数控机床的机械结构

主轴
主轴驱动
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
数控机床主轴轴承配置三种主要形式
1. 主轴的支承 a)为前支承采用双列短圆柱滚子轴承
5、自动化的机构、宜人的操作性
便于操作的机床结构
一、数控机床的机械结构要求
6、安全防护和宜人的造型
数控机床大都采用机、电、液、气一体化布局，全封闭 或半封闭防护，机械结构大大简化，易于操作及实现自动 化。
二、对主传动的要求
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，尽可能实现无级变速 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 ⑤ 车削中心要求主轴具有C轴的控制功能 ⑥ 加工中心要求主轴具有高精度的准停控制
第二章 数控机床的机械结构
复习：
数控机床的组成
输
入 装 置
计 算 机
数
控
输
装
出
置
装
置
主轴控制单元 PLC
速度控制单元
伺服电机
位置检测反馈装置
主轴
机床
工 作 台
数控机床的机械结构
主机结构
数控机床的本体，包括床身、主柱、横梁、滑座、工作台、主 轴、进给机构等机械部件。 CNC装置 （详见第三章）
数控机床的核心部件，包括计算机、存储器、显示器、键盘、 程序输入输出装置及相应的软件。 驱动装置
主轴头有卧式和立式两种，工 作时只有位于加工位置的主轴头才 与主运动接通，而其他处于不加工 位置的主轴都与主运动脱开。
转塔主轴头换刀通常只适用于 工序较少，精度要求不太高的零件 在数控机床上加工。
自动换刀装置
刀具固定件
铣床
刀具固定件末端具有一个 固位销或夹紧螺栓，夹紧 刀具到主轴上。
车床
一个圆柱刀具固定件被固 定到转塔刀架上，进行使 用。
1. 轴向弹簧调整法
2. 周向弹簧调整法
键连接间隙补偿机构
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
对自动换刀装置的 基本要求
自动换刀装置的形式
换刀时间短 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 更换主轴头换刀 更换主轴箱换刀 带刀库的自动换刀系统
或采用封闭型床身
封闭整体箱形结构
（2）提高刚度的措施
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
和600角接触双列向心推力球轴承， 后支承采用成队向心推力球轴承。 b) 前支承采用多个高精度向心 推力球轴承。 c) 前支承采用双列圆锥滚子轴承，
后支承为单列圆锥滚子轴承。
速度计
速度计是 一个测量装置， 显示CNC系统 当前主轴的 r/min值。
主轴驱动
螺纹控制
车床的 螺纹切削， 主轴和丝杆 必须同步。 因为要同步， 螺纹控制需 要提供CNC 系统所需的 数据。
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 当主动件1作匀速运动时，被动件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
一、数控机床的机械结构要求
1、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)
（1）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
（2）提高刚度的措施
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
一、数控机床的机械结构要求
3、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
4、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
滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副
一、数控机床的机械结构要求
主轴驱动
三、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
回转刀架可在回转轴径 向和轴向安装或夹持各种不 同用途的刀具，通过回转刀 架的转位实现换刀。
回转刀架的工位数最多 可达20余个，但最常用的是8、 10、12和16工位4种。
自动换刀装置
回 转 刀 架 换 刀
转塔头
使用旋转刀具的数控机床采用 转塔头转位更换主轴头。这种机床 的主轴头就是转塔头，在转塔的各 主轴头上，根据加工的工序预先安 装所用刀具，转塔依次转位，就可 以实现自动换刀。
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
§2-2数控机床典型机械结构 一、主轴部件
§2-2数控机床典型机械结构
二、主轴准停装置
自动换刀数控机床主轴部件设有 准停装置，其作用是使主轴每次 都准确地停止在固定的周向位置 上，以保证换刀时主轴上的端面 键能准刀夹上的键槽，同时使每 次装刀时刀夹与主轴的相对位置 不变，提高刀具的重复安装精度， 从而提高孔加工时孔径的一致性。 图示为一种电气准停装置。
二、自动换刀装置
3、更换主轴箱换刀
适用场合： 适用于箱体 类零件的加 工
二、自动换刀装置
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
特点：结构较复杂，换刀过程动作多，换刀时间长。
适用场合：多用于钻床、镗铣床和数控组合机床。
刀库式自动换刀装置
