.,1,1,第4章數控機床的機械結構,.,2,2,4.1認識數控機床的機械結構,1、熟悉數控車床的機械結構,.,3,3,4.1認識數控機床的機械結構,2、熟悉加工中心的機械結構,.,4,4,4.2數控機床機械結構的特點,一、數控機床機械結構特點,1）靜剛度和動剛度高合理選擇構件的結構形式，如基礎件采用封閉的完整箱體結構；合理選擇及布局隔板和筋條，盡量減小接合面，提高部件間接觸剛度等；合理進行結構布局；采取補償構件變形的結構措施。2）抗振性高,.,5,5,4.2數控機床機械結構的特點,立柱結構,筋條結構,.,6,6,4.2數控機床機械結構的特點,一、數控機床機械結構特點,3）靈敏度高4）熱變形小在數控機床結構布局設計中可考慮盡量采用對稱結構（如對稱立柱等），進行強制冷卻（如采用空冷機），使排屑通道對稱布置等措施。5）自動化程度高，操作方便,回轉交換式APC,移動交換式APC,二、數控機床布局特點,1、不同布局適應不同的工件形狀、尺寸及重量,數控銑床四種布局方案適應的工件重量、尺寸卻不同。（a）適應較輕工件，（b）適應較大尺寸工件，（c）適應較重工件，（d）適應更重更大工件。,二、數控機床布局特點,2、不同布局有不同的運動分配及工藝范圍,數控鏜銑床的三種布局方案中，（a）主軸立式布置，上下運動，對工件頂面進行加工；（b）主軸臥式布置，加工工作臺上分度工作臺的配合，可加工工件多個側面；（c）在（b）基礎上再增加一個數控轉臺，可完成工件上更多內容的加工。,二、數控機床布局特點,3、不同布局有不同的機床結構性能,數控臥式鏜銑床中，（a）、（b）為T形床身布局，工作臺支承于床身，剛度好，工作臺承載能力強；(c)、(d)工作臺為十字形布局，（c）主軸箱懸掛于單立柱一側，使立柱受偏載，(d)主軸箱裝在框式立柱中間，對稱布局，受力后變形小，有利于提高加工精度。,二、數控機床布局特點,4、不同布局影響機床操作方便程度,數控車床的四種不同布局方案，（a）為水平床身-水平滑板，床身工藝性好，便于導軌面的加工，下部空間小，故排屑困難，刀架水平放置加大了機床寬度方向的結構尺寸；,二、數控機床布局特點,4、不同布局影響機床操作方便程度,（b）為傾斜床身-傾斜滑板，排屑亦較方便，中小規格的數控車床其床身的傾斜度以60為宜；（c）水平床身-傾斜滑板，具有水平床身工藝性好，寬度方向的尺寸小，且排屑方便，是臥式數控車床的最佳布局形式。,.,13,13,4.3數控機床的主傳動系統,4.3.1數控機床主傳動的特點,1）具有更大的調速范圍并實現無級調速。一般要求主軸具備1（1001000）的恒轉矩調速范圍和110的恒功率調速范圍。2）具有較高的精度與剛度，傳遞平穩，噪聲低3）良好的抗振性和熱穩定性。4）在車削中心上，要求主軸具有C軸控制功能。5）在加工中心上，要求主軸具有高精度的準停功能。6）具有恒線速度切削控制功能。,.,14,14,4.3數控機床的主傳動系統,4.3.2數控機床主軸的變速方式,1、帶有變速齒輪的主軸傳動大中型數控機床較常采用的配置方式，確保低速時有較大的扭矩，滑移齒輪的移位大多采用液壓撥叉或直接由液壓缸驅動齒輪來實現。