數(shù)控機床的機械機構(gòu)1

第六章

數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)提要本章討論了數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的要求，介紹了提高機床剛度，減少機床的熱變形，減少運動副的摩擦，提高傳動精度，提高機床壽命和精度保持性的措施，介紹數(shù)控機床主運動系統(tǒng)和進給運動系統(tǒng)以及典型機械結(jié)構(gòu)。學(xué)時：4學(xué)時第六章數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)目標了解數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)特點；掌握提高機床剛度，減少機床的熱變形，減少運動副的摩擦的措施；了解數(shù)控機床的主運動系統(tǒng)和進給運動系統(tǒng)以及典型機械結(jié)構(gòu)及其工作原理了解提高傳動精度，提高機床壽命和精度保持性的措施；第六章數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)建議了解數(shù)控機床對機械結(jié)構(gòu)的要求，掌握提高機床剛度，減少機床的熱變形，減少運動副的摩擦，提高傳動精度，提高機床壽命和精度保持性的措施，了解數(shù)控機床的主運動系統(tǒng)和進給運動系統(tǒng)以及典型機械結(jié)構(gòu)。第六章數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)第一節(jié)概述數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)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(shè)計要求與普通機床有較大的差異。數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設(shè)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；3、具有實現(xiàn)輔助操作自動化的結(jié)構(gòu)部件。數(shù)控機床應(yīng)具有更高的靜、動剛度提高剛度的原因：在重載荷的作用下，機床的各部件、構(gòu)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)(動剛度)第二節(jié)提高剛度的措施合理選擇支承件的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

左圖為臥式加工中心的框式立柱結(jié)構(gòu)。從正面看，立柱截面成封閉框形．輪廓尺寸大，保證以高扭轉(zhuǎn)剛度承受切削扭矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)載荷。

從俯視截面看，兩個立柱截面形狀為矩形，矩形尺寸大的方向正是因切削力作用產(chǎn)生大的彎曲載荷的方向。這種結(jié)構(gòu)具有很高的剛度。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，提高支承件的自身剛度?！癟”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?！癢”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，效果最為顯著第二節(jié)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(yīng)用較多斜向拉筋，床身剛度最高，排屑容易第二節(jié)提高剛度的措施措施3增加導(dǎo)軌與支承件的連接部分的剛度連接剛度:支承件在連接處抵抗變形的能力。措施4增加機床各部件的接觸剛度和承載能力采用刮研的方法增加單位面積上的接觸點在結(jié)合面之間施加足夠大的預(yù)加載荷,增加接觸面積合理的結(jié)構(gòu)布局合理的結(jié)構(gòu)布局采用補償變形的措施測出受力點的相對變形的大小和方向，或者預(yù)知構(gòu)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(gòu)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。鑄件:容易獲得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的支承件,鑄鐵的內(nèi)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(chǎn)生縮孔、氣泡等缺陷。焊接件:鋼材的強度比鑄鐵高，質(zhì)量可比鑄件減輕20%-50%，不需要木模和澆注，生產(chǎn)周期短，不易出現(xiàn)廢品。措施2采用封砂床身結(jié)構(gòu)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天然大理石床身第三節(jié)減少機床的熱變形（1）產(chǎn)生熱變形的原因：內(nèi)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(diào)速電動機進行無級調(diào)速——減少傳動軸和傳動齒輪數(shù)量——減少主傳動箱內(nèi)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(dǎo)軌和軸承——采用滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌或滾動軸承控制溫升措施

