数控机床CNC2

07:54第二章数控机床的结构学习目的与要求第一节数控机床的结构要求第二节数控机床主传动系统和及主轴部件第三节数控机床进给系统第四节数控机床回转工作台第五节数控加工使用的刀具及自动换刀系统第六节数控加工用辅助装置小结07:54第二章数控机床的结构学习目的与要求：本章主要学习和掌握数控机床的结构要求，数控机床主传动系统和及主轴部件，数控机床进给系统，数控机床回转工作台，数控加工使用的刀具及自动换刀系统和数控加工用辅助装置等知识和概念。07:54第一节数控机床的结构要求一、模块化和机电一体化二、提高机床的静、动刚度三、减少热变形四、减少运动件的摩擦和消除传动间隙五、提高机床的寿命和精度保持性六、减少辅助时间，改善操作性07:54第一节数控机床的结构要求一、模块化和机电一体化1.模块化设计可灵活配置数控机床以满足用户各种不同的功能要求。既客户在规格方面具有更多的选择余地，又尽可能不为多余的功能承担额外的费用。如床身、立柱、主轴箱、工作台、刀架系统及电气总成等部件都做成可选配的基本单元。2.机电一体化是指在整个数控机床功能的实现以及总体布局方面必须综合考虑机械和电气两方面的有机结合。如数控机床的主轴系统已不再是单纯的齿轮和带轮的机械传动，而更多的是由交流伺服电动机为基础的电主轴。07:54第一节数控机床的结构要求二、提高机床的静、动刚度1.提高数控机床主轴的刚度，采用三支承结构、双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承，以减小主轴的径向和轴向变形。07:54第一节数控机床的结构要求二、提高机床的静、动刚度2.采用加强肋板结构提高机床大件的刚度。如立柱增加十字形肋板后，质量增加不多，而扭转刚度提高了17倍。加强肋类型相对质量相对弯曲刚度相对扭曲刚度a111b1.241.171.38c1.341.218.86d1.641.3217.707:54第一节数控机床的结构要求二、提高机床的静、动刚度3.采用液力平衡或重块来减少构件的变形。07:54第一节数控机床的结构要求二、提高机床的静、动刚度4.增大刀架底座的尺寸提高刀架刚度。如减小a/b的数值。07:54第一节数控机床的结构要求二、提高机床的静、动刚度5.通过刮研或预加载荷来增加机床各部件的接触面积，即提高机床的接触刚度和承载能力。6.提高系统的静刚度、增加阻尼以及调整构件的质量和自振频率（小故事）来改善机床的动态特性。如钢板的焊接结构既可以增加静刚度，减小结构质量，又可以增加构件本身的阻尼；封砂铸件也有利于振动的衰减。7.对旋转零部件进行动平衡，以减少强迫振动源；或者用弹性材料将振源隔离，以减少振源对机床的影响。07:54第一节数控机床的结构要求三、减少机床的热变形热变形对加工精度的影响07:54第一节数控机床的结构要求三、减少机床的热变形1.减少发热分离热源：从主机中分离出热源，如电动机、变速箱、液压装置及油箱等应外置。改善润滑：对不能与主机分离的热源，如主轴轴承、丝杆螺母副、高速运动导轨副等，则必须改善其摩擦特性和润滑条件，以减少机床内部的发热。2.控制温升（小故事）散热、冷却：在机床的发热部位进行强制冷却。升温：在机床低温部分加热，使机床各部分温度、热变形趋于一致。07:54第一节数控机床的结构要求三、减少机床的热变形3.改善机床结构采用双立柱、对称结构：受热后的主轴轴线除了产生垂直方向的平移外，其他方向的变形很小，而垂直方向的轴线移动可以方便地用一个坐标的修正量进行补偿。使主轴的热变形方向与刀具的切入方向垂直：刀尖沿工件切向的偏移对工件径向尺寸的变化影响极小，几乎可以忽略。（下一页图2-5）用预拉伸来减少丝杆的热变形：这种方法是在加工滚珠丝杆时，使螺距略小于名义值，装配时对丝杆进行预拉伸，使其螺距达到名义值。当丝杆工作而受热，丝杆中的拉应力补偿了热应力，它既减少了热伸长的影响，又提高了丝杆的刚度。采用热位移调节元件或热位移补偿脉冲。07:54第一节数控机床的结构要求三、减少机床的热变形3.