數控機床的機械結構.ppt

第2章 數控機床的機械結構,2.1概述 2.2數控機床的總體布局 2.3數控機床的主傳動系統(tǒng) 2.4數控機床的進給系統(tǒng) 2.5數控機床的導軌 2.6數控機床的自動換刀裝置 2.7數控機床的回轉工作臺 本章要點,下頁,返回,圖庫,2.1 概述,下頁,上頁,返回,數控機床機械結構的主要特點 數控機床對機械結構的基本要求 提高數控機床性能的措施,圖庫,從本質上說，數控機床和普通機床一樣，也是一種經過切削將金屬材料加工成各種不同形狀零件的設備。早期的數控機床，包括目前部分改造、改裝的數控機床，大都是在普通機床的基礎上，通過對進給系統(tǒng)的革新、改造而成的。因此，在許多場合，普通機床的構成模式、零部件的設計計算方法仍然適用于數控機床。但是，隨著數控技術（包括伺服驅動、主軸驅動）的迅速發(fā)展，為了適應現(xiàn)代制造業(yè)對生產效率、加工精度、安全環(huán)保等方面越來越高的要求，現(xiàn)代數控機床的機械結構已經從初期對普通機床的局部改造，逐步發(fā)展形成了自己獨特的結構。特別是隨著電主軸、直線電動機等新技術、新產品在數控機床上的推廣應用，部分機械結構日趨簡化，新的結構、功能部件不斷涌現(xiàn)，數控機床的機械機構正在發(fā)生重大的變化，虛擬軸機床的出現(xiàn)和實用化，使傳統(tǒng)的機床結構面臨著更嚴峻的挑戰(zhàn)。,2.1.1數控機床機械結構的主要特點,結構簡單、操作方便、自動化程度高,下頁,上頁,返回,數控機床需要根據數控系統(tǒng)的指令，自動完成對進給速度、主軸轉速、道具運動軌跡以及其他機床輔助技能（如自動換刀，自動冷卻）的控制。它必須利用伺服進給系統(tǒng)代替普通機床的進給系統(tǒng)，并可以通過主軸調速系統(tǒng)實現(xiàn)主軸自動變速。因此，在機械結構上，數控機床的主軸箱、進給變速箱結構一般非常簡單；齒輪、軸類零件、軸承的數量大為減少；電動機可以直接連接主軸和滾珠絲杠，不用齒輪；在使用直線電動機，電主軸的場合，甚至可以不用絲杠、主軸箱。在操作上，它不像普通機床那樣，需要操作者通過手柄進行調整和變速，操作機構比普通機床要簡單多，許多機床甚至沒有手動機械操作系統(tǒng)。此外，由于數控機床的大部分輔助動作都可以通過數控系統(tǒng)的輔助技能（M技能）進行控制，因此，常用的操作按鈕也較普通機床少。,結構簡單、 操作更方便，更簡單,圖庫,2.1.1數控機床機械結構的主要特點,廣泛采用高效、無間隙傳動裝置和新技術、新產品,下頁,上頁,返回,數控機床進行的是高速、高精度加工，再簡化機械結構的同時，對于機械傳動裝置和元件也提出了更高的要求。高效、無間隙傳動裝置和元件在數控機床上去得了廣泛的應用。如：滾珠絲杠副、塑料滑動導軌、靜壓導軌、直線滾動導軌等高效執(zhí)行部件，不僅可以減少進給系統(tǒng)的摩擦阻力，提高傳動效率；而且還可以使運動平穩(wěn)和獲得較高的定位精度。 特別是隨著新材料，新工藝的普及、應用，高速加工已經成為目前數控機床的發(fā)展方向之一，快進速度達到了每分鐘數十米，甚至上百米，主軸轉速達到了每分鐘上萬轉、甚至十幾萬轉，采用電主軸、支線電動機、直線滾動導軌等新產品、新技術已勢在必行。,圖庫,2.1.1數控機床機械結構的主要特點,具有適應無人化、柔性化加工的特殊部件,下頁,上頁,返回,“工藝復合化”和“功能集成化”是無人化、柔性加工的基本要求，也是數控機床最顯著的特點和當前的發(fā)展方向。因此，自動換刀裝置（ATC）、動力刀架、自動換屑裝置、自動潤滑裝置等特殊機械部件是必不可少，有的機床還帶有自動工作臺交換裝置（APC）。 “功能集成化”是當前數控機床的另一重要發(fā)展方向。在現(xiàn)代數控機床上，自動換刀裝置、自動工作臺交換裝置等已經成為基本裝置。隨著數控機床向無人化、柔性化加工發(fā)展，功能集成化更多體現(xiàn)在：工件的自動裝卸、自動定位，刀具的自動對刀、破損檢測、壽命管理，工件的自動測量和自動補償功能上，因此，國外還新近開發(fā)了集中突破傳統(tǒng)機床界限，集鉆、銑、鏜、車、磨等加工于一體的所謂“萬能加工機床”，大大提高了附加值，并隨之不斷出現(xiàn)新的機械部件。,圖庫,2.1.1數控機床機械結構的主要特點,對機械結構、零部件的要求高,下頁,上頁,返回,高速、高效、高精度的加工要求，無人化管理以及工藝復合化、功能集成化，一方面可以大大的提高生產率，同時，也必然會使機床的開機時間，工作負載隨之增加，機床必須在高負荷下，長時間可靠工作。因此，對組成機床的各種零部件和控制系統(tǒng)的可靠性要求很高。 此外，為了提高加工效率，充分發(fā)揮機床性能，數控機床通常都能夠同時進行粗細加工。這就要求機床技能滿足大切削量的粗加工對機床的剛度、強度和抗震性的要求，而且也能達到精密加工機床對機床精度的要求。因此，數控機床的主軸電機的功率一般比同規(guī)格的普通機床大，主要部件和基礎件的加工精度通常比普通機床高，對組成機床各部件的動、靜態(tài)性能以及熱穩(wěn)定性的精度保持性也提出了更高的要求。