数控机床的机械结构,导入：,输 入 装 置,输 出 装 置,计 算 机 数 控 装 置,PLC,主轴控制单元,主轴,机床,伺服电机,速度控制单元,工 作 台,位置检测反馈装置,数控机床的组成,8-1对机械结构的要求,一、数控机床的机械结构要求,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、数控机床应具有更高的静、动刚度,一、数控机床的机械结构要求,（1）提高刚度的原因 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 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),（2）提高刚度的措施,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,（2）提高刚度的措施,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,措施3 增加导轨与支承件的连接部分的刚度,（2）提高刚度的措施,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.,措施4 增加机床各部件的接触刚度和承载能力,（2）提高刚度的措施,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,合理的结构布局,（2）提高刚度的措施,合理的结构布局,（2）提高刚度的措施,采用补偿变形的措施,（2）提高刚度的措施,测出受力点的相对变形的大小和方向，或者预知构件的变形规律，就可采取补偿变形的方法消除受力变形的影响,合理选用构件的材料,措施1 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,（2）提高刚度的措施,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,措施2 采用封砂床身结构,（2）提高刚度的措施,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,人造大理石床身（混凝土聚合物）,措施3 采用混凝土、树脂混凝土或人造花岗岩作支承件的材料,（2）提高刚度的措施,天然大理石床身,（2）提高刚度的措施,一、数控机床的机械结构要求,2、减少机床的热变形,（1）产生热变形的原因：,内外热源的影响 不能人工修正热变形误差,（2）减少热变形的措施：,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,进行热变形补偿,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,（2）减少热变形的措施：,控制温升,措施 通过散热和冷却方法,改善机床结构,措施1 采用对称原则设计数控机床结构,措施2 使机床主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上,措施3 采用排屑系统,主轴,冷却风管,对机床热源进行强制冷却,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,措施2 使机床主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上,机床排屑系统,措施3 采用排屑系统,倾斜床身,措施3 采用排屑系统,措施4 将热源置于易散热的位置,将主传动箱和主电动机放在机床的外面,3、减少运动副的摩擦，提高传动精度,4、提高机床寿命和精度保持性,一、数控机床的机械结构要求,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,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,滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副,5、自动化的机构、宜人的操作性,一、数控机床的机械结构要求,便于操作的机床结构,一、数控机床的机械结构要求,6、安全防护和宜人的造型,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。,二、对主传动的要求,2、对主传动的要求,1、主传动的作用：产生主切削力,足够的转速范围 足够的功率和扭矩 各零部件应具有足够的精度、强度、刚度和抗振性 噪声低、运行平稳,3、主传动的配置方式,主轴电动机直接驱动（一体化主轴，电主轴）,特点：,有效提高主轴部件刚度，但主轴输出扭矩小,电主轴,2、电动机经同步齿形带传动主轴,3、电动机经齿轮变速传动主轴,4、主轴部件,动画,三、对进给传动系统的要求,1、进给传动系统作用,接受数控系统发出的进给脉冲，经放大和转换后驱动执行元件实现预期的运动。,2、传统进给传动系统与数控伺服进给系统的区别,传统进给传动系统：多采用一个电机，执行件之间采用大量 的齿轮传动，以实现内外传动链的各种传动比要求。