第7章 数控机床机械结构

1本次讲授主要内容：7.1、数控机床的结构特点及要求7.2、数控机床进给伺服系统的机械传动结构7.3、数控机床的主传动系统第7章数控机床机械结构2第7章数控机床机械结构3第7章数控机床机械结构为了保证机床具有很大的工艺适应性能和连续稳定工作的能力，数控机床结构设计的特点是具有足够的刚度、精度、抗振性、热稳定性和精度保持性。47.1、数控机床的结构特点及要求第7章数控机床机械结构数控机床机械结构机床基础件：床身、底座、立柱、横梁、工作台主运动系统（主轴）进给传动系统辅助功能部件：气动、润滑、冷却、排屑、防护等刀架或自动换刀装置自动托盘交换装置特殊功能装置：刀具破损监控、精度检测等。57.1、数控机床的结构特点及要求第7章数控机床机械结构与普通机床相比，在机械传动和结构上有以下一些特点1．采用高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，机械传动结构大为简化，传动链缩短。2．采用刚度和抗振性较好的机床新结构。如动静压轴承的主轴部件、钢板焊接结构的支承件等。3．采用在效率、刚度、精度等各方面较优良的传动元件，如滚珠丝杠螺母副、静压蜗杆副以及塑料滑动导轨、滚动导轨、静压导轨等。67.1、数控机床的结构特点及要求第7章数控机床机械结构与普通机床相比，在机械传动和结构上有以下一些特点4．采用多主轴、多刀架结构以及刀具与工件的自动夹紧装置、自动换刀装置和自动排屑、自动润滑冷却装置等，以改善劳动条件，提高生产率。5．采取减小机床热变形的措施，保证机床的精度稳定，获得可靠的加工质量。对数控机床机械结构的具体要求见表7-1。7机械传动结构是进给伺服系统的重要组成部分，它包括减速齿轮、联轴节、滚珠丝杠螺母副、丝杠支承、导轨副、传动数控回转工作台的蜗杆蜗轮等机械环节。它们的刚性、制造精度、摩擦阻尼特性等，对执行件能否实现每一脉冲的微量移动有重要影响。另外，进给传动系统的驱动力矩很大，负载变化频繁，故对刚度也有特殊的要求。第7章数控机床机械结构7.2、数控机床进给伺服系统的机械传动结构81．导轨的基本类型（1）按运动轨迹分①直线运动导轨。导轨副的相对运动轨迹为一直线，如卧式车床的床鞍和床身之间的导轨。②圆周运动导轨。导轨副的相对运动轨迹为圆，如立式车床的工作台和底座之间的导轨。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨91．导轨的基本类型（2）按摩擦性质分①普通滑动导轨。导轨工作面之间的摩擦性质为滑动摩擦。②滚动导轨。导轨工作面之间为滚动摩擦，它由导轨面间的滚珠、滚柱或滚针等滚动体实现。③静压导轨。导轨面之间为纯液体摩擦，不产生磨损，低速不易产生爬行，承载能力大，刚性好；承载油膜有良好吸振作用，抗振性好。滑动导轨滚动导轨静压导轨第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨102．对导轨的基本要求（1）导向精度导向精度主要是指运动部件沿导轨运动轨迹的直线度(对直线运动导轨)或圆度(对圆周运动导轨)。（2）耐磨性耐磨性直接影响机床的精度保持性，是导轨设计制造的关键，也是衡量机床质量好坏的重要标志。（导轨副中，固定导轨的材料应较硬，运动导轨的材料应较软。）第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨112．对导轨的基本要求（3）刚度导轨受力后变形会影响部件之间的相对位置和导向精度，因此要求导轨有足够高的刚度。（4）低速运动平稳性运动部件低速移动时易产生爬行。故要求导轨低速运动平稳。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨123．滑动导轨应用于对低速均匀性及定位精度要求不高的机床中。（1）滑动导轨的结构1）直线滑动导轨的截面形状①矩形导轨。②三角形导轨。③燕尾形导轨。④圆柱形导轨。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨133．滑动导轨（1）滑动导轨的结构1）直线滑动导轨的截面形状①矩形导轨。制造简便，刚度和承载能力大，水平方向和垂直方向上的位移互不影响，因此安装、调整都较方便。M面是保证在垂直面内直线移动精度的导向面，又是承受载荷的主要支承面；N面是保证水平面内直线移动精度的导向面。