第二章数控机床的机械结构与传动

数控机床的进给传动系统数控机床的主传动系统数控机床的典型机械结构概述第二章数控机床的机械结构与传动第一节概述第二章数控机床的机械结构与传动机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置的各种运动和动作指令，都必须由机床本体转换成真实的、准确的机械运动和动作，才能实现数控机床的功能，并保证数控系统性能的要求。第二章数控机床的机械结构与传动第二章数控机床的机械结构与传动第二章数控机床的机械结构与传动第一节概述第二章数控机床的机械结构与传动第一节概述第二章数控机床的机械结构与传动第一节概述第二章数控机床的机械结构与传动第一节概述第二章数控机床的机械结构与传动机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置的各种运动和动作指令，都必须由机床本体转换成真实的、准确的机械运动和动作，才能实现数控机床的功能，并保证数控系统性能的要求。数控机床的本体由下列各部分组成：1.机床基础件，床身，底座，立柱，滑座，工作台等。支承作用。2.主传动系统，实现主运动。3.进给系统，实现进给运动。4.实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，液压，气动，润滑，冷却，防护，排屑。5.实现工件回转、分度定位的装置和附件，回转工作台。6.刀库、刀架和自动换刀装置（ATC）7.托盘交换装置(APC)8.特殊功能装置，如刀具破损监测、精度检测和监控装置等。其中，1—4为基本件，5—8为可选件。第一节概述1.1数控机床对机械结构的基本要求第二章数控机床的机械结构与传动1）较高的机床静、动刚度及良好的抗振性；2）减小机床的热变形；3）减少运动件间的摩擦和消除传动间隙；4）提高机床的寿命和精度保持性；5）操作方便安全可靠。1、高精度2、高速度3、高自动化要求数控机床必须具有很高的强度、刚度和抗振性因此，数控机床的功能要求和设计要求与普通机床有较大的差异。数控机床的结构设计要求可以归纳为如下几方面：1、具有大切削功率，高的静、动刚度和良好的抗振性能；2、具有较高的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性；3、具有实现辅助操作自动化的结构部件。1、较高的机床静、动刚度及良好的抗振性（1）提高刚度的原因①在重载荷的作用下，机床的各部件、构件会受力变形，引起刀具和工件的相对位置的变化②机床刚度差—影响机床抗振性刚度:是指支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵抗变形的能力(静刚度)(动刚度)1、较高的机床静、动刚度及良好的抗振性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性；改善并构件间的连接形式；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。（2）提高刚度的措施①合理选择支承件的结构形式措施1支承件截面形状尽量选用抗弯的方截面和抗扭的圆截面或采用封闭型床身封闭整体箱形结构措施2合理布置支承件隔板的筋条隔板的作用是将作用于支承板的局部载荷传递给其它壁板,从而使整个支承件承受载荷,提高支承件的自身刚度“T”形隔板连接，主要提高水平面抗弯刚度，对提高垂直面抗弯刚度和抗扭刚度不显著，多用在刚度要求不高的床身上（2）提高刚度的措施“W”形隔板，能较大地提高水平面上的抗弯抗扭刚度，对中心距超过1500mm的长床身，效果最为显著（2）提高刚度的措施“”形隔板，在垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较高，铸造性能好，在大中型车床上应用较多（2）提高刚度的措施斜向拉筋，床身刚度最高，排屑容易（2）提高刚度的措施措施3增加导轨与支承件的连接部分的刚度连接刚度:支承件在连接处抵抗变形的能力,称为支承件的连接刚度.（2）提高刚度的措施措施4增加机床各部件的接触刚度和承载能力采用刮研的方法增加单位面积上的接触点在结合面之间施加足够大的预加载荷,增加接触面积（2）提高刚度的措施②合理的结构布局（2）提高刚度的措施③合理选用构件的材料床身、立柱等支承件采用钢板或型钢焊接——增加刚度、减轻重量、提高抗振性铸件:容易获得复杂结构的支承件,铸铁的内摩擦力大,阻尼系数大,振动的衰减性能好,成本低.铸件的周期较长,需做木型模,易产生缩孔、气泡等缺陷焊接件:钢材的强度比铸铁高，质量可比铸件减轻20%-50%，不需要木模和浇注，生产周期短，不易出现废品（2）提高刚度的措施（2）提高抗振性的措施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：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；提高机械部件的静态刚度和固有频率，避免共振，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。措施1采用封砂床身结构在铸件中不清除砂心，在焊接件中灌注混凝土或砂增加摩擦阻力，提高抗振性。人造大理石床身（混凝土聚合物）措施2采用混凝土、树脂混凝土或人造花岗岩作支承件的材料天然大理石床身2、减少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：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；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；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；采用对称结构设计，使部件均匀受热；对切削部分采用高压、大流量冷却系统冷却等等。减少热变形的措施：①减少发热—将热源从主机中分离出去措施1主运动采用直流或交流调速电动机进行无级调速——减少传动轴和传动齿轮数量——减少主传动箱内的发热量措施2采用低摩擦系数的导轨和轴承——采用滚动导轨、静压导轨或滚动轴承主轴冷却风管对机床热源进行强制冷却②控制温升主轴冷却风管对机床热源进行强制冷却对称结构立柱措施1采用对称原则设计数控机床结构③改善机床结构机床排屑系统措施2采用排屑系统倾斜床身措施2采用排屑系统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。这样，刀尖沿工件切向的偏移对工件径向尺寸的变化影响极小。