,圖庫,2.1.2數控機床對機械結構的基本要求,具有較高的靜、動剛度和良好抗震性,下頁,上頁,返回,圖庫,機床的剛度反映了機床機構抵抗變形的能力，。機床變形產生的誤差，通常很難通過調整和補償的方法予以徹底的解決。為了滿足數控機床高效、高精度、高可靠性以及自動化的要求，與普通機床相比，數控機床應具有更高的精剛度。此外，為了充分發(fā)揮機床的效率，加大切削用量，還必須提高機床的抗震性，避免切削時產生的共振和顫振。而提高機構的動剛度是提高機床抗震性的基本途徑。,2.1.2數控機床對機械結構的基本要求,具有較好的熱穩(wěn)定性,下頁,上頁,返回,圖庫,機床的熱變性是影響機床加工精度的主要因素之一。由于數控機床的主軸轉速、快速進給都遠遠超過普通機床，機床又長時間處于連續(xù)工作狀態(tài)，電動機、絲杠、軸承、導軌的發(fā)熱都比較嚴重，加上高速切削產生的切屑的影響，使得數控機床的熱變性影響比普通機床要嚴重得多。雖然在先進的數控系統(tǒng)具有熱變性補償功能，但是它并不能完全消除熱變性對于加工精度的影響，在數控機床上還應采取必要的措施，盡可能減小機床的熱變性。,2.1.2數控機床對機械結構的基本要求,具有較高的運動精度和良好的低速穩(wěn)定性,下頁,上頁,返回,圖庫,利用伺服系統(tǒng)代替普通機床的進給系統(tǒng)是數控機床的主要特點。伺服系統(tǒng)最小的移動量（脈沖當量），一般只有0.001mm，甚至更?。蛔畹瓦M給速度，一般只有1mm/min，甚至更低。這就要求進給系統(tǒng)具有較高的運動精度，良好的跟蹤性能和低速穩(wěn)定性，才能對數控系統(tǒng)的位置指令做出準確的響應，從而得到要求的定位精度。 傳動裝置的間隙直接影響著機床的定位精度，雖然在數控系統(tǒng)中可以通過間隙補償、單向定位等措施減小這一影響，但不能完全消除。特別是對于非均勻間隙，必須機械消除間隙措施，才能得到較好的解決。,2.1.2數控機床對機械結構的基本要求,具有良好的操作、安全防護性能,下頁,上頁,返回,圖庫,方便、舒適的操作性能，是操作者普遍關心的問題。在大部分數控機床上，刀具和工件的裝卸、刀具和夾具的調整、還需要操作者完成，機床的維修更離不開人，而且由于加工效率的提高，數控機床的工件裝卸可能比普通機床更加頻繁，因此良好的操作性能是數控機床設計時必須的問題。數控機床是一種高度自動化的加工設備，動作復雜，高速運動部件較多，對機床動作互鎖、安全防護性能的要求也比普通機床要高很多。同時，數控機床一般都有高壓、大流量的冷卻系統(tǒng)，為了防止切屑、冷卻液的飛濺，數控機床通常都應采用封閉和半封閉的防護形式，增加防護性能。,2.1.3提高數控機床性能的措施,合理選擇數控機床的總體布局,下頁,上頁,返回,圖庫,機床的總體布局直接影響到機床的結構和性能。合理選擇機床布局，不但可以使機械結構更簡單、合理、經濟，而且能提高機床剛度、改善機床受力情況，提高熱穩(wěn)定性和操作性能，使機床滿足數控化的要求。如：在數控機床上采用斜床身布局，可以改善受力情況，提高床身的剛度，提高操作性能。臥式數控鏜床采用T形床身，框架結構雙立柱、立柱移動式（Z）布局，可以減少機床的機構層次，大大提高機床結構剛度和加工精度，精度的穩(wěn)定性好，熱變性的影響小。在高速加工機床上，則通過采用固定門式立柱、“箱中箱”等特殊的布局型式，以最大限度地降低運動部件的質量，提高機床部件的快進速度和加速度，以滿足高速加工的需要。,2.1.3提高數控機床性能的措施,提高結構件的剛度,下頁,上頁,返回,圖庫,結構的剛度直接影響機床的精度和動態(tài)性能。機床的剛度主要決定于組成機械系統(tǒng)的部件質量、剛度、阻尼、固有頻率以及負載激振頻率等。提高機床結構剛度主要措施有：改善機械部分構件；利用平衡機構補償部件變性；改善并構件間的連接形式；縮短傳動鏈，適當加大傳動軸，對軸承和滾珠絲杠等傳動部件進行預緊等等。,2.1.3提高數控機床性能的措施,提高機床抗振性,下頁,上頁,返回,圖庫,高速轉動零部件的動態(tài)不平衡力與切削產生的振動，是引起機床振動的主要原因。提高數控機床抗振性的主要措施有：對機床高速轉旋轉部件，特別是主軸部件進行動平衡，對傳動部件進行消隙處理，減少機床激振力；提高機械部件的靜態(tài)剛度和固有頻率，避免共振，在機床結構大件中充填阻尼材料，在大件表面噴涂阻尼涂層抑制振動等。,2.1.3提高數控機床性能的措施,改善機床的熱變形,下頁,上頁,返回,圖庫,引起機床熱變形的主要原因是機床內部熱源發(fā)熱，摩擦以及切削產生的發(fā)熱。減少機床熱變形的措施主要有：采用伺服電動機和主軸電動機、變量泵等低能耗執(zhí)行元件，減少熱量的產生；簡化傳動系統(tǒng)的結構，減少傳動齒輪、傳動軸，采用低摩擦系數的導軌和軸承，減少摩擦發(fā)熱；改善散熱條件、增加隔熱措施、對發(fā)熱部件（如：電柜、絲桿、油箱等）進行強制冷卻，吸收熱量，避免溫升；采用對稱結構設計，使部件均勻受熱；對切削部分采用高壓、大流量冷卻系統(tǒng)冷卻等等。,2.1.3提高數控機床性能的措施,保證運動的精度和穩(wěn)定性,下頁,上頁,返回,圖庫,機床的運動精度和穩(wěn)定性，不僅和數控系統(tǒng)的分辨率、伺服系統(tǒng)的精度的穩(wěn)定性有關，而且還在很大程度上取決于機械傳動的精度。