,數控機床主傳動的四種配置方式(a)齒輪變速；(b)帶傳動；(c)兩個電機分別驅動；(d)調速電機直接驅動,.,15,15,4.3.2數控機床主軸的變速方式,2、通過帶傳動的主軸傳動主要用在轉速較高、變速范圍不大的小型數控機床上。可以避免由齒輪傳動所引起的振動和噪聲。適用于高速低轉矩特性的主軸，常用有多楔帶和同步齒形帶。,帶的結構形式(a)多楔帶;(b)同步齒形帶,.,16,16,同步齒形帶傳動是一種綜合了帶傳動和鏈傳動優點的新型傳動方式，帶型有梯形齒和圓弧齒。,同步齒形帶的結構和傳動,4.3.2數控機床主軸的變速方式,.,17,17,3、用兩個電機分別驅動主軸傳動高速時，由一個電機通過帶傳動；低速時，由另一個電機通過齒輪傳動，齒輪起到降速和擴大變速范圍的作用，使恒功率區增大，擴大了變速范圍，避免了低速時轉矩不夠且電機功率不能充分利用的問題。,4.3.2數控機床主軸的變速方式,.,18,18,4、調速電機直接驅動主軸傳動大大簡化了主軸箱體與主軸的結構，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出的扭矩小，電機發熱對主軸的精度影響較大。,直接驅動式,4.3.2數控機床主軸的變速方式,.,19,19,主軸軸承常見的支撐形式(a)形式一；(b)形式二；(c)形式三,1、主軸軸承的支撐形式,1）前支撐采用雙列短圓柱滾子軸承和60角接觸雙列向心推力球軸承組合，后支撐采用成對向心推力球軸承。可提高主軸的綜合剛度，滿足強力切削的要求。普遍用于各類數控機床主軸。,4.3數控機床的主傳動系統,4.3.3主軸部件,2）前支撐采用高精度雙列向心推力球軸承。向心推力軸承有良好的高速性，主軸最高轉速可達4000rmin，但承載能力小，適于高速、輕載、高精密的數控機床主軸。3）前后支撐分別采用雙列和單列圓錐滾子軸承。徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，其安裝、調整性能好，但限制了主軸轉速和精度，因此可用于中等精度、低速、重載的數控機床的主軸。,.,21,21,2、刀具自動裝卸切屑清除裝置,4.3.3主軸部件,機床執行換刀指令，機械手從主軸拔刀時，主軸需松開刀具。這時，液壓缸上腔通壓力油，活塞推動拉桿向下移動，使碟形彈簧壓縮，鋼球進入主軸錐孔上端的槽內，刀柄尾部的拉釘被松開，機械手拔刀。,加工中心主軸前端有724號錐孔，內部和后端安裝的是刀具自動夾緊機構。,.,22,22,壓縮空氣進入活塞和拉桿的中孔，吹凈主軸錐孔，為裝入新刀具做好準備。當機械手將下一把刀具插入主軸后，液壓缸上腔無油壓，在碟形彈簧和彈簧的恢復力作用下，拉桿、鋼球和活塞退回到圖示的位置，使刀具被夾緊。刀桿夾緊機構用彈簧夾緊，液壓放松，以保證在工作中突然停電時，刀桿不會自行松脫。,4.3.3主軸部件,2、刀具自動裝卸切屑清除裝置,.,23,23,機床采用的是724號錐柄刀具，錐柄的尾端安裝有拉釘，拉桿通過4個鋼球拉住拉釘的凹槽，使刀具在主軸錐孔內定位及夾緊。,2、刀具自動裝卸切屑清除裝置,4.3.3主軸部件,.,24,24,3、主軸的準停,主軸準停換刀示意圖,又稱為主軸定位功能，這是自動換刀所必需的功能。在自動換刀的鏜銑加工中心上，切削的轉矩通常是通過刀桿的端面鍵來傳遞的，這就要求主軸具有準確定位于圓周上特定角度的功能。