第六節(jié)數(shù)控機床的機械結構一、數(shù)控機床的結構要求與特點二、進給傳動系統(tǒng)三、主傳動系統(tǒng)四、數(shù)控車床結構特點五、數(shù)控銑床結構特點六、加工中心結構特點一、數(shù)控機床的結構要求與特點數(shù)控機床中的機床，在開始階段使用通用機床，只是在自動變速、刀架或工作臺自動轉位和手柄等方面作些改變。實踐證明：數(shù)控機床除由于切削用量大、連續(xù)加工發(fā)熱多等影響工件精度外，并且由于是自動控制，在加工中不能像在通用機床上那樣可以隨時由人工進行干預。所以其設計要求比通用機床更嚴格，制造要求更精密。因而后來在數(shù)控機床設計時，采用了許多新的加強剛性、減小熱變形、提高精度等方面的措施。與傳統(tǒng)的機床相比，數(shù)控機床的外部造型、整體布局，傳動系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)與刀具系統(tǒng)的部件結構以及操作機構等方面都已發(fā)生了很大的變化。數(shù)控機床的結構特點提高精度：傳動機構簡化、傳動鏈短采取消除間隙的傳動副，提高了傳動精度采用高效率、高剛度、高精度的傳動副，如滾珠絲桿副等減少摩擦：采取滾動導軌。靜壓導軌、貼塑導軌等摩擦特性良好的支承部件，靈敏度好，無爬行現(xiàn)象。提高剛度采取剛度和抗振性好、能減少熱變形影響的機械結構提高效率：采用自動換刀、自動排屑、自動潤滑和冷卻等裝置。采取大功率電動機和先進刀刀具和系統(tǒng)，可進行強力切削，提高了切削效率，通常對數(shù)控機床設計在機床的精度、靜剛度、動剛度和熱剛度等方面提出了更高的要求，而傳動鏈則要求盡可能簡單。而機床為了完成零件的加工須進行兩大運動：主運動和進給運動。數(shù)控機床的主運動和進給運動在動作上除了接受CNC的控制外，在機械結構上應具有響應快、高精度、高穩(wěn)定性的特點。

普通機床傳動系統(tǒng)圖:

傳動鏈很長，機械轉換數(shù)控機床傳動系統(tǒng)圖

（每個運動單獨伺服電機，傳動鏈極短）二．進給傳動系統(tǒng)數(shù)控機床的進給運動是數(shù)字控制的直接對象，不論點位控制還是輪廓控制，工件的最終加工精度都受進給運動的傳動精度、靈敏度和傳動穩(wěn)定性的影響。為此數(shù)控機床的進給系統(tǒng)應滿足如下要求：1．減少摩擦阻力：為了提高數(shù)控機床進給系統(tǒng)的快速響應性能和運動精度，避免跟隨誤差和輪廓誤差，必須減小運動件之間的摩擦阻力。如作為工作臺的傳動機構普遍采用滾珠絲桿螺母副；工作臺和導軌之間以滾動摩擦代替滑動摩擦；采用液態(tài)或氣態(tài)靜壓導軌等。2．提高運動的精度和剛度：·精度：運動精度主要取決于各級傳動誤差。因而提高精度首先是縮短傳動鏈，減少誤差環(huán)節(jié)；對于使用的傳動鏈，要消除齒輪副、蝸輪蝸桿副、絲桿螺母副等間隙。使得運動反向時運動與指令同步。·剛度：數(shù)控機床的特點在于不僅適合于零件的高精度加工，更能完成零件粗加工時的大切削用量的加工，這便要求數(shù)控機床有足夠的剛度。為滿足著一要求，主要是選用零件的合適的材料，合適的結構（如絲桿的直徑足夠粗、傳動齒輪無根切等），同時結構部件還必須有合適的支撐等。避免剛度不足時工作臺產生爬行和振動現(xiàn)象，進而影響加工精度。3．減小運動慣量：數(shù)控機床往往要求機床部件具有對指令的快速響應能力。運動部件的慣量對伺服機構的啟動和制動都有影響，尤其是數(shù)控機床進行高精度加工時處于高速運動的零部件。因此在滿足零部件強度和剛度的前提下，盡可能減輕運動部件的質量。滿足數(shù)控機床高速切削的要求。

