第七章 数控机床的机械结构与装置

主要内容数控机床机械结构的主要特点和一般要求数控机床布局数控机床的主传动系统进给传动系统导轨的结构其它辅助装置第七章数控机床的机械结构与装置CNC主要内容主传动系统进给传动系统自动换刀装置自动托盘交换装置机床基础件第七章数控机床的机械结构与装置CNC第七章数控机床的机械结构与装置CNC数控机床的机械结构包括：机床的床身、立柱、导轨、主轴部件、进给系统、工作台、刀架和刀库、自动换刀装置及其他辅助装置。机械结构的主要特点:1)结构简单、操作方便、自动化程度高2)广泛采用高效、无间隙传动装置第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.1概述3)具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件4)对机械结构、零部件要求高（刚度、功率、精度等）对机械结构的基本要求:较高的静、动刚度和良好的抗振性良好的热稳定性（热变形补偿)较高的运动精度和低速稳定性良好的操作、安全防护措施第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.1概述1.数控机床应具有更高的静、动刚度（1）提高静刚度的措施1）基础大件采用封闭整体箱形结构2）合理布置加强筋3）提高部件之间的接触刚度。第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.1概述封闭整体箱形结构第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.1概述纵向隔板——主要提高抗弯刚度横向隔板——主要提高抗扭刚度斜向隔板——兼有提高抗弯刚度、抗扭刚度的效果第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.1概述（2）提高动刚度的措施1）改善机床的阻尼特性（如填充阻尼材料）2）床身表面喷涂阻尼涂层3）充分利用结合面的摩擦阻尼4）采用新材料，提高抗震性第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.1概述人造大理石床身（混凝土聚合物）第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.1概述实心混凝土底座内封泥沙增加阻尼提高抗振性第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.1概述2.数控机床应有更小的热变形控制热变形的措施：对机床热源进行强制冷却，采用热对称结构。第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.1概述主轴冷却风管对机床热源进行强制冷却第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.1概述采用热变形补偿装置减小热变形第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.1概述3.数控机床运动件之间的摩擦要小，要消除传动系统的间隙，达到低速时无爬行，高速时快速响应。第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.1概述4.数控机床应有更好的宜人性便于操作的机床结构第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.1概述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。第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.2数控机床总体布局1.数控车床的布局和结构特点水平床身第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.2数控机床总体布局倾斜床身第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.2数控机床总体布局立式数控车床第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.2数控机床总体布局立式数控铣床2.数控铣床的布局和结构特点第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.2数控机床总体布局卧式数控铣床第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.2数控机床总体布局龙门数控铣床第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.2数控机床总体布局3.加工中心的布局和结构特点固定立柱立式加工中心第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.2数控机床总体布局滑枕立式加工中心第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.2数控机床总体布局O形整体床身立式加工中心第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.2数控机床总体布局移动立柱卧式加工中心第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.2数控机床总体布局移动立柱卧式加工中心第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.2数控机床总体布局产生主切削力1.主传动系统作用1)足够的转速范围2)足够的功率和扭矩3)各零部件应具有足够的精度、强度、刚度和抗振性4)噪声低、运行平稳2.对主传动系统的要求第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.3数控机床的主传动系统3.主传动的变速方式1)采用变速齿轮传动2)采用同步齿形带传动3)采用主轴电机直接驱动（一体化主轴，电主轴）第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.3数控机床的主传动系统1）采用变速齿轮传动通过少数几对齿轮降速，使之成为分段无级变速。滑移齿轮的移位采用液压拨叉或电磁离合器控制。应用：大中型数控机床第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.3数控机床的主传动系统例：TND360型数控车床两级齿轮变速液压拔叉实现齿轮滑移作用：慢速对刀和手动调整机床第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.3数控机床的主传动系统主轴脉冲编码器同步齿形带主轴电机主轴2）采用带传动主要应用在小型数控机床，可避免齿轮传动引起的振动和噪声，但它只适用于低扭矩特性要求的主轴。常用带：多楔带、同步带第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.3数控机床的主传动系统3）电主轴：主轴与电机制成一体，使主轴驱动机构简化。电主轴组成：空心轴转子、带绕组的定子、速度检测元件。空心轴转子，既是电机的转子，也是主轴。主轴电机直接驱动定子转子第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.3数控机床的主传动系统电主轴第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.3数控机床的主传动系统第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.3数控机床的主传动系统适合小孔钻削电主轴，主轴单元若电主轴内应用较先进的轴承（如陶瓷轴承、磁悬浮轴承等）可使主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高启动、停止响应特性，利于控制振动和噪声。目前最高可达200000r/min。大大简化了主运动系统结构，实现了所谓“零传动”，使传动精度大大提高，在高速数控机床大量采用。缺点:电机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴，因此，主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是内装式主轴电机的关键问题。