,4.3.3主軸部件,.,25,25,主軸準停階梯孔或精鏜孔示意圖,當加工階梯孔或精鏜孔后退刀時，為防止刀具與小階梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，必須先讓刀，再退刀，因此，刀具就必須具有定位功能。,3、主軸的準停,4.3.3主軸部件,.,26,26,1）機械準停控制采用機械凸輪機構或光電盤方式進行粗定位，然后有一個液動或氣動的定位銷插入主軸上的銷孔或銷槽實現精確定位，完成換刀后定位銷退出，主軸才開始旋轉。結構復雜，在早期數控機床上使用較多。,典型的V形槽輪定位盤機械準停原理示意圖,4.3.3主軸部件,.,27,27,2）電氣準停控制,永久磁鐵與磁傳感器在主軸上的位置,4.3.3主軸部件,磁傳感器主軸準停控制在主軸上安裝一個永久磁鐵與主軸一起旋轉，在距離發磁體旋轉外軌跡12mm處固定一個磁傳感器，它經過放大器并與主軸控制單元相連接，當主軸需要定向時，便可停止在調整好的位置上。,.,28,28,編碼器主軸準停控制原理圖,4.3.3主軸部件,編碼器主軸準停控制通過主軸電動機內置安裝的位置編碼器或在機床主軸箱上安裝一個與主軸1：1同步旋轉的位置編碼器來實現準停控制，準停角度可任意設定。,.,29,29,非接觸式密封(a)形式一；(b)形式二；(c)形式三,4、主軸的密封,4.3.3主軸部件,.,30,30,接觸式密封(a)油氈圈密封；(b)耐油橡膠密封圈密封,4.3.3主軸部件,.,31,31,1）摩擦阻力要小廣泛采用滾珠絲杠和滾動導軌以及塑料導軌和靜壓導軌。2）傳動剛度要高3）轉動慣量要小4）諧振頻率要高5）傳動間隙要小,4.4數控機床進給傳動系統,4.4.1對數控機床進給系統的要求,.,32,32,1、工作原理與特點,滾珠絲杠副結構原理,4.4數控機床進給傳動系統,4.4.2滾珠絲杠螺母機構,.,33,33,滾珠絲杠螺母副優點：1)傳動效率高，摩擦損失小。2)運動平穩無爬行。3)傳動精度高，反向時無空程。4)磨損小，精度保持性好，使用壽命長。5)具有運動的可逆性。,4.4.2滾珠絲杠螺母機構,1、工作原理與特點,.,34,34,2、滾珠絲杠螺母副的結構類型,外循環式滾珠絲杠結構,1)外循環。滾珠在循環過程結束后，通過螺母外表面上的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進入循環。結構簡單，工藝性好，承載能力較高，但徑向尺寸較大。應用最為廣泛，也可用于重載傳動系統。,4.4.2滾珠絲杠螺母機構,.,35,35,2）內循環。靠螺母上安裝的反向器接通相鄰滾道，使滾珠成單圈循環。反向器2的數目與滾珠圈數相等。結構緊湊，剛度好，滾珠流通性好，摩擦損失小，制造較困難，適用于高靈敏、高精度的進給系統。,內循環式滾珠絲杠結構,4.4.2滾珠絲杠螺母機構,.,36,36,3、滾珠絲杠螺母副間隙的調整方法,雙螺母消隙,通常采用預加載荷的方法來減小彈性變形所帶來的軸向間隙，以保證反向傳動精度和軸向剛度。,4.4.2滾珠絲杠螺母機構,（1）墊片調隙式,.,37,37,（2）螺紋調隙式,3、滾珠絲杠螺母副間隙的調整方法,4.4.2滾珠絲杠螺母機構,（3）齒差調隙式在兩個螺母的凸緣上各制有圓柱外齒輪，分別與套筒兩端內齒圈相嚙合，其齒數相差一個齒。