傳動系統(tǒng)的剛度、間隙、摩擦死區(qū)、非線性環(huán)節(jié)都對機床的精度和穩(wěn)定性產生很大的影響。減小運動部件的質量，采用低摩擦系數的導軌和軸承以及滾珠絲桿副、靜壓導軌、直線滾動導軌、塑料滑動導軌等高效執(zhí)行部件，可以減少系統(tǒng)的摩擦阻力，提高運動精度，避免低速爬行?？s短傳動鏈，對傳動部件進行消隙，對軸承和滾珠絲杠進行預緊，可以減消機械系統(tǒng)的間隙和非線性影響，提高機床的運動精度和穩(wěn)定性。,2.2 數控機床的總體布局,數控車床的常用布局形式 臥式數控鏜銑床（臥式加工中心）的常用布局形式 立式數控鏜銑床（立式加工中心）的常用布局形式 數控機床交換工作臺的布局 高速加工數控機床的特殊布局 虛擬軸機床,下頁,上頁,返回,圖庫,2.2.1數控車床的常用布局形式,平床身 斜床身 立式床身,圖2-1 數控車床的三種常用布局 (a)平床身布局(b)斜床身布局(c)立式床身布局,常用布局形式,下頁,上頁,返回,圖庫,這三種布局方式各有特點，一般經濟型、普及型數控車床以及數控化改造的車床，大都采用平床身；性能要求較高的中、小規(guī)格數控車床采用斜床身（有的機床是用平床身斜滑板）；大型數控車床或精密數控車床采用立式床身。,2.2.1數控車床的常用布局形式,常用布局形式,下頁,上頁,返回,圖庫,斜床身布局的數控車床（導軌傾斜角度通常選擇45、60或75），不僅可以在同等條件下，改善受力情況，而且還可通過整體封閉式截面設計，提高床身的剛度，特別是自動換刀裝置的布置較方便。而平床身、立式床身布局的機床受結構的局限，布置比較困難，限制了機床性能。因此，斜床身布局的數控車床應用比較廣泛。,2.2.1數控車床的常用布局形式,常用布局形式,下頁,上頁,返回,圖庫,在其他方面則三種布局方式各具特點： （1）熱穩(wěn)定性：當主軸箱因發(fā)熱使主軸軸線產生熱變位時，斜床身的影響最?。恍贝采?、立式床身因排屑性能好，受切屑產生的熱量影響也小。 （2）運動精度：平床身布局由于刀架水平布置，不受刀架、滑板自重的影響，容易提高定位精度；立式床身受自重的影響最大，有時需要加平衡機構消除；斜床身介于兩者之間。,2.2.1數控車床的常用布局形式,常用布局形式,下頁,上頁,返回,圖庫,（3）加工制造 ： 平床身的加工工藝性較好，部件精度較容易保證。另外，平床身機床工件重量產生的變形方向豎直向下，它和刀具運動方向垂直，對加工精度的影響較??；立式床身產生的變形方向正好沿著運動方向，對精度影響最大；斜床身介于兩者之間。 （4）操作、防護、排屑性能 ：斜床身的觀察角度最好、工件的調整比較方便，平床身有刀架的影響，加上滑板突出前方，觀察、調整較困難。但是，在大型工件和刀具的裝卸方面，平床身因其敞開面寬，起吊容易，裝卸比較方便。立式床身因切屑可以自由落下，排屑性能最好，導軌防護也較容易。在防護罩的設計上，斜床身和立式床身結構較簡單，安裝也比較方便；而平床身則需要三面封閉，結構較復雜，制造成本較高。,2.2.2臥式數控鏜銑床（臥式加工中心）的常用布局形式 臥式數控鏜銑床（臥式加工中心）的布局形式種類較多，其主要區(qū)別在于立柱的結構形式和X、Z坐標軸的移動方式上（Y軸移動方式無區(qū)別）。,單立柱 框架結構雙立柱,圖2-2臥式數控鏜銑床（臥式加工中心）常見的布局形式,常用的立柱,下頁,上頁,返回,圖庫,Z坐標軸的移動方式有工作臺移動式（圖2-2a、b）和立柱移動式（圖2-2c）兩種。以上基本形式通過不同組合，還可以派生其他多種變形，如X、Z兩軸都采用立柱移動，工作臺完全固定的結構形式；或X軸為立柱移動、Z軸為工作臺移動的結構形式等。,2.2.2臥式數控鏜銑床（臥式加工中心）的常用布局形式,下頁,上頁,返回,圖庫,在圖2-2所示的三種中、小規(guī)格臥式數控鏜銑床（臥式加工中心）常見的布局形式中，圖2-2a所示的結構形式和傳統(tǒng)的臥式鏜床相同，多見于早期的數控機床或數控化改造的機床；圖2-2b所示的采用了框架結構雙立柱、Z軸工作臺移動式布局，為中、小規(guī)格臥式數控機床常用的結構形式。圖2-2c所示的采用了T形床身、框架結構雙立柱、立柱移動式（Z軸）布局，為臥式數控機床典型結構。,框架結構雙立柱采用了對稱結構，主軸箱在兩立柱中間上、下運動，與傳統(tǒng)的主軸箱側掛式結構相比，大大提高了結構剛度。另外，主軸箱是從左、右兩導軌的內側進行定位，熱變形產生的主軸軸線變位被限制在垂直方向上，因此，可以通過對Y軸的補償，減小熱變形的影響。,2.2.2臥式數控鏜銑床（臥式加工中心）的常用布局形式,下頁,上頁,返回,圖庫,T形床身布局可以使工作臺沿床身做X 方向移動時，在全行程范圍內，工作臺和工件完全支承在床身上，因此，機床剛性好，工作臺承載能力強，加工精度容易得到保證。而且，這種結構可以很方便地增加X軸行程，便于機床品種的系列化、零部件的通用化和標準化。,立柱移動式結構的優(yōu)點是：首先，這種形式減少了機床的結構層次，使床身上只有回轉工作臺、工作臺，共三層結構，它比傳統(tǒng)的四層十字工作臺，更容易保證大件結構剛性；同時又降低了工件的裝卸高度，提高了操作性能。