第二章数控机床结构

T I A N J I N中德培训中心天津中德职业技术学院 教 师 教 案教案 课程数控技术班级学期上课日期课时 2累计课时 2教师审签课程类型 理论+实践课程名称（章、节）第二章 数控机床结构 第一节: 结构要求与总体布局 第二节: 主运动机械部件 教学目的要 求掌握数控机床结构基本概念，掌握数控机床结构要求与总体布局 了解数控机床主运动机械部件教学重点 数控机床结构基本概念数控机床结构要求与总体布局教学难点数控机床结构基本概念数控机床主运动机械部件主要教具设 备材 料黑板、粉笔、教材、教学课件、多媒体设备课后记 第二章 数控机床结构第一节 结构要求与总体布局一、数控机床的主体机构有以下特点： 1、由于采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的极限传动结构大为简化，传动链也大大缩短；2）为适应连续的自动化加工和提高加工生产率， 数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小；3）为减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度，更多地采用了 高效传动部件，如滚珠丝杠副和滚动导轨、消隙齿轮传动副等；4）为了改善劳动条件、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率，采用了刀具自动夹紧装置、 刀库与自动换刀装置及自动排屑装置等辅助装置。 二、 较高的机床静、动刚度 数控机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。由于机械结构（如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴 箱等）的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能人为地调整与补偿，因此，必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内，以保证所要求的 加工精度与表面质量。 三、 减少机床的热变形1)减少发热 2)控制温升 3)改善机床机构 四、 减少运动间的摩擦和消除传动间隙数控机床工作台（或拖板）的位移量十一脉中当量为最小单位的，通常又要求能以基地的速度运动。为了使工作台能对数控装置的指 令作出准确响应，就必须采取相应的措施。目前常用的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻尼特性方面存在着明显的差别。在进给系统中用滚珠丝杠代替滑动丝 杠也可以收到同样的效果。目前，数控机床几乎无一例外地采用滚珠丝杠传动。数控机床（尤其是开环系统的数控机床）的加工精度在很大程度上取决于进给传动链的精度。除了减少传动齿轮和滚珠丝杠的加工误差之外，另一个重要措施是采用无间隙传动副。对于滚珠丝杠螺距的累积误差，通常采用脉冲补偿装置进行螺距补偿。 五、 提高机床的寿命和精度保持性为了提高机床的寿命和精度保持性，在设计时应充分考虑数控机场零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给伺港机主轴部件等影响进度的主要零件的耐磨性。在使用过程中，应保证数控机床各部件润滑良好。 六、 减少辅助时间和改善操作性能 在数控机床的单件加工中，辅助时间（非切屑时间）占有较大的比重。要进一步提高机床的生产率，就必须采取促使最大限度地压缩 辅助时间。目前已经有很多数控机床采用了多主轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀装置等，以减少换刀时间。对于切屑用量加大的数控机床，床身机构必须有利于 排屑。 第二节 主运动机械部件一、 主传动运动的变速系统 1.带有变速齿轮的主传动 这是大、种型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速，扩大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分 小型数控机床业采用此种传动方式，以获得强力切屑时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨*或直接由液压油缸带动齿轮实现。 2.通过皮带传动的主传动 这主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动是引起的振动与噪声。但它只能使用与要求的扭矩特性的主轴。3.由调速电机直接驱动的主传动这种主传动方式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。