1、第二章第二章 數控機床的機械結構數控機床的機械結構 2-1對機械結構的要求 一、數控機床的機械結構要求 1、高精度 2、高速度 3、高自動化 要求數控機床必須具有很高的 強度、剛度和抗振性 因此，數控機床的功能要求和設計要求與普通機床有較大的 差異。數控機床的結構設計要求可以歸納為如下幾方面： 1、具有大切削功率，高的靜、動剛度和良好的抗振性能； 2、具有較高的幾何精度、傳動精度、定位精度和熱穩定性； 3、具有實現輔助操作自動化的結構部件。 1、數控機床應具有更高的靜、動剛度 一、數控機床的機械結構要求 （1）提高剛度的原因 在重載荷的作用下，機床的各部件、構件會受力變形， 引起刀具和工件的相

2、對位置的變化 機床剛度差影響機床抗振性 剛度:是指支承件在恒定載荷或交變載荷作用下抵抗變形的能力 (靜剛度靜剛度)(動剛度動剛度) （2）提高剛度的措施 合理選擇支承件的結構形式 措施1 支承件截面形狀盡量選用抗彎的方截面和抗扭的圓截面 或采用封閉型床身 封閉整體箱形結構封閉整體箱形結構 （2）提高剛度的措施 措施2 合理布置支承件隔板的筋條 隔板的作用是將作用于支承板的局部載荷傳遞給其它 壁板,從而使整個支承件承受載荷,提高支承件的自身剛度 “T”形隔板連接，主 要提高水平面抗彎剛 度，對提高垂直面抗 彎剛度和抗扭剛度不 顯著，多用在剛度要 求不高的床身上 （2）提高剛度的措施 “W”形隔板

3、，能較大地提高水平面上的抗彎抗扭剛度， 對中心距超過1500mm的長床身，效果最為顯著 （2）提高剛度的措施 “”形隔板，在垂直面和水平面上的抗彎剛度都 比較高，鑄造性能好，在大中型車床上應用較多 （2）提高剛度的措施 斜向拉筋，床身剛度最高，排屑容易 措施3 增加導軌與支承件的連接部分的剛度 （2）提高剛度的措施 連接剛度:支承件在連接處抵抗變形的能力,稱為支承件的連 接剛度. 措施4 增加機床各部件的接觸剛度和承載能力 （2）提高剛度的措施 u 采用刮研的方法增加單位面積上的接觸點 u 在結合面之間施加足夠大的預加載荷,增加接觸面積 合理的結構布局 （2）提高剛度的措施 合理的結構布局 （

4、2）提高剛度的措施 采用補償變形的措施 （2）提高剛度的措施 測出受力點的相對變 形的大小和方向，或 者預知構件的變形規 律，就可采取補償變 形的方法消除受力變 形的影響 合理選用構件的材料 措施1 床身、立柱等支承件采用鋼板或型鋼焊接 增加剛度、減輕重量、提高抗振性 （2）提高剛度的措施 鑄件: 容易獲得復雜結構的支承件,鑄鐵的內摩擦力大,阻尼 系數大,振動的衰減性能好,成本低.鑄件的周期較長,需 做木型模,易產生縮孔、氣泡等缺陷 焊接件:鋼材的強度比鑄鐵高，質量可比鑄件減輕20%-50%， 不需要木模和澆注，生產周期短，不易出現廢品 措施2 采用封砂床身結構 （2）提高剛度的措施 在鑄件中

5、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、樹脂混凝土或人造花崗巖作支承件的材料 （2）提高剛度的措施 天然大理石床身 （2）提高剛度的措施 一、數控機床的機械結構要求 2、減少機床的熱變形 （1）產生熱變形的原因： 內外熱源的影響 不能人工修正熱變形誤差 （2）減少熱變形的措施： 減少發熱將熱源從主機中分離出去 措施1 主運動采用直流或交流調速電動機進行無級調速 減少傳動軸和傳動齒輪數量 減少主傳動箱內的發熱量 進行熱變形補償 措施2 采用低摩擦系數的導軌和軸承 采用滾動導軌、靜壓導軌或滾動軸承 （2）減少熱變形的措施： 控制溫升