其次，Z軸的移動在后床身上進行，進給力與軸向切削力在同一平面內，承受的扭曲力小，鏜孔和銑削精度高。此外，由于Z軸的導軌的承重是固定不變的，它不隨工件重量改變而改變，因此有利于提高Z軸的定位精度和精度的穩(wěn)定性。但是，由于Z軸承載較重，對提高Z軸的快速性不利，這是其不足之處。,2.2.3立式數控鏜銑床（立式加工中心）的常用布局形式,下頁,上頁,返回,圖庫,立式數控鏜銑床（立式加工中心）的布局形式與臥式數控鏜銑床類似，圖2-3所示的是三種常見布局形式。,這三種布局形式中，圖2-3a所示的結構形式是常見的工作臺移動式數控鏜銑床（立式加工中心）的布局，為中、小規(guī)格機床的常用結構形式；圖2-3b所示的采用了T形床身，X、Y、Z三軸都是立柱移動式的布局，多見于長床身（大X軸行程）或采用交換工作臺的立式數控機床。這三種布局形式的結構特點，基本和臥式數控鏜銑床（臥式加工中心）的對應結構相同。,同樣，以上基本形式通過不同組合，還可以派生其他多種變形，如X、Z兩軸都采用立柱移動、工作臺完全固定的結構形式，或X軸為立柱移動、Z軸為工作臺移動的結構形式等等。,圖2-3立式數控鏜銑床（立式加工中心）常見的布局形式,2.2.4數控機床交換工作臺的布局,下頁,上頁,返回,圖庫,為了提高數控機床的加工效率，在加工中心上經常采用雙交換工作臺，進行工件的自動交換，以進一步縮短輔助加工時間，提高機床效率。,圖2-4a是移動式雙交換工作臺布局圖，用于工作臺移動式加工中心。對于圖示的初始狀態(tài)，其工作過程是：首先在工位工作臺上裝上工件，交換開始后，X軸自動運動到工位的位置，并松開工作臺夾緊機構；交換機構通過液壓缸或輔助電動機將機床上的工作臺拉到工位上；X軸再自動運動到工位的位置，交換機構將裝有工件的工位工作臺送到機床上，并夾緊。在機床進行工件加工的同時，操作者可以在工位裝卸工件，準備第二次交換。這樣就使得工件的裝卸和機床加工可以同時進行，節(jié)省了加工輔助時間，提高了機床的效率。,圖2-4所示的是兩種常見的雙交換工作臺布局形式,2.2.4數控機床交換工作臺的布局,下頁,上頁,返回,圖庫,圖2-4b 是回轉式雙交換工作臺布局圖，用于立柱移動式加工中心。其工作過程是：首先在工位（裝卸工位）工作臺上裝上工件，交換開始后，工位（加工工位）的工作臺夾緊機構自動松開；交換回轉臺抬起，進行180 回轉，將工位上工作臺轉到工位的位置，并夾緊。在機床進行工件加工的同時，操作者可以在工位裝卸工件，準備第二次交換。 回轉式雙交換工作臺的優(yōu)點是交換速度快，定位精度高；對冷卻、切屑的防護容易；缺點是結構較復雜，占地面積大。,2.2.4數控機床交換工作臺的布局,下頁,上頁,返回,圖庫,此外，還有一種通過雙工作區(qū)，進行工件交換的布局形式（如圖2-5所示），多用于長床身（X軸行程在1500mm以上），且X、Y、Z三軸都是立柱移動式的加工中心上。它的基本結構和立柱移動式機床完全相同，區(qū)別僅在于利用中間防護，使機床原工作臺分成了兩個相對獨立的操作區(qū)域。其工作過程是：立柱首先運動到區(qū)，對安裝在該區(qū)的零件進行正常加工；與此同時，操作者可以在區(qū)裝卸工件。在區(qū)的零件加工完成后，通過X軸的快速移動，將立柱運動到區(qū)，進行區(qū)零件的加工；操作者可以在區(qū)裝卸工件，如此循環(huán)。機床通過電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)嚴格的互鎖，對于加工區(qū)的防護門也需要通過機電聯(lián)鎖裝置予以封閉，確保機床的安全性、可靠性。,圖2-5 雙工作區(qū)交換的布局圖,2.2.5高速加工數控機床的特殊布局,下頁,上頁,返回,圖庫,圖2-6 高速加工機床布局 1-X軸導軌 2-內框 3-主軸箱 4-Y軸導軌,立式數控機床采用的固定門式立柱布局形式 臥式數控機床采用的“內外雙框架”結構布局 即“箱中箱”（Box in Box)結構,常用布局形式,2.2.6虛擬軸機床,下頁,上頁,返回,圖庫,圖2-7虛擬軸機床,立式布局形式 臥式布局形式,常用布局形式,2.3 數控機床的主傳動系統(tǒng),主傳動的基本要求和變速方式 主軸的聯(lián)接形式 主軸部件的支承 電主軸與高速主軸系統(tǒng) 主軸部件的結構,下頁,上頁,返回,圖庫,2.3.1主傳動的基本要求和變速方式,下頁,上頁,返回,圖庫,數控機床和普通機床一樣，主傳動系統(tǒng)也必須通過變速，才能使主軸獲得不同的傳遞，以適應不同的加工要求，并且，在變速的同時，還要求傳遞一定的功率和 足夠的轉矩，滿足切削的需要。,數控機床作為高度自動化的設備，它對主傳動系統(tǒng)的基本要求有以下幾點： 1)為了達到最佳的切削效果，一般都應在最佳的切削條件下工作，因此，主軸一般都要求能自動實現(xiàn)無級變速。 2)要求機床主軸系統(tǒng)必須具有足夠高的轉速和足夠大的功率，以適應高效、高速的加工需要。