数控机床的机械结构

1第2章数控机床的机械结构第一节数控机床机械结构的组成和特点一、数控机床机械结构的主要组成部分下图为一台小型立式加工中心的外形图。第一节数控机床机械结构的组成和特点一、数控机床的主要组成部分数控机床的主要组成部分与普通机床相类似，包括以下几个组成部分：（1）主传动系统及主轴部件——使刀具(或工件)产生主切削运动。（2）进给传动系统——使工件(或刀具)产生进给运动并实现定位。（3）基础件——床身、立柱、滑座、工作台等。（4）其他辅助装置——如液压、气动、润滑、切削液等系统及装置。第一节数控机床机械结构的组成和特点一、数控机床的主要组成部分1、主要部件：主传动装置、进给传动装置、工作台、床身等。2、辅助装置：刀库、自动换刀装置、润滑装置、冷却装置、排屑装置等第一节数控机床机械结构的组成和特点二、数控机床机械结构的主要特点：1、具有较高的静、动刚度和良好抗震性机床的刚度反映了机床机构抵抗变形的能力。机床变形产生的误差，通常很难通过调整和补偿的方法予以彻底的解决。为了满足数控机床高效、高精度、高可靠性以及自动化的要求，与普通机床相比，数控机床应具有更高的精刚度。此外，为了充分发挥机床的效率，加大切削用量，还必须提高机床的抗震性，避免切削时产生的共振和颤振。而提高机构的动刚度是提高机床抗震性的基本途径。第一节数控机床机械结构的组成和特点二、数控机床机械结构的主要特点：2、具有较好的热稳定性机床的热变性是影响机床加工精度的主要因素之一。由于数控机床的主轴转速、快速进给都远远超过普通机床，机床又长时间处于连续工作状态，电动机、丝杠、轴承、导轨的发热都比较严重，加上高速切削产生的切屑的影响，使得数控机床的热变性影响比普通机床要严重得多。虽然在先进的数控系统具有热变性补偿功能，但是它并不能完全消除热变性对于加工精度的影响，在数控机床上还应采取必要的措施，尽可能减小机床的热变性。第一节数控机床机械结构的组成和特点二、数控机床机械结构的主要特点：3、传动系统机械结构简化利用伺服进给系统代替普通机床的进给系统，并可以通过主轴调速系统实现主轴自动变速。电动机可以直接连接主轴和滚珠丝杠，齿轮、轴类零件、轴承的数量大为减少；因此，在机械结构上，数控机床的主轴箱、进给变速箱结构一般非常简单。在操作上，它不像普通机床那样，需要操作者通过手柄进行调整和变速，操作机构比普通机床要简单多。第一节数控机床机械结构的组成和特点二、数控机床机械结构的主要特点：4、高传动效率和无间隙传动装置数控机床进行的是高速、高精度加工，再简化机械结构的同时，对于机械传动装置和元件也提出了更高的要求。高效、无间隙传动装置和元件在数控机床上去得了广泛的应用。如：滚珠丝杠副、塑料滑动导轨、静压导轨、直线滚动导轨等高效执行部件，不仅可以减少进给系统的摩擦阻力，提高传动效率；而且还可以使运动平稳和获得较高的定位精度。第一节数控机床机械结构的组成和特点二、数控机床机械结构的主要特点：5、采用低摩擦因数的导轨为了让机床托板按照规定的方向（平行或垂直与主轴轴线的方向）移动（三角形导轨“定向”），以及承载切削时的切削抗力（矩形导轨“承载”）。6、工作台实现多种运动方式，可满足零件加工的多种要求。7、刀库和自动换刀装置实现了连续加工，减少了换刀时间和工件装卸次数，提高生产效率。8、辅助装置保护机床，提高工件质量。第二节数控机床的主传动系统一、主传动系统的组成和特点数控机床和普通机床一样，主传动系统也必须通过变速，才能使主轴获得不同的传递，以适应不同的加工要求，并且，在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的转矩，满足切削的需要。数控机床作为高度自动化的设备，它对主传动系统的基本要求有以下几点：1)为了达到最佳的切削效果，一般都应在最佳的切削条件下工作，因此，主轴一般都要求能自动实现无级变速。2)要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高效、高速的加工需要。第二节数控机床的主传动系统一、主传动系统的组成和特点3)为了降低噪声、减轻发热、减少振动，主传动系统应简化结构，减少传动件。4)在加工中心上，还必须具有安装道具和刀具交换所需要的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。