6、措施 通過散熱和冷卻方法 改善機床結構 措施1 采用對稱原則設計數控機床結構 措施2 使機床主軸的熱變形發生在刀具切入的垂直方向上 措施3 采用排屑系統 主軸 冷卻風管 對機床熱源進行強制冷卻 主軸 冷卻風管 對機床熱源進行強制冷卻 對稱結構立柱 措施1 采用對稱原則設計數控機床結構 措施2 使機床主軸的熱變形發生在刀具切入的垂直方向上 機床排屑系統 措施3 采用排屑系統 傾斜床身 措施3 采用排屑系統 措施4 將熱源置于易散熱的位置 將主傳動箱和主電動機放在機床的外面 3、減少運動副的摩擦，提高傳動精度 4、提高機床壽命和精度保持性 一、數控機床的機械結構要求 措施1 采用滾動導軌或靜壓導軌

7、來減少摩擦副之間的摩擦 措施2 采用滾珠絲杠或無間隙齒輪傳動減小摩擦 措施1 采用耐磨性好的零部件 措施2 機床運動部件間具有良好的潤滑 滾珠絲杠螺母副+滾動導軌副 5、自動化的機構、宜人的操作性 一、數控機床的機械結構要求 便于操作的機床結構 一、數控機床的機械結構要求 6、安全防護和宜人的造型 數控機床大都采用機、電、液、氣一體化布局，全封 閉或半封閉防護，機械結構大大簡化，易于操作及實現自 動化。 二、對主傳動的要求 2、對主傳動的要求 1、主傳動的作用：產生主切削力 足夠的轉速范圍 足夠的功率和扭矩 各零部件應具有足夠的精度、強度、剛度和抗振性 噪聲低、運行平穩 3、主傳動的配置方式

8、主軸電動機直接驅動（一體化主軸，電主軸） 特點： 有效提高主軸部件剛度，但主軸輸出扭矩小 電主軸 主軸電動機 2、電動機經同步齒形帶傳動主軸 3、電動機經齒輪變速傳動主軸 主軸電動機 4、主軸部件 動畫 三、對進給傳動系統的要求 1、進給傳動系統作用 接受數控系統發出的進給脈沖，經放大和轉換后 驅動執行元件實現預期的運動。 2、傳統進給傳動系統與數控伺服進給系統的區別 傳統進給傳動系統：多采用一個電機，執行件之間采用大量 的齒輪傳動，以實現內外傳動鏈的各種傳動比要求。故傳動 鏈很長，結構相當復雜 數控伺服進給系統：每一個運動都由單獨的伺服電機驅動， 傳動鏈大大縮短，傳動件大大減少，有利于減少傳

9、動誤差， 提高傳動精度 3、對進給傳動系統的要求 減少運動件的摩擦阻力 提高機床進給系統的快速響應性能和運動精度，減少爬行現象 響應性能：是進給伺服系統動態性能的指標， 反映了系統的跟蹤精度 運動精度：是機床的主要零、部件在以工作狀態 的速度運動時的精度 爬行現象：低速時運動不平衡的現象稱為爬行現象 機床爬行現象一般發生在低速度、重載荷的運動情況下 當主動件1作勻速運動時，被動件3往往會出現明顯的速度 不均勻，產生跳躍式的時停時走的運動狀態，或時快時慢 現象 3、對進給傳動系統的要求 提高傳動精度和剛度 措施1 保證部件加工精度 措施2 在傳動鏈中加入減速齒輪減小脈沖當量，提高傳動精度 措施3

10、 預緊支撐絲杠的軸承消除齒輪、蝸輪傳動件間隙 措施4 預緊消除滾珠絲杠螺母副的軸向傳動間隙 3、對進給傳動系統的要求 減小各運動零部件的慣量 穩定性好，壽命長 穩定性好：保證低速時不產生爬行，外負載變化時不發生振動 壽命：是指數控機床保持傳動精度和定位精度時間的長短， 即保持原制造精度的能力 2-2數控機床典型機械結構 一、主軸準停裝置 機 械 式 主 軸 準 停 二、自動換刀裝置 自動換刀裝置 刀庫 機械手 (ATC) 作用交換主軸與刀庫中的刀（工）具 對自動換刀裝置的 基本要求 v換刀時間短 v刀具重復定位精度高 v有足夠的刀具貯存量 v刀庫占地面積小及安全可靠 自動換刀裝置的形式 回轉刀