（一）對進給運動的要求

（影響數(shù)控機床運動軌跡的最關鍵因素）（二）進給傳動機械部件進給傳動機械裝置，是指將驅動源的旋轉運動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運動的整個機械傳動鏈，包括聯(lián)軸器、齒輪裝置、絲杠螺母副等中間傳動機構。進給傳動的配置方式（1）齒輪傳動裝置+滾珠絲桿（2）同步齒形帶

+滾珠絲桿（3）直接驅動（無減速機構）

+滾珠絲桿3、滾珠絲杠螺母副

滾珠絲桿螺母副是數(shù)控機床中回轉運動轉換為直線運動常用的傳動裝置。它以滾珠的滾動代替絲桿螺母副中的滑動，具有良好的性能。·傳動效率高：機械效率可高達92%~98%。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到1/3以下·摩擦力小：主要是用滾珠的滾動代替了普通絲桿螺母副的滑動。·軸向間隙可消除、剛性高：由于滾珠的作用，提高了系統(tǒng)的剛性。經預緊后可消除間隙。由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。使用壽命長、制造成本高：主要采用優(yōu)質合金材料，表面經熱處理后獲得高的硬度。微進給和高速進給可能：滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)精確的微進給。滾珠絲杠副由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給(運動)。三、主傳動系統(tǒng)數(shù)控機床的主傳動運動是指生產切屑的傳動運動，例如，數(shù)控車床上主軸帶動工件的旋轉運動，立式加工中心上主軸帶動銑刀、鏜刀和砂輪等的旋轉運動。由于數(shù)控機床的高自動化及高精度，對主運動提出了更高的要求。（一）對主傳動的要求（二）主運動的變速方式及實現(xiàn)（三）數(shù)控機床的主軸部件（一）對主傳動的要求

1．轉速高，功率大：數(shù)控機床對工件能完成大切削用量的粗加工及高速旋轉下的精加工。粗加工時，扭矩大；精加工時，轉速高。而數(shù)控機床的功率P=T·N，無論是T大，還是N大，都會使得功率大。2．變速范圍寬，且能實現(xiàn)無級變速：滿足不同的加工要求，就要有不同的加工速度。由于數(shù)控機床的加工通常在自動的情況下進行，盡量減少人的參與，因而要求能夠實現(xiàn)無級變速。3．實現(xiàn)恒切削速度加工：在加工端面時，為了保證端面穩(wěn)定的加工質量，要求工件端面的各部位能保持恒定的線切削速度。設：主軸的恒定的旋轉速度為N，線速度V=N·ΠD，即隨著直徑的減少，V也在減少，為了獲得穩(wěn)定的線速度，隨著加工的進行，通過調節(jié)主軸的轉速N使得保持恒定的線切削速度。4．主傳動鏈盡可能短：傳動鏈越短，則累積誤差越小。5．實現(xiàn)刀具的快速或自動裝卸：主運動是刀具旋轉運動的數(shù)控機床，由于機床可以進行多工序加工，工序變換是時刀具也要更換，因此要求能夠自動換刀。

主傳動的配置方式1、變速齒輪驅動2、通過帶傳動3、由調速電機直接驅動：主軸電機一體化和直接驅動兩種主軸刀具自動裝夾和切屑清除裝置四、數(shù)控車床結構特點圖片三、減少運動間的摩擦和消除傳動間隙

數(shù)控機床工作臺（或拖板）的位移量十一脈中當量為最小單位的，通常又要求能以基地的速度運動。為了使工作臺能對數(shù)控裝置的指令作出準確響應，就必須采取相應的措施。目前常用的滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌在摩擦阻尼特性方面存在著明顯的差別。在進給系統(tǒng)中用滾珠絲杠代替滑動絲杠也可以收到同樣的效果。目前，數(shù)控機床幾乎無一例外地采用滾珠絲杠傳動。

數(shù)控機床（尤其是開環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機床）的加工精度在很大程度上取決于進給傳動鏈的精度。除了減少傳動齒輪和滾珠絲杠的加工誤差之外，另一個重要措施是采用無間隙傳動副。對于滾珠絲杠螺距的累積誤差，通常采用脈沖補償裝置進行螺距補償。

