泛采用高效、無間隙傳動裝置滾珠絲杠副、塑料滑動導軌、靜壓導軌、直線滾動導軌等高效執(zhí)行部件，減小摩擦力，提高傳動效率。4.1概述CNC3主要內容對機械結構的基本要求:較高的靜、動剛度和良好的抗振性良好的熱穩(wěn)定性較高的運動精度和低速穩(wěn)定性良好的操作、安全防護措施4.1概述CNC5主要內容提高數控機床性能的措施:合理選擇數控機床的總體布局提高結構件的剛度提高機床抗振性改善機床的熱變形保證運動的精度和穩(wěn)定性4.1概述CNC6數控機床大都采用機、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，易于操作及實現自動化。4.2數控機床總體布局CNC7主要內容

數控車床水平床身CNC平床身:

經濟型、普及型數控車床以及數控化改造的車床

4.2數控機床總體布局4.2.1數控車床常見布置型式9主要內容數控銑床常見布局數控車床傾斜床身CNC斜床身性能要求較高的中、小規(guī)格數控車床4.2.1數控車床常見布置型式4.2數控機床總體布局10主要內容立式數控車床CNC立式床身大型數控車床或精密數控車床

4.2.1數控車床常見布置型式4.2數控機床總體布局11主要內容CNC4.2.2臥式數控鏜銑床(臥式加工中心)的布局型式臥式數控銑床移動立柱臥式加工中心4.2數控機床總體布局13主要內容CNC4.2.2臥式數控鏜銑床(臥式加工中心)的布局型式臥式加工中心雙交換工作臺4.2數控機床總體布局14CNC4.2.3立式數控鏜銑床(立式加工中心)的布局型式與臥式數控鏜銑床類似

4.2數控機床總體布局15O形整體床身立式加工中心CNC4.2數控機床總體布局4.2.3立式數控鏜銑床(立式加工中心)的布局型式17對機械結構的基本要求CNC4.3數控機床的主傳動系統

數控機床的主傳動系統必須通過變速，才能使主軸獲得不同的轉速，以適應不同的加工要求。在變速的同時，還能傳遞一定的功率和足夠的扭矩，滿足切削的需要。

4.3.1主傳動的基本要求和變速方式

主傳動系統的基本要求：能夠自動實現無級變速具有足夠高的轉速和足夠大的功率

主傳動系統應簡化結構，減少傳動件

具有安裝刀具和刀具交換所需的自動夾緊裝置

安裝位置檢測裝置，以便實現對主軸位置的控制

18主要內容CNC4.3數控機床的主傳動系統主傳動的無級變速的方法

交流主軸驅動系統

采用變頻器帶變頻電動機或普通交流電動機實現無級變速的方式（經濟型、普及型數控機床）使用主軸和電動機一體化的新穎功能部件——電主軸

（高速加工機床）4.3.1主傳動的基本要求和變速方式

19主要內容通過少數幾對齒輪降速，使之成為分段無級變速。滑移齒輪的移位采用液壓撥叉或電磁離合器控制。應用：大中型數控機床

CNC4.3數控機床的主傳動系統4.3.2主軸的聯接型式

21主要內容例：TND360型數控車床兩級齒輪變速液壓拔叉實現齒輪滑移作用：慢速對刀和手動調整機床CNC4.3數控機床的主傳動系統4.3.2主軸的聯接型式

22CNC4.3數控機床的主傳動系統4.3.2主軸的聯接型式

定傳動比的聯結型式主電動機和主軸一般采用定傳動比的聯結型式，或是主電動機和主軸直接聯結的型式，在使用定傳動比傳動時，通常采用三角皮帶或同步皮帶傳動電動機和主軸直接聯結的型式，可以大大簡化主軸傳動系統的結構，有效地提高主軸剛度和可靠性。23主要內容多楔帶兼有V帶和平帶的優(yōu)點，既有平帶柔軟、強韌的特點，又有V帶緊湊、高效等優(yōu)點。CNC4.3數控機床的主傳動系統定傳動比的聯結型式25主要內容同步帶是利用帶齒與帶輪的嚙合同步傳動力的一種新型傳動帶。不僅具有帶傳動的特點，適用于大中心距傳遞，而且又具有齒輪傳動和鏈傳動的特點，能夠保證準確的傳動比。梯形齒同步帶

