第六章数控机床的机械结构答辩

静压导轨
优点：1、纯液体摩擦，工作时摩擦系数极低（f=0.0005）； 2、导轨的运动不受负载和速度的限制，且低速时移动 均匀，无爬行现象； 3、由于液体具有吸振作用，因而导轨的抗振性好； 4、承载能力大、刚性好； 5、摩擦发热小，导轨温升小。 缺点：1、液体静压导轨的结构复杂，多了一套液压系统； 2、成本高； 3、油膜厚度难以保持恒定不变。 使用范围：液体静压导轨主要用于大型、重型数控机床上。
3、具有实现辅助操作自动化的结构部件。
数控机床应具有更高的静、动刚度
刚度:是指支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵抗变形的能力 (静刚度) (动刚度)
提高刚度的原因： ① 在重载荷的作用下，机床的各部件、构件会受 力变形，引起刀具和工件的相对位置的变化 ② 机床刚度差—影响机床抗振性
第二节 提高刚度的措施
第六节 对主传动系统和进给系统的的要求
② 一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承（固定—支承式）
特点：轴向刚度较小，丝杠有伸缩余地，结构复杂，仅
适用于长丝杠
第六节 对主传动系统和进给系统的的要求
③ 两端装止推轴承
特点：将装止推轴承装在滚珠丝杠两端，并施加预紧拉 力，有助于提高传动刚度，但对热伸长较敏感
3、主传动的配置方式
① 主轴电动机直接驱动（一体化主轴，电主轴）
特点：
有效提高主轴部件刚度，但主轴输出扭矩小
电主轴
②、电动机经同步齿形带传动主轴
主轴电动机
③、电动机经齿轮变速传动主轴
主轴电动机
4、主轴部件
5、对进给传动系统的要求
（1）、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。 （2）、传统进给传动系统与数控伺服进给系统的区别 传统进给传动系统：多采用一个电机，执行件之间采用大量 的齿轮传动，以实现内外传动链的各种传动比要求。故传动 链很长，结构相当复杂 数控伺服进给系统：每一个运动都由单独的伺服电机驱动， 传动链大大缩短，传动件大大减少，有利于减少传动误差， 提高传动精度
焊接件:钢材的强度比铸铁高，质量可比铸件减轻20%-50%， 不需要木模和浇注，生产周期短，不易出现废品。
措施2 采用封砂床身结构
在铸件中不清除
砂心，在焊接件
中灌注混凝土或
砂增加摩擦阻力
措施3 采用混凝土、树脂混凝土或人造花岗岩作支承件的材料
人造大理石床身（混凝土聚合物）
天然大理石床身
第三节 减少机床的热变形
自动换刀装置的形式
更换主轴头换刀
更换主轴箱换刀 带刀库的自动换刀系统
第七节 数控机床典型机械结构
1、回转刀架换刀
1）回转刀架结构要求：良好的强度和刚性
刀架抬起
2）回转刀架的换刀动作 2、更换主轴换刀 刀架转位 刀架压紧
优点：换刀时间短，换刀的可靠性强。 缺点：主轴系统的刚度较差。 适用场合：适应于工序较少、精度要求不太高的机床
回 转 刀 架 换 刀
第七节 数控机床典型机械结构
3、更换主轴箱换刀
适用场合： 适用于箱 体类零件 的加工
第七节 数控机床典型机械结构
4、带刀库的自动换刀系统 刀库
组成
选刀系统
刀具交换机构 刀具自动装卸机构
第六节 对主传动系统和进给系统的的要求
④ 两端装双重止推轴承及深沟球轴承（固定—固定式）
特点：传动刚度高，结构和安装工艺复杂，适用于长丝 杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠
（6）、滚珠丝杠螺母副的润滑与防护
润滑的作用：减少摩擦，降低温升，并与密封装置一起 保护丝杠不受外物的 损伤与腐蚀 润滑油：机油、90—180号透平油、140号主轴油 润滑脂：锂基油脂或高压润滑脂 防护：防止尘埃、切屑等硬质颗粒进入 密封圈：采用毛毡圈（耐油橡胶、尼龙） 防护罩：采用螺旋钢带、伸缩套筒、锥形套筒或皮革、 人造革制成的
第一节 概述
数控机床的机械结构要求
1、高精度 2、高速度 3、高自动化 强度、刚度和抗振性 要求数控机床必须具有很高的
因此，数控机床的功能要求和设计要求与普通机床有较大的
差异。数控机床的结构设计要求可以归纳为如下几方面： 1、具有大切削功率，高的静、动刚度和良好的抗振性能；
2、具有较高的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性；