四、提高機床的壽命和精度保持性

為了提高機床的壽命和精度保持性，在設計時應充分考慮數(shù)控機場零部件的耐磨性，尤其是機床導軌、進給伺港機主軸部件等影響進度的主要零件的耐磨性。在使用過程中，應保證數(shù)控機床各部件潤滑良好。

五、減少輔助時間和改善操作性能

在數(shù)控機床的單件加工中，輔助時間（非切屑時間）占有較大的比重。要進一步提高機床的生產率，就必須采取促使最大限度地壓縮輔助時間。目前已經有很多數(shù)控機床采用了多主軸、多刀架、以及帶刀庫的自動換刀裝置等，以減少換刀時間。對于切屑用量加大的數(shù)控機床，床身機構必須有利于排屑。

主運動機械部件

（一）數(shù)控車床的組成及用途

1、數(shù)控車床的組成·數(shù)控部分：數(shù)控柜（NC系統(tǒng)）、數(shù)控操作柜等。·伺服驅動部分：主軸旋轉電機、Z向（縱向）進給系統(tǒng)伺服電機、X向（橫向）進給系統(tǒng)伺服電機,進給伺服電機在開環(huán)時為步進電機，半閉環(huán)時通常使用的都是直流伺服電機。與操縱、控制有關的配電箱、變壓器箱等。·機械結構部分：數(shù)控車床與普通車床比較，其結構上仍然是由主軸箱、進給傳動系統(tǒng)、刀架、床身、冷卻與潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等部分組成。

2、用途主要用來加工軸類或盤類的回轉體零件。即能夠完成內外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等形狀的加工。特別適合于加工形狀復雜的軸類或盤類零件。

（二）數(shù)控車床機械結構特點數(shù)控車床與臥式車床比較，其結構上仍然是由主軸箱、進給傳動系統(tǒng)、刀架、床身、冷卻與潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等部分組成。數(shù)控車床與普通車床比較，在結構上還是存在著本質的區(qū)別：數(shù)控車床的布局（1）．主軸和尾座的布局：與普通車床一致。（2）．床身和導軌的布局：水平床身水平導軌：便于導軌面的加工，對于刀架運動時的導向性好，提高刀架的運動精度。占地面積大，排屑性能差。斜床身斜導軌：其導軌的傾斜程度分別為30°、45°、60°、75°、90°。排屑性能好，但導軌的導向性能差，通常是單邊導軌起作用。水平床身斜導軌：具有水平床身加工工藝性好的特點，同時排屑性能得到改善。

（3）．刀架的布局：直線刀架回轉刀架：用于加工盤類零件的回轉刀架，其回轉軸垂直于主軸（下圖）。用于加工軸類零件和盤類零件的回轉刀架，其回轉軸平行于主軸（下頁圖）。2、傳動上的區(qū)別普通車床主軸的主運動經過掛輪、進給箱、溜板箱傳到刀架溜板實現(xiàn)Z方向（縱向）和X方向（橫向）的進給運動。主運動和進給運動之間通過齒輪副建立著嚴格的機械聯(lián)系，通過配掛輪和進給箱、溜板箱中滑移齒輪的各種組合可以加工出各種導程的螺紋。數(shù)控車床的主運動和各個方向的進給運動均由單獨的電機通過各自的機械傳動實現(xiàn)。主運動和進給運動之間沒有直接的機械聯(lián)系，數(shù)控車床加工螺紋時主要通過光電編碼器以及數(shù)控系統(tǒng)的協(xié)調作用來實現(xiàn)。普通車床采用普通絲桿螺母結構，為了提高數(shù)控系統(tǒng)的剛性和精度，數(shù)控車床采用滾珠絲桿螺母機構。普通車床的變速主要通過滑移齒輪的機械變速實現(xiàn)。數(shù)控車床機械傳動路線很短，主要通過伺服電機的無級變速來實現(xiàn)。插入一個普通機床傳動系統(tǒng)圖數(shù)控機床傳動系統(tǒng)圖數(shù)控銑床結構特點圖片（一）數(shù)控銑床的組成及用途

