数控机床第七章教案

第七章 数控机床的机械结构

第一节 概述

数控机床机械部分如图7－1，数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过程中无法干预，不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿，所以数控机床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数控机床的结构设计已形成自己的独立体系，在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。与普通机床相比，数控机床机械结构有许多要求：

●性能要求高

●电机过载能力强。要求有较长时间(1－30min)和较大倍数的过载能力 ●在断续负载下，电机转速波动要小。 ●速度响应要快，升降速时间要短。 ●电机温升低，振动和噪音小。 ●可靠性高，寿命长，维护容易。

●体积小，重量轻，与机床联接容易。

第二节 数控

机床机械结构特点 一．主轴传动系统特点 主轴传动链大大缩短，变速范围大大扩大。 1. 普通电机—机械变速系统—主轴部件结构

如图7－2

能够满足各种切削运动转矩输出的要求，但变速范围不大，由于是有级变速使切削速度的选择受到限制，而且该配置的结构较复杂，所以现在仅有少数经济型数控机床采用该配置，其它已很少采用。

2.变频器—交流电机—1－2机械变速—主轴部件如图7－3

变

频

图7－2 传

统机床主轴箱

结构 图7－3 A 变频器加机械变速主轴箱结构

图7－1 数

控机床机械结构部分

这种配置的结构简单、安装调试方便，且在传动上能满足转速与转矩的输出要

求，但其调速范围及特性相对于交、直流主轴电机系统而言要差一些。 主要用于经济型或中低档数控机床上。 3. 交、直主轴电机 — 主轴部件如图7－4

这种配置形式同上面一样，但电机是性能更好交直流主轴电机，数控系统控制加在电机上的电压，实现变速，测速发电机实现自动升降速，该电机变速范围宽，最高转速可达8000 r/min ，且控制功能丰富，可满足中高档数控机床的控制要求。 4. 电主轴如图7－5

电主轴又称内装式主轴电机，是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置，即主轴与电机转子合为一体，其优点是主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高启动、停止的响应特性，利于控制振动和噪声。转速高，目前最高可达200000 r/min 。其缺点是电机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴。

5. 主轴轴承寿命大大提高 滚动轴承，滑动轴承，陶瓷轴承，磁悬浮轴承，寿命大大提高，转速从3000 rpm 上升到10000 rpm ，30000 rpm ，到200000 rpm 。 二．对数控机床进给系统要求

测速发电机

交直流电机

图7－4 交流直流主轴电

机结构 图7－3 B 变频调速示意图 图7－5 电主轴示意图

为确保数控机床进给系统的传动精度和工作平稳性等，在设计机械传动装置时，提出如下要求。

1.高的传动精度与定位精度

数控机床进给传动装置的传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关

键性的作用，对采用步进电动机驱动的开环控制系统尤其如此。无论对点位、直线控制系统，还是轮廓控制系统，传动精度和定位精度都是表征数控机床性能的主要指标。

2．宽的进给调速范围

伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围，以适应各种工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，工作进给速度范围可达3000－6000mm/min。为了完成精密定位，伺服系统的低速趋近速度达0.1mm/min；为了缩短辅助时间，提高加工效率，快速移动速度应高达15m/min。在多坐标联动的数控机床上，合成速度维持常数，是保证表面粗糙度要求的重要条件；为保证较高的轮廓精度，各坐标方向的运动速度也要配合适当；这是对数控系统和伺服进给系统提出的共同要求。

3.响应速度要快

所谓快速响应特性是指进给系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度，即跟踪指令信号的响应要快；定位速度和轮廓切削进给速度要满足要求；工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象。进给系统响应速度的大小不仅影响机床的加工效率，而且影响加工精度。设计中应使机床工作台及其传动机构的刚度、间隙、摩擦以及转动惯量尽可能达到最佳值，以提高进给系统的快速响应特性。

3.无间隙传动

进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个传动链的各传动副中，直接影响数控机床的加工精度；因此，应尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。设计中可采用消除间隙的联轴节及有消除间隙措施的传动副等方法。

4.稳定性好、寿命长

稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本的条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。稳定性与系统的惯性、刚性、阻尼及增益等都有关系，适当选择各项参数，并能达到最佳的工作性能，是伺服系统设计的目标。所谓进给系统的寿命，主要指其保持数控机床传动精度和定位精度的时间长短，及各传动部件保持其原来制造精度的能力。设计中各传动部件应选择合适的材料及合理的加工工艺与热处理方法，对于滚珠丝杠和传动齿轮，必须具有一定的耐磨性和适宜的润滑方式，以延长其寿命。

6．使用维护方便

数控机床属高精度自动控制机床，主要用于单件、中小批量、高精度及复杂件的生产加工，机床的开机率相应就高，因此，进给系统的结构设计应便于维护和保养，最大限度地减小维修工作量，以提高机床的利用率。 三．对数控机床进给系统的特点

（一） 主轴脉冲编码器代替了螺纹传动链，传动链大大缩短，如图7－6

（二） 采用特殊导轨，摩擦力大大降低

尽量采用低摩擦导轨。导轨按摩擦性质分为： 1．滑动导轨 这种导轨副之间的摩擦为滑动摩擦的导轨，按摩擦状态又分为静压导轨和动压

导轨。 静压是区别于动压的，动压是部件在运动时产生的承载油膜，而静压则不同，是利用外界油压的作用来承载的，需要将高压油用泵打入到工作部位，才能起承载

作用。利用外界的油压作用在导轨与摩擦副之间产生静压油膜，使活动部件浮起，

即导轨与摩擦副之间不产生直接的接触。因此摩擦和磨损都很小。

这里注意滚动轴承，滑动轴承原理。 2．滚动导轨

这种导轨副之间的摩擦为滚动摩擦的导轨，以减小摩擦力,如图7－7。

3．贴塑导轨

在滑动导轨面处采用贴塑导轨板，它是用耐磨氟氢软带做成的，使进给系统的刚度，摩擦阻尼系数静、动态特性处于最佳状态，有效减少导轨面磨损，廷长机床使

电机 步进电机 H

数控机床控制

系 统

图7－6 数控车床加工螺纹传感器代替进给传

动链

主轴脉冲编码

A 闭环伺服系统

B 滚柱导轨

B 滚珠导轨

图7－7 数控机床导轨

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