,2.3.1主傳動的基本要求和變速方式,下頁,上頁,返回,圖庫,主傳動的變速方式,主傳動的無極變速通常有以下三種方法： 1)采用交流主軸驅動系統(tǒng)實現(xiàn)無級變速傳動，在早期的數控機床或大型數控機床（主軸功率超過100KW）上，也有采用直流主軸驅動系統(tǒng)的情況。 2)在經濟性、普及性數控機床上，為了降低成本，可以采用變頻帶變頻電動機或普通交流電動機實現(xiàn)無級變速的方式。 3)在高速加工機床上，廣泛使用主軸和電動機一體化的新穎功能部件-電主軸。電主軸的電動機轉子和主軸一體，無須任何傳動件，可以使主軸達到每分鐘數萬轉，甚至十幾萬轉的高速。 但是，不管采用任何形式，數控機床的主傳動系統(tǒng)結構都要比普通機床簡單得多。,2.3.1主傳動的基本要求和變速方式,下頁,上頁,返回,圖庫,3)為了降低噪聲、減輕發(fā)熱、減少振動，主傳動系統(tǒng)應簡化結構，減少傳動件。 4)在加工中心上，還必須具有安裝道具和刀具交換所需要的自動夾緊裝置，以及主軸定向準停裝置，以保證刀具和主軸、刀庫、機械手的正確嚙合。 5)為了擴大機床的功能，實現(xiàn)對C軸的控制，主軸還需安裝位置檢測裝置，以便實現(xiàn)對主軸位置的控制。,2.3.2主軸的聯(lián)接形式,用輔助機械變速機構聯(lián)結 定傳動比的聯(lián)接方式 采用電主軸,常用聯(lián)接形式,下頁,上頁,返回,圖庫,2.3.2主軸的聯(lián)接形式,用輔助機械變速機構聯(lián)結,下頁,上頁,返回,圖庫,在大、中型數控機床上，為了使主軸在低速時獲得大轉矩和擴大恒功率調速范圍，通常在使用無級變速傳動的基礎上，在增加兩級或三級輔助機械變速機構作為補充。通過分段變速方式，確保低速時的大扭矩，擴大恒功率調速范圍，滿足機床重切削時對扭矩的要求。,輔助機械變速機構的結構、原理和普通機床相同，可以通過電磁離合器、液壓或氣動帶動滑移齒輪等方式實現(xiàn)。輔助變速的動作控制，可以通過數控系統(tǒng)的“自動傳動級變換”功能自動實現(xiàn)。輔助機械變速機構的變速比應根據實際機床的參數進行選擇，并盡可能保持功率曲線的連續(xù)。,圖2-8,2.3.2主軸的聯(lián)接形式,定傳動比的聯(lián)接方式,下頁,上頁,返回,圖庫,在小型數控機床上，主電動機和主軸一般采用定傳動比的聯(lián)結形式，或是主電動機和主軸直接連接的形式。在使用定傳動比傳動時，為了降低噪聲與振動，通常采用V帶和同步皮帶傳動。電動機和主軸直接連接的形式，可以大大簡化主軸傳動系統(tǒng)的結構，有效提高主軸剛度和可靠性。但是，其主軸的輸出轉矩、功率、恒功率調速范圍決定于主電動機本身。另外，主電動機的發(fā)熱對主軸的精度有一定的影響。,2.3.2主軸的聯(lián)接形式,采用電主軸,下頁,上頁,返回,圖庫,在高速加工機床上，大多數使用電動機轉子和主軸一體的電主軸，可以使主軸達到每分鐘數萬轉、甚至十幾萬轉的高速，主軸傳動系統(tǒng)的結構更簡單，剛性更好。,車床用電主軸,銑床用電主軸,2.3.3主軸部件的支承,錐孔雙列圓柱滾子軸承 雙列推力角接觸球軸承 雙列圓錐滾子軸承 帶凸肩的雙列圓錐滾子軸承,常用主軸軸承,下頁,上頁,返回,圖庫,主軸部件是數控機床的關鍵部件之一，它直接影響機床的加工質量。主軸部件包括主軸的支承、安裝在主軸上的傳動零件等。,圖2-9主軸常用的幾種滾動軸承,滾動軸承的精度有E級(高級)、D級(精密級)、C級(特精級)、B級(超精級)四種等級。前軸承的精度一般比后軸承高一個精度等級。數控機床前支承通常采用B、C級精度的軸承,后支承則常采用C、D級。,2.3.3主軸部件的支承,采用后端定位,推力軸承布置在后支承的兩側,軸向載荷由后支承承受。 采用前、后兩端定位,推力軸承布置在前、后支承的兩外側,軸向載荷由前支承承受,軸向間隙由后端調整。 采用前端定位,推力軸承布置在前支承,軸向載荷由前支承承受。,軸承的配置 合理配置軸承,可以提高主軸精度,降低溫升,簡化支承結構。在數控機床上配制軸承時,前后軸承都應能承受徑向載荷,支承間的距離要選擇合理,并根據機床的實際情況配制軸向力的軸承。,下頁,上頁,返回,圖庫,圖2-10幾種常見的軸承配置形式,2.3.4電主軸與高速主軸系統(tǒng),下頁,上頁,返回,圖庫,在高速加工機床上,大多數使用電動機轉子和主軸一體的電主軸,可以使主軸達到每分鐘數萬轉、甚至十幾萬轉的高速,主軸傳動系統(tǒng)的結構更簡單、剛性更好。電主軸最早應用于磨床上,隨著高速加工機床的發(fā)展,電主軸以其卓越的高速性能,被廣泛用于其他數控機床。雖然電主軸外形各不相同,但其實質都是一只轉子中空的電動機(如圖2-11 所示)。外殼有進行強制冷卻的水槽,中空套筒用于直接安裝各種機床主軸。 從而取消了從主電動機到主軸之間一切中間的機械傳動環(huán)節(jié)(如傳動帶、齒輪、離合器等),實現(xiàn)了主電動機 與機床主軸的一體化,使機床的主傳動系統(tǒng)實現(xiàn)了所謂的“零傳動”。,2.3.4電主軸與高速主軸系統(tǒng),機械結構最為簡單,傳動慣量小,因而快速響應性好,能實現(xiàn)極高的速度、加(減)速度和定角度的快速準停(C軸控制)。 通過采用交流變頻調速或磁場矢量控制的交流主軸驅動裝置,輸出功率大,調速范圍寬,并有比較理想的轉矩功率特性。 