这就可以使主轴热变形对加工直径的影响降低到最小限度。④进行热变形补偿3、减少运动件间的摩擦和消除传动间隙措施1采用滚动导轨或静压导轨来减少摩擦副之间的摩擦措施2采用滚珠丝杠或无间隙齿轮传动—减小摩擦4、提高机床寿命和精度保持性措施1采用耐磨性好的零部件措施2机床运动部件间具有良好的润滑5、操作方便安全可靠数控机床大都采用机、电、液、气一体化布局，全封闭或半封闭防护，机械结构大大简化，易于操作及实现自动化。便于操作的机床结构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。工作台完成进给数控铣床四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。（a）适应较轻工件；（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。1）数控机床布局特点（1）不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量工作台与铣头完成进给数控铣床四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。（a）适应较轻工件；（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。1）数控机床布局特点（1）不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量工作台与铣头完成进给多刀加工数控铣床四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。（a）适应较轻工件；（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。1）数控机床布局特点（1）不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量铣头进给数控铣床四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。（a）适应较轻工件；（b）适应较大尺寸工件；（c）适应较重工件；（d）适应大型、重型工件。1）数控机床布局特点（1）不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量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中（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；（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；3）不同布局有不同的机床结构性能数控卧式镗铣床中，(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）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°，大型的数控车床采用75°（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。第二章数控机床的机械结构与传动为了简化机械传动结构、缩短传动链，数控机床多采用高性能的无级变速主轴及伺服传动系统为了适应连续的自动化加工和提高生产效率，数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小为了减小摩擦、消除传动间隙和获得高加工精度，数控机床更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠螺母副、塑料导轨、滚动导轨、静压导轨等为了改善劳动条件、改善操作性能、提高劳动生产率，数控机床采用多主轴、多刀架结构，刀具与工件的自动夹紧装置，自动换刀装置，自动排屑装置及自动润滑冷却装置等为了保证机床精度的稳定性、获得可靠的加工质量，数控机床多采取减小热变形的措施第一节概述数控机床机械结构的特点第二节数控机床的典型机械结构2.1滚珠丝杠螺母结构滚珠丝杠螺母副是机床上常用的将旋转运动转换为直线运动的传动机构。1—螺母；2—滚珠；3—丝杠；a—滚珠出口；b—滚珠回路通道；c—滚珠入口滚珠丝杠螺母副的工作原理第二章数控机床的机械结构与传动在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则沿着滚道流动。其结构原理如图所示。在丝杠1和螺母3上都装有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道（在图中b所指的位置），将几圈螺旋滚道的两端连接起来，构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠4。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母（或丝杠）轴向移动。第二节数控机床的典型机械结构2.1滚珠丝杠螺母结构滚珠丝杠螺母副的特点第二章数控机床的机械结构与传动滚珠丝杠螺母副优点：1)传动效率高，摩擦损失小。2)3)传动精度高，反向时无空程。4)磨损小，精度保持性好，使用寿命长。5)具有运动的可逆性。滚珠丝杠螺母副缺点：1）由于结构复杂，丝杠和螺母等元件的加工精度和表面质量要求高，因此制造成2）由于不能自锁，特别是垂直安装的滚珠丝杠传动，会因部件的自重而自动下降，当部件向下运动且切断动力源时，由于部件的自重和惯性，滚珠丝杠不能立即停止运动，因此必须增加制动装置。第二节数控机床的典型机械结构滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环按滚珠在滚道内的循环方式分滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的称为内循环滚珠丝杠螺母副的循环方式第二章数控机床的机械结构与传动2.1滚珠丝杠螺母结构第二节数控机床的典型机械结构滚珠丝杠螺母副的循环方式外循环这种结构是在螺母体上轴向相隔数个导程处钻两个孔与螺旋槽相切，作为滚珠的进口与出口，再在螺母的外表面上铣出回珠槽并沟通两孔。另外在螺母内进口、出口处各装一挡珠器，并在螺母外表面装一套筒，这样构成封闭的循环滚道。滚珠在循环过程结束后，通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。结构简单，工艺性好