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模块二数控机床机械结构本章讲述的内容数控机床机械结构概述主传动系统及主轴部件进给系统传动部件回转工作台和工作台面自动交换装置自动换刀装置其它辅助装置1课题一数控机床机械结构概述一、熟悉数控车床的机械结构2二、熟悉加工中心的机械结构第一节数控机床机械结构概述3TIANJIN中德培训中心刀库主轴X轴Y轴Z轴操作显示单元机械手4主轴的作用支撑安装其上的旋转零部件及传递扭矩5进给部件：其作用是在伺服电机的驱动下完成直线运动的定位、进给。6下图是滚珠丝杠、联轴节的实物照片。自动换刀装置：7数控车床的转塔刀架、加工中心的刀库及换刀机构，能够使工件一次装夹后不用再拆卸工件就可完成多工序的加工。位置检测装置：完成位置信号的反馈，反馈精度决定了机床的加工精度。以下是：光电编码器、直线光栅尺、圆光栅、位置传感器等位置检测元件。8三、数控机床机械结构的主要特点（1）高刚度：适应高速和重切削工况（2）高灵敏度：适应自动状态下的高精度要求（3）高抗振性：保证工件的高精度和低表面粗糙度（4）热变形小：保证部件的运动精度（5）高精度保持性：保证高速重载工况下的加工精度（6）高可靠性：保证自动或半自动条件下无故障工作（7）刀具先进：刀具耐用度高结构合理9四、提高数控机床性能的措施1.合理选择数控机床的总体布局机床的总体布局直接影响到机床的结构和性能。合理选择机床布局，不但可以使机械结构更简单、合理、经济，而且能提高机床刚度、改善机床受力情况，提高热稳定性和操作性能，使机床满足数控化的要求。如：在数控机床上采用斜床身布局，可以改善受力情况，提高床身的刚度，提高操作性能。在高速加工机床上，则通过采用固定门式立柱（立式机床）、“箱中箱”（卧式机床）等特殊的布局型式，以最大限度地降低运动部件的质量，提高机床部件的快进速度和加速度，以满足高速加工的需要。10（1）不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量数控铣床四种布局方案适应的工件重量、尺寸不同。a）适应较轻工；b）适应较大尺寸工件；c）适应较重工件；d）适应更重更大工件。（2）不同布局有不同的运动分配及工艺范围数控镗铣床的三种布局方案：a）主轴立式布置，上下运动，对工件顶面进行加工；b）主轴卧式布置，加工工作台上分度工作台的配合，可加工工件多个侧面；c）在（b）基础上再增加一个数控转台，可完成工件上更多内容的加工。（3）不同布局有不同的机床结构性能数控卧式镗铣床中：（a）、（b）为T形床身布局，工作台支承于床身，刚度好，工作台承载能力强；(c)、(d)工作台为十字形布局，（c）主轴箱悬挂于单立柱一侧，使立柱受偏载；(d)主轴箱装在框式立柱中间，对称布局，受力后变形小，有利于提高加工精度。（4）不同布局影响机床操作方便程度数控车床的四种不同布局方案，（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；4）不同布局影响机床操作方便程度（b）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。2.提高结构件的刚度结构的刚度直接影响机床的精度和动态性能。机床的刚度主要决定于组成机械系统的部件质量、刚度、阻尼、固有频率以及负载激振频率等。提高机床结构刚度主要措施有：改善机械部分构件；利用平衡机构补偿部件变形；改善构件间的连接形式；缩短传动链，适当加大传动轴，对轴承和滚珠丝杠等传动部件进行预紧等等。四、提高数控机床性能的措施16四、提高数控机床性能的措施3.提高机床抗振性高速转动零部件的动态不平衡力与切削产生的振动，是引起机床振动的主要原因。提高数控机床抗振性的主要措施有：（1）对机床高速转旋转部件，特别是主轴部件进行动平衡，对传动部件进行消隙处理，减少机床激振力；（2）提高机械部件的静态刚度和固有频率，避免共振；（3）在机床结构大件中充填阻尼材料，在大件表面喷涂阻尼涂层抑制振动等。17四、提高数控机床性能的措施4.改善机床的热变形引起机床热变形的主要原因是机床内部热源发热，摩擦以及切削产生的发热。