11、架換刀 更換主軸頭換刀 更換主軸箱換刀 帶刀庫的自動換刀系統 二、自動換刀裝置 1、回轉刀架換刀 1）回轉刀架結構要求：良好的強度和剛性 2）回轉刀架的換刀動作 刀架抬起 刀架轉位 刀架壓緊 二、自動換刀裝置 2、更換主軸換刀 優點：換刀時間短，換刀的可靠性強。 缺點：主軸系統的剛度較差。 適用場合：適應于工序較少、精度要求不太高的機床 回 轉 刀 架 換 刀 3、更換主軸箱換刀 適用場合： 適用于箱體 類零件的加 工 二、自動換刀裝置 4、帶刀庫的自動換刀系統 組成 刀庫 選刀系統 刀具交換機構 刀具自動裝卸機構 特點：結構較復雜，換刀過程動作多，換刀時間長。 適用場合：多用于鉆床、鏜銑床和

12、數控組合機床。 二、自動換刀裝置 三、刀庫 2、刀庫的種類 1、刀庫的功能 功能：儲存加工工序所需的各種刀具及輔助工具。 直線式 特點：結構簡單，刀庫容量小，一般可容納 8-12把刀具，故少用。 三、刀庫 鼓輪式（圓盤式） 1）單鼓輪式 刀具、鼓輪軸線平行 刀具、鼓輪軸線垂直 盤式刀庫 三、刀庫 刀具、鼓輪軸線成銳角 特點：結構簡單緊湊，應用較多，但刀具單 環排列，空間利用率低，適用于刀庫 容量較小的場合，一般不多于50-60把刀。 三、刀庫 鼓輪端面上雙環排列 特點：刀庫空間利用率較高，但裝刀、取 刀機構復雜，僅適用于機床空間有 限制而刀庫容量較大的場合。 三、刀庫 鼓輪端面上多環排列 鼓輪

13、彈倉式 2）多鼓輪式 雙鼓輪式 主軸 三、刀庫 三鼓輪式 行星鼓輪式 特點：不同類型的刀具及輕重型刀具可分別放置， 空間利用率高，但傳動機構和運動控制裝置 復雜，適用于刀庫容量大的場合。 三、刀庫 鏈式 單環鏈式 特點：結構緊湊，刀庫 容量大，可充分利用空 間，通常為軸向取刀， 位置精度較低，適用于 刀庫容量大的場合。 龍門加工中心 三、刀庫 多環鏈式 三、刀庫 加長鏈式 格子箱式 單面網格式 特點：刀庫結構緊湊，空間利用率高，但換刀時間 較長，小直徑刀具為軸向取刀，大直徑刀具 為徑向取刀，布局不靈活，通常刀庫安置在 工作臺上，應用較少。 三、刀庫 三、刀庫 多面網格式 特點：刀庫容量大，輔助

14、裝置較復雜，用于需刀庫 容量大的機床上。 三、刀庫三、刀庫 3 3、刀庫的容量、刀庫的容量銑削加工 車削加工 刀具數 可 加 工 件 的 比 率 10 20 40 30 50 60 70 80 100 90 105 0 15202530 鉆削加工 四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式 1、自動選刀：在自動換刀裝置換刀時，按數控裝、自動選刀：在自動換刀裝置換刀時，按數控裝 置發出的換刀指令，刀具交換裝置置發出的換刀指令，刀具交換裝置 從刀庫中挑選各工序所需刀具的操從刀庫中挑選各工序所需刀具的操 作稱為自動換刀。作稱為自動換刀。 2、刀具的選擇方式、刀具的選擇方式 順序選擇方式順序選擇方式 任意選

15、擇方式任意選擇方式 刀座編碼方式刀座編碼方式 刀具編碼方式刀具編碼方式 四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式 順序選擇方式順序選擇方式 刀具的順序選擇方式是將刀具按加工工序刀具的順序選擇方式是將刀具按加工工序 的順序，依次放入刀庫的每一個刀座中。的順序，依次放入刀庫的每一個刀座中。 特點：不需要刀具識別裝置，結構簡單，特點：不需要刀具識別裝置，結構簡單， 工作可工作可 靠，但刀庫中刀具在不同工序中不能重復靠，但刀庫中刀具在不同工序中不能重復 使用，因此，刀具的數量的刀庫的容量大。使用，因此，刀具的數量的刀庫的容量大。 四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式 刀具編碼方式刀具編碼方式 u接觸式識別

