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第5章数控机床的机械结构5.1数控机床的总体结构5.2数控机床机械结构要求5.3数控机床的主传动系统5.4同步带传动5.5数控机床进给传动5.6其它辅助机构5.1数控机床的总体结构1主传动系统；2进给传动系统;3实现工件回转、定位的装置和附件；4实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置，如液压、气压、润滑、冷却等系统和排屑、防护等装置；5刀库、刀架和自动换刀装置（ATC）；6自动托盘交换装置（APC）；7特殊功能装置，如刀具破损监控、精度检测和监控装置等；8为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。数控机床的机械结构除机床基础件，由以下几部分组成机床基础件通常是指:床身底座立柱横梁滑座工作台数控机床本体组成1-主轴头2-刀库3-立柱4-立柱底座5-工作台6-工作台底座立式数控铣床移动立柱卧式加工中心立式数控铣床数控机床数控车床的主要内部结构（一）数控机床加工过程的特点：1.自动化程度高2.高的加工精度和切削效率3.多工艺和功能集成化4.高可靠性和精度保持性5.2、数控机床机械结构要求（二）数控机床的对结构的要求：1、高的静、动刚度和良好的抗振性机床床身、导轨、工作台、刀架、主轴箱的几何精度与变形产生的定位误差，取决于它们的结构刚度。提高刚度的措施有：G.合理选用构件的材料E.合理的结构布局F.采用补偿变形的措施H.通过加配重或液压平衡负载以减小有关零部件的静力变形I.通过在支承件内腔或表面填加阻尼材料等来改善阻尼特性，以增大动刚度A.合理选择支承件的结构形式B.合理布置支承件隔板的筋条结构C.增加导轨与支承件的连接部分的刚度D.增加机床各部件的接触刚度和承载能力高抗振性改善动态特性的措施是：提高系统的静刚度、增加阻尼（例如，采用三支承主轴，后支承就有利于消振）以及调整构件的质量和自振动频率，对高速回转部件或零件进行动平衡等。2、减少机床的热变形减小热变形的措施：（1）减少发热；机床内部发热是产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分离出去。主轴部件采用精密滚动轴承；进行润滑油润滑；采用静压轴承；避免使用摩擦力离合器。加工切屑也是一个热源，可在工作台或导轨上装设隔热板；使用切屑液。（2）控制温升通过良好的散热和冷却控制温升，减少热源影响。（3）改善机床结构采用热对称结构及热平衡措施，使机床主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上，如下图所示；3、提高低速进给运动的平稳性和运动精度（1）影响低速爬行的因素：（2）防爬行措施：–减少静动摩擦系数之差–提高传动系统的传动刚度–降低执行部件质量，在不降低静刚度的前提下，减轻重量可以提高构件的固有频率。kmfNvc4移动部件质量。刚度阻尼比，动、静摩擦系数之差，），正压力（含滑动件质量临界速度，—m,kfmNvc4、提高机床的寿命和精度保持性在设计上充分考虑各零部件的耐磨性，保证数控机床各部件的良好润滑。5、减少辅助时间，改善操作性，充分满足人性化的要求三、数控机床的总体布局（一）数控车床的总体布局（a）为水平床身-水平滑板，床身工艺性好，便于导轨面的加工，下部空间小，故排屑困难，刀架水平放置加大了机床宽度方向的结构尺寸；（b）为倾斜床身-倾斜滑板，排屑亦较方便，中小规格的数控车床其床身的倾斜度以60°为宜；（c）水平床身-倾斜滑板，具有水平床身工艺性好，宽度方向的尺寸小，且排屑方便，是卧式数控车床的最佳布局形式。（二）加工中心的总体布局结构1、卧式加工中心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）。单立柱框架结构双立柱常用的立柱下页上页返回图库Z坐标轴的移动方式有工作台移动式和立柱移动式两种。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。什么是X,Y,Z轴？下页上页返回图库卧式加工中心常见的布局形式中，a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；b采用框架结构双立柱、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。c采用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。2、立式加工中心的总体布局结构图a所示的结构形式是常见的工作台移动式立式加工中心的布局，为中、小规格机床的常用结构形式；图b在Y向是立柱移动；图c中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。5.3、数控机床的主传动系统主传动的基本要求主传动的变速方式主传动的部件组成和轴承选型主轴准停装置1、主传动的基本要求数控机床和普通机床一样，主传动系统也必须通过变速，才能使主轴获得不同的传递，以适应不同的加工要求，并且，在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的转矩，满足切削的需要。数控机床作为高度自动化的设备，它对主传动系统的基本要求有以下几点：1)为了达到最佳的切削效果，一般都应在最佳的切削条件下工作，因此，主轴一般都要求能自动实现无级变速。2)要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高效、高速的加工需要。1、主传动的基本要求3)为了降低噪声、减轻发热、减少振动，主传动系统应简化结构，减少传动件。4)在加工中心上，还必须具有安装道具和刀具交换所需要的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。5)为了扩大机床的功能，实现对C轴的控制，主轴还需安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的再求。