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第二章数控机床的结构第一节数控机床的结构要求第二节数控机床主传动系统及主轴部件第三节数控机床的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第二章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、减少机床的热变形四、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，改善操作性一、模块化和机电一体化而专用型数控机床对某具体的零件虽然具有良好的经济性，但它限制了加工对象的品种变化，使生产柔性下降。模块化设计思想正是为解决上述矛盾而提出的，它具有灵活的机床配置。通用型数控机床虽然能够很好地满足各类用户的需求，但由于机床的功能过于齐全，使售价提高，用户不得不为多余的功能承担额外的费用，成本的上升必然会削弱产品在市场上的竞争力；如果把各个部件的基本单元作为基础，按不同功能、规格和价格设计成多种模块，用户可以按需要选择最合理的功能模块配置成整机。这不仅能降低数控机床的设计和制造成本，而且能缩短设计和制造周期，最终赢得市场。数控机床的机电一体化是对总体设计和结构设计提出的重要要求。它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。数控机床通常由床身、立柱、主轴箱、工作台、刀架系统及电气总成等部件组成。二、提高机床的静、动刚度由于数控机床是由程序控制加工的，由机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱的几何精度与变形所产生的定位误差取决于它们的结构刚度。为了提高数控机床主轴的刚度，除了经常采用三支承结构以外，还可选用刚性很好的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。加强肋板的结构对机床大件的刚度有明显的影响。如图为方形截面立柱加强肋板类型示意图。下表给出了立柱在加肋前后的静刚度的比值。三、减少机床的热变形数控机床在内外热源的影响下，各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破坏，也使机床精度下降。机床热变形产生的主要原因是热源及机床各部分的温差。热源通常包括加工中的切屑、运转的电动机、液压系统、传动件的摩擦以及机床外部的热辐射等。机床零件的材料、结构、形状和尺寸的不一致也是产生热变形的重要因素。四、减少运动件的摩擦和消除传动间隙数控机床的运动精度和定位精度不仅受到机床零部件的加工精度、装配精度、刚度及热变形的影响，而且与运动件的摩擦特性有关。数控机床工作台或拖板的位移量是以脉冲当量作为他的最小单位，通常要求既能以高速又能以极低的速度运动。目前使用的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻尼特性方面存在着明显的差别。五、提高机床的寿命和精度保持性为了缩短数控机床投资的回收时间，务必使机床保持很高的开动性（比一般通用机床高2-3倍），因此必须提高机床的寿命和精度保持性。首先必须在设计上就充分考虑数控机床零部件的耐磨性，另外还要保证数控机床各部件的良好润滑。六、减少辅助时间，改善操作性在数控机床的单件加工时间中，辅助时间占有较大的比例，要进一步提高机床生产率，就必须采取措施，最大限度地压缩辅助时间。由于微处理器的发展，使数控装置日趋小型化。数控机床的发展趋势是把数控装置安装到机床上，甚至把强电和弱电部分安排在一起。第二章第二节数控机床主传动系统及主轴部件一、数控机床主运动的特点二、数控机床主轴的变速方式三、主轴部件一、数控机床主传动的特点数控机床与普通机床比较具有以下特点：1）转速高，功率大，它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。2）主轴转数的变换迅速可靠，并能自动无级变速，使切削工作始终在最佳状态下进行。3）为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具自动装卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。二、数控机床主轴的变速方式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。三、主轴部件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。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。一）数控机床的主轴轴承配置主要有三种形式l）前支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承这种配置形式使主轴的综合刚度得到大幅度提高，可以满足强力切削的要求，所以目前各类数控机床的主轴普遍采用这种配置形式。2）前轴承采用高精度双列向心推力球轴承（如图）。角接触球轴承具有较好的高速性能，主轴最高转速可达4000r／min，但是这种轴承的承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。3）双列圆锥滚子轴承和圆锥滚子轴承这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较大的动载荷，安装与调整性能好，但是这种轴承配置方式限制了主轴的最高转速和精度，所以仅适用于中等精度、低速于重载的数控机床主轴。（二）主轴的定向停止为了将主轴准确地停在某一固定位置上，以便在该处进行换刀等动作，这就要求主轴定向控制。在加工精密的坐标孔时，由于每次都能在主轴的固定圆周位置换刀，故能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而减少被加工孔的尺寸分散度，这是主轴定向准停装置带来的好处之一。（三）主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装置在自动换刀的数控机床中为了实现刀具在主轴内的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构。自动清除主轴孔内的灰尘和切屑是换刀过程中的一个不容忽视的问题。