第二章数控机床的机械结构

（4）直线式刀库 结构简单，容量小。
3、选刀方式 分类：（1）顺序选刀；（2）任意选刀。 特点：
（1）顺序选刀 是在加工前，将加工所需刀具依工艺次序插 入刀库刀套中，顺序不能有差错，加工时按顺序调刀。工件变更
时，需重调刀具顺序，操作烦琐，且加工同一工件中刀具不能重 复使用。
（2）任意选刀 刀库中的刀具的排列顺序与工件的加工顺序 无关，相同的刀具可重复使用。
无刷式旋转变压器特点：提高了可靠性及使用寿命，但其体 积、质量、成本均有所增加。 2.7数控机床的自动换刀装置（ATC）
作用：自动储存、更换刀具，使工件在一台机床一次装夹可 完成多道工序或全部工序加工。
要求：换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具储备 量，占地面积小，安全可靠等。
2.7.1刀库 1、刀库容量 ：刀库存放刀具的数量，一般根据加工工艺要
2.6数控机床的位置检测装置 1.检测装置的作用：在闭环数控系统中，必须利用位置检
测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的 控制值（指令信号）进行比较，从而控制驱动元件准确运转， 使工作台（或刀具）按规定的轨迹和坐标移动。它的精度直接 影响数控机床的定位精度和加工精度。
2.6.1检测装置的分类 1. 根据安装的位置及耦合方式分为：
2. 缺点：传动齿轮副存在间隙，在开环系统中会造成进 给运动的位移值滞后于指令值；反向时，会出现反向死区， 影响加工精度。在闭环系统中，由于有反馈作用，滞后量虽 可得到补偿，但反向时会使伺服系统产生振荡而不稳定。
3. 消除齿轮传动间隙的措施： （1）刚性调整法
1）偏心轴套调整法；2）锥度齿轮调整法。 （2）柔性调整法
2.3.1 数控机床对进给系统的要求
1. 运动件间的摩擦阻力小 2. 消除传动系统中的间隙 3. 传动系统的精度和刚度高 4. 减少运动惯性，具有适当的阻尼
2.3.2 传动齿轮副
1. 作用：进给系统采用齿轮传动装置，是为了使丝杠、 工作台的惯性在系统中占有较小比重；同时可使高转速低转 矩的伺服驱动装置的输出变为低转速大扭矩，从而适应驱动 执行元件的需要；另外，在开环系统中还可计算所需的脉冲 当量。
作用：是控制主轴发热，保证主轴正常工作的必要手段。 4. 刀具自动装卸装置及（主轴孔内的）切屑清除装置
应用：用于带有刀具库的数控机床 5. 主轴准停装置：又称主轴定位功能。即当主轴停止时，控 制其停于固定的位置。
应用：自动换刀所必须的功能。
2.2.4 高速主轴单元
1. 组成：包括主轴动力源、主轴、轴承和机架等几个部分。 2. 作用：高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的 性能。高速主轴影响加工系统的精度、稳定性及应用范围， 其动力学性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。 3. 要求：动平衡性高，刚性好，回转精度高，有良好的热稳 定性，能传递足够的力矩和功率，能承受高的离心力，带有 准确的测温装置和高效的冷却装置。 4. 类型：主要有电主轴、气动主轴、水动主轴等。
2.3数控机床进给传动系统
1. 作用：负责接受数控系统发出的脉冲指令，并经放大 和转换后驱动机床运动执行件实现预期的运动。
2. 组成：进给传动系统的机械传动链中包括减速齿轮、 连轴器、丝杠螺母副、丝杠支承、导轨副、传动数控回转工 作台的蜗杆涡轮等。
完成直线运动的进给传动系统的示意图。
1-滚珠丝杠 2-滚珠螺母 3-滚动直线导轨 4-工作台 5-支承轴承 6-连轴器 7-伺服电动机 8-床身
1）轴向压簧调整法；2）周向弹簧调整法。
2.3.3 滚珠丝杠螺母副
1. 作用：是将旋转运动转换为直线运动。 2. 工作原理：在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当 它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回 路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道， 并在滚道内装满滚珠。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又 沿滚道循环转动。因而迫使螺母（或丝杠）轴向移动。
2.2.3 数控机床的主轴部件 1.主轴端部的结构形式 2. 主轴轴承配置形式 （1）前、后支承采用不同轴承
应用：普遍应用于各种数控机床，其综合刚度高，可以满足强 力切削要求。
（2）前支承采用多个高精度向心推力球轴承
应用：适用于高速轻载和精密数控机床。
（3）前、后支承采用单列和双列圆锥滚子轴承
应用：适用于中等精度低速重载数控机床。 3. 主轴的润滑与冷却
求而定。
2、刀库类型 分类：（1）鼓轮式刀库；（2）链式刀库；
（3）格子箱式刀库；（4）直线式刀库等。 特点：（1）鼓轮式刀库 占地小，结构紧凑，容量大，但 选刀、取刀动作复杂。
（2）链式刀库 结构紧凑，容量大，链环的形状也 可随机床布局制成各种形式而灵活多变，还可将换刀位突出以 便于换刀。
（3）格子箱式刀库 结构紧凑，容量大，刀库空间利 用率高，换刀时间长，辅助装置较复杂。
2．2数控机床的主传动系统
1．作用：产生不同的主轴切削速度以满足不同的加工条件 要求。