可以實現(xiàn)了主軸部件的單元化。電主軸可獨立做成標準功能部件,并由專業(yè)廠進行系列化生產；機床生產廠只需根據用戶的不同要求進行選用,可很方便的組成各種性能的高速機床,符合現(xiàn)代機床設計模塊化的發(fā)展方向。,電主軸的主要特點,下頁,上頁,返回,圖庫,主軸部件采用電主軸的傳動方式有以下特點:,2.3.4電主軸與高速主軸系統(tǒng),主電動機置于主軸前、后軸承之間。這種方式的優(yōu)點是:主軸單元的軸向尺寸較短,主軸剛度高,出力大,較適用于中、大型高速加工中心,目前大多數加工中心都采用這種結構形式。 主電動機置于主軸后軸承之后,即主軸箱和主電動機作軸向的同軸布置(有的用聯(lián)軸器)。這種布局方式有利于減小電主軸前端的徑向尺寸,電動機的散熱條件也較好。但整個主軸單元的軸向尺寸較大,常用于小型高速數控機床,尤其適用于模具型腔的高速精密加工。,電主軸的安裝形式 根據主電動機和主軸軸承相對位置的不同,高速電主軸有兩種安裝形式:,下頁,上頁,返回,圖庫,2.3.4電主軸與高速主軸系統(tǒng),電主軸的發(fā)熱及其解決方法,下頁,上頁,返回,圖庫,與一般的主軸部件不同,電主軸最突出的問題之一是內藏式高速主電動機的發(fā)熱。由于主電動機旁邊就是主軸軸承,電動機的發(fā)熱會直接降低軸承的工作精度。如果主電動機的散熱問題解決不好,就會影響機床工作的可靠性。 為此,電主軸一般都采用外循環(huán)油一水冷卻系統(tǒng)進行冷卻。即:在主電動機定子的外面加工有帶螺旋槽的鋁質外套(圖2-11) ,機床工作時,冷卻水不斷在該螺旋槽中流動,從而把主電動機的熱量及時、迅速地帶走。 為了進一步降低主軸軸承的溫升,軸承一般都采用油一氣潤滑系統(tǒng)。,2.3.4電主軸與高速主軸系統(tǒng),電主軸的動平衡設計,下頁,上頁,返回,圖庫,電主軸的最高轉速一般在10000r/min以上,甚至高達60000100000r/min,主軸運轉部分微小的不平衡量,都會引起巨大的離心力,造成機床的振動,影響加工精度和表面質量, 因此必須對電主軸進行嚴格的動平衡。 采用電主軸后,主軸和主軸上的零件都要經過十分精密的加工、裝配和調校,一般要使主軸組件動平衡精度達到0.4級以上的水平。 在設計電主軸時,必須嚴格遵守結構對稱性原則,鍵連接和螺紋連接在電主軸上被禁止使用。,2.3.4電主軸與高速主軸系統(tǒng),提高軸承尺寸公差及旋轉精度。 采用角接觸球軸承取代圓柱滾子軸承和推力球軸承。 應減小徑向截面尺寸,以減小系統(tǒng)的體積,并有利于系統(tǒng)的熱傳導。 應盡量采用小而多的滾動體, 提高軸系的動剛度。 采用高強度、輕質保持架,選擇合理的引導方式,。 盡量采用配對軸承,以保證軸承的旋轉精度與剛度。,高速主軸系統(tǒng)的軸承配置要求,下頁,上頁,返回,圖庫,隨著機床主軸高速化的發(fā)展,在主軸傳動代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械傳動后,為適應高速傳動,并使 軸承可實現(xiàn)高速旋轉,且溫升低、剛性好,它對機床用軸承提出了更為嚴格的要求,這些要求概括起來有以下幾點:,2.3.5主軸部件的結構,主軸和電動機間采用的是傳動帶聯(lián)接的定傳動比傳動方式 采用電主軸,兩種臥式車床的主軸部件結構,下頁,上頁,返回,圖庫,機床主軸部件的結構根據不同的機床有較大的差別,2.4 數控機床的進給傳動系統(tǒng),數控機床對進給傳動系統(tǒng)的基本要求 數控機床進給傳動系統(tǒng)的基本形式 直線電動機與高速進給單元 滾珠絲杠螺母副的原理 滾珠絲杠螺母副的支承 滾珠絲杠螺母副與電動機的聯(lián)接 滾珠絲杠螺母副的選擇與計算（略）,下頁,上頁,返回,圖庫,2.4.1數控機床對進給系統(tǒng)的基本要求,下頁,上頁,返回,圖庫,為確保數控機床進給系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性等，在設計機械傳動裝置時，提出如下要求。 1)提高傳動部件的剛度。 2)減小傳動部件的慣量。 3)減小傳動部件的間隙 進給系統(tǒng)的傳動間隙一般指反向間隙，即反向死區(qū)誤差，它存在于整個傳動鏈的各傳動副中，直接影響數控機床的加工精度；因此，應盡量消除傳動間隙，減小反向死區(qū)誤差。設計中可采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié)及有消除間隙措施的傳動副等方法。 