故大多数数控机床采用无级变速系统，数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式。数控机床的主传动要求较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。2、主传动变速方式这种配置方式大、中型数控机床采用较多。它通过少数几对齿轮降速，使之成为分段无级变速，确保低速时的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。但有一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。（1）带有变速齿轮的主传动（如图）主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。（2）通过带传动的主传动（如图）同步带的结构和传动如图所示。带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，作无滑动的啮合传动。带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主、从动带轮可作无相对滑动的同步传动。同步带传动是一种综合了带、链传动优点的新型传动。这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大。（3）由调速电动机直接驱动的主传动（如图）从直流主轴电动机的速度与转矩关系图中可以看出，在低于额定转速时为恒转矩输出，高于额定转矩时为恒功率输出。使用这种电动机可实现纯电气定向，而且主轴的控制功能可以很容易与数控系统相连接并实现修调输入、速度和负载测量输出等。（4）采用电主轴在高速加工机床上，大多数使用电动机转子和主轴一体的电主轴，可以使主轴达到每分钟数万转、甚至十几万转的高速，主轴传动系统的结构更简单，刚性更好。车床用电主轴铣床用电主轴•目前，随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”(ElectricSpindle,MotorSpindle)。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”（HighFrequencySpindle)。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接传动主轴”（DirectDriveSpindle)。••电主轴所融合的技术：•高速轴承技术：电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限；•高速电机技术：电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。关键技术是高速度下的动平衡；•润滑：电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。•内置脉冲编码器：为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。•自动换刀装置：为了应用于加工中心，电主轴配备了自动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等；•高频变频装置：要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。机床的主轴部件是机床重要部件之一，它带动工件或刀具执行机床的切削运动，因此数控机床主轴部件的精度，抗振性和热变形对加工质量有直接的影响，由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。所以：3、主轴部件（了解）主轴在结构上要处理好卡盘或刀具的装卡，主轴的卸荷，主轴轴承的定位和间隙调整，主轴部件的润滑和密封等一系列问题。对于数控镗铣床的主轴为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具的自动装卸，主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。数控机床的主轴部件主要有以下几个部分：主轴本体及密封装置、支承主轴的轴承、配置在主轴内部的刀具卡进及吹屑装置、主轴的准停装置等。数控机床的主轴轴承轴承的配置合理配置轴承,可以提高主轴精度,降低温升,简化支承结构。在数控机床上配制轴承时,前后轴承都应能承受径向载荷,支承间的距离要选择合理,并根据机床的实际情况配制轴向力的轴承。•在图（a)所示的配置形式中，前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触球轴承组合，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用成对角接触球轴承，这种配置可提高主轴的综合刚度，满足强力切削的要求，普遍应用于各类数控机床。•在图(b)所示的配置形式中，前轴承采用角接触球轴承，由2~3个轴承组成一套，背靠背安装，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，这种配置适用于高速、重载的主轴部件。•在图(c)所示前后支承均采用成对角接触球轴承，以承受径向载荷和轴向载荷，这种配置适用于高速、轻载荷精密的数控机床主轴。•在图(d)所示前支承采用双列圆锥滚子轴承，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用单列圆锥滚子轴承，这种配置可承受重载荷和较强的动载荷，安装与调整性能好，但主轴转速和精度的提高受到限制，适用于中等精度，低速与重载荷的数控机床主轴。在数控镗床、数控铣床和以镗铣为主的加工中心上，为了实现自动换刀，使机械手准确地将刀具装入主轴孔中，刀具的键槽必须与主轴的键位在周向对准；在镗削加工退刀时，要求刀具向刀尖反方向径向移动一段距离后才能退出，以免划伤工件，这都需要主轴具有周向定位功能；另外，一些特殊工艺要求情况下，如在通过前壁小孔镗内壁的同轴大孔，或进行反倒角等加工时，也要求主轴实现准停，使刀尖停在一个固定的方位上，以便主轴偏移一定尺寸