数控机床的主传动系统

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数控技术、伺服驱动技术的发展及在机 床上的应用，为数控机床的自动化、高 精度、高效率提供了可能性，但要将可 能性变成现实，则必须要求数控机床的 机械结构具有优良的特性才能保证。这 些特征包括结构的静刚度、抗振性、热 稳定性、低速运动的平稳性及运动时的 摩擦特性、几何精度、传动精度等。
• 1、提高机床结构的静刚度 • 机床结构的静刚度是指在切削力和其 他力的作用下，机床抵抗变形的能力。 • 有标准规定数控机床的刚度系数应比 类似的普通机床高50%。
4、数控机床交换工作台的布局
图2-4b 是回转式双交换工作台布局图，用于立柱移动 式加工中心。其工作过程是：首先在Ⅱ工位（装卸工位）工作 台上装上工件，交换开始后，Ⅰ工位（加工工位）的工作台夹 紧机构自动松开；交换回转台抬起，进行180 º 回转，将Ⅱ工位 上工作台转到Ⅰ工位的位置，并夹紧。在机床进行工件加工的 同时，操作者可以在Ⅰ工位装卸工件，准备第二次交换。 回转式双交换工作台的优点是交换速度快，定位精度高； 对冷却、切屑的防护容易；缺点是结构较复杂，占地面积大。
• 1）合理设计基础件的截面形状和尺寸 • 机床在外力的作用下，各基础件将承受弯 曲和扭转载荷，其弯曲和扭转变形的大小 则取决于基础件的截面抗弯和抗扭惯性矩， 抗弯、抗扭惯性矩大，变形则小，刚度就 高。 • 教材p56表3-1列出了在截面积相同 （即重量相同）时，不同截面形状和尺寸 的惯性矩。
• 由表中数据可知： • ①在形状和截面积相同时，减小壁厚， 加大截面轮廓尺寸，可大大增加刚度； • ②封闭截面的刚度远远高于不封闭截面 的刚度； • ③圆形截面的抗扭刚度高于方形截面， 抗弯刚度则低于方形截面； • ④矩形截面在尺寸大的方向具有很高的 抗弯刚度。
第二章
数控机床的结构
模块2：机械结构
本章内容一、数控机床结构来自求与总体布局 二、数控机床主运动的特点 三、数控机床主轴的变速方式
四、主轴部件
一、数控机床结构要求
• 机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置 的各种运动和动作指令，都必须由机床本体转换成真 实的、准确的机械运动和动作，才能实现数控机床的 功能，并保证数控机床的性能要求。数控机床的机床 本体由下列各部分组成： • （1）主传动系统，其功用是实现主运动 • （2）进给系统 ，其功用是实现进给运动 • （3）机床基础件，通常指床身、底座、立柱、滑座、 工作台等。其功用是支承机床本体的零、部件，并保 证这些零、部件在切削加工过程中占有的准确位置。
3、立式数控镗铣床（立式加工中心）的常用布 局形式
立式数控镗铣床（立式加工中心）的布局形式与卧式数控镗铣床 类似，图2-3所示的是三种常见布局形式。
图2-3立式数控镗铣床（立式加工中心）常见的布局形式
这三种布局形式中，图2-3a所示的结构形式是常见的工 作台移动式数控镗铣床（立式加工中心）的布局，为中、小规格 机床的常用结构形式；图2-3C所示的采用了T形床身，X、Y、Z 三轴都是立柱移动式的布局，多见于长床身（大X轴行程）或采 用交换工作台的立式数控机床。这三种布局形式的结构特点，基 本和卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的对应结构相同。 同样，以上基本形式通过不同组合，还可以派生其他多种变 形，如X、Z两轴都采用立柱移动、工作台完全固定的结构形式， 或X轴为立柱移动、Z轴为工作台移动的结构形式等等。
4、数控机床交换工作台的布局
此外，还有一种通过双工作区，进行工件交换的布局形 式（如图2-5所示），多用于长床身（X轴行程在1500mm以 上），且X、Y、Z三轴都是立柱移动式的加工中心上。它的基 本结构和立柱移动式机床完全相同，区别仅在于利用中间防护， 使机床原工作台分成了两个相对独立的操作区域。其工作过程 是：立柱首先运动到Ⅰ区，对安装在该区的零件进行正常加工； 与此同时，操作者可以在Ⅱ区装卸工件。在Ⅰ区的零件加工完 成后，通过X轴的快速移动，将立柱运动到Ⅱ区，进行Ⅱ区零 件的加工；操作者可以在Ⅰ区装卸工件，如此循环。机床通过 电气控制系统实现严格的互锁，对于加工区的防护门也需要通 过机电联锁装置予以封闭，确保机床的安全性、可靠性。 图2-5 双工作区交换的布局图
图2-2 卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的 常用布局形式
在图2-2所示的三种中、小规格卧式数控镗铣床（卧式加工中心） 常见的布局形式中，图2-2a所示的结构形式和传统的卧式镗床相 同，多见于早期的数控机床或数控化改造的机床；图2-2b所示的 采用了框架结构双立柱、Z轴工作台移动式布局，为中、小规格卧 式数控机床常用的结构形式。图2-2c所示的采用了T形床身、框架 结构双立柱、立柱移动式（Z轴）布局，为卧式数控机床典型结构。 框架结构双立柱采用了对称结构，主轴箱在两立柱中间上、下 运动，与传统的主轴箱侧挂式结构相比，大大提高了结构刚度。 另外，主轴箱是从左、右两导轨的内侧进行定位，热变形产生的 主轴轴线变位被限制在垂直方向上，因此，可以通过对Y轴的补 偿，减小热变形的影响。