改善机床结构07:54第一节数控机床的结构要求三、减少机床的热变形3.改善机床结构采用双立柱、对称结构：受热后的主轴轴线除了产生垂直方向的平移外，其他方向的变形很小，而垂直方向的轴线移动可以方便地用一个坐标的修正量进行补偿。使主轴的热变形方向与刀具的切入方向垂直：刀尖沿工件切向的偏移对工件径向尺寸的变化影响极小，几乎可以忽略。用预拉伸来减少丝杆的热变形：这种方法是在加工滚珠丝杆时，使螺距略小于名义值，装配时对丝杆进行预拉伸，使其螺距达到名义值。当丝杆工作而受热，丝杆中的拉应力补偿了热应力，它既减少了热伸长的影响，又提高了丝杆的刚度。采用热位移调节元件或热位移补偿脉冲。07:54第一节数控机床的结构要求四、减少运动件的摩擦和消除传动间隙1.采用滚动导轨和静压导轨：减小摩擦，避免“低速爬行”，提高定位精度和运动平衡性。（图2-7)2.使用滚珠丝杠代替滑动丝杠：在进给系统中，目前数控机床几乎无例外地采用了滚珠丝杠传动。3.采用无间隙传动副：用同步带传动代替齿轮传动、采用脉冲补偿装置进行螺距精度补偿。07:54第一节数控机床的结构要求五、提高机床的寿命和精度保持性高寿命和精度保持性可以提高数控机床开动率（比普通用机床高2～3倍），以便缩短数控机床投资的回收时间。设计时就必须考虑数控机床零部件的耐磨性，如导轨、进给丝杆及主轴部件等的耐磨性，以使数控机床在长期使用过程中不丧失精度。保证数控机床各部件的良好润滑也是提高寿命的重要条件。07:54第一节数控机床的结构要求六、减少辅助时间，改善操作性数控机床单件加工时，辅助时间（非切削时间）占有较大的比例，如空行程、换刀、装拆工件等。加工中心可减少换刀和多次装拆工件的时间。数控机床都有快速运动的机能，可缩短空行程时间。数控机床的操作性具有新的含意：（1）提高机床各部分的互锁能力，以防止意外事故的发生；（2）尽可能改善操作者的观察、监控和维护条件，并设有紧急停车装置，以避免发生意外事故；（3）数控机床上必须留出最有利的工件装夹位置，以改善装拆工件的操作条件。（4）床身结构必须有利于排屑。07:54第一节数控机床的结构要求六、减少辅助时间，改善操作性图2-8床身底部的油盘制成倾斜式，便于切屑的自动集中和排出。07:54第一节数控机床的结构要求六、减少辅助时间，改善操作性图2-9切削能力较大的斜置床身数控车床，采用主轴反向转动的加工方式，使大量切屑直接落入自动排屑装置，并迅速被运输带从床身上排出。图2-907:54第二节数控机床主传动系统及主轴部件一、主传动变速二、主轴部件07:54第二节主传动系统及主轴部件一、主传动变速采用变频和交流调速主轴电动机，无级变速宽，中间环节少，可靠性高。配以齿轮变速，使之成为分段无级变速，可确保低速时的扭矩。1.带有变速齿轮的主传动大中型机床用，齿轮降速扩大扭矩2.通过皮带传动的主传动小型机床用，低扭矩、振动与噪声3.电机直接驱动的主传动结构简化，电机发热对主轴精度的影响大07:54第二节主传动系统及主轴部件一、主传动变速在带有齿轮变速的主传动系统中，液压拨叉和电磁离合器是两种常用的变速方法。拨叉机构在使用中为了保证不出现移动齿轮的“顶齿”现象，通常必须增加一台小型电动机，在变速时使主轴作低速回转，这会使结构变得十分复杂。摩擦片式离合器由于打滑现象，不能使用于有伺服要求的主轴系统。电磁离合器的电刷和滑环之间的摩擦和磨损，影响了变速的可靠性；更严重的是它具有剩磁和发热等缺点，使主轴轴承磁化，寿命下降，并影响加工精度。因此目前已很少使用以上两种变速方法。07:54第二节主传动系统及主轴部件二、主轴部件数控机床主轴部件是机床中最关键的部件之一1．数控机床主轴轴承一般配置形式（1）前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承。此配置型式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强力切削的要求，因此普遍应用于各类数控机床的主轴。07:54第二节主传动系统及主轴部件二、主轴部件数控机床主轴部件是机床中最关键的部件之一1．