因N面磨损后不能自动补偿间隙，所以需要有间隙调整装置。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨143．滑动导轨（1）滑动导轨的结构1）直线滑动导轨的截面形状②三角形导轨。山形导轨及V形导轨均称三角形导轨，当其水平布置时，在垂直载荷作用下，导轨磨损后能自动补偿，不会产生间隙，因此导向性好。但压板面仍需要有间隙调整装置。导向性能与顶角有关，顶角α越小，导向性越好；α角加大，承载能力增加。大型或重型机床，可取α=110°～120°精密机床，常取α＜90°。支承导轨为凸三角形时，不易积存较大切屑，也不易存润滑油。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨153．滑动导轨（1）滑动导轨的结构1）直线滑动导轨的截面形状③燕尾形导轨。可以看成是三角形导轨的变形。其磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整。两燕尾面起压板面作用，用一根镶条就可调整水平、垂直方向的间隙。导轨制造、检验和修理较复杂，摩擦阻力大。当承受垂直作用力时，它以支承平面为主要工作面，它的刚度与矩形导轨相近；当承受颠覆力矩时，其斜面为主要工作面，刚度较低。燕尾形导轨一般用于要求高度小的多层移动部件。两个导轨面间的夹角为55°。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨163．滑动导轨（1）滑动导轨的结构1）直线滑动导轨的截面形状④圆柱形导轨。制造简单，内孔可珩磨，外圆经过磨削可达到精密配合，但磨损后调整间隙困难。为防止转动，可在圆柱表面上开键槽或加工出平面，但不能承受大的转矩。圆柱形导轨主要用于受轴向载荷的场合，适用于同时作直线运动和转动的场合，如拉床、珩磨机及机械手等。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨173．滑动导轨（1）滑动导轨的结构2）直线运动导轨的组合形式从限制自由度的角度出发，采用一条导轨即可。用一条导轨，移动部件无法承受颠覆力矩。直线运动导轨一般由两条导轨组合。重型机床，常用三条或三条以上导轨的组合第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨183．滑动导轨（1）滑动导轨的结构2）直线运动导轨的组合形式①双三角形组合。②双矩形组合。③V形一平导轨组合。④三角形一矩形组合。⑤平－平－三角形组合。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨193．滑动导轨（1）滑动导轨的结构2）直线运动导轨的组合形式①双三角形组合。这种导轨同时起支承、导向作用，磨损后相对位置不变，能自行补偿垂直方向及水平方向的磨损，导向精度高，但要求四个表面的刮削或磨削后接触，工艺性较差，床身与运动部件热变形不一样时，不易保证四个面同时接触。这种导轨用于龙门刨床与高精度车床。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨203．滑动导轨（1）滑动导轨的结构2）直线运动导轨的组合形式②V形一平导轨组合。不需要用镶条调整间隙，导向精度高，加工装配也较方便，温度变化不会改变导轨面的接触情况，但热变形会使移动部件水平偏移，通常用于磨床、精密镗床上。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨213．滑动导轨（1）滑动导轨的结构2）直线运动导轨的组合形式③双矩形组合。这种导轨主要承受与主支承面相垂直的作用力。此外，侧导向面要用镶条调整间隙，接触刚度低，承载能力大，导向性差。双矩形组合导轨制造、调整简单，用于普通精度机床，如升降台铣床、龙门铣床等。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨223．滑动导轨（1）滑动导轨的结构2）直线运动导轨的组合形式④三角形一矩形组合。三角形一矩形组合导轨兼有导向性好、制造方便等优点，应用最为广泛。常用于车床、磨床、精密镗床、滚齿机等机床上。三角形导轨作主要导向面，导向性比双矩形好。三角形导轨磨损后不能调整，对位置精度有影响。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨233．