二、数控机床的总体布局
数控车床的常用布局形式 卧式数控镗铣床（卧式加工中心） 的常用布局形式 立式数控镗铣床（立式加工中心） 的常用布局形式 数控机床交换工作台的布局 高速加工数控机床的特殊布局 虚拟轴机床
1、数控车床的常用布局形式
常用布局形式 平床身 斜床身 立式床身
• （4）实现某些部件动作和某些辅助功能 的装置，如液压、气动、润滑、冷却以 及防护、排屑等装置。 • （5）实现工件回转、分度定位的装置 和附件，如回转工作台。 • （6）刀库、刀架和自动换刀装置 • （7）自动托盘交换装置 • （8）特殊功能装置，如刀具破损检测、 精度检测和监控装置等。
• 其中，机床基础件、主传动系统、进给 系统以及液压、润滑、冷却等辅助装置 是构成数控机床的机床本体的基本部件， 其他部件则按数控机床的功能和需要选 用。 • 尽管数控机床的机床本体的基本构成 与传统的机床十分相似，但由于数控机 床在功能和性能上的要求与传统机床存 在着巨大的差距，所以数控机床的机床 本体在总体布局、结构、性能上与传统 机床有许多明显的差异。
• 2）采用合理的结构布局，改善机床的受 力状态，提高机床的静刚度 • 如教材P59图3-4所示
• 3）采取补偿构件变形的结构措施 • 在外力作用下，机床的变形是不可避 免的，如果能采取措施使变形对加工精 度的影响减小，其结果相当于提高了机 床的刚度。依照这一思路，产生了许多 补偿有关零、部件的静力变形的方法， 这种方法普遍用于补偿因自重而引起的 静力变形。 • 如教材P60图3-6所示。
• 2、提高机床结构的抗振性 • 机床的振动会在被加工工件表面留下 振纹，影响工件的表面质量，严重时则 使加工过程难以进行下去。机床加工时 可能产生两种形式的振动：强迫振动和 自激振动。机床的抗振性指的是抵抗这 两种振动的能力。 • 提高机床结构抗振性的措施： • P62
• 3、减小机床的热变形 • 热膨胀是各种金属和非金属材料的固有特性。 机床在工作时，有许多部件和部位会产生大量 热量，如电机、滚动轴承、切屑以及刀具与工 件的切削部位、液压系统等。这些产生热量的 部件和部位称为热源。热源产生的热量通过传 导、对流、辐射传递给机床的各个部件，引起 温升，产生膨胀。由于热源分布不均匀，各热 源产生的热量不等，零部件各处质量不均匀， 形成机床各部位温升不一致，从而产生不均匀 的温度场合不均与的热膨胀变形，以致破坏刀 具与工件的正确相对位置，影响加工精度。
2.2.2卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布 局形式
T形床身布局可以使工作台沿床身做X 方向移动时，在全行程 范围内，工作台和工件完全支承在床身上，因此，机床刚性好， 工作台承载能力强，加工精度容易得到保证。而且，这种结构可 以很方便地增加X轴行程，便于机床品种的系列化、零部件的通 用化和标准化。 立柱移动式结构的优点是：首先，这种形式减少了机床的结构 层次，使床身上只有回转工作台、工作台，共三层结构，它比传 统的四层十字工作台，更容易保证大件结构刚性；同时又降低了 工件的装卸高度，提高了操作性能。其次，Z轴的移动在后床身上 进行，进给力与轴向切削力在同一平面内，承受的扭曲力小，镗 孔和铣削精度高。此外，由于Z轴的导轨的承重是固定不变的，它 不随工件重量改变而改变，因此有利于提高Z轴的定位精度和精度 的稳定性。但是，由于Z轴承载较重，对提高Z轴的快速性不利， 这是其不足之处。
• 2）斜床身 • 水平床身配置倾斜放置的滑板，并配置倾斜式 导轨防护罩，这种布局形式一方面有水平床身工艺 性好的特点，另一方面机床宽度方向的尺寸较水平 配置滑板的要小，且排屑方便。水平床身配上倾斜 放置的滑板和斜床身配置斜滑板布局形式被中、小 型数控车床所普遍采用。此两种布局形式的特点是 排屑容易，热铁屑不会堆积在导轨上，也便于安装 自动排屑器；操作方便，易于安装机械手，以实现 单机自动化；机床占地面积小，外形简单、美观， 容易实现封闭式防护。 • 斜床身其导轨倾斜的角度分别为30、45、60、 75和90（称为立式床身）。若倾斜角度小，排屑不 便；若倾斜角度大，导轨的导向性差，受力情况也 差。导轨倾斜角度的大小还会直接影响机床外形尺 寸高度与宽度的比例。综合考虑上面的因素，中小 规格的数控车床其床身的倾斜角度以60为宜。
2、卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布 局形式
卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的布局形式种类较多， 其主要区别在于立柱的结构形式和X、Z坐标轴的移动方式
上（Y轴移动方式无区别）。

常用的立柱 单立柱 框架结构双立柱
图2-2卧式数控镗铣床（卧式加工中心）常见的布局形式
Z坐标轴的移动方式有工作台移动式（图2-2a、b）和立柱移动 式（图2-2c）两种。以上基本形式通过不同组合，还可以派生其 他多种变形，如X、Z两轴都采用立柱移动，工作台完全固定的结 构形式；或X轴为立柱移动、Z轴为工作台移动的结构形式等。
这三种布局方式各有特点，一般经济型、普及型数控车 床以及数控化改造的车床，大都采用平床身；性能要求较高 的中、小规格数控车床采用斜床身（有的机床是用平床身斜 滑板）；大型数控车床或精密数控车床采用立式床身。