圓弧齒同步帶

CNC4.3數控機床的主傳動系統定傳動比的聯結型式26主要內容CNC主軸前軸承轉子磁極定子磁極后軸承4.3數控機床的主傳動系統采用電主軸29主要內容優(yōu)點：主軸部件結構緊湊、重量輕、慣量小，可提高啟動、停止響應特性，利于控制振動和噪聲。簡化了主運動系統結構，實現了所謂“零傳動”，使傳動精度大大提高，在高速數控機床大量采用。缺點:電機運轉產生的振動和熱量將直接影響到主軸，因此，主軸組件的整機平衡、溫度控制和冷卻是內裝式主軸電機的關鍵問題。CNC4.3數控機床的主傳動系統采用電主軸30CNC4.3數控機床的主傳動系統4.3.3主軸部件的支承

數控機床的主軸一般都采用滾動軸承作為支承

主軸軸承31主要內容CNC后端定位：推力軸承布置在后支承的兩側，軸向載荷由后支承承受。4.3數控機床的主傳動系統4.3.3主軸部件的支承

前后兩端定位：推力軸承布置在前后支承的兩外側，軸向載荷由前后支承，軸向間隙由后端調整。前端定位：推力軸承布置在前支承，軸向載荷由前支承承受。軸承的配置32高速度軸承配置CNC4.3數控機床的主傳動系統4.3.3主軸部件的支承

軸承的配置33CNC4.3數控機床的主傳動系統4.3.4主軸部件結構主軸和電機間采用的是皮帶聯接的定傳動比傳動方式34CNC4.3數控機床的主傳動系統4.3.4主軸部件結構內裝電主軸的主軸部件結構35主要內容

進給傳動系統作用

進給傳動系統是將伺服電機的旋轉運動轉變?yōu)閳?zhí)行部件的直線運動或回轉運動。

進給系統組成:伺服電機及檢測元件、傳動機構、運動變換機構、導向機構、執(zhí)行件。

常用的傳動機構:一到兩級傳動齒輪和同步帶；

運動變換機構:絲杠螺母副、蝸桿蝸輪副、齒輪齒條副等；

導向機構:滑動導軌、滾動導軌、靜壓導軌、軸承等。4.4數控機床的進給傳動系統CNC36主要內容

4.4數控機床的進給傳動系統CNC37進給傳動系統結構簡圖CNC4.4數控機床的進給傳動系統影響數控機床定位精度和輪廓加工精度的決定性因素

傳動系統的剛度和慣量；

傳動部件精度與傳動系統的非線型

數控機床對機械傳動系統的要求

提高傳動部件的剛度

減小傳動部件的慣量

減小傳動部件的間隙

減小系統的摩擦阻力

4.4.1數控機床對進給傳動系統的要求

38主要內容

4.4數控機床的進給傳動系統CNC（1）傳動剛度要高傳動剛度主要取決于絲杠螺母副(直線運動)或蝸輪蝸桿副(回轉運動)及其支撐部件的剛度。傳動剛度不足與摩擦阻力一起會導致工作臺產生爬行現象以及造成反向死區(qū)，影響傳動準確性。措施：縮短傳動鏈，合理選擇絲杠尺寸以及對絲杠螺母副及支撐部件等進行預緊是提高傳動剛度的有效途徑。

4.4.1數控機床對進給傳動系統的要求

39主要內容

4.4數控機床的進給傳動系統CNC（2）轉動慣量要小進給系統中每個部件的轉動慣量對進給系統的啟動、制動特性等都有直接的影響，尤其是高速運轉零件的轉動慣量。

措施：在滿足傳動強度和剛度的前提下，應盡可能使各零件的結構、配置合理，減小旋轉零件的直徑和質量，以減少運動部件的轉動慣量。4.4.1數控機床對進給傳動系統的要求

40主要內容

4.4數控機床的進給傳動系統CNC（3）傳動間隙要小

機械間隙是造成進給系統反向死區(qū)的另一主要原因，因此，對傳動鏈的各個環(huán)節(jié)，包括齒輪副、絲杠螺母副、聯軸器及其支撐部件等均應采用消除間隙的結構措施。