5)为了扩大机床的功能，实现对C轴的控制，主轴还需安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制。第二节数控机床的主传动系统一、主传动系统的组成和特点1、组成机床的主传动系统将电动机的扭矩或功率传递给主轴部件，使安装在主轴内的工件或刀具实现主切削运动。主传动系统和主轴部件一般都设计成一个主轴箱。主要由主轴电动机、变速机构、主轴等部分组成。第二节数控机床的主传动系统一、主传动系统的组成和特点2、特点：1)采用直流或交流电动机，有较宽的调速范围，能迅速可靠地实现无级调速，使切削始终处于最佳运行状态。2)变速机构结构简单。电动机可以直接连接主轴和滚珠丝杠，齿轮、轴类零件、轴承的数量大为减少。3)变速迅速可靠。4)主轴具有较高的回转精度，足够的刚度和抗振性，较好的热稳定性，动态响应好。主轴转速高、功率大，能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。第二节数控机床的主传动系统二、主传动系统的分类（变速方式）1、无极变速（通过带传动的主传动）这种方式主要应用在转速较高、变速范围不大的小型数控机床上，电动机本身的调整就能满足要求，不用齿轮变速，可避免齿轮传动时引起振动和噪声的缺点，但它只适用于低扭矩特性要求。常用的有同步齿形带、多楔带、V带、平带、V形带。第二节数控机床的主传动系统二、主传动系统的分类（变速方式）2、分段无极变速（带有变速齿轮的主轴传动）通过少数几对齿轮降速，扩大了输出扭矩，以满足主轴的输出扭矩特性的要求大中型数控机床较常采用的配置方式，确保低速时有较大的扭矩，滑移齿轮的移位大多采用液压拨叉或直接由液压缸驱动齿轮来实现。大、中型数控机床采用的一种配置方式。第二节数控机床的主传动系统二、主传动系统的分类（变速方式）3、内置式调速电动机无级变速（由调速电动机直接驱动的主传动）大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出的扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。三、数控机床的主轴部件主轴部件作为数控机床的一个关键部件，它包括主轴、主轴的支承、安装在主轴上传动件和密封件等。1、主轴主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在设计上应能保证定位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。主轴端部的结构形状都已标准化了。第二节数控机床的主传动系统三、数控机床的主轴部件2、主轴支承(3种主要形式)第二节数控机床的主传动系统主轴的支承应综合考虑主轴的受力状况、转速高低、热变形大小、支承跨距、精度要求等因素，选择合适的轴承类型及布置形式。三、数控机床的主轴部件2、主轴支承(3种主要形式)第二节数控机床的主传动系统（1）前支撑采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承组合，后支撑采用成对向心推力球轴承。可提高主轴的综合刚度，满足强力切削的要求。普遍用于各类数控机床主轴。三、数控机床的主轴部件2、主轴支承(3种主要形式)第二节数控机床的主传动系统（2）前支撑采用高精度双列向心推力球轴承。向心推力轴承有良好的高速性，主轴最高转速可达4000r／min，但承载能力小，适于高速、轻载、高精密的数控机床主轴。三、数控机床的主轴部件2、主轴支承(3种主要形式)第二节数控机床的主传动系统（3）前后支撑分别采用双列和单列圆锥滚子轴承。径向和轴向刚度高，能承受重载荷，其安装、调整性能好，但限制了主轴转速和精度，因此可用于中等精度、低速、重载的数控机床的主轴。第三节数控机床的进给传动系统一、进给传动系统的组成及特点数控机床的进给传动系统与一般的机床有着本质上的差别，它是进给伺服系统的一个重要组成部分。由数控系统发出的速度和位移指令信号经过伺服驱动装置和进给传动系统，可以使工作台或刀架实现要求的进给运动和精确的定位，自动完成切削过程。第三节数控机床的进给传动系统一、进给传动系统的组成及特点1组成：伺服电动机、传动装置、工作台或刀架、与传动有关的导轨等。