如果主轴锥孔中落入了切屑、灰尘或其它污物，在拉紧刀杆时，锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，甚至会使刀杆发生偏斜，破坏了刀杆的正确定位，影响零件的加工精度，甚至会使零件超差报废。为了保持主轴锥孔的清洁，常采用的方法是使用压缩空气吹屑。第二章第三节数控机床进给系统一、对进给运动的要求二、滚珠丝杠螺母副三、传动齿轮间隙消除机构四、导轨一、对进给运动的要求数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，被加工件的最后轮廓精度和加工精度都会受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，对进给系统中的传动装置和元件要求具有高的寿命，高的刚度，无传动间隙，高的灵敏度和低摩擦阻力的特点，如导轨必须具有较小的摩擦力，耐磨性要高，所以一般采用滚动导轨、静压导轨和减磨滑动导轨等。为了提高位移精度，减少传动误差，对采用的各种机械部件首先保证它们的加工精度，其次采用合理的预紧来消除轴向传动间隙，所以在进给传动系统中广泛采用各种间隙消除措施，但是采用预紧等各种措施后仍然可能留有微量间隙。此外由于受力的作用后产生弹性变形，也会产生间隙，所以在进给系统反向运动时仍需由数控装置发出脉冲指令进行自动补偿。当旋转运动被转化为直线运动时，为了提高转换效率，保证运动精度，滚珠丝杠螺母副被广泛使用。1、减少运动件之间的摩擦阻力：摩擦阻力主要来自丝杠螺母和导轨；对其进行滚动化是重要措施。2、提高传动精度和刚度：（1）保证进给系统中滚珠丝杠螺母、蜗轮蜗杆和支承结构的加工精度，提高传动精度和刚度。（2）在进给链中加入减速齿轮或同步带传动，减小脉冲当量，从设计角度提高传动精度。（3）采用预紧消除传动件间隙，提高传动精度。3、减少惯量：高速运转零件的惯量影响伺服系统的启动和制动特性。综合而言，在设计进给系统时，应充分注意减少摩擦阻力、提高传动精度和刚度、消除传动间隙、减少运动部件惯量。二、滚珠丝杠螺纹副1、滚珠丝杠螺母副的特点2、滚珠丝杠螺母副间隙的调整3、滚珠丝杠的安装4、滚珠丝杠的防护5、滚珠丝杠螺母副的代号、精度等级和标注3）滚珠丝杠副的标注滚珠丝杠副的标注方法采用汉语拼音字母、数字及汉字结合标注法，如图所示。例如:WD3005－3.5×1／B左一800×1000它表示外循环垫片调隙式的双螺母滚珠丝杠副，名义直径为30mm，螺距为5mm，一个螺母工作滚珠3.5圈，单列，B级精度，左旋，丝杠的螺纹部分长度为800mm，丝杠的总长度为1000mm。三、进给系统传动间隙的消除数控机床进给系统中的减速齿轮除了本身要求很高的运动精度和工作平稳性以外，尚还需尽可能消除传动齿轮副间的传动间隙。否则，齿侧间隙会造成进给系统每次反向运动滞后于指令信号，丢失指令脉冲并产生反向死区，对加工精度影响很大。因此必须采用各种方法去减小或消除齿轮传动间隙。四、导轨导轨是进给系统的重要环节，是机床的基本结构的要素之一，机床的加工精度和使用寿命很大程度上决定于机床导轨的质量，而数控机床对于导轨有着更高的要求：如高速进给时不振动，低速进给时不爬行，有高的灵敏度,能在重载下长期连续工作，耐磨性高，精度保持性要好。导轨应满足的基本要求：1）良好的导向精度，包括运动部件的移动直线性和圆运动的真圆性。2）良好的精度保持性，即能够长期保持原始精度。3）足够的刚度，由于导轨承受很大负载，故必须使摩擦副具有良好的摩擦特性。第二章第四节数控机床回转工作台为了提高数控机床的生产效率，扩大其工艺范围，对于数控机床的进给运动除了沿坐标轴X、Y、Z三个方向的直线进给运动之外，常常还需要有绕X、Y、Z轴的圆周进给运动。通常数控机床的圆周进给运动，可以实现精确的自动分度改变工件相对于主轴的位置，以便分别加工各个表面，这对箱体零件的加工带来了便利。对于自动换刀的多工序数控机床来说，回转工作台已成为一个不可缺少的部件。一、数控回转工作台二、分度工作台数控机床中常用的回转工作台有数控回转工作台和分度工作台。一、数控回转工作台数控回转工作台主要用于数控镗床和铣床。从外形上看它与分度工作台没有多大差别，但在内部结构和功用上则有较大的不同。如图所示数控回转工作台由传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置等组成。二、分度工作台分度工作台是按照数控系统的指令，在需要分度时工作台连同工件回转规定的角度，有时也可采用手动分度。分度工作台只能够完成分度运动而不能实现圆周运动，并且它的分度运动只能完成一定的回转度数如90°、60°或45°等。第二章第五节数控加工使用的刀具及自动换刀系统一、数控加工使用的刀具二、自动换刀系统一、数控加工使用的刀具数控机床所用刀具的标准化和系列化、编程前刀具的选用以及加工前刀具的预调整等都尤为重要。数控机床能否发挥其最大效益，数控加工用刀具的正确选择和使用成为非常重要的因素。用回转型刀具的数控加工，使用的刀具类型繁多，但通常都是由连接主轴刀柄、中间接杆和适用刀具三部分组成。回转型标准的连接主轴刀柄与主轴孔大多数是锥度为7:24的锥面。如图。二、自动换刀系统为了进一步减少非切削时间，数控机床正朝着在一台数控机床的一次装夹中完成多工序加工的方向发展，这类机床必须带有自动换刀系统，通常称为数控加工中心机床，简称加工中心。自动换刀系统应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储存量、刀库占地面积小以及安全可靠等基本要求。1、自动换刀装置的形式各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。这种装置主要可以分为以下几种形式：（1）回转刀架换刀这是一种最简单的自动换刀装置。回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力，且更有必要选择可靠的刀具定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度。（2）主轴头转位换刀在带有旋转刀具的数控机床中，使主轴头转位是一种比较简单的换刀方式。（3）带刀库的自动换刀系统带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成，目前它是加工中心机床上应用最广泛的换刀方法。为了缩短换刀时间，还出现了另一种带刀库的多主轴换刀系统。第二章第五节数控加工用辅助装置一