調整時，讓兩個螺母相對于套筒方向都轉動一個齒，然后再插入內齒圈，則兩個螺母便產生相對角位移，其軸向位移量s=（1/z1-1/z2)Pn。,齒差調隙式,能精確調整預緊量，調整方便、可靠，結構尺寸較大，多用于高精度的傳動。,3、滾珠絲杠螺母副間隙的調整方法,.,39,39,單螺母消隙,（4）單螺母變位螺距預緊,4.4.2滾珠絲杠螺母機構,.,40,40,（5）單螺母螺釘預緊螺母在專業生產工廠完成精磨之后，沿徑向開一薄槽，通過內六角調整螺釘實現間隙的調整和預緊。間隙的調整和預緊極為方便。,4.4.2滾珠絲杠螺母機構,.,41,41,滾珠絲杠的支撐方式(a)僅一端裝推力軸承；(b)一端裝推力軸承，另一端裝深溝球軸承；(c)兩端裝推力軸承，(d)兩端裝推力軸承和深溝球軸承,4、滾珠絲杠的支撐,4.4.2滾珠絲杠螺母機構,.,42,42,5、滾珠絲杠副的制動裝置機床工作時，電磁鐵通電，使摩擦離合器脫開，運動由電機經減速齒輪傳給絲杠，使主軸箱上、下移動。當加工完畢或中間停車時，電機和電磁鐵同時斷電，借壓力彈簧作用合上摩擦離合器，使絲杠不能轉動，主軸箱便不會下落。,數控銑鏜床主軸箱進給絲杠制動示意圖,4.4.2滾珠絲杠螺母機構,.,43,43,1、直齒圓柱齒輪傳動副消除間隙的方法1）偏心套調整法,偏心套消除間隙結構,4.4數控機床進給傳動系統,4.4.3傳動齒輪間隙調整機構,.,44,44,2）錐度齒輪軸向墊片調整法,錐度齒輪軸向墊片消除間隙結構,4.4.3傳動齒輪間隙調整機構,.,45,45,3）雙片薄齒輪錯齒調整法,雙片薄齒輪錯齒消除間隙結構(a)結構一；(b)結構二,4.4.3傳動齒輪間隙調整機構,.,46,46,1）斜齒輪軸向墊片調整法薄片斜齒輪1和2的齒形拼裝在一起加工，裝配時在兩薄片齒輪間裝入已知厚度為t的墊片3，這樣螺旋線便錯開了，使兩薄片斜齒輪分別與寬齒輪4的左、右齒面貼緊，從而消除間隙。承載能力較小，且不能自動補償消除間隙，屬剛性消除間隙的范疇。,斜齒輪軸向墊片消除間隙結構,2、斜齒圓柱齒輪傳動副消除間隙的方法,4.4.3傳動齒輪間隙調整機構,.,47,47,2）斜齒輪軸向壓簧錯齒調整法軸向尺寸較大，只適合于負載較小的場合。,斜齒輪軸向壓簧錯齒消除間隙結構,4.4.3傳動齒輪間隙調整機構,.,48,48,4、錐齒輪傳動副消除間隙的方法,錐齒輪軸向壓簧消除間隙結構,1）錐齒輪軸向壓簧調整法,4.4.3傳動齒輪間隙調整機構,.,49,49,2）錐齒輪周向彈簧調整法,錐齒輪周向彈簧消除間隙結構,4.4.3傳動齒輪間隙調整機構,5、齒輪齒條傳動副消除間隙的方法如果通過彈簧在軸2上作用一個軸向力F，使斜齒輪產生微量軸向移動，這時軸1和軸3便以相反的方向轉過微小的角度，使齒輪4和5分別與齒條的兩齒面貼緊，從而消除間隙。,齒輪齒條消除間隙結構,.,51,51,錐環無鍵消隙聯軸器,1、錐環無鍵聯軸器,4.4數控機床進給傳動系統,4.4.4聯軸器,.,52,52,撓性聯軸器,4.4.4聯軸器,.,53,53,2、套筒式聯軸器,套筒式聯軸器(a)結構一；(b)結構二；(c)結構三,其結構簡單，徑向尺寸小，但拆裝困難(要求兩中心軸線嚴格對準)，使用受到一定限制。