4)減小系統(tǒng)的摩擦阻力,2.4.2數控機床進給系統(tǒng)的基本形式,下頁,上頁,返回,圖庫,滾珠絲杠螺母副 靜壓絲杠螺母副 靜壓蝸桿蝸條副和齒輪齒條副 直線電動機直接驅動,2.4.3直線電動機與高速進給單元,下頁,上頁,返回,圖庫,直線電動機的主要特點 高速進給單元的結構設計 直線電動機進給系統(tǒng)設計注意點,2.4.3直線電動機與高速進給單元,不需轉換裝置能直接實現(xiàn)直線運動 可獲得較高旋轉速度和轉速 消除傳動環(huán)節(jié),精度高、剛度大、穩(wěn)定性好,采用直線電動機驅動的優(yōu)點,下頁,上頁,返回,圖庫,效率和功率因數低，低速更明顯 對驅動器要求高，受電源電壓影響大 和導軌、工作臺成一體，要采取措施防止磁力和熱變形影響,直線電動機的不足之處,直線電動機的主要特點,2.4.3直線電動機與高速進給單元,防磁問題 散熱問題,下頁,上頁,返回,圖庫,直線電動機進給系統(tǒng)設計注意點,2.4.4滾珠絲杠螺母副的原理,下頁,上頁,返回,圖庫,滾珠絲杠螺母副的結構原理,滾珠絲杠副是一種新型的傳動機構，它的結構特點是具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動件，以減少摩擦。圖中絲杠和螺母上都磨有圓弧形的螺旋槽，這兩個圓弧形的螺旋槽對合起來就形成螺旋線滾道，在滾道內裝有滾珠。當絲杠回轉時，滾珠相對于螺母上的滾道滾動，因此絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦。為了防止?jié)L珠從螺母中滾出來，在螺母的螺旋槽兩端設有回程引導裝置，使?jié)L珠能循環(huán)流動。,2.4.4滾珠絲杠螺母副的原理,下頁,上頁,返回,圖庫,滾珠絲杠螺母副的結構原理,目前國內外生產的滾珠絲杠副，可分為內循環(huán)及外循環(huán)兩類。 外循環(huán)螺旋槽式滾珠絲杠副，在螺母的外圓上銑有螺旋槽，并在螺母內部裝上擋珠器，擋珠器的舌部切斷螺紋滾道，迫使?jié)L珠流入通向螺旋槽的孔中而完成循環(huán)。 內循環(huán)滾珠絲杠副，在螺母外側孔中裝有接通相鄰滾道的反向器，以迫使?jié)L珠翻越絲杠的齒頂而進入相鄰滾道。,2.4.4滾珠絲杠螺母副的原理,下頁,上頁,返回,圖庫,滾珠絲杠螺母副的預緊,常用的雙螺母消除軸向間隙的結構型式有以下三種 墊片調隙式 螺紋調隙式 齒差調隙式,單螺母變導程自預緊及單螺母鋼球過盈預緊方式。,各種預緊方式的特點及適用場合見表2-2,2.4.5滾珠絲杠螺母副的支承,下頁,上頁,返回,圖庫,滾珠絲杠螺母副的支承形式,滾珠絲杠螺母副的支承軸承,螺母座、絲杠的軸承及其支架等剛性不足，將嚴重地影響滾珠絲杠副的傳動剛度。因此，螺母座應有加強肋，以減少受力后的變形，螺母座與床身的接觸面積宜大，其連接螺釘的剛度也應高，定位銷要緊密配合，不能松動。,滾珠絲杠常用推力軸承支承，以提高軸向剛度（當滾珠絲杠的軸向負載很小時，也可用深溝球軸承支承）,滾珠絲杠的支承方式有以下幾種 一端裝推力軸承 一端裝推力軸承，另一端裝深溝球軸承 兩端裝推力軸承 兩端裝推力軸承及深溝球軸承,2.4.6滾珠絲杠螺母副與電動機的聯(lián)接,下頁,上頁,返回,圖庫,滾珠絲杠螺母副與驅動電機的聯(lián)接形式主要有以下三種 聯(lián)軸器直接聯(lián)接 通過齒輪聯(lián)接 通過同步齒形帶聯(lián)接,2.4.7滾珠絲杠螺母副的選擇與計算,下頁,上頁,返回,圖庫,滾珠絲杠副的精度等級為1、2、3、4、5、7、10級精度，代號分別為1、2、3、4、5、7、10。其中1級為最高，依次逐級降低。 滾珠絲杠副的精度包括各元件的精度和裝配后的綜合精度，其中包括導程誤差、絲杠大徑對螺紋軸線的徑向圓跳動、絲杠和螺母表面粗糙度、有預加載荷時螺母安裝端面對絲杠螺紋軸線的圓跳動、有預加載荷時螺母安裝直徑對絲杠螺紋軸線的徑向圓跳動以及滾珠絲杠名義直徑尺寸變動量等。 在開環(huán)數控機床和其他精密機床中，滾珠絲杠的精度直接影響定位精度和隨動精度。對于閉環(huán)系統(tǒng)的數控機床，絲杠的制造誤差使得它在工作時負載分布不均勻，從而降低承載能力和接觸剛度，并使預緊力和驅動力矩不穩(wěn)定。因此，傳動精度始終是滾珠絲杠最重要的質量指標。,2.5數控機床的導軌,數控機床對導軌的基本要求 數控機床導軌的種類與特點 滾動導軌的結構原理與特點 滾動導軌的選擇與計算（略） 滾動導軌的安裝與使用,下頁,上頁,返回,圖庫,2.5.1數控機床對導軌的基本要求,下頁,上頁,返回,圖庫,機床上的直線運動部件都是沿著它的床身、立柱、橫梁等上的導軌進行運動的,導軌的作用概括地說是對運動部件起導向和支承作用,導軌的制造精度及精度保持性對機床加工精變有著重要作用的影響。,數控機床對導軌的要求主要有: 導向精度高 精度保持性好 足夠的剛度 良好的摩擦特性 此外,導軌結構工藝性要好,便于制造和裝配,便于檢驗、調整和維修,而且有合理的 導軌防護和潤滑措施等。,2.5.2數控機床導軌的種類與特點,下頁,上頁,返回,圖庫,導軌按接觸面的摩擦性質可以分為滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌三種,其中,數控機床最常用的是鑲粘塑料滑動導軌和滾動導軌。 滑動導軌 滾動導軌 靜壓導軌,2.5.2數控機床導軌的種類與特點,下頁,上頁,返回,圖庫,滑動導軌,滑動導軌具有結構簡單、制造方便、剛度好、抗振性高等優(yōu)點,是機床上使用最廣泛的導軌形式。