4.4.1數控機床對進給傳動系統的要求

41主要內容

4.4數控機床的進給傳動系統CNC（4）摩擦阻力要小在進給系統中要盡量減少傳動件之間的摩擦阻力，尤其是減少絲杠傳動和工作臺運動導軌之間的摩擦，以消除低速進給爬行現象，從而提高整個伺服進給系統的穩(wěn)定性。廣泛采用滾珠絲杠和滾動導軌以及塑料導軌和靜壓導軌。4.4.1數控機床對進給傳動系統的要求

42CNC4.4數控機床的進給傳動系統4.4.2數控機床進給傳動系統的基本型式

數控機床的進給運動有兩大類直線進給運動:機床的基本坐標軸(X、Y、Z軸)以及和基本坐標軸平行的坐標軸(U、V、W等)的運動

圓周進給運動:指繞基本坐標軸X、Y、Z回轉的坐標軸運動。

實現直線進給運動主要有三種型式通過絲杠(通常為滾珠絲杠或靜壓絲杠)螺母副，將伺服電動機的旋轉運動變成直線運動。

通過齒輪、齒條副，將伺服電動機的旋轉運動變成直線運動

直接采用直線電動機進行驅動

實現圓周運動除少數情況直接使用齒輪副外，一般都采用蝸輪蝸桿副43CNC4.4數控機床的進給傳動系統滾珠絲杠螺母副

滾珠絲杠螺母副是目前中、小型數控機床使用最為廣泛的傳動型式。

44CNC4.4數控機床的進給傳動系統

為了提高進給系統的靈敏度、定位精度和防止出現爬行現象，必須要降低數控機床進給系統的摩擦力，減少靜、動摩擦系數之差。

滾珠絲杠的靜、動摩擦系數實際上幾乎沒有什么差別。它可以消除反向間隙并施加預載，有助于提高定位精度和剛度。因此，行程不太長的直線運動機構常用滾珠絲杠副。滾珠絲杠由專門工廠制造。

滾珠絲杠螺母副45CNC4.4數控機床的進給傳動系統

直線電機作為高效驅動元件正被廣為應用，尤其在激光切割和高速加工中。

直線電動機

46CNC4.4數控機床的進給傳動系統

直線電動機

直線電動機是高速、高精度數控機床最有代表性的先進制造技術之一。利用直線電動機驅動，可以完全取消傳動中將旋轉運動變?yōu)橹本€運動的環(huán)節(jié)，大大簡化機械傳動系統的結構，即“零傳動”。優(yōu)點

采用直線電動機驅動，不需要絲杠、齒輪齒條等轉換裝置即能直接實現直線運動，它大大簡化了進結系統結構，提高了傳遞效率。采用直線電動機驅動時，速度可以達到大于100m／min的進給速度和大于10m／s2的加速度直線電動機從根本上消除傳動環(huán)節(jié)，故進給系統的精度高、剛度大、快速性和穩(wěn)定性好，噪聲很小或無噪聲