,4.4.4聯軸器,.,54,54,1、對導軌的要求,4.4數控機床進給傳動系統,4.4.5數控機床的導軌,1）高的導向精度。2）良好的耐磨性。3）足夠的剛度。4）具有低速運動的平穩性。,.,55,55,（1)直線滾動導軌,4.4.5數控機床的導軌,2、滾動導軌,導軌體固定在不動部件上，滑塊固定在運動部件上。除導向外還能承受顛覆力矩，其制造精度高，可高速運行，并能長時間保持精度，通過預加負載可提高剛性，具有自調的能力，安裝基面允許誤差大。,.,56,56,直線滾動導軌的外形和結構,4.4.5數控機床的導軌,直線滾動導軌,.,57,57,4.4.5數控機床的導軌,（2）滾動導軌塊,滾動導軌塊多用于中等負荷導軌。使用時導軌塊裝在運動部件上，每一導軌應至少用兩塊或更多塊，導軌塊的數目取決于導軌的長度和負載的大小。與之相對的導軌多用鑲鋼淬火導軌。,.,58,58,滾柱式滾動導軌塊(a)單元滾動塊;(b)在加工中心上的應用,4.4.5數控機床的導軌,.,59,59,（3）滾動導軌的預緊,為了提高滾動導軌的剛度，應對滾動導軌進行預緊。預緊可提高接觸剛度，消除間隙；在立式滾動導軌上，預緊可防止滾動體脫落和歪斜。常見的預緊方法：采用過盈配合。調整法。調整螺釘、斜塊或偏心輪來進行預緊。,4.4.5數控機床的導軌,.,60,60,滾動導軌的預緊方法(a)滾柱或滾針導軌自由支撐;(b)滾柱或滾針導軌預加載荷；(c)交叉式滾柱導軌;(d)循環式滾動導軌塊,4.4.5數控機床的導軌,3、滑動導軌,滑動導軌常見的截面形狀(a)矩形導軌；(b)三角形導軌；(c)燕尾槽導軌；(d)圓柱形導軌,在矩形和三角形導軌中，M面主要起支撐作用，N面是保證直線移動精度的導向面，J面是防止運動部件抬起的壓板面；而在燕尾形導軌中，M面起導向和壓板作用，J面起支撐作用。,在數控機床上，滑動導軌的組合形式主要是三角形配矩形式和矩形配矩形式。只有少部分結構采用燕尾式。,.,62,62,現代數控機床采用鑄鐵-塑料滑動導軌和鑲鋼-塑料滑動導軌。導軌上的塑料常用聚四氟乙烯導軌軟帶和環氧型耐磨導軌涂層兩類。,4.4.5數控機床的導軌,聚四氟乙烯導軌軟帶以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合燒結，并做成軟帶狀。特點：（1）摩擦特性好,圖中Turcite-B和TSF分別是美國霞板公司和廣州機床研究所生產的聚四氟乙烯導軌軟帶。采用聚四氟乙烯導軌軟帶的摩擦副的摩擦系數小，靜、動摩擦系數差別小，且曲線斜率為正值。這種良好的摩擦特性能防止導軌低速爬行，使運行平穩和獲得高的定位精度。,摩擦-速度曲線1一鑄鐵-鑄鐵；2Turcite-B-鑄鐵(干摩擦)；3Turcite-B-鑄鐵(機油)；4TSF-鑄鐵(干摩擦)；5TSF-鑄鐵(機油),.,64,64,首先，將導軌粘貼面加工至表面粗糙度為3.21.6的表面，為了對軟帶起定位作用，導軌粘貼面應加工成0.51.0mm深的凹槽，用汽油或金屬清潔劑或丙酮清洗粘接面后，用膠粘劑粘合，加壓初固化12小時后再合攏到配對的固定導軌或專用夾具上，施以一定壓力，并在