① 合理选择支承件的结构形式 措施1 支承件截面形状尽量选用抗弯的方截面和抗扭 的圆截面或采用封闭型床身
封闭整体箱形结构
左图为卧式加工中 心的框式立柱结构。 从正面看 ，立柱截 面成封闭框形．轮 廓尺寸大 ，保证以 高扭转刚度承受切 削扭矩产生的扭转 载荷。 从俯视截面看，两 个立柱截面形状为 矩形，矩形尺寸大 的方向正是因切削 力作用产生大的弯 曲载荷的方向 。这 种结构具有很高的 刚度。
“”形隔板，在垂直面 和水平面上的抗弯刚度 都比较高，铸造性能好， 在大中型车床上应用较 多
第二节 提高刚度的措施
斜向拉筋，床身刚度最高，排屑容易
措施3 增加导轨与支承件的连接部分的刚度
连接刚度:支承件在连接处抵抗变形的能力。
措施4 增加机床各部件的接触刚度和承载能力
采用刮研的方法增加单位面积上的 接触点
第七节 数控机床典型机械结构
一、主轴准停装置
机 械 式 主 轴 准 停
第七节 数控机床典型机械结构
二、自动换刀装置
自动换刀装置 (ATC) 刀库
机械手
作用——交换主轴与刀库中的刀（工）具
二、自动换刀装置
换刀时间短 对自动换刀装置的 基本要求
刀具重复定位精度高
有足够的刀具贮存量 刀库占地面积小及安全可靠 回转刀架换刀
措施1 采用对称原则设计数控机床结构
对称结构立柱
措施2 使机床主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上
措施3 采用排屑系统
倾斜床身
机床排屑系统
措施4 将热源置于易散热的位置
将主传动箱和主电动机放在机床的外面
第四节 减少运动副的摩擦，提高传动精度
措施1 采用滚动导轨或静压导轨来减少摩擦副之间的摩擦 措施2 采用滚珠丝杠或无间隙齿轮传动—减小摩擦
（3）、对进给传动系统的要求
① 减少运动件的摩擦阻力 提高机床进给系统的快速响应性能和运动精度，减少爬行现象 响应性能：是进给伺服系统动态性能的指标， 反映了系统的跟踪精度 运动精度：是机床的主要零、部件在以工作状态 的速度运动时的精度 爬行现象：低速时运动不平衡的现象称为爬行现象
机床爬行现象一般发生在低速度、重载荷的运动情况下 当主传动件1作匀速运动时，工作台3往往会出现明显的速 度不均匀，产生跳跃式的时停时走的运动状态，或时快时 慢现象。
② 控制温升
措施 通过散热和冷却方法
③ 改善机床结构 措施1 采用对称原则设计数控机床结构
措施2 使机床主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上
措施3 采用排屑系统 ④ 进行热变形补偿
第三节 减少机床的热变形
冷却风管
主轴
对机床热源进行强制冷却
第三节 减少机床的热变形
主轴
冷却风管
对机床热源进行强制冷却
② 提高传动精度和刚度
措施1 保证部件加工精度
措施2 在传动链中加入减速齿轮—减小脉冲当量，提
高传动精度
措施3 预紧支撑丝杠的轴承—消除齿轮、蜗轮传动件
间隙 措施4 预紧消除滚珠丝杠螺母副的轴向传动间隙
第六节 对主传动系统和进给系统的的要求
③ 减小各运动零部件的惯量
④ 稳定性好，寿命长 稳定性好：保证低速时不产生爬行，外负载变化时 不发生振动
数控机床导轨
（1）、导轨的功能：支承和导向 （2）、对导轨的基本要求 ①导向精度：是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线性 和它与有关基面之间相互位置的准确性 ②精度保持性：是指导轨在长期使用中保持导向精度的能力 ③低速运动平稳性： ④结构简单、工艺性好：
（3）、导轨的分类和特点
直线运动导轨：相对运动轨迹为直线 按运动轨迹 圆周运动导轨：相对运动轨迹为圆 主运动导轨：动导轨作主运动，导轨副间相对运动速度高 按工作性质 进给运动导轨：动导轨作进给运动，导轨副间相对运动速度低 调整导轨：实现部件之间的相对位置调整，在机床工作时无相 对运动 滑动导轨 按接触面的摩擦性质 滚动导轨 静压导轨
目 标
掌握提高机床刚度，减少机床的热变形，减 少运动副的摩擦的措施； 了解提高传动精度，提高机床寿命和精度保 持性的措施； 了解数控机床的主运动系统和进给运动系统以及典 型机械结构及其工作原理
第六章 数控机床的机械结构
建 议