减少机床热变形的措施主要有：（1）采用伺服电动机和主轴电动机、变量泵等低能耗执行元件，减少热量的产生；（2）简化传动系统的结构，减少传动齿轮、传动轴，采用低摩擦系数的导轨和轴承，减少摩擦发热；（3）采用对称结构设计，使部件均匀受热；（4）改善散热条件、增加隔热措施、对发热部件（如：电柜、丝杆、油箱等）进行强制冷却，吸收热量，避免温升；（5）对切削部分采用高压、大流量冷却系统冷却等等。18四、提高数控机床性能的措施5.保证运动的精度和稳定性机床的运动精度和稳定性，不仅和数控系统的分辨率、伺服系统的精度的稳定性有关，而且还在很大程度上取决于机械传动的精度。传动系统的刚度、间隙、摩擦死区、非线性环节都对机床的精度和稳定性产生很大的影响。减小运动部件的质量，采用低摩擦系数的导轨和轴承以及滚珠丝杆副、静压导轨、直线滚动导轨、塑料滑动导轨等高效执行部件，可以减少系统的摩擦阻力，提高运动精度，避免低速爬行。缩短传动链，对传动部件进行消隙，对轴承和滚珠丝杠进行预紧，可以减消机械系统的间隙和非线性影响，提高机床的运动精度和稳定性。19课题二数控机床主传动系统及主轴部件一数控机床主传动系统的要求：数控机床主传动系统是指数控机床的主轴运动传动系统，是机床的成形运动之一，其精度决定了零件的加工精度。1.具有较大的调速范围并实现无级调速：数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，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.具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪音低。3.具有良好的抗振性和热稳定性。20二、主轴传动的配置方式数控机床主传动主要有以下三种配置方式1.带有变速齿轮的主传动2.通过带传动的主传动3.调速电机直接驱动的主传动abc211.带有变速齿轮的主传动通过几对齿轮降速，成为分段无级变速，确保低速时有足够的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。滑移齿轮的位移常采用液压拨叉或直接有液压缸带动齿轮来实现。这种配置方式在大中型数控机床中应用较多，也有一部分小型数控机床采用这种传动方式，获得强力切削需要的扭矩。如图a所示222.通过带传动的主传动23带的结构形式(a)多楔带;(b)同步齿形带主要用在转速较高、变速范围不大的小型数控机床上。可以避免由齿轮传动所引起的振动和噪声。适用于高速低转矩特性的主轴，常用有多楔带和同步齿形带。24同步齿形带的结构和传动同步齿形带传动是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动方式，带型有梯形齿和圆弧齿。3.调速电机直接驱动的主传动这种传动方式大大简化了主轴箱与主轴的结构，提高了主轴部件的刚度。但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴影响较大。如图c所示。25直接驱动式三、主轴的变速方法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转速，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。主轴在齿轮变速中常用变速方法为：1.液压拨叉如图2-2所示2.电磁离合器如图2-3和2-4所示261、液压拨叉27滑移齿轮液压拨叉带动滑移齿轮实现变速。2、电磁离合器28电磁离合器是靠磁力吸引，增加片间摩擦力，或者使其镶入齿内，来传递扭力。图2-3为无集电环摩擦片式电磁离合器。连接件2和套筒3是输入输出端，即通电后2与3连在一起运动，断电后，2、3各自独立转动。29主轴轴承常见的支撑形式(a)形式一；(b)形式二；(c)形式三1）前支撑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，后支撑采用成对向心推力球轴承。可提高主轴的综合刚度，满足强力切削的要求。普遍用于各类数控机床主轴。4主轴轴承的主要配置形式前支承后支承2）前支撑采用高精度双列向心推力球轴承。能承受径向、双向轴向负载，组配使用能满足刚度要求，并能方便的消除轴向和径向间隙对其预紧。