通過散熱和冷卻方法改善機床結(jié)構(gòu)措施1

采用對稱原則設(shè)計數(shù)控機床結(jié)構(gòu)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(fēng)管對機床熱源進行強制冷卻第三節(jié)減少機床的熱變形主軸冷卻風(fēng)管對機床熱源進行強制冷卻第三節(jié)減少機床的熱變形對稱結(jié)構(gòu)立柱措施1采用對稱原則設(shè)計數(shù)控機床結(jié)構(gòu)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第四節(jié)減少運動副的摩擦，提高傳動精度措施1采用滾動導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)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—減小摩擦滾珠絲杠螺母副+滾動導(dǎo)軌副第五節(jié)提高機床壽命和精度保持性措施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第六節(jié)對主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的的要求2、對主傳動的要求1、主傳動的作用：產(chǎn)生主切削力足夠的轉(zhuǎn)速范圍足夠的功率和扭矩各零部件應(yīng)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動機直接驅(qū)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(jīng)同步齒形帶傳動主軸③、電動機經(jīng)齒輪變速傳動主軸主軸電動機4、主軸部件5、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(jīng)放大和轉(zhuǎn)換后驅(qū)動執(zhí)行元件實現(xiàn)預(yù)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(nèi)外傳動鏈的各種傳動比要求。故傳動鏈很長，結(jié)構(gòu)相當復(fù)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(qū)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(yīng)性能和運動精度，減少爬行現(xiàn)象響應(yīng)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傳動件1作勻速運動時，工作臺3往往會出現(xiàn)明顯的速度不均勻，產(chǎn)生跳躍式的時停時走的運動狀態(tài)，或時快時慢現(xiàn)象。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(yù)緊支撐絲杠的軸承—消除齒輪、蝸輪傳動件間隙措施4預(yù)緊消除滾珠絲杠螺母副的軸向傳動間隙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(chǎn)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第六節(jié)對主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的的要求6、滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副（1）、滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)絲杠滾珠螺母作用：將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動（2）、滾珠絲杠螺母副的特點優(yōu)點：①傳動效率高②摩擦阻力小③傳動精度高④有可逆性⑤使用壽命長缺點：①制造工藝復(fù)雜②不能實現(xiàn)自鎖（3）、滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式①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)②內(nèi)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(nèi)循環(huán)第六節(jié)對主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的的要求（4）、滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊預(yù)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(zhuǎn)動時，二者之間的最大軸向竄動量預(yù)緊的方法雙螺母墊片式雙螺母螺紋式雙螺母齒差式雙螺母墊片式第六節(jié)對主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的的要求雙螺母螺紋式第六節(jié)對主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的的要求雙螺母齒差式第六節(jié)對主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的的要求（5）、滾珠絲杠螺母副的安裝特點：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—自由式）一端裝止推軸承，另一端裝深溝球軸承（固定—支承式）特點：軸向剛度較小，絲杠有伸縮余地，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅適用于長絲杠第六節(jié)對主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的的要求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(yù)緊拉力，有助于提高傳動剛度，但對熱伸長較敏感第六節(jié)對主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的的要求兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承（固定—固定式）特點：傳動剛度高，結(jié)構(gòu)和安裝工藝復(fù)雜，適用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速、高剛度、高精度的絲杠第六節(jié)對主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的的要求（6）、滾珠絲杠螺母副的潤滑與防護潤滑的作用：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損傷與腐蝕潤滑油：機油、90—180號透平油、140號主軸油潤滑脂：鋰基油脂或高壓潤滑脂防護：防止塵埃、切屑等硬質(zhì)顆粒進入密封圈：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、人造革制成的數(shù)控機床導(dǎo)軌（2）、對導(dǎo)軌的基本要求（1）、導(dǎo)軌的功能：支承和導(dǎo)向①導(dǎo)向精度：是指機床的運動部件沿導(dǎo)軌移動時的直線性和它與有關(guān)基面之間相互位置的準確性②精度保持性：是指導(dǎo)軌在長期使用中保持導(dǎo)向精度的能力③低速運動平穩(wěn)性：④結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好：（3）、導(dǎo)軌的分類和特點按運動軌跡按工作性質(zhì)按接觸面的摩擦性質(zhì)直線運動導(dǎo)軌：相對運動軌跡為直線圓周運動導(dǎo)軌：相對運動軌跡為圓主運動導(dǎo)軌：動導(dǎo)軌作主運動，導(dǎo)軌副間相對運動速度高進給運動導(dǎo)軌：動導(dǎo)軌作進給運動，導(dǎo)軌副間相對運動速度低調(diào)整導(dǎo)軌：實現(xiàn)部件之間的相對位置調(diào)整，在機床工作時無相對運動滑動導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌靜壓導(dǎo)軌滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、剛度好、抗振性高等優(yōu)點,在數(shù)控機床上應(yīng)用廣泛，目前多數(shù)使用金屬對塑料形式，稱為貼塑導(dǎo)軌或注塑導(dǎo)軌

滑動導(dǎo)軌注塑導(dǎo)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貼塑導(dǎo)軌：聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬、石墨及鉛粉等混合而成滾動導(dǎo)軌特點：摩擦系數(shù)小、運動輕便、位移精度和定位精度高、耐磨性好、抗震性較差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、防護要求較高靜壓導(dǎo)軌優(yōu)點：1、純液體摩擦，工作時摩擦系數(shù)極低（f=0.0005）；2、導(dǎo)軌的運動不受負載和速度的限制，且低速時移動均勻，無爬行現(xiàn)象；3、由于液體具有吸振作用，因而導(dǎo)軌的抗振性好；4、承載能力大、剛性好；5、摩擦發(fā)熱小，導(dǎo)軌溫升小。缺點：1、液體靜壓導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多了一套液壓系統(tǒng)；2、成本高；3、油膜厚度難以保持恒定不變。使用范圍：液體靜壓導(dǎo)軌主要用于大型、重型數(shù)控機床上。第七節(jié)數(shù)控機床典型機械結(jié)構(gòu)

一、主軸準停裝置機械式主軸準停第七節(jié)數(shù)控機床典型機械結(jié)構(gòu)

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換刀時間短刀具重復(fù)定位精度高有足夠的刀具貯存量刀庫占地面積小及安全可靠自動換刀裝置的形式回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)刀架換刀1）回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)要求：良好的強度和剛性2）回轉(zhuǎn)刀架的換刀動作刀架抬起刀架轉(zhuǎn)位刀架壓緊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(yīng)于工序較少、精度要求不太高的機床第七節(jié)數(shù)控機床典型機械結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)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第七節(jié)數(shù)控機床典型機械結(jié)構(gòu)

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(gòu)刀具自動裝卸機構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)較復(fù)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。第七節(jié)數(shù)控機床典型機械結(jié)構(gòu)

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