但普通的鑄鐵一鑄鐵、鑄鐵一淬火鋼導軌,存在的缺點是靜摩擦系數大,而且動摩擦因數隨速度變化而變化,摩擦損失大,低速(1 60mm/min)時易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象,降低了運動部件的定位精度。 鑲粘塑料導軌不僅可以滿足機床對導軌的低摩擦、耐磨、無爬行、高剛度的要求,同時又具有生產成本低、應用工藝簡單、經濟效益顯著等特點。因此,在數控機床上得到了廣泛的應用。,2.5.2數控機床導軌的種類與特點,下頁,上頁,返回,圖庫,滾動導軌,滾動導軌是在導軌面之間放置滾珠、滾柱、滾針等滾動體,使導軌面之間的滑動摩擦變成為滾動摩擦。滾動導軌與滑動導軌相比的優(yōu)點是: 靈敏度高,且其動摩擦與靜摩擦系數相差甚微,因而運動平穩(wěn),低速移動時,不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。 定位精度高,重復定位精度可達0.2m。 摩擦阻力小,移動輕便,磨損小,精度保持性好,壽命長。但滾動導軌的抗振性較差,對防護要求較高。,2.5.2數控機床導軌的種類與特點,下頁,上頁,返回,圖庫,滾動導軌,滾動導軌特別適用于機床的工作部件要求移動均勻,運動靈敏及定位精度高的場合。這是滾動導軌在數控機床上得到廣泛應用的原因。根據滾動體的類型,滾動導軌有下列三種結構形式: 滾珠導軌 滾柱導軌 滾針導軌 根據滾動導軌是否預加負載,滾動導軌還可以分為預加載和無預加載兩類。,2.5.2數控機床導軌的種類與特點,下頁,上頁,返回,圖庫,靜壓導軌,靜壓導軌的滑動面之間開有油腔,將有一定的油通過節(jié)流輸入油腔,形成壓力油膜,浮起運動部件,使導軌工作表面處于純液體摩擦,不產生磨損,精度保持性好。同時摩擦系數也極低(0.0005) ,使驅動功率大大降低;低速無爬行,承載能力大,剛度好；此外，油液有吸振作用,抗振性好。其缺點是結構復雜,要有供油系統(tǒng),油的清潔度要求高。 靜壓導軌橫截面的幾何形狀一般V形和矩形兩種。采用V形便于導向和回油,采用矩形便于做成閉式靜壓導軌。另外,油腔的結構,對靜壓導軌性能影響很大。 靜壓導軌在數控機床上應用較少,有關詳細介紹,在此從略。,2.5.3滾動導軌的結構原理與特點,下頁,上頁,返回,圖庫,滾動導軌的結構原理 使用滾珠的滾動直線導軌副的結構原理,是由導軌、滑塊、鋼球、反向器、密封端蓋及擋板等部分組成。當導軌與滑塊作相對運動時,鋼球就沿著導軌上經過淬硬并精密磨削加工而成的四條滾道滾動；在滑塊端部,鋼球通過反向器反向,進入回珠孔后再返回到滾道,鋼球就這樣周而復始地進行滾動運動。反向器兩端裝有防塵密封端蓋,可有效地防止灰塵、屑末進入滑塊內部。,2.5.3滾動導軌的結構原理與特點,下頁,上頁,返回,圖庫,滾動導軌的特點,滾動直線導軌副是在滑塊與導軌之間放入適當的鋼球,使滑塊與導軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦,因此,在大大降低兩者間的運動摩擦阻力的同時,使得它還具有以下特點: 1) 動、靜摩擦力之差很小,靈敏性極好,驅動信號與機械動作間的滯后時間極短。 2) 可以使驅動電動機的功率大幅度下降 3) 適合于高速、高精度加工的機床 4) 可以實現(xiàn)無間隙運動,提高進給系統(tǒng)的運動精度。 5) 滾動導軌成對使用時,具有“誤差均化效應” 6) 導軌副的滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽,接觸應力小 7) 導軌采用表面硬化處理工藝 8) 滾動導軌對安裝面的要求較低,2.5.4滾動導軌的選擇與計算,下頁,上頁,返回,圖庫,滾動導軌的精度等級與通用數據,滾動導軌的選擇與計算主要包括額定壽命、載荷、預載荷等方面的計算,精度等級的選擇等等。,滾動導軌的精度分四個等級,即2、3, 4、5級,其中2級精度最高,依次遞減。 各類機床推薦采用的精度為:數控車床、數控銑床、加工中心(坐標鏜床、坐標磨床)的 X、Y軸可以采用2、3, 4級精度, Z軸通?？梢允褂门cX、Y軸相同或低一級的精度。 滾動導軌的預緊等級可以分為P0、P1、P2、P3四個等級。 滾動導軌的摩擦系數一般為0.0020.003左右。,滾動直線導軌副的額定壽命,下頁,上頁,返回,圖庫,滾動直線導軌副的載荷計算,2.5.4滾動導軌的選擇與計算,滾動直線導軌副的載荷特點 作用于滾動直線導軌副的載荷計算 對于全行程中大小變化的載荷,在計算出載荷后,還應根據不同情況,通過以下方法算出其當量載荷Pc。,下頁,上頁,返回,圖庫,滾動導軌的安裝,2.5.5滾動導軌的安裝與使用,滾動直線導軌副的安裝、固定方式主要有使用螺栓固定、使用斜模塊固定、使用壓板固 定和使用定位銷固定等, 。 在數控機床上,通常是兩根導軌成對使用,這時其中的一根為基準導軌,通過對基準導軌的正確安裝,可以保證運動部件相對于支承件的正確導向。在這種情況下,圖2-24適用于對基準導軌的安裝。 對于從動導軌,安裝時應保證其位置可以調整,使運動輕便,元干涉。,下頁,上頁,返回,圖庫,滾動直線導軌副的防護與潤滑,2.5.5滾動導軌的安裝與使用,使用滾動直線導軌副時,應注意工作環(huán)境與裝配過程中的清潔,不能有鐵屑、雜質、灰塵等粘附在導軌副上。若在工作環(huán)境有灰