这种轴承允许主轴的最高转速较高，可达4000r／min，但承载能力小，适于高速、轻载、高精密的数控机床主轴。在立式、卧式加工中心上得到广泛应用，主轴轴承常见的支撑形式(a)形式一；(b)形式二；(c)形式三前支承后支承31主轴轴承常见的支撑形式(a)形式一；(b)形式二；(c)形式三前支承后支承3）前后支撑分别采用双列和单列圆锥滚子轴承。径向和轴向刚度高，能承受重载荷（尤其较强的动载荷），容易消除间隙和预紧，其安装、调整性能好，但限制了主轴转速和精度，因此可用于中等精度、低速、重载的数控机床的主轴。轴承的性能比较32机床采用的是7∶24号锥柄刀具，锥柄的尾端安装有拉钉，拉杆通过4个钢球拉住拉钉的凹槽，使刀具在主轴锥孔内定位及夹紧。33五、主轴内刀具的自动夹紧和切屑的清除装置机床执行换刀指令，机械手从主轴拔刀时，主轴需松开刀具。这时，液压缸上腔通压力油，活塞推动拉杆向下移动，使碟形弹簧压缩，钢球进入主轴锥孔上端的槽内，刀柄尾部的拉钉被松开，机械手拔刀。加工中心主轴前端有7∶24号锥孔，内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构。341—刀架；2—拉钉；3—主轴；4—拉杆；5—碟形弹簧；6—活塞；7—液压缸；8、10—行程开关；9—压缩空气管接头；11—弹簧；12—钢球；13—端面键压缩空气进入活塞和拉杆的中孔，吹净主轴锥孔，为装入新刀具做好准备。当机械手将下一把刀具插入主轴后，液压缸上腔无油压，在碟形弹簧和弹簧的恢复力作用下，拉杆、钢球和活塞退回到图示的位置，使刀具被夹紧。刀杆夹紧机构用弹簧夹紧，液压放松，以保证在工作中突然停电时，刀杆不会自行松脱。351—刀架；2—拉钉；3—主轴；4—拉杆；5—碟形弹簧；6—活塞；7—液压缸；8、10—行程开关；9—压缩空气管接头；11—弹簧；12—钢球；13—端面键自动换刀卧式镗铣床主轴的夹紧机构361—刀杆；2—主轴；3—钢球；4—喷气头；5—套筒；6、8—碟形弹簧；7—拉杆；9—定向凸轮；10—定向开关挡块；11—活塞六、主轴的准停装置主轴准停换刀示意图又称为主轴定位功能，这是自动换刀所必需的功能。在自动换刀的镗铣加工中心上，切削的转矩通常是通过刀杆的端面键来传递的，这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能。37主轴准停阶梯孔或精镗孔示意图当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，必须先让刀，再退刀，因此，刀具就必须具有定位功能。六、主轴的准停装置381）机械准停控制采用机械凸轮机构或光电盘方式进行粗定位，然后有一个液动或气动的定位销插入主轴上的销孔或销槽实现精确定位，完成换刀后定位销退出，主轴才开始旋转。结构复杂，在早期数控机床上使用较多。典型的V形槽轮定位盘机械准停原理示意图六、主轴的准停装置391）当执行准停指令时，首先发出降速信号，主轴箱自动改变传动路线，使主轴以设定的低速运转。2）延时数秒后，接通无触点开关，当定位盘上的感应片（接近体）对准无触点开关时，发出准停信号，立即使主轴电动机停转并断开主轴传动链，此时主轴电动机与主传动件依惯性继续空转；3）在经过短暂延时，接通压力油，定位液压缸动作，活塞带动定位滚子压紧定位盘的外表面，当主轴带动定位盘慢速旋转至V形槽对准定位滚子时，滚子进入槽内，使主轴准确停止，同时限位开关LS2信号有效，表明主轴准停动作完成。4）这里LS1为准停释放信号。采用这种准停方式，必须要有一定的逻辑互锁，即当LS2信号有效时，才能进行换刀动作；只有在LS1信号有效后，才能启动主轴电动机正常运转。准停控制通常由数控系统所配的可编程控制器完成。2）电气准停控制永久磁铁与磁传感器在主轴上的位置磁传感器主轴准停控制在主轴上安装一个永久磁铁与主轴一起旋转，在距离永磁体旋转外轨迹1~2mm处固定一个磁传感器，它经过放大器并与主轴控制单元相连接，当主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。六、主轴的准停装置43编码器主轴准停控制原理图编码器主轴准停控制通过主轴电动机内置安装的位置编码器或在机床主