缺點效率和功率因數要低，特別在低速時更明顯

直線感應電動機的起動推力受電源電壓的影響較大，故對驅動器的要求較高

和導軌、工作臺做成一體，必須采取措施以防止磁力和熱變形對加工的影響

47按絲杠與螺母的摩擦性質分：滑動絲杠螺母副：主要用于舊機床的數控化改造、經濟型數控機床等；滾珠絲杠螺母副：廣泛用于中、高檔數控機床；靜壓絲杠螺母副：主要用于高精度數控機床、重型機床。4.4數控機床的進給傳動系統CNC4.4.3滾珠絲杠螺母副的原理48絲杠（螺母）旋轉，滾珠在封閉滾道內沿滾道滾動、迫使螺母（絲杠）軸向移動，從而實現將旋轉運動變換成直線運動。4.4數控機床的進給傳動系統CNC4.4.3滾珠絲杠螺母副的原理49主要內容滾珠循環(huán)方式常用的有兩種：外循環(huán)：滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸4.4數控機床的進給傳動系統CNC4.4.3滾珠絲杠螺母副的原理504.4數控機床的進給傳動系統CNC內循環(huán)：始終與絲杠保持接觸。內循環(huán)結構：反向器尺寸較長，承載鋼球數減少，且鋼球高速時流暢性差；而外循環(huán)插管式結構簡單，承載能力大，不受導程限制。4.4.3滾珠絲杠螺母副的原理514.4數控機床的進給傳動系統CNC4.4.3滾珠絲杠螺母副的原理

滾珠絲杠螺母副的預緊是提高剛度、減小傳動系統間隙的重要措施。滾珠絲杠螺母副的預緊方法與螺母的型式有關。對于單螺母結構主要有三種：⑴增加滾珠直徑預緊法⑵螺母夾緊預緊法⑶整體螺母變位螺距預緊法52主要內容(車)滾珠絲杠螺母副+滾動導軌副4.4數控機床的進給傳動系統CNC4.4.3滾珠絲杠螺母副的原理53CNC4.4數控機床的進給傳動系統4.4.4滾珠絲杠螺母副的支承支承軸承雙向推力角接觸球軸承；是滾針/推力圓柱滾子軸承54CNC4.4數控機床的進給傳動系統4.4.4滾珠絲杠螺母副的支承支承型式一端固定，一端自由支承方式一端固定，一端游動支承方式兩端支承方式兩端固定支承方式55CNC4.4數控機床的進給傳動系統

4.4.5滾珠絲杠螺母副與驅動電動機的聯接型式

聯軸器直接聯接

：這是一種最簡單的聯接型式撓性聯軸器是數控機床上廣泛采用的一種聯軸器，采用了柔性片，它能補償因同軸度及垂直度誤差引起的“干涉”現象。

通過齒輪聯接

通過同步齒形帶聯接

具有帶傳動和鏈傳動的共同優(yōu)點，傳動效率高，廣泛用于一般數控機床和高速、高精度的數控機床傳動。56主要內容CNC4.5.1數控機床對導軌的基本要求4.5數控機床的導軌

1）較高的導向精度——導軌副相對運動時的直線度或圓度

影響導向精度的因素：幾何精度、接觸精度、結構型式和裝配

精度

2）良好的精度保持性——耐磨性

導軌的磨損形式：磨料磨損、粘著磨損和疲勞磨損。

3）足夠的剛度——導軌抵抗承載后的變形

導軌的變形：接觸變形、扭轉變形、支承件變形而引起的變形。

4）良好的摩擦特性

5）結構簡單、工藝性好57主要內容導軌按接觸面的摩擦性質可以分為滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌三種，其中，數控機床最常用的是鑲粘塑料滑動導軌和滾動導軌。CNC4.5.2數控機床導軌的種類與特點4.5數控機床的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)點，是機床上使用最廣泛的導軌形式。鑲粘塑料導軌：通過在滑動導軌面上鑲粘一層由多種成分復合的塑料導軌軟帶，來達到改善導軌性能的目的。

常用的塑料導軌軟帶主要有以下幾種：

以聚四氟乙烯(PTFY)為基體，通過添加不同的填充料構成的高分子復合材料。

以環(huán)氧樹脂為基體，加入MoS2、膠體石墨、TiO2等制成的抗磨涂層材料。

滑動導軌58主要內容CNC滑動導軌4.5數控機床的導軌鑲粘塑料導軌的結構示意圖59滾動導軌CNC滾動導軌是在導軌面之間放置滾珠、滾柱、滾針等滾動體，使導軌面之間的滑動摩擦變成為滾動摩擦。

