数控加工技术基础：2.6数控机床的机械结构

1．减少摩擦阻力：
为了提高数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度，避免跟随误差和轮廓误差，必须减小运动 件之间的摩擦阻力。如作为工作台的传动机构普遍采用滚珠丝杆螺母副；工作台和导轨之间以滚动 摩擦代替滑动摩擦；采用液态或气态静压导轨等。
2．提高运动的精度和刚度：
· 精度：运动精度主要取决于各级传动误差。因而提高精度首先是缩短传动链，减少误差环节； 对于使用的传动链，要消除齿轮副、蜗轮蜗杆副、丝杆螺母副等间隙。使得运动反向时运动与指令 同步。
第六节 数控机床的机械结构
一、数控机床的结构要求与特点 二、进给传动系统 三、主传动系统 四、数控车床结构特点 五、数控铣床结构特点 六、加工中心结构特点
一、数控机床的结构要求与特点
• 数控机床中的机床，在开始阶段使用通用机床，只是在自动变 速、刀架或工作台自动转位和手柄等方面作些改变。 • 实践证明：数控机床除由于切削用量大、连续加工发热多等影 响工件精度外，并且由于是自动控制，在加工中不能像在通用 机床上那样可以随时由人工进行干预。所以其设计要求比通用 机床更严格，制造要求更精密。 • 因而后来在数控机床设计时，采用了许多新的加强刚性、减小 热变形、提高精度等方面的措施。 • 与传统的机床相比，数控机床的外部造型、整体布局，传动系 统、支撑系统、排屑系统与刀具系统的部件结构以及操作机构 等方面都已发生了很大的变化。
进给传动的配置方式
（1）齿轮传动装置+滚珠丝杆 （2）同步齿形带 +滚珠丝杆 （3）直接驱动（无减速机构） + 滚珠丝杆
3、滚珠丝杠螺母副
滚珠丝杆螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运 动常用的传动装置。它以滚珠的滚动代替丝杆螺母副 中的滑动，具有良好的性能。
· 传动效率高：机械效率可高达92%~98%。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3以下 · 摩擦力小：主要是用滚珠的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动。 · 轴向间隙可消除、刚性高：由于滚珠的作用，提高了系统的刚性。经预紧后可消除 间隙。由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚 珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。 使用寿命长、制造成本高：主要采用优质合金材料，表面经热处理后获得高的硬度。 微进给和高速进给可能：滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出 现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。滚珠丝杠副由于运动效率高、 发热小、所以可实现高速进给(运动)。
普通机床传动系统图: 传动链很长，机械转换
数控机床传动系统图 （每个运动单独伺服电机，传动链极短）
二．进给传动系统
（一）对进给运动的要求 （影响数控机床运动轨迹的最关键因素）
数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，不论点位控制还是轮廓控制，工件的最终加工精度都 受进给运动的传动精度、灵敏度和传动稳定性的影响。为此数控机床的进给系统应满足如下要求：
数控机床的结构特点
•通常对数控机床设计在机床的精度、静刚度、动刚度和热刚度等方面提出了更 高的要求，而传动链则要求尽可能简单。
提高精度：
传动机构简化、传动链短 采取消除间隙的传动副，提高了传动精度 采用高效率、高刚度、高精度的传动副，如滚珠丝杆副等
减少摩擦：
采取滚动导轨。静压导轨、贴塑导轨等摩擦特性良好的支承部件，灵敏度好，无爬 行现象。

· 刚度：数控机床的特点在于不仅适合于零件的高精度加工，更能完成零件粗加工时的 大切削用量的加工，这便要求数控机床有足够的刚度。为满足着一要求，主要是选用零件
的合适的材料，合适的结构（如丝杆的直径足够粗、传动齿轮无根切等），同时结构部件还必须有 合适的支撑等。避免刚度不足时工作台产生爬行和振动现象，进而影响加工精度。
提高刚度
采取刚度和抗振性好、能减少热变形影响的机械结构
提高效率：
采用自动换刀、自动排屑、自动润滑和冷却等装置。 采取大功率电动机和先进刀刀具和系统，可进行强力切削，提高了切削效率，
而机床为了完成零件的加工须进行两大运 动：主运动和进给运动。 数控机床的主运动和进给运动在动作上除 了接受CNC的控制外，在机械结构上应具 有响应快、高精度、高稳定性的特点。
在加工端面时，为了保证端面稳定的加工质量，要求工件端面的各部位能保持恒定 的线切削速度。 设：主轴的恒定的旋转速度为N，线速度V=N·ΠD，即随着直径的减少，V也在减 少，为了获得稳定的线速度，随着加工的进行，通过调节主轴的转速N使得保持恒 定的线切削速度。 传动链越短，则累积误差越小。 主运动是刀具旋转运动的数控机床，由于机床可以进行多工序加工，工序变换是时 刀具也要更换，因此要求能够自动换刀。
（一）对主传动的要求 1．转速高，功率大：
数控机床对工件能完成大切削用量的粗加工及高速旋转下的精加工。粗加工时，扭 矩大；精加工时，转速高。而数控机床的功率P=T· N，无论是T大，还是N大，都 会使得功率大。
2．变速范围宽，且能实现无级变速：
满足不同的加工要求，就要有不同的加工速度。由于数控机床的加工通常在自动的 情况下进行，尽量减少人的参与，因而要求能够实现无级变速。
三、主传动系统
数控机床的主传动运动是指生产切屑的传动运动，例如，数控车床上 主轴带动工件的旋转运动，立式加工中心上主轴带动铣刀、镗刀和砂 轮等的旋转运动。由于数控机床的高自动化及高精度，对主运动提出 了更高的要求。
（一）对主传动的要求 （二）主运动的变速方式及实现 （三）数控机床的主轴部件
3．减小运动惯量：
数控机床往往要求机床部件具有对指令的快速响应能力。运动部件的惯量对伺服机构的启
动和制动都有影响，尤其是数控机床进行高精度加工时处于高速运动的零部件。因此在满足零部件 强度和刚度的前提下，尽可能减轻运动部件的质量。满足数控机床高速切削的要求。
（二）进给传动机械部件
进给传动机械装置，是指将驱动源的旋转运动变为工作台 的直线运动的整个机械传动链，包括联轴器、齿轮装置、 丝杠螺母副等中间传动机构。