2、主要特点：（1）采用伺服电动机驱动（2）采用低摩擦的传动副（3）传动副配有传动间隙调整装置（4）工作台的功能多第三节数控机床的进给传动系统二、滚珠丝杠螺母副第三节数控机床的进给传动系统二、滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副是一种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间传动元件的丝杠副，是直线运动与回转运动能相互转换的传动装置。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。1-丝杠2-滚道3-螺母4-滚珠第三节数控机床的进给传动系统二、滚珠丝杠螺母副1、特点：1)传动效率高，摩擦损失小。2)运动平稳无爬行。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。6）制造困难，成本较高。第三节数控机床的进给传动系统二、滚珠丝杠螺母副2、结构（1)滚道的法向截面形状：1）单圆弧型面单圆弧型面滚道的圆弧半径略大于滚珠半径，滚道与滚珠为点接触，摩擦阻力小，传动灵敏，结构工艺较简单容易制造，但接触刚度稍差，且滚道径相间隙对传动精度影响较大。滚道的法向截面形状第三节数控机床的进给传动系统二、滚珠丝杠螺母副2、结构（1)滚道的法向截面形状：2）双圆弧型面滚道对径向间隙大小不敏感，接触刚度较高，传动性能优于单圆弧滚道，但制造困难双圆弧型面第三节数控机床的进给传动系统二、滚珠丝杠螺母副2、结构（2)滚珠的循环方式：1）外循环滚珠在循过程结束后，通过螺母外环表面上的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。外循环滚珠丝杠第三节数控机床的进给传动系统二、滚珠丝杠螺母副2、结构（2)滚珠的循环方式：1）外循环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。插管式外循环滚珠丝杠第三节数控机床的进给传动系统二、滚珠丝杠螺母副2、结构（2)滚珠的循环方式：1）外循环特点：结构简单，工艺性好，承载能力较高，但径向尺寸较大。应用最为广泛，也可用于重载传动系统。第三节数控机床的进给传动系统二、滚珠丝杠螺母副2、结构（2)滚珠的循环方式：2）内循环：靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环。反向器2的数目与滚珠圈数相等。内循环式滚珠丝杠结构第三节数控机床的进给传动系统二、滚珠丝杠螺母副2、结构（2)滚珠的循环方式：2）内循环：特点：结构紧凑，刚度好，滚珠流通性好，摩擦损失小，制造较困难，适用于高灵敏、高精度的进给系统。第三节数控机床的进给传动系统二、滚珠丝杠螺母副3、间隙调整：为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度，必须消除滚珠丝杆螺母副轴向间隙。1)垫片调隙法：调整垫片厚度，使左右两螺母产生轴向位移，消除间隙，产生预紧力。（如右图）第三节数控机床的进给传动系统二、滚珠丝杠螺母副3、间隙调整1)垫片调隙法：调整垫片厚度，使左右两螺母产生轴向位移，消除间隙，产生预紧力。特点：结构简单，刚性好，但调整不方便，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。第三节数控机床的进给传动系统二、滚珠丝杠螺母副3、间隙调整2)螺纹调隙法：如图所示，利用一个螺母上的外螺纹，通过圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧，调整好后用另一个圆螺母锁紧，这种结构调整方便，且可在使用过程中，随时调整，应用较广泛。但预紧力大小不能准确控制，调整精度较差。第三节数控机床的进给传动系统二、滚珠丝杠螺母副3、间隙调整3)齿差调隙法：如图所示，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为Z1、Z2，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量为：式中Z1、Z2为齿轮的齿数，Ph为滚珠丝杠的导程。hPZZS2111第三节数控机床的进给传动系统二、滚珠丝杠螺母副4、滚珠丝杠副的参数及选择滚珠丝杠副的参数有：滚珠丝杠径向剖视图滚珠丝杠轴向剖视图第三节数