了解数控机床对机械结构的要求，掌握提高 机床刚度，减少机床的热变形，减少运动副 的摩擦，提高传动精度，提高机床寿命和精 度保持性的措施，了解数控机床的主运动系 统和进给运动系统以及典型机械结构。
②预紧的方法
双螺母垫片式 双螺母螺纹式 双螺母齿差式
第六节 对主传动系统和进给系统的的要求
双螺母垫片式
第六节 对主传动系统和进给系统的的要求
双螺母螺纹式
第六节 对主传动系统和进给系统的的要求
双螺母齿差式
（5）、滚珠丝杠螺母副的安装
① 一端装止推轴承（固定—自由式）
特点：其承载能力小，轴向刚度低，仅适用于短丝杠
②不能实现自锁
第六节 对主传动系统和进给系统的的要求
（3）、滚珠丝杠螺母副的循环方式
①外循环：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环 ②内循环：滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的成为内循环
（4）、滚珠丝杠螺母副的预紧
①预紧的目的：减小轴向间隙
轴向间隙：指丝杠和螺母间无相对转动时，二者之间的最大 轴向窜动量
措施2
合理布置支承件隔板的筋条
隔板的作用是将作用于支承板的局部载荷传递给其它壁板， 从而使整个支承件承受载荷，提高支承件的自身刚度。 “T”形隔板连接，主 要提高水平面抗弯刚 度，对提高垂直面抗 弯刚度和抗扭刚度不 显著，多用在刚度要 求不高的床身上。
第二节 提高刚度的措施
“W”形隔板，能较大地 提高水平面上的抗弯抗 扭刚度，对中心距超过 1500mm的长床身，效 果最为显著
滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副
第五节 提高机床寿命和精度保持性
措施1 采用耐磨性好的零部件 措施2 机床运动部件间具有良好的润滑
第六节 对主传动系统和进给系统的的要求
1、主传动的作用：产生主切削力 2、对主传动的要求
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
第六章 数控机床的机械结构
第六章 数控机床的机械结构
提 要
本章讨论了数控机床机械结构的要求，介绍 了提高机床刚度，减少机床的热变形，减少 运动副的摩擦，提高传动精度，提高机床寿 命和精度保持性的措施，介绍数控机床主运 动系统和进给运动系统以及典型机械结构。
学时：4学时
第六章 数控机床的机械结构
了解数控机床的机械结构特点；
寿命：是指数控机床保持传动精度和定位精度时间 的长短，即保持原制造精度的能力
6、滚珠丝杠螺母副
滚珠丝杠螺母副
（1）、滚珠丝杠螺母副的结构
丝杠
滚珠
作用：将回转运动转换成直线运动 螺母
（2）、滚珠丝杠螺母副的特点
优点：①传动效率高 ②摩擦阻力小
③传动精度高
④有可逆性
⑤使用ห้องสมุดไป่ตู้命长
缺点：①制造工艺复杂
（1）产生热变形的原因：
① 内外热源的影响
② 不能人工修正热变形误差
（2）减少热变形的措施：
① 减少发热—将热源从主机中分离出去
措施1 主运动采用直流或交流调速电动机进行无级调速 ——减少传动轴和传动齿轮数量 ——减少主传动箱内的发热量
措施2 采用低摩擦系数的导轨和轴承 ——采用滚动导轨、静压导轨或滚动轴承
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, 在数控机床上应用广泛，目前多数使用金属对塑料形式，称
为贴塑导轨或注塑导轨 注塑导轨：环氧树脂为基体，加入二硫化钼和胶体石墨及铅粉
等混合而成 贴塑导轨：聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼、石墨
及铅粉等混合而成
滚动导轨
特点：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
在结合面之间施加足够大的预加载 荷,增加接触面积
② 合理的结构布局
② 合理的结构布局
③ 采用补偿变形的措施
测出受力点的 相对变形的大 小和方向，或 者预知构件的 变形规律，就 可采取补偿变 形的方法消除 受力变形的影 响
④ 合理选用构件的材料
措施1 床身、立柱等支承件采用钢板或型钢焊接
——增加刚度、减轻重量、提高抗振性。 铸件: 容易获得复杂结构的支承件,铸铁的内摩擦力大，阻 尼 系数大，振动的衰减性能好，成本低。铸件的周期较长， 需做木型模，易产生缩孔、气泡等缺陷。