数控机床主轴轴承一般配置形式（2）前支承采用高精度双列向心推力球轴承向心推力球轴承具有良好的高速性能，主轴最高转速可达1000r/min，但是它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。07:54第二节主传动系统及主轴部件二、主轴部件数控机床主轴部件是机床中最关键的部件之一1．数控机床主轴轴承一般配置形式（3）双列和单列圆锥滚子轴承这组轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能好。但是这组轴承配置方式限制了主轴的最高转速和可以达到的精度，因此适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。07:54第二节主传动系统及主轴部件二、主轴部件高速轴承：采用氮化硅（Si3N4）陶瓷作为滚动体，可提高轴承的转速和精度。由于陶瓷材料的质量密度只有钢的40%，使高速旋转时滚动体产生的离心力大幅度下降，可明显减小轴承的温升和磨损。陶瓷材料滚动体和钢质内外环滚道的分子亲和力极小，不容易产生微粘现象；陶瓷材料热胀系数较小，有助于减小在不同温度下预加载荷的变化。这些都明显地提高轴承的精度和精度保持性。减小滚动体的直径，增加滚动体的数量也是降低高速旋转时滚动体离心力的另一重要措施。它同样能达到降低温升、增加耐磨性和提高轴承dn值的目的。07:54第二节主传动系统及主轴部件二、主轴部件主轴端部结构：对工件或刀具的定位、安装、拆卸以及夹紧的准确、牢固、方便和可靠有很大影响。常见的几种用于不同类型数控机床的主轴端部结构如图所示。07:54二、主轴部件2．主轴部件的特殊结构（1）主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装置夹紧：碟形弹簧8使拉杆7保持约10000N的拉力，并通过拉杆左端的钢球3将刀杆1的尾部轴颈拉紧（看图2-13，看局部放大图）松开：压力油通入油缸右腔，活塞11推动拉杆7向左移动，使碟形弹簧8压紧。拉杆7的左移使左端的钢球3位于套筒5的喇叭口处，解除了刀杆上的拉力。（再看图2-13）用压缩空气吹屑：活塞11的心部钻有压缩空气通道，当活塞向左移动时，压缩空气经过活塞由主轴孔内的空气喷嘴4喷出，将锥孔清理干净。喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀分布，以提高其吹屑效果。（又看图2-13）第二节主传动系统及主轴部件07:54第二节主传动系统及主轴部件二、主轴部件2．主轴部件的特殊结构图2-13局部放大07:54第二节主传动系统及主轴部件二、主轴部件2．主轴部件的特殊结构07:54第二节主传动系统及主轴部件二、主轴部件2．主轴部件的特殊结构锥柄和拉杆结构图07:54第二节主传动系统及主轴部件二、主轴部件2．主轴部件的特殊结构改进结构：上述的主轴结构在活塞向左推动拉杆时，将在主轴轴承上作用一个很大的推力。为使此轴向推力不直接作用在主轴轴承上，可采用图2-14的改进结构，使轴向推力作用到箱体上。油缸的支架6用螺钉（图中未示出）与连接座3固定在一起，并允许在主轴箱孔内作向右浮动。因此连接座3并不固死在主轴箱体2上，而是用螺钉5通过弹簧4压紧在主轴箱的端面。当油缸右腔通入压力油使活塞7受到向左的推力时，油缸右端面受到方向相反的向右推力。此时整个油缸支架6及连接座3压缩弹簧4向右移动。当连接座3上的垫片8的端面和螺母1压紧时，松开刀杆所需要的推力可以直接由连接座3和油缸支架6承受，从而实现了主轴轴承轴向卸载。见图07:54第二节主传动系统及主轴部件二、主轴部件2．主轴部件的特殊结构改进结构：上述的主轴结构在活塞向左推动拉杆时，将在主轴轴承上作用一个很大的推力。为使此轴向推力不直接作用在主轴轴承上，可采用图2-14的改进结构，使轴向推力作用到箱体上。油缸的支架6用螺钉（图中未示出）与连接座3固定在一起，并允许在主轴箱孔内作向右