刀库式自动换刀装置由刀库和刀具交换机 构组成，它是多工序数控机床上应用最广泛的 换刀方法。刀库是用来存储加工刀具及辅助工 具的地方。加工时调用所需的刀具，一个加工 操作完成后调回刀具。
——减少传动轴和传动齿轮数量 ——减少主传动箱内的发热量
（2）减少热变形的措施：
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
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
冷却风管 对机床热源进行强制冷却
主轴
主轴
冷却风管
对机床热源进行强制冷却
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 机床排屑系统
措施3 采用排屑系统 倾斜床身
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
数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元，进给驱 动单元，主轴电机及进给电机等。 辅助装置
数控机床的配套部件，包括液压和气动装置、位置检测装置、 自动换刀装置、排屑装置、交换工作台、数控回转台和数控
分度头、刀具及监控检测装置。 编程机及辅助设备（如打印机等）
§2-1对机械结构的要求
一、数控机床的机械结构要求
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）
（2）提高刚度的措施
天然大理石床身
一、数控机床的机械结构要求
2、减少机床的热变形 （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
§2-2数控机床典型机械结构
二、主轴准停装置
机 械 式 主 轴 准 停
第三节 数控机床的进给传动机构
一.传动齿轮副
1.刚性调整法
刚性调整法是调整后齿侧间隙不能自动补偿的调整法。
1. 偏心套调整法
2. 轴向垫片调整法
第三节 数控机床的进给传动机构
一.传动齿轮副
2.柔性调整法
柔性调整法是调整之后齿侧间隙仍可自动补偿的调整法。
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 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
（2）提高刚度的措施
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
（2）提高刚度的措施
3、对进给传动系统的要求
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
3、对进给传动系统的要求
③ 减小各运动零部件的惯量
④ 稳定性好，寿命 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
2）回转刀架的换刀动作 2、更换主轴换刀
刀架抬起 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
回转刀架是一种最简单 的自动换刀装置，常用于数 控车床。根据不同的加工对 象，它可以设计成四方刀架、 六角刀架等多种形式。
换刀运动集中，运动部件少。各种类型的自动换刀数控机床，尤
但刀库容量受限。
其是对使用回转类刀具的数控镗、
铣床类立式、卧式加工中心机床，
刀库只有选刀运动，机械手 要根据工艺范围和机床特点，确定 进行换刀运动，刀库容量大 刀库容量和自动换刀装置类型
二、自动换刀装置
1、回转刀架换刀
1）回转刀架结构要求：良好的强度和刚性
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,称为支承件的连
接刚度.
（2）提高刚度的措施
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 在结合面之间施加足够大的预加载荷,增加接触面积
（2）提高刚度的措施
② 合理的结构布局
自动换刀装置类型
类别型式
特点
适用范围
回转刀架
转 塔 式
转塔头
多为顺序换刀，换刀时间短、各种数控车床，数控车削加工中心 结构简单紧凑、容纳刀具较 少
顺序换刀，换刀时间短，刀 具主轴都集中在转塔头上， 结构紧凑。但刚性较差，刀 具主轴数受限制
数控钻、镗、铣床
刀 库 式
刀具与主轴之间直 接换刀
用机械手配合刀库 进行换刀
（2）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
（2）提高刚度的措施
“”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
（2）提高刚度的措施
斜向拉筋，床身刚度最高，排屑容易
（2）提高刚度的措施
（2）提高刚度的措施
② 合理的结构布局
（2）提高刚度的措施
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
（2）提高刚度的措施
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
1、高精度 2、高速度 3、高自动化
要求数控机床必须具有很高的 强度、刚度和抗振性
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； 3、具有实现辅助操作自动化的结构部件。
刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要。 刀库存储刀具量在20～40把范围的居多，少于 10把刀或超过60把刀的不常采用。