第五章数控机床的机械结构

第五章数控机床的机械结构一、数控机床对结构的要求1、数控机床自身特点对其结构的影响（1）高自动化程度（2）高速大功率和高精度（3）多工序和多功能集成（4）高的可靠性和精度保持性2、数控机床对结构的要求（1）数控机床应具备更高的静动刚度（2）数控机床应有更小的热变形（3）数控机床运动件之间的摩擦要小，传动系统的间隙要消除（4）数控机床应有更好的宜人性3、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（2）提高结构件的刚度（3）提高机床抗震性（4）改善机床的热变形（5）保证运动的精度和稳定性二、数控机床的布局特点1、数控车床的布局结构特点数控车床的床身结构和导轨主要有平床身、斜床身以及立式床身三种等。一般中小型数控车床多采用倾斜床身或水平床身斜滑板结构。因为这种布局结构具有机床外形美观，占地面积小，易于排屑和冷却液的排流，便于操作者操作与观察，易于安装上下料机械手，实现全面自动化等特点。倾斜床身还有一个优点是可采用封闭截面整体结构，以提高床身的刚度。床身导轨倾斜角度多为45、60和70度，但倾斜角度太大会影响导轨的导向性及受力情况。水平床身加工工艺性好，其刀架水平放置，有利于提高刀架的运动精度，但这种结构床身下部空间小，排屑困难。2、加工中心的布局结构特点（1）卧式加工中心卧式加工中心通常采用移动式立柱，工作台不升降，T形床身。卧式加工中心的立柱普遍采用双立柱框架结构形式，主轴箱在两立柱之间，沿导轨上下移动。这种结构刚性大，热对称性好，稳定性高。小型卧式加工中心多数采用固定立柱式结构，其床身不大，且都是整体结构。卧式加工中心各个坐标的运动可由工作台移动或由主轴移动来完成，也就是说某一方向的运动可以由刀具固定，工件移动来完成，或者是由工件固定，刀具移动来完成。（2）立式加工中心立式加工中心与卧式加工中心相比，结构简单，占地面积小，价格也便宜。中小型立式加工中心一般都采用固定立柱式，因为主轴箱吊在立柱一侧，通常采用方形截面框架结构、米字形或井字形筋板，以增强抗扭刚度，而且立柱是中空的，以放置主轴箱的平衡重。立式加工中心通常也有三个直线运动坐标，由溜板和工作台来实现平面上X、Y两个坐标轴的移动。三、数控机床的主传动系统1、主传动变速（主传动链）现代数控机床的主运动广泛采用无级变速传动，用交流调速电机或直流调速电机驱动，它们能方便地实现无级变速，且传动链短，传动件少，提高了变速的可靠性，其制造精度则要求很高。其主传动主要有以下三种形式：（1）带有二级齿轮变速如图所示，主轴电机经过二级齿轮变速，使主轴获得低速和高速两种转速系列，这种分段无级变速，确保低速时的大扭矩，满足机床对扭矩特性的要求。滑移齿轮常用液压拨叉和电磁离合器来改变其位置。主轴电机（2）带有定比传动如图所示，主轴电机经定比传动传递给主轴，定比传动采用齿轮传动或带传动。带传动主要应用于小型数控机床上，可以避免齿轮传动的噪声与振动。主轴电机（3）由主轴电机直接驱动如图所示，电机轴与主轴用联轴器同轴联接。这种方式大大简化主轴结构，有效地提高主轴刚度。但主轴输出扭矩小，电机的发热对主轴精度影响大。主轴电机2、主轴（部件）结构机床主轴对加工质量有直接的影响，数控机床主轴部件应有更高的动静刚度和抵抗热变形的能力。（1）主轴的支承目前数控机床主轴轴承配置有三种主要形式。（a）为数控机床前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60度角接触双列向心推力球轴承，后支承采用成对向心推力球轴承。此种结构普遍应用于各种数控机床，其综合刚度高，可以满足强力切削要求。（b）为前支承采用多个高精度向心推力球轴承，这种配置具有良好的高速性能，但它的承载能力较小，适用于高速轻载和精密数控机床。（C）为前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承，其经向和轴向刚度很高，能承受重载荷。但这种结构限制了主轴最高转速，因此适用于中等精度低速重载数控机床。（2）主轴内部刀具自动夹紧机构主轴内部刀具自动夹紧机构是数控机床特别是加工中心的特有机构。（3）主轴准停装置主轴准停也叫主轴定向。在加工中心等数控机床上，由于有机械手自动换刀，要求刀柄上的键槽对准主轴的端面键上，因此主轴每次必须停在一个固定准确的位置上，以利于机械手换刀。（4）其他机构数控车床能够加工各种螺纹，这就需要安装与主轴同步运转的脉冲编码器，以便发出检测脉冲信号使主轴的旋转与进给运动相协调。数控车削中心增加了主轴的C轴功能，能在数控系统的控制下实现圆周进给，以便与Z轴、X轴联动插补。