但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。 二、 数控机床主轴部件 1.前后支撑采用不同轴承 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。此配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强力切屑的要求，因此普遍应用于各类数控机床。2.前轴承采用高精度双列向心推力球轴承向心推力球轴承高速时性能良好，主轴最高转速可达4000r/min。但是，它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和紧密的数控车床。3.双列和单列圆锥滚子轴承这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。但是，这种轴承限制了主轴的最高转 速和精度，因此使用中等精度、低速与重载的数控机床。在主轴的机构上，要处理好卡盘和刀架的装夹、主轴的卸荷、主轴轴承的定位和间隙调整。T I A N J I N中德培训中心天津中德职业技术学院 教 师 教 案教案 课程数控技术班级学期上课日期课时 2累计课时 2教师审签课程类型 理论+实践课程名称（章、节）第二章 第三节: 数控机床的进给传动系统第四节: 进给传动机械部件 教学目的要 求掌握数控机床的进给传动系统基本概念，掌握数控机床的进给传动机械部件组成及分类。教学重点数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动机械部件组成及分类教学难点 数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动机械部件组成及分类。主要教具设 备材 料黑板、粉笔、教材、教学课件、多媒体设备课后记 第三节 数控机床的进给传动系统一、 进给传动系统作用 数控机床的进给传动系统负责接受数控系统发出的脉冲指令，并经放大和转换后驱动机床运动执行件实现预期的运动。 二、 对进给传动系统的要求 为保证数控机床高的加工精度，要求其进给传动系统有高的传动精度、高的灵敏度（响应速度快）、工作稳定、有高的构件刚度及使用寿命、小的摩擦及运动惯量，并能清除传动间隙。 三、 进给传动系统种类 1、步进伺服电机伺服进给系统一般用于经济型数控机床。 2、直流伺服电机伺服进给系统功率稳定，但因采用电刷，其磨损导致在使用中需进行更换。一般用于中档数控机床。 3、交流伺服电机伺服进给系统应用极为普遍，主要用于中高档数控机床。 4、直线电机伺服进给系统无中间传动链，精度高，进给快，无长度限制；但散热差，防护要求特别高，主要用于高速机床。 第四节 进给传动机械部件一、 联轴器 联轴器是用来连接寄给机构的两根轴使之一起回转移传递扭矩和运动的一种装置。目前联轴器的类型繁多，有液力式、电磁式和机械式。机械式联轴器的应用最为广泛。套筒联轴器构造简单，径向尺寸小，但装卸困难（轴需作轴向移动）。且要求两轴严格对中，不允许有径向或角度偏差，因此使用时受到一定限制。绕行联轴器采用锥形夹紧环传递载荷，可使动力传递没有方向间隙。 凸缘式联轴器构造简单、成本的、可传递较大扭矩，常用于转速低、五种及、轴的刚性大及对中性好的场合。他的主要缺点是对两轴的对中性要求很高。若两轴间存在位移与倾斜，救在机件内引起附加载荷，使工作状况恶化。 二、 减速机构 1.齿轮传动装置 齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置 的目的有两个。一是将高转速的转矩的伺服电机（如步进电机、直流和交流伺服电机等）的输出改变为低转速大转矩的执行件的输入；另一是使滚珠丝杠和工作台的 转动惯量在系统中专有较小的比重。此外，对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。 为了尽量减小齿侧间隙对数控机床加工精度的影响，经常在结构上采取措施，以减小或消除齿轮副的空程误差。如采用双片齿轮错齿法、利用偏心套调整齿轮副中心距或采用轴向垫片调整法消除齿轮侧隙。 与采用同步齿形带相比，在数控机床进给传动链中采用齿轮减速装置，更易产生低频振荡，因此减速机构中常配置阻尼器来改善动态性能。2.同步齿形带 同步齿形带传动是一种新型的带传动。他利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次啮合传递运动和动力，因而兼有带传动、齿轮传动及链 传动的优点，且无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高，而且齿形带的强度高、厚度小、重量轻、故可用于高速传动。齿形带无需特别张紧，故作用在轴和轴 承上的载荷小，传动效率也高，现已在数控机床上广泛应用。 