2. 组成：主要包括电动机、传动系统和主轴部件。
2.2.1 数控机床主传动系统的特点 （1）转速高、功率大 （2）变速范围宽 （3）主轴变换迅速可靠 （4）主轴组件的耐磨性高
2.2.2 数控机床主传动系统的变速方式
2.7.2数控车床的自动换刀装置 主要采用回转刀盘。
2.7.3加工中心的自动换刀装置及刀库类型 1.转塔式换刀装置 （1）垂直转塔式；（2）水平转塔式 2.刀库式换刀装置 （1）无机械手换刀方式；（2）机械手换刀方式；（3）机械
手和刀具运送器。
3.成套更换方式换刀装置 （1）更换转塔头；（2）更换主轴箱；（3）更换刀库。
（1）滚珠导轨；（2）滚柱导轨；（3）滚针导轨。 三．静压导轨
1. 优点：不产生磨损，机械效率高，精度保持性好，摩擦因 数小，低速不易产生爬行，抗震性好。
2. 分类：液体静压导轨和气体静压导轨。 液体静压导轨缺点：结构复杂，液压装置比较大，且需要专 门的供油系统。 气体静压导轨缺点：防尘要求高。
2.5数控机床的工作台 2.5.1工作台 应用:直线进给运动。 2.5.2回转工作台 应用：圆周进给运动。 2.5.3摆动工作台 应用：摆动进给运动。 2.5.4直接驱动的回转工作台 1. 组成：是伺服驱动电动机与回转工作台的集成。 2. 优点：减少传动环节、简化机床的结构等。
2. 特点：响应速度快，精度高。 3. 应用：高精度数控机床。
2.6.3旋转变压器 1. 作用：一种常用的转角检测元件。 2. 特点：结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方
便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠等特点，且精度能 满足一般的检测要求。
3. 分类：旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构。 有刷式旋转变压器特点：结构简单，体积小，可靠性差，寿 命也较短。
3. 目前多数采用贴塑导轨。贴塑导轨的优点：贴塑滑动导 轨的特点是摩擦特性好、耐磨性好、运动平稳、减振性好、工艺 性好。
二．滚动导轨 1. 优点：（1）灵敏度高，运动平稳，低速移动时不易出现爬
行现象； （2）定位精度高； （3）摩擦阻力小，移动轻便，磨损小，精度保持性好，寿命长。 2. 缺点：抗振性较差，对防护要求较高，结构复杂，制造比较困 难，成本较高。 3. 三种结构形式：
4．构成： 1）动力装置；2）执行装置；3）控制与调节装置； 4）辅助装置；5）传动介质。
2.8.2自动排屑装置 作用：自动分离并收集切削液和切屑，以便自动加工顺利
进行和减少数控机床的发热。 常见的排屑装置： （1）平板链式排屑装置；（2）刮板式排屑装置； （3）螺旋式排屑装置。
2.8.3工件自动交换系统 作用：减少工件安装调整时间。 1.托盘交换装置 （1）托盘交换装置的作用：自动交换加工的托盘与托盘
3. 特点：传动效率高、摩擦损失小；通过预紧可消除间隙，提 高传动刚度；但制造成本高，不能自锁。
4. 应用：一般用于中小型数控机床的直线进给传动系统。 5. 分类：（1）外循环；（2）内循环 。 6. 滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整 常用的双螺母丝杠消除间隙方法有：
（1）垫片调隙式； （2）齿差调隙式； （3）螺纹调隙式。
d. 由调速电动机直接驱动的主传动 特点：调速电机与主轴用联轴器同轴联接，这种方式大大
简化了主传动系统的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但 主轴输出扭矩小，电机发热对主轴精度影响较大。
e. 内装式电主轴: 即主轴与电机转子合二为一。 特点：优点是主轴部件结构更紧凑，重量轻，惯量小，可
提高启动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点同 、支承导轨。
作用：对运动部件起支承和导向作用。
2.4.1数控机床对导轨的基本要求 1. 导向精度高 2. 耐磨性能好 3. 足够的刚度 4. 良好的摩擦特性 5. 工艺性好
2.4.2数控机床导轨的类型与特点 一．滑动导轨
1. 优点：具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等。 2. 缺点：是静摩擦系数大，且动摩擦系数随速度变化而变 化，摩擦损失大，低速时易出现爬行现象，降低了运动部件的定 位精度。
2. 良好的热稳定性 减少机床热变形影响的常用措施有：
(1)改善机床布局和结构。 采用：1）热对称结构；2）倾斜床身和斜滑板结构；
3）热平衡措施等。 (2)控制温度。 采用：1）对热源采取液冷、风冷等方法来控制温升；
2）对切削部位采取强冷措施等。 (3)热位移补偿。 3. 高的灵敏度 4. 高效化装置、高人性化操作
2.8数控机床的辅助装置
2.8.1数控机床液压和气压装置 1．定义：用压力油或加压空气作为传递能量的载体实现传
动与控制。 2．特点： （1）液压传动装置 机构输出力大，机械结构更
紧凑、动作平稳可靠，易于调节和噪声较小，但要配置液压泵 和油箱，当油液渗漏时污染环境。
（2）气压装置 装置结构简单，工作介质不污染 环境，工作速度快和动作频率高，适合于完成频繁启动的辅助 工作，过载时比较安全，不易发生过载损坏机件等事故。