第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.3数控机床的主传动系统车削加工中心能够完成回转类零件上各种表面的加工，它的主轴不但要象普通数控车床那样能够实现转速的控制，在加工端面或柱面上的其它表面时，主轴还要能绕Z轴旋转作插补运动或分度运动，车削中心的这种功能称为C轴功能。第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.3数控机床的主传动系统第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.3数控机床的主传动系统主轴准停功能•每次机械手自动装取刀具时，必须保证刀柄上的键槽对准主轴的端面键•为满足主轴这一功能而设计的装置称为主轴准停装置或称主轴定向装置•在加工精密的坐标孔时，由于每次都能在主轴的固定圆周位置换刀，故能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而减少被加工孔的尺寸分散度第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.3数控机床的主传动系统1.进给传动系统作用进给传动系统是将伺服电机的旋转运动转变为执行部件的直线运动或回转运动。进给系统组成:伺服电机及检测元件、传动机构、运动变换机构、导向机构、执行件常用的传动机构:一到两级传动齿轮和同步带；运动变换机构:丝杠螺母副、蜗杆蜗轮副、齿轮齿条副等；导向机构:滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、轴承等第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.4数控机床进给传动系统第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.4数控机床进给传动系统2.对进给传动系统的要求1)有较高的工作精度2)响应速度快3)调速范围宽4)稳定性好5)可靠性高第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.4数控机床进给传动系统第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.4数控机床进给传动系统滚珠丝杠螺母副+滑动导轨第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.4数控机床进给传动系统按丝杠与螺母的摩擦性质分：滑动丝杠螺母副：主要用于旧机床的数控化改造、经济型数控机床等；滚珠丝杠螺母副：广泛用于中、高档数控机床；静压丝杠螺母副：主要用于高精度数控机床、重型机床。第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.4数控机床进给传动系统丝杠（螺母）旋转，滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使螺母（丝杠）轴向移动，从而实现将旋转运动变换成直线运动。第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.4数控机床进给传动系统滚珠循环方式常用的有两种：外循环：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.4数控机床进给传动系统内循环：始终与丝杠保持接触。第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.4数控机床进给传动系统常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式：垫片预紧方式螺纹预紧方式齿差预紧方式第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.4数控机床进给传动系统调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移，该形式结构简单，调整方便，应用广，但仅适用于一般精度机构。第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.4数控机床进给传动系统通过圆螺母调整，消除间隙并产生预紧力，再用锁紧螺母锁紧，结构紧凑，调整方便。但调整精度较差，且易于松动。第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.4数控机床进给传动系统数控机床对于导轨有着更高的要求：•如高速进给时不振动•低速进给时不爬行•有高的灵敏度•能在重载下长期连续工作•耐磨性好，精度保持性好第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.4数控机床进给传动系统导轨分类：滑动导轨、滚动导轨、静压导轨•塑料滑动导轨--塑料与金属相摩擦，导轨的滑动性好，在数控机床上广泛采用•静压导轨通常在两个相对运动的导轨面间通人压力油，使运动件浮起。油压能随外加负载的变化自动调节，保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态。摩擦系数极小，功率消耗少，磨损少、精度保持性好，寿命长。制造成本较高。目前静压导轨一般应用在大型、重型数控机床上。第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.4数控机床进给传动系统分度工作台分度过程：工作台上升→工作台旋转分度→分度到位工作台下降→分度完成第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.4数控机床进给传动系统工作台上升活塞上升，上、下端齿盘脱开大小齿轮啮合分度电机→蜗杆蜗轮→齿轮副→工作台旋转工作台下降活塞下降,上、下端齿盘啮，定位夹紧大小齿轮脱开数控分度指令(M指令)油缸下腔进油伺服电机旋转油缸上腔进油分度完成分度流程分度工作台——分度流程行程开关发分度信号发下降信号行程开关发分度结束信号第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.4数控机床进给传动系统数控回转工作台•为消除累积误差，数控回转工作台设有零点•数控回转工作台可作任意角度的回转和分度，因此能够达到较高的分度精度。第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.4数控机床进给传动系统分类:回转刀架式、转塔式回转刀架换刀装置，常用于数控车床。可设计成四方、六方刀架或圆盘式轴向装刀刀架，并相应地安装四把、六把或更多的刀具。回转刀架外观第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.5数控机床的自动换刀装置加工中心自动换刀装置盘式刀库链式刀库第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.5数控机床的自动换刀装置刀库类型斗笠式刀库结构汽缸刀盘电机机架（固定在机床立柱上）刀夹刀盘移动导轨分度轮自动换刀装置第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.5数控机床的自动换刀装置链式刀库结构链轮链条兼刀套张紧轮导轮第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.5数控机床的自动换刀装置第七章数控机床的机械结构与装置CNC链式刀库结构——刀套刀柄刀套链条支撑板自动换刀装置8.5数控机床的自动换刀装置第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.5.2刀库刀库的作用是储备一定数量的刀具，通过机械手实现与主轴上刀具的互换；刀库的类型有盘式刀库、链式刀库等多种形式；刀库的形式和容量要根据机床的工艺范围来确定。1)盘式刀库第七章数控机床的机械结构与装置CNC刀库:1）盘式刀库盘式刀库优点是结构简单，成本较低，换刀可靠性较好；缺点是换刀时间长，适用于刀库容量较小的加工中心。图/盘式刀库第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.5.2刀库1）盘式刀库图/盘式刀库第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.5.2刀库1）盘式刀库2)链式刀库第七章数控机床的机械结构与装置CNC8.5.2刀库2）链式刀库链式刀库是在环形链条上装有许多刀座，其结构有较大的灵活性，存放刀具的