三、 滚珠丝杠螺母副 为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，形成不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副的传动效率高达85%-98%，是普通滑动丝杠副的2-4倍。滚珠丝杠副的摩擦角小于1，因此不自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须有制动装置。滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上几乎没有什么差别。它可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠由专门工厂制造。1.滚珠丝杠的工作原理2.轴向间隙的消除3.滚珠丝杠的支撑 T I A N J I N中德培训中心天津中德职业技术学院 教 师 教 案教案 课程数控技术班级学期上课日期课时 2累计课时 2教师审签课程类型 理论+实践课程名称（章、节）第二章 第五节： 数控机床的换刀装置 教学目的要 求掌握数控机床自动换刀装置的作用 ，换刀形式等基本概念，掌握数控机床刀库的组成及分类。教学重点 数控机床自动换刀装置的作用教学难点换刀形式机床刀库的组成及分类主要教具设 备材 料黑板、粉笔、教材、教学课件、多媒体设备课后记 第五节 数控机床的换刀装置一、 自动换刀装置的作用 自动换刀装置可帮助数控机床节省辅助时间，并满足在一次安装中完成多工序、工步加工要求。 二、 对自动换刀装置的要求数控机床对自动换刀装置的要求是：换刀迅速、时间短，重复定位精度高，刀具储存量足够，所占空间位置小，工作稳定可靠。 三、 换刀形式 1、回转刀架换刀 其结构类似普通车床上回转刀架，根据加工对象不同可设计成四方或六角形式，由数控系统发出指令进行回转换刀。 2、更换主轴头换刀 各主轴头预先装好所需刀具，依次转至加工位置，接通主运动，带动刀具旋转。该方式的优点是省去了自动松夹、装卸刀具、夹紧及刀具搬动等一系列复杂操作，缩短了换刀时间，提高了换刀可靠性。 3、使用刀库换刀 将加工中所需刀具分别装于标准刀柄，在机外进行尺寸调整之后按一定方式放入刀库，由交换装置从刀库和主轴上取刀交换。 四、 刀具交换装置 自动换刀装置中，实现刀库与主轴间传递和装卸刀具的装置为刀具交换装置。刀具交换方式常有两种：采用机械手交换刀具和由刀库与机床主轴的相对运动交换刀具（刀库移至主轴处换刀或主轴运动到刀库换刀位置换刀）,其中以机械手换刀最为常见。 五、 刀库 刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局及具体结构对数控机床的总体设计有很大影响。 1、刀库容量 指刀库存放刀具的数量，一般根据加工工艺要求而定。刀库容量小，不能满足加工需要；容量过大，又会使刀库尺寸大，占地面积大，选刀过程时间长，且刀库利用率低，结构过于复杂，造成很大浪费。2、刀库类型 一般有盘式、链式及鼓轮式刀库几种。 盘式刀库 刀具呈环行排列，空间利用率低，容量不大但结构简单。 链式刀库 结构紧凑，容量大，链环的形状也可随机床布局制成各种形式而灵活多变，还可将换刀位突出以便于换刀，应用较为广泛。 鼓轮式或格子式刀库 占地小，结构紧凑，容量大，但选刀、取刀动作复杂，多用于 FMS 的集中供刀系统。 3、选刀方式 常有顺序选刀和任意选刀两种。 顺序选刀是在加工前，将加工所需刀具依工艺次序插入刀库刀套中，顺序不能有差错，加工时按顺序调刀。工件变更时，需重调刀具顺序，操作烦琐，且加工同一工件中刀具不能重复使用。 任意选刀是刀具均有自己的代码，加工中任选且可重复使用，也不用放于固定刀座，装刀、选刀都较方便。 六、 检测装置作用检测装置是对数控机床中运动部件的位置及速度进行检测，把测量信号作为反馈信号，并将其转换成数字信号送回计算机与脉冲指令信号进行比较，以控制驱动元件正确运转。检测装置的精度直接影响数控机床的定位精度和加工精度。七、 对检测装置的要求数控机床对检测装置的要求是：高的可靠性及抗干扰能力；满足机床加工精度和加工速度的要求；使用维护方便；成本低等。 八、 检测装置的分类 1、直接测量与间接测量 直接测量是指所测对象为被测对象本身，其方式有二：一是直线测量，即测工作台直线位移（但检测装置需和行程等长）；二是角度测量，即测主轴旋转角度。 间接测量是指以旋转方式检测装置反映工作台直线位移，该方法使用方便又无长度限制，但精度要受机床传动链精度的影响。 2、增量式和绝对式测量 增量式测量是指只测位移增量，由系统所发脉冲量累计计算位移。 绝对式测量是指被测任一点均从固定的零点起算，被测点均有对应编码。 3、位置检测与速度检测 位置检测指对运动部件的位置作测量，而速度检测则是对运动件速度作测量（如测速发电机）。