16、裝置接觸式識別裝置 四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式 刀柄刀柄 刀具識別裝置刀具識別裝置 觸針觸針 編碼環編碼環 特點：結構簡單，壽命較短，可靠性較差，難于快速換刀特點：結構簡單，壽命較短，可靠性較差，難于快速換刀 四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式 u非接觸式識別裝置非接觸式識別裝置 11010 特點：無磨損，無噪音，壽命長，反應速度快，適用于高特點：無磨損，無噪音，壽命長，反應速度快，適用于高 速，換刀頻繁的場合。速，換刀頻繁的場合。 四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式 u光電識別裝置光電識別裝置 四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式 刀座編碼方式刀座編碼方式 永久性編碼永久性編碼

17、 臨時性編碼臨時性編碼 刀座編碼刀座編碼 四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式 刀座編碼刀座編碼 四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式 識別碼塊識別碼塊 識別傳感器識別傳感器 刀柄編碼刀柄編碼 四、刀具的選刀方式四、刀具的選刀方式 臨時性編碼臨時性編碼 五、刀具交換裝置五、刀具交換裝置 1、無機械手換刀、無機械手換刀 五、刀具交換裝置五、刀具交換裝置 1、無機械手換刀、無機械手換刀 2、機械手換刀、機械手換刀 五、刀具交換裝置五、刀具交換裝置 機 械 手 形 式 五、刀具交換裝置五、刀具交換裝置 機機 械械 手手 換換 刀刀 五、刀具交換裝置五、刀具交換裝置 機機 械械 手手 傳傳 動動 結結

18、 構構 六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副 1 1、滾珠絲杠螺母副的結構、滾珠絲杠螺母副的結構 滾珠絲杠螺母副 六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副 1 1、滾珠絲杠螺母副的結構、滾珠絲杠螺母副的結構 絲杠絲杠 滾珠滾珠 螺母螺母 作用：將回轉運動轉換成直線運動作用：將回轉運動轉換成直線運動 六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副 2 2、滾珠絲杠螺母副的特點、滾珠絲杠螺母副的特點 優點：優點：傳動效率高傳動效率高 摩擦阻力小摩擦阻力小 傳動精度高傳動精度高 有可逆性有可逆性 使用壽命長使用壽命長 缺點：缺點：制造工藝復雜制造工藝復雜 不能實現自鎖不能實現自鎖 六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺

19、母副 3 3、滾珠絲杠螺母副的循環方式、滾珠絲杠螺母副的循環方式 外循環：滾珠在循環過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環外循環：滾珠在循環過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環 內循環：滾珠在循環過程中始終與絲杠保持接觸的成為內循環內循環：滾珠在循環過程中始終與絲杠保持接觸的成為內循環 六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副 4 4、滾珠絲杠螺母副的預緊、滾珠絲杠螺母副的預緊 預緊的目的：減小軸向間隙預緊的目的：減小軸向間隙 軸向間隙：指絲杠和螺母間無相對轉動時，二者之間的最大軸向間隙：指絲杠和螺母間無相對轉動時，二者之間的最大 軸向竄動量軸向竄動量 預緊的方法預緊的方法 雙螺母墊片式雙螺母墊片式

20、 雙螺母螺紋式雙螺母螺紋式 雙螺母齒差式雙螺母齒差式 u雙螺母墊片式雙螺母墊片式 六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副 u雙螺母螺紋式雙螺母螺紋式 六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副 u雙螺母齒差式雙螺母齒差式 六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副 5 5、滾珠絲杠螺母副的安裝、滾珠絲杠螺母副的安裝 六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副 特點：其承載能力小，軸向剛度低，僅適用于短絲杠特點：其承載能力小，軸向剛度低，僅適用于短絲杠 一端裝止推軸承（固定一端裝止推軸承（固定自由式）自由式） 5 5、滾珠絲杠螺母副的安裝、滾珠絲杠螺母副的安裝 六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副 一端裝止推軸承，

21、另一端裝深溝球軸承（固定一端裝止推軸承，另一端裝深溝球軸承（固定支承式）支承式） 特點：軸向剛度較小，絲杠有伸縮余地，結構復雜，僅特點：軸向剛度較小，絲杠有伸縮余地，結構復雜，僅 適用于長絲杠適用于長絲杠 5 5、滾珠絲杠螺母副的安裝、滾珠絲杠螺母副的安裝 六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副 兩端裝止推軸承兩端裝止推軸承 特點：將裝止推軸承裝在滾珠絲杠兩端，并施加預緊拉特點：將裝止推軸承裝在滾珠絲杠兩端，并施加預緊拉 力，有助于提高傳動剛度，但對熱伸長較敏感力，有助于提高傳動剛度，但對熱伸長較敏感 5 5、滾珠絲杠螺母副的安裝、滾珠絲杠螺母副的安裝 六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副 兩端

