数控机床机械结构设计

数控机床机械结构及常见故障分析主要内容一.数控机床的构成与分类二.数控机床的机械结构三.数控车床介绍四.数控加工中心和数控铣床介绍五.数控机床的辅助装置一.数控机床的构成与分类•（一）.数控机床的构成•数控机床一般由下列几个部分组成1.主机是数控机床的主体，包括床身、立柱、工作台、主轴、进给机构等机械部件。2.CNC装置（控制装置）是数控机床的核心，包括硬件和相应的软件等部分。3.驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机、进给电机等等。4.数控机床的辅助装置指数控机床的一些必须的配套部件，用以保证数控机床的正常运行。如液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和分度头，还包括刀具及监控检测装置等立式加工中心主机床身拖板（床鞍）工作台立柱主轴主轴箱刀库卧式加工中心主机全功能数控车床主机床身部件进给丝杠直线导轨组件润滑系统（二）.数控机床的分类目前，为了研究数控机床，可从不同的角度对数控机床进行分类•1.按控制系统的特点分类1）点位控制数控2）直线控制数控机床3）轮廓控制的数控机床•2.按照可联动（同时控制）轴数分按照可联动（同时控制）且相互轴数，可以分为2轴控制、2.5轴控制、3轴控制、4轴控制、5轴控制等。•3.按执行机构的伺服系统类型分类1）开环伺服系统数控机床2）半闭环伺服系统数控机床3）闭环伺服系统数控机床开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈二.数控机床的机械结构（—）数控机床机械结构的主要组成数控机床的机械结构，除机床基础件外，由下列各部分组成：1.主传动系统；2.进给系统；3.实现工件回转、定位的装置和附件；4.实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置如液压、气动、润滑；冷却等系统和排屑、防护等装置；5.刀架或自动换刀装置(ATC)；6.自动托盘交换装置(APC)；7.特殊功能装置如刀具破损监控、精度检测和监控装置等；8.为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。机床基础件或称机床大件，通常是指床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台等。它是整台机床的基础和框架。机床的其他零、部件，或者固定在基础件上，或者工作时在它的导轨上运动。其他机械结构组成则按机床的功能需要选用。如一般的数控机床除基础件外，还有主传动系统，进给系统以及液压、润滑、冷却等其他辅助装置，这是数控机床机械结构的基本构成。加工中心则至少还应有ATC，有的还有双工位APC等。柔性制造单元(FMC)除ATC外还带有工位数较多的APC，有的甚至还配有用于上下料的工业机器人。（二）.数控机床机械结构的特点1）机床刚度的基本概念机床的刚度是机床的技术性能之一，它反映了机床结构抵抗变形的能力。根据机床所受载荷性质的不同，机床在静态力作用下所表现的刚度称为机床的静刚度；机床在动态力作用下所表现的刚度称为机床的动刚度。2）提高数控机床结构刚度的常用措施（1）提高机床构件的静刚度和固有频率。常用方法有合理布置的筋板结构；设置卸荷装置来平衡载荷以补偿有关零、部件的静力变形；改善构件间的接触刚度或构件与地基联结处的刚度等。（2）改善机床结构的阻尼特性。常用方法有大件内腔充填泥芯和混凝土等阻尼材料，在振动时利用相对摩擦来耗散振动能量；在大件表面采用阻尼涂层；充分利用接合面间的摩擦阻尼；采用新材料和钢板焊接结构等。1.高刚度和高抗振性2.减少机床热变形的影响机床的热学特性是影响加工精度的重要因素之一。由于数控机床主轴转速、进给速度远高于普通机床，而大切削用量产生的炽热切削对工件和机床部件的热传导影响远较普通机床严重，而热变形对加工精度的影响往往难以由操作者修正。