1、數(shù)控銑床的組成·數(shù)控部分：數(shù)控柜（CNC系統(tǒng)）、數(shù)控操作柜等。·驅動部分：主軸旋轉電機、縱向伺服電機（X向）、橫向伺服電機（Y向）、垂向伺服電極（Z向），后三種伺服電機在開環(huán)時為步進電機，半閉環(huán)時通常使用的都是直流伺服電機。與操縱、控制有關的配電箱、變壓器箱等。

·機械結構部分：床身、底座、橫向溜板、縱向工作臺、升降臺、各種手動操作裝置、以及一些機械死擋等。

2、用途一般用來加工板類、盤類、箱體類、模具類等復雜零件的粗加工、半精加工或精加工等。3、數(shù)控銑床的分類

按照主軸的布置形式，分為三類：數(shù)控立式銑床：其主軸垂直于水平面，這種銑床應用最廣泛。通常采用工作臺動作而主軸不動的方式。數(shù)控臥式銑床：其主軸平行于水平面。通常配有垂直方向的數(shù)控回轉工作臺。可以對工件的側面進行多工位的加工，并可在工件的側面加工出連續(xù)的曲面。立、臥兩用數(shù)控銑床：主軸方向可以更換，能在一臺機床上進行立式或臥式加工。

傳動上的區(qū)別主運動和各個方向的進給運動均由單獨的電機通過各自的機械傳動實現(xiàn)。。采用滾珠絲桿螺母機構。主要通過伺服電機的無級變速來實現(xiàn)。插入一個普通機床傳動系統(tǒng)圖數(shù)控機床傳動系統(tǒng)圖六、加工中心結構特點加工中心與普通數(shù)控機床的區(qū)別主要在于它能在一臺機床上完成由多臺機床才能完成的工作，可以大大減少工件的裝夾、測量、和機床的調整時間，減少工件的周轉、搬運和存放時間，極大地提高了工效。（一）．加工中心的特點

1．自動地、連續(xù)地完成多工步加工：加工中心是在數(shù)控鏜床或數(shù)控銑床的基礎上增加自動換刀裝置，使工件在一次裝夾后連續(xù)完成對工件表面自動進行鉆孔、擴孔、鉸孔、鏜孔、攻絲、銑削等多工步加工，工序高度集中。2．自動完成多工序加工：加工中心一般帶有自動分度回轉工作臺或主軸箱自動回轉角度，可使工件一次裝夾后自動完成多個平面或多個角度位置的多工序加工。3．加工中心能自動變速：加工中心能自動改變主軸轉速、進給量、和刀具相對工件的運動軌跡及其它輔助機能。4．有些加工中心可以將加工和安裝工件同時進行：加工中心如果配有交換工作臺，工件在工作位置的工作臺上加工的同時，另外的待加工工件可在處于裝卸位置的工作臺上進行安裝，減少輔助工作時間，提高了工作效率。

（二）．加工中心的基本構成

數(shù)控部分伺服驅動部分機械結構部分自動換刀系統(tǒng)：與數(shù)控鏜銑床最大的不同自動換刀系統(tǒng)：由刀庫和自動換刀裝置構成。刀庫中存放有加工過程中所需的各種刀具，并配有刀具識別裝置。自動換刀裝置有機械手換刀和非機械手換刀兩種型式。整個選刀、換刀過程均由NC指令控制執(zhí)行。(三)．刀庫的種類：1．

直線刀庫：刀具在刀庫中直線排列，結構簡單，存放刀具的數(shù)量有限（8~12把）。2．

圓盤刀庫：有刀具徑向布置、軸向布置、傘狀布置、多圈布置、多層布置等多種形式。如圖示。3．

鏈式刀庫：是較常用的一種形式。

掃描P24盤狀刀庫圖（四）換刀形式

加工中心的分類1．按照加工中心主軸的布局形式分：·臥式加工中心：主軸軸線為水平布置型式。通常帶有回轉分度工作臺。適合于箱體類零件的加工。·立式加工中心：主軸軸線為垂直布置型式。通常無回轉分度工作臺。適合于盤類零件的加工。·龍門式加工中心：主軸多為立式，適合于大型零件的加工。