故传动 链很长，结构相当复杂,数控伺服进给系统：每一个运动都由单独的伺服电机驱动， 传动链大大缩短，传动件大大减少，有利于减少传动误差， 提高传动精度,3、对进给传动系统的要求,减少运动件的摩擦阻力,提高机床进给系统的快速响应性能和运动精度，减少爬行现象,响应性能：是进给伺服系统动态性能的指标， 反映了系统的跟踪精度,运动精度：是机床的主要零、部件在以工作状态 的速度运动时的精度,爬行现象：低速时运动不平衡的现象称为爬行现象,机床爬行现象一般发生在低速度、重载荷的运动情况下 当主动件1作匀速运动时，被动件3往往会出现明显的速度 不均匀，产生跳跃式的时停时走的运动状态，或时快时慢 现象,3、对进给传动系统的要求,提高传动精度和刚度,措施1 保证部件加工精度 措施2 在传动链中加入减速齿轮减小脉冲当量，提高传动精度 措施3 预紧支撑丝杠的轴承消除齿轮、蜗轮传动件间隙 措施4 预紧消除滚珠丝杠螺母副的轴向传动间隙,3、对进给传动系统的要求,减小各运动零部件的惯量,稳定性好，寿命长,稳定性好：保证低速时不产生爬行，外负载变化时不发生振动,寿命：是指数控机床保持传动精度和定位精度时间的长短， 即保持原制造精度的能力,8-2数控机床典型机械结构,一、主轴准停装置,机械式主轴准停,二、自动换刀装置,自动换刀装置,刀库,机械手,(ATC),作用交换主轴与刀库中的刀（工）具,对自动换刀装置的 基本要求,换刀时间短 刀具重复定位精度高 有足够的刀具贮存量 刀库占地面积小及安全可靠,自动换刀装置的形式,回转刀架换刀 更换主轴头换刀 更换主轴箱换刀 带刀库的自动换刀系统,二、自动换刀装置,1、回转刀架换刀,1）回转刀架结构要求：良好的强度和刚性 2）回转刀架的换刀动作,刀架抬起,刀架转位,刀架压紧,二、自动换刀装置,2、更换主轴换刀,优点：换刀时间短，换刀的可靠性强。,缺点：主轴系统的刚度较差。,适用场合：适应于工序较少、精度要求不太高的机床,回转刀架换刀,3、更换主轴箱换刀,适用场合：适用于箱体类零件的加工,二、自动换刀装置,4、带刀库的自动换刀系统,组成,刀库 选刀系统 刀具交换机构 刀具自动装卸机构,特点：结构较复杂，换刀过程动作多，换刀时间长。,适用场合：多用于钻床、镗铣床和数控组合机床。,二、自动换刀装置,三、刀库,2、刀库的种类,1、刀库的功能 功能：储存加工工序所需的各种刀具及辅助工具。,直线式,特点：结构简单，刀库容量小，一般可容纳 8-12把刀具，故少用。,三、刀库,鼓轮式（圆盘式）,1）单鼓轮式,刀具、鼓轮轴线平行,刀具、鼓轮轴线垂直,盘式刀库,三、刀库,刀具、鼓轮轴线成锐角,特点：结构简单紧凑，应用较多，但刀具单 环排列，空间利用率低，适用于刀库 容量较小的场合，一般不多于50-60把刀。,三、刀库,鼓轮端面上双环排列,特点：刀库空间利用率较高，但装刀、取 刀机构复杂，仅适用于机床空间有 限制而刀库容量较大的场合。,三、刀库,鼓轮端面上多环排列,鼓轮弹仓式,2）多鼓轮式,双鼓轮式,三、刀库,三鼓轮式 行星鼓轮式,特点：不同类型的刀具及轻重型刀具可分别放置， 空间利用率高，但传动机构和运动控制装置 复杂，适用于刀库容量大的场合。,三、刀库,链式,单环链式,特点：结构紧凑，刀库容量大，可充分利用空间，通常为轴向取刀，位置精度较低，适用于刀库容量大的场合。,龙门加工中心,三、刀库,多环链式,三、刀库,加长链式,格子箱式,单面网格式,特点：刀库结构紧凑，空间利用率高，但换刀时间 较长，小直径刀具为轴向取刀，大直径刀具 为径向取刀，布局不灵活，通常刀库安置在 工作台上，应用较少。,三、刀库,三、刀库,多面网格式,特点：刀库容量大，辅助装置较复杂，用于需刀库 容量大的机床上。,三、刀库,3、刀库的容量,铣削加工,车削加工,钻削加工,四、刀具的选刀方式,1、自动选刀：在自动换刀装置换刀时，按数控装 置发出的换刀指令，刀具交换装置 从刀库中挑选各工序所需刀具的操 作称为自动换刀。,2、刀具的选择方式,顺序选择方式,任意选择方式,刀座编码方式,刀具编码方式,四、刀具的选刀方式,顺序选择方式,刀具的顺序选择方式是将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座中。,特点：不需要刀具识别装置，结构简单， 工作可 靠，但刀库中刀具在不同工序中不能重复 使用，因此，刀具的数量的刀库的容量大。,四、刀具的选刀方式,刀具编码方式,接触式识别装置,四、刀具的选刀方式,刀柄,刀具识别装置,触针,编码环,特点：结构简单，寿命较短，可靠性较差，难于快速换刀,四、刀具的选刀方式,非接触式识别装置,特点：无磨损，无噪音，寿命长，反应速度快，适用于高 速，换刀频繁的场合。,四、刀具的选刀方式,光电识别装置,四、刀具的选刀方式,刀座编码方式,永久性编码,临时性编码,刀座编码,四、刀具的选刀方式,刀座编码,四、刀具的选刀方式,识别码块,识别传感器,刀柄编码,四、刀具的选刀方式,临时性编码,五、刀具交换装置,1、无机械手换刀,五、刀具交换装置,1、无机械手换刀,2、机械手换刀,五、刀具交换装置,机械手形式,五、刀具交换装置,机械手换刀,五、刀具交换装置,机械手传动结构,六、滚珠丝杠螺母副,1、滚珠丝杠螺母副的结构,滚珠丝杠螺母副,六、滚珠丝杠螺母副,1、滚珠丝杠螺母副的结构,丝杠,滚珠,螺母,作用：将回转运动转换成直线运动,六、滚珠丝杠螺母副,2、滚珠丝杠螺母副的特点,优点：传动效率高 摩擦阻力小 传动精度高 有可逆性 使用寿命长,缺点：制造工艺复杂 不能实现自锁,六、滚珠丝杠螺母副,3、滚珠丝杠螺母副的循环方式,外循环：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环,内循环：滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的成为内循环,六、滚珠丝杠螺母副,4、滚珠丝杠螺母副的预紧,预紧的目的：减小轴向间隙,轴向间隙：指丝杠和螺母间无相对转动时，二者之间的最大 轴向窜动量,预紧的方法,双螺母垫片式,双螺母螺纹式,双螺母齿差式,双螺母垫片式,六、滚珠丝杠螺母副,双螺母螺纹式,六、滚珠丝杠螺母副,双螺母