四、数控机床进给传动系统1、进给运动进给运动是以保证刀具与工件相对位置关系为目的，被加工工件的轮廓精度和位置精度都要受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的直接影响。不论是点位控制还是连续控制，其进给运动是数字控制系统的直接控制对象。进给运动的机械结构有以下几个特点：（1）运动件间的摩擦阻力小（2）消除传动系统中的间隙（3）传动系统的精度和刚度高（4）减小运动惯量，具有适当的阻尼2、数控机床进给传动系统的基本形式数控机床的进给运动可以分为直线运动和圆周运动两大类。实现直线进给运动的主要有：（1）通过丝杠（通常为滚珠丝杠或静压丝杠）螺母副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。（2）通过齿轮、齿条副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。（3）直接采用直线电动机进行驱动。实现圆周运动的一般采用蜗轮蜗杆副。3、数控机床的回转工作台对三坐标以上的数控机床，除X、Y、Z三个坐标轴直线进给运动外，还有绕X、Y、Z轴旋转圆周进给运动或分度运动。数控机床的圆周运动包括分度运动和连续圆周进给运动两种。通常数控机床的连续圆周进给运动由数控回转工作台来实现，分度运动由分度工作台来实现。（1）数控回转工作台数控转台，是在数控系统的控制下，完成工作台的圆周进给运动，并能同其他坐标轴实行联动，以完成复杂零件的加工，还可以作任意角度转位和分度。工作台的运动大都由伺服电机驱动，经减速齿轮和蜗轮蜗杆传人，其定位精度完全由控制系统和伺服传动系统的间隙大小决定。因此，用于数控机床回转工作台的蜗轮蜗杆必须有较高的制造精度和装配精度，而且还要采取措施来消除蜗轮蜗杆副的传动间隙。通常消除间隙有两种方法：一是采用双蜗杆传动这种方法可以保证正确的啮合关系和完全的齿面接触，但制造成本高，传动效率低。二是采用双螺距变齿厚蜗杆，它能够始终保持正确的啮合关系，且结构简单，调整方便。（2）分度工作台数控机床的分度工作台与数控回转工作台不同，它只能完成分度运动。它不能实现圆周进给，也就是说在切削过程中不能转动，只是非切削状态下将工件进行转位换面，以实现在一次装卡下完成多个面的多工序加工。4、导轨现代数控机床使用的导轨，尽管仍然是滑动导轨、滚动导轨和静压导轨，但在导轨材料和结构上与普通机床有着显著的不同。数控机床所采用的滑动导轨是铸铁-塑料或镶钢-塑料导轨。目前导轨所使用的塑料常用聚四氟乙烯导轨软带和环氧树脂涂层导轨，它们的特点是摩擦特性好，能防止低速爬行，运动平稳，耐磨性好，对润滑油的供油量要求不高。塑料的阻尼性好，能吸收振动。塑料导轨还具有良好的工艺性滚动导轨的最大优点是摩擦系数小，比塑料导轨还小，运动轻便灵活，低速运动平稳性好，位移精度和定位精度高，耐磨性好且润滑简单。滚动导轨的缺点是抗振性差，结构复杂，对脏物比较敏感，必须有良好的防护。静压导轨主要应用于大重型数控机床上，它的优点是摩擦系数极小，运动灵敏，位移精度和定位精度高，导轨精度保持性好，寿命长。油膜具有误差均化作用，导向精度高。油膜承载能力高，刚度高，吸振性好。缺点是结构复杂，需要相应的液压设备。五、其他装置1、刀具系统为了充分发挥数控机床的作用，加工中心要完成对工件的多工序加工，必须具备自动更换刀具的功能。为此而设置的更换刀具和刀具储备的系统称为自动换刀系统。自动换刀系统应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储备足够和换刀安全可靠等功能。自动换刀系统的结构形式随加工中心的类型不同而不同。（1）回转刀架式：回转刀架是一种最简单的自动换刀系统，用于数控车床。（2）更换主轴头式在带有旋转刀具的数控机床中，如数控钻床，更换主轴头是一种比较简单的换刀方式，常用转塔的转位来更换主轴头，以实现自动换刀。（3）刀库一机械手式目前大量使用的是带有刀库一机械手的自动换刀系统。这种结构形式主轴的刚度高，有利于提高加工精度和效率。刀具的存储量大，有利于加工复杂零件。2、排屑装置数控机床在单位时间内的金属切削量大大高于普通机床，因而切屑也特别多。这些切屑在加工区域内，一方面会向机床和工件散发热量，使机床和工件产生热变形。另一方面会覆盖或缠绕在工件和刀具上，影响加工，因此迅速有效地排出切屑对数控加工来说是十分重要的。排屑装置的主要作用就是将切屑从加工区域排除到数控机床之外。切屑中往往混合着切削液，排屑装置要能够将切削液收回到冷却液箱内，而将分离出的切屑送入切屑收集箱内。有的数控机床切屑不能直接落入排屑装置，常常需要用大流量冷却液将其冲入排屑槽中。