因此，减少数控机床热变形影响的措施应予特别重视。常用的措施有下列几种：1）改进机床布局和绪构设计。如对热源来说比较对称的采用热对称结构；数控车床采用采用倾斜床身、平床身和斜滑板结构；某些重型数控机床由于结构限制采用热平衡措施。2）控制温升。对机床发热部分（如主轴箱、静压导轨液压油等）采取散热、风冷和液冷等控制温升的办法来吸收热源发出的热量，是在各类数控机床上使用较多的一种减少热变形影响的对策。3）对切削部位采取强冷措施。在大切削量切削时，落在工作台、床身等部件上的炽热切屑量一个重要的热源。现代数控机床，特别是加工中心和数控车床普遍采用多喷嘴、大流量冷却液来冷却并排除这些炽热的切屑，并对冷却液用大容量循环散热或用冷却装置致冷以控制温升。4）热位移补偿。预测热变形规律，建立数学模型存入计算机中进行实时补偿。热变形附加修正装置已在国外产品上作商品供货。3.传动系统机械结构简化数控机床的主轴驱动系统和进给驱动系统分别采用交、直流主轴电机和伺服电机驱动，这两类电机调速范围大，并可无级调速，因此使主轴箱、进给变速箱及传动系统大为简化，箱体结构简单、齿轮、轴承和轴类零件数量大为减少甚至不用齿轮，由电机直接带动主轴或进给滚珠丝杠。4.高传动效率和无间隙的传动装置和元件数控机床在高进给速度下，工作要平稳；并有高的定位精度。因此，对进给系统中的机械传动装置和元件要求具有高寿命、高刚度、无间隙、高灵敏度和低摩擦阻力的特点。目前数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有三种，即滚珠丝杠副，静压蜗杠—蜗母条和预加载荷双齿轮—齿条。三、数控机床常见机械部件1、滚珠丝杠副2、导轨3、主轴部件4、轴承5、刀架、刀库1、滚珠丝杠副滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。它由丝杆、螺母、滚珠和滚珠循环返回装置(俗称回珠器)等组成。当丝杠和螺母相对运动时，滚珠沿着丝杆螺旋滚道面滚动，滚动数圈后离开丝杆滚道面，通过循环返回装置返回其入口处继续参加工作，如此往复循环滚动。（1）按滚珠循环方式分分为外循环和内循环两大类。外循环的回珠器有螺旋槽式和插管式两种，目前国内、外生产厂用插管式的较多，内循环的回珠器有腰形槽嵌块式反向器和圆柱凸键式反向器两种，目前国内、外生产厂用腰形槽嵌块式的较多。（2）按预加负载形式分，可分为单螺母无预紧，单螺母变位导程预紧，单螺母加大钢球径向预紧，双螺母垫片预紧、双螺母齿差预紧、双螺母螺纹预紧6种。一般在数控机床上常用双螺母垫片式预紧。1）滚珠丝杠副结构型式（3）按精度等级分我国原机械工业部标准JB3162.2—82分为6级，根据数控机床类别、按机床精度要求和位置控制系统型式(闭环、半闭环、开环)的不同分别选用，数控机床中大多用P3、P4，P5等3个等级。a）单螺母无预紧b)单螺母变位导程预紧c)双螺母垫片式预紧d)单螺母加大钢球径向预紧e)齿差可调预紧滚珠丝杠副结构滚珠循环示意图1－丝杠2－滚珠螺母a）外循环插管式回珠器b)内循环腰形反向回珠器３－滚珠4－滚珠循环返回装置１－插管式回珠器２－滚珠３－外循环螺母4-丝杠５－腰形槽反向回珠器６－内循环螺母滚珠丝杠副双螺母外循环滚珠丝杠副单螺母内循环滚珠丝杠副双螺母内循环滚珠丝杠副滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点（1）传动效率高。滚珠丝杠副的机械效率可达90%以上，比梯形滑动丝杠副高2—4倍左右（2）灵敏度高，传动平稳。由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小。因此，无论静止时、还是在低、高速度传动时摩擦转矩几乎不变。（3）磨损小，寿命长。滚珠丝杠副的主要零件采用优质合金钢制成，其滚道表面淬火硬度至HRC60～62，并有较低的表面粗糙度，再加上滚动摩擦的磨损很少，因而具有良好的耐磨性，且可高速运行。