優(yōu)點：

靈敏度高

定位精度高，重復定位精度可達0.2um

摩擦阻力小，移動輕便，磨損小，精度保持性好，壽命長。

滾動導軌的結構形式：滾珠導軌：用于運動部件質量不大，切削力較小的數控機床滾柱導軌：適合載荷較大的機床滾針導軌：滾針導軌的特點是尺寸小，結構緊湊。適用于導軌尺寸受限制的機床

4.5數控機床的導軌60CNC靜壓導軌在靜壓導軌兩個相對運動的導軌面間通入壓力油，可使運動件浮起。在工作過程中，導軌面上油腔中的油壓能隨外加負載的變化自動調節(jié)，以平衡外加負載，保證導軌面間始終處于純液體摩擦狀態(tài)。靜壓導軌橫截面的幾何形狀一船有v形和矩形兩種，靜壓導軌在數控機床上應用較少。4.5數控機床的導軌61CNC4.5.3滾動導軌的結構原理與特點結構原理特點：滾動直線導軌副是在滑塊與導軌之間放入適當的鋼球，使得塊與導軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，因此，在大大降低兩者間的運動摩擦阻力

4.5數控機床的導軌62滾珠安裝孔安裝孔導軌（通過安裝孔用螺栓固定在床身上）滑塊（通過安裝孔用螺栓固定在移動部件上）CNC4.5數控機床的導軌63自動換刀裝置CNC4.6數控機床的自動換刀裝置自動換刀裝置的作用

自動換刀裝置可幫助數控機床節(jié)省輔助時間，并滿足在一次安裝中完成多工序、工步加工要求。

4.6.1自動換刀裝置基本要求和形式對自動換刀裝置的要求

（1）刀具存放數量多；

（2）換刀時間短；

（3）刀具重復定位精度高；

（4）結構簡單、制造成本低；

（5）可靠性高。64自動換刀裝置CNC4.6數控機床的自動換刀裝置4.6.1自動換刀裝置基本要求和形式換刀形式

1、回轉刀架換刀

在數控車床

，其結構類似普通車床上回轉刀架，根據加工對象不同可設計成四方或六角形式，由數控系統發(fā)出指令進行回轉換刀。

2、使用自動換刀裝置和刀庫換刀

在加工中心，將加工中所需刀具分別裝于標準刀柄，在機外進行尺寸調整之后按一定方式放入刀庫，由交換裝置從刀庫和主軸上取刀交換。

(1)機械手換刀是利用機械手實現主軸和刀庫間刀具交換的方式。

(2)無機械手換刀方式是通過刀庫與機床主軸的相對運動，結合刀庫的回轉運動實現刀具自動交換的方式。

65自動換刀裝置回轉刀架換刀裝置，常用于數控車床?？稍O計成四方、六方刀架或圓盤式軸向裝刀刀架，并相應地安裝四把、六把或更多的刀具?；剞D刀架外觀CNC4.6.2回轉刀架4.6數控機床的自動換刀裝置66自動換刀裝置CNC4.6.3加工中心刀庫類型與布局

刀庫

刀庫是自動換刀裝置中最主要的部件之一，其容量、布局及具體結構對數控機床的總體設計有很大影響。

刀庫類型

一般有鏈式刀庫、鼓輪式刀庫等幾種：

(1)鼓輪式刀庫:占地小，結構緊湊，容量大，但選刀、取刀動作復雜，多用于FMS的集中供刀系統。

(2)鏈式刀庫：結構緊湊，容量大，鏈環(huán)的形狀也可隨機床布局制成各種形式而靈活多變，還可將換刀位突出以便于換刀，應用較為廣泛。

刀庫容量指刀庫存放刀具的數量，一般根據加工工藝要求而定。刀庫容量小，不能滿足加工需要；容量過大，又會使刀庫尺寸大，占地面積大，選刀過程時間長，且刀庫利用率低，結構過于復雜，造成很大浪費。4.6數控機床的自動換刀裝置67自動換刀裝置

加工中心自動換刀裝置鼓輪式刀庫鏈式刀庫CNC刀庫類型4.6.3加工中心加刀庫類型與布局

4.6數控機床的自動換刀裝置68鏈式刀庫結構鏈輪鏈條兼刀套