22、裝雙重止推軸承及深溝球軸承（固定兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承（固定固定式）固定式） 特點：傳動剛度高，結構和安裝工藝復雜，適用于長絲特點：傳動剛度高，結構和安裝工藝復雜，適用于長絲 杠或高轉速、高剛度、高精度的絲杠杠或高轉速、高剛度、高精度的絲杠 6 6、滾珠絲杠螺母副的潤滑與防護、滾珠絲杠螺母副的潤滑與防護 六、滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副 u潤滑的作用：減少摩擦，降低溫升，并與密封裝置一起潤滑的作用：減少摩擦，降低溫升，并與密封裝置一起 保護絲杠不受外物的保護絲杠不受外物的 損傷與腐蝕損傷與腐蝕 潤滑油：機油、潤滑油：機油、90180號透平油、號透平油、140號主軸油號主軸油 潤滑脂

23、：鋰基油脂或高壓潤滑脂潤滑脂：鋰基油脂或高壓潤滑脂 u防護：防止塵埃、切屑等硬質顆粒進入防護：防止塵埃、切屑等硬質顆粒進入 密封圈：采用毛氈圈（耐油橡膠、尼龍）密封圈：采用毛氈圈（耐油橡膠、尼龍） 防護罩：采用螺旋鋼帶、伸縮套筒、錐形套筒或皮革、防護罩：采用螺旋鋼帶、伸縮套筒、錐形套筒或皮革、 人造革制成的人造革制成的 不銹鋼卷筒式防護罩不銹鋼卷筒式防護罩工程塑料防護套工程塑料防護套 七、數控機床導軌七、數控機床導軌 2 2、對導軌的基本要求、對導軌的基本要求 1 1、導軌的功能：支承和導向、導軌的功能：支承和導向 導向精度：是指機床的運動部件沿導軌移動時的直線性導向精度：是指機床的運動部件沿

24、導軌移動時的直線性 和它與有關基面之間相互位置的準確性和它與有關基面之間相互位置的準確性 精度保持性：是指導軌在長期使用中保持導向精度的能力精度保持性：是指導軌在長期使用中保持導向精度的能力 低速運動平穩性：低速運動平穩性： 結構簡單、工藝性好：結構簡單、工藝性好： 七、數控機床導軌七、數控機床導軌 3 3、導軌的分類和特點、導軌的分類和特點 按運動軌跡按運動軌跡 按工作性質按工作性質 按接觸面的摩擦性質按接觸面的摩擦性質 直線運動導軌：相對運動軌跡為直線直線運動導軌：相對運動軌跡為直線 圓周運動導軌：相對運動軌跡為圓圓周運動導軌：相對運動軌跡為圓 主運動導軌：動導軌作主運動，導軌副間相對運動

25、速度高主運動導軌：動導軌作主運動，導軌副間相對運動速度高 進給運動導軌：動導軌作進給運動，導軌副間相對運動速度低進給運動導軌：動導軌作進給運動，導軌副間相對運動速度低 調整導軌：實現部件之間的相對位置調整，在機床工作時無相調整導軌：實現部件之間的相對位置調整，在機床工作時無相 對對 運動運動 滑動導軌滑動導軌 滾動導軌滾動導軌 靜壓導軌靜壓導軌 七、數控機床導軌七、數控機床導軌 滑動導軌具有結構簡單、制造方便、剛度好、抗振性高等優滑動導軌具有結構簡單、制造方便、剛度好、抗振性高等優 點點, , 在數控機床上應用廣泛，目前多數使用金屬對塑料形式，稱在數控機床上應用廣泛，目前多數使用金屬對塑料形式，稱 為為貼塑導軌貼塑導軌或或注塑導軌注塑導軌 u滑動導軌滑動導軌 注塑導軌：環氧樹脂為基體，加入二硫化鉬和膠體石墨及鉛粉注塑導軌：環氧樹脂為基體，加入二硫化鉬和膠體石墨及鉛粉 等混合而成等混合而成 貼塑