滑动导轨（1）滑动导轨的结构2）直线运动导轨的组合形式⑤平－平－三角形组合。是用于重型龙门刨床工作台导轨的一种形式，三角形导轨主要起导向作用，平导轨主要起承载作用，不需用镶条调整间隙。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨243．滑动导轨（1）滑动导轨的结构3）圆周运动导轨主要用于圆形工作台、转盘和转塔头架等旋转运动部件。①平面圆环导轨。②锥形圆环导轨。③V形圆环导轨。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨253．滑动导轨（2）塑料滑动导轨塑料滑动导轨具有耐磨性好，具有自润滑功能；摩擦因数小，动、静摩擦因数差小；减振性好，具有良好的阻尼性；耐磨性好，有自润滑作用；加工性好，工艺简单，化学性能好(耐水、耐油)，维修方便，成本低等特点。数控机床采用的塑料滑动导轨有铸铁一塑料滑动导轨和镶钢一塑料滑动导轨。塑料滑动导轨常用在导轨副的运动导轨上，与之相配的金属导轨采用铸铁或钢质材料。塑料滑动导轨分为注塑导轨和贴塑导轨，导轨上的塑料常用环氧树脂耐磨涂料和聚四氟乙烯导轨软带。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨263．滑动导轨（2）塑料滑动导轨①注塑导轨注塑导轨滑座胶条注塑层注塑的材料是以环氧树脂和二硫化钼为基体，加入增塑剂，混合成膏状为一组分，固化剂为另一组分的双组分塑料。这种涂料附着力强，具有良好的可加工性，可经车、铣、刨、钻、磨削和刮削加工；也有良好的摩擦特性和耐磨性，而且抗压强度比聚四氟乙烯导轨软带要高，固化时体积不收缩，尺寸稳定。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨273．滑动导轨（2）塑料滑动导轨②贴塑导轨在导轨滑动面上贴一层抗磨的塑料软带，与之相配的导轨滑动面经淬火和磨削加工。软带以聚四氟乙烯为基材，添加合金粉和氧化物制成。塑料软带可切成任意大小和形状，用胶黏剂粘接在导轨基面上。由于这类导轨软带用粘接方法，故称为贴塑导轨。贴塑导轨第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨284．滚动导轨滚动导轨有下列优点：①运动灵敏度高。②定位精度高。③牵引力小，移动轻便。④磨损小，精度保持性好。⑤润滑系统简单，维修方便。滚动导轨缺点：抗振性较差，对防护要求也较高。结构复杂，制造困难，成本较高。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨294．滚动导轨滚动导轨按滚动体形式的不同，可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨等。（1）滚动导轨类型1）滚珠导轨。其结构特点为点接触，摩擦阻力小，承载能力较差，刚度低，其结构紧凑、制造容易、成本较低。通过合理设计滚道圆弧可大幅度降低接触应力，提高承载能力。滚珠导轨一般适用于运动部件质量小于200kg，切削力矩和颠覆力矩都较小的机床。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨304．滚动导轨（1）滚动导轨类型2）滚柱导轨。滚动体与导轨之间是线接触，承载能力较同规格滚珠导轨高一个数量级，刚度高。滚柱导轨对导轨面的平面度敏感，制造精度要求比滚珠导轨高适用于载荷较大的机床。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨314．滚动导轨（1）滚动导轨类型3）滚针导轨。滚针尺寸小，结构紧凑。承载能力大，刚度高。对导轨面的平面度更敏感，对制造精度的要求更高。摩擦因数较大，适用于导轨尺寸受限制的机床。第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨324．滚动导轨（2）滚动导轨的结构形式2)滚动导轨块采用循环式圆柱滚子，与机床床身导轨配合使用，不受行程长度的限制，刚度高。导轨块用螺钉固定在动导轨体上，滚动体3在导轨块6与保持器5之间滚动，并经挡板2及上面的返回槽作循环运动。1－防护板；2－端面挡板；3－滚柱；4－导向片；5－保持器；6－导轨块第7章数控机床机械结构7.2.2数控机床导轨