（4）可消除轴向间隙，提高轴向刚度。可用多种消除间隙的预加负载方法，使反向时无空行程；此外，安装时给滚珠丝杠预加拉伸负载，可提高丝杠的系统刚度和减少滚珠丝杠的热伸长，因而定位精度高。2、低摩擦系数的导轨•机床导轨是机床基本结构的要素之一。从机械结构的角度来说，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，而对数控机床的导轨则有更高的要求.如:高速进给时不振动，低速进给时不爬行，有高的灵敏度，能在重负载下长期连续工作，耐磨性要高，精度保持性要好等。现代数控机床使用的导轨，从类型来说虽仍是滑动导轨，滚动导轨和静压导轨3种，但在材料和结构上已起了“质”的变化，已不同于普通机床的导轨。1）.贴塑滑动导轨传统的铸铁—铸铁滑动导轨，除简易型数控机床外，在其他数控机床上已不采用。取而代之的是铸铁—塑料或镶钢—塑料滑动导轨。塑料导轨常用在导轨副的运动导轨上，与之相配的金属导轨用铸铁或钢质两种；铸铁牌号为止HT30-54，表面淬火硬度至HRC45～50,表面粗糙度磨削至Ra0.20～0.10；镶钢导轨常用55号钢或其他合金钢；淬硬至HRC58～62。导轨塑料常用聚四氟乙烯导轨软带和环氧型耐磨导轨涂层两类。塑料导轨的优点（1）摩擦特性好铸铁－淬火钢导轨副的静、动摩擦系数相差较大，几乎近一倍，而导轨软带的静、动摩擦系数基本不变。这种良好的摩擦特性能防止低速爬行，使运行平稳和获得高的定位精度。（2）耐磨性好除摩擦系数低外，导轨软带材料中含有青铜、二硫化铜和石墨，因此，本身即具有润滑作用，对润滑油的供油量要求不高，采用间歇式供油即可。此外塑料质地较软，即便嵌入金属碎屑、灰尘等，也不至损伤金属导轨面和软带本身，可延长导轨副的使用寿命。（3）减振性好塑料的阻尼性能好，其减振消声的性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大意义。（4）工艺性好可降低对粘贴塑料的金属基体的硬度和表面质量。而且塑料易于加工(铣、刨、磨、刮)，使导轨副接触面获得优良的表面质量。2).滚动导轨滚动导轨具有摩擦系数低(一般在0.003左右)，动、静摩擦系数相差小，且几乎不受运动速度变化的影响，定位精度和灵敏度高，精度保持性好等优点。在数控机床中应用也较为普遍，现代数控机床常用的滚动导轨有两种。（1）.滚动导轨块这是一种滚动体作循环运动的滚动导轨。移动部件运动时，滚动体沿封闭轨道作循环运动，滚动体为滚珠或滚柱。数控机床上采用的滚柱式滚动导轨块如图所示，它多用于中等负荷导轨。滚动导轨块由专业厂生产，有各种规格、型式供用户选用。使用时，导轨块装在运动部件上，每一导轨应至少用两块或更多块，导轨块的数目取决于导轨的长度和负载的大小，与之相配的导轨多用镶钢淬火导轨。滚注式滚动导轨块（2）.直线滚动导轨直线滚动导轨是近年来新出现的一种滚动导轨，其突出的优点为无间隙，并且能够施加预紧力。这种导轨的外形和结构见图所示。直线滚动导轨主要由导轨体、滑块、滚珠、保持器、端盖等组成。它由生产厂组装成，故又称单元式直线滚动导轨。使用时，导轨体固定在不运动部件上，滑块固定在运动部件上。当滑块沿导轨体移动时，滚珠在导轨体和滑块之间的圆弧直槽内滚动，并通过端盖内的滚道，从工作负荷区到非工作负荷区，然后再滚动回工作负荷区，不断循环，从而把导轨体和滑块之间的移动变成了滚珠的滚动。为防止灰尘和脏物进入导轨滚道，滑块两端及下部均装有塑料密封垫。滑块上还有润滑油柱油杯。圆柱直线滚动导轨圆柱直线滚动导轨直线矩形导轨滑块组成图导轨副的安装固定方式导轨副的安装固定方式导轨副的安装固定方式导轨副的安装固定方式直线滚动导轨的结构1-导轨体2-侧面密封垫3-保持器4-承载球列5-端部密封垫6-端盖7-滑块8-润滑油杯直线滚动导轨副的优点a.动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的呼应速度和灵敏度。b.驱动功率大幅下降，只相当于普通机