2023年数控机床的机械结构（教学课件）.ppt

第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 4.1 数控机床的总体结构数控机床的总体结构 4.2 数控机床的主运动系统结构数控机床的主运动系统结构 4.3 数控机床的进给系统结构数控机床的进给系统结构 4.4 数控机床的回转工作台数控机床的回转工作台 4.5 刀具及自动换刀系统刀具及自动换刀系统 4.6 其它辅助机构其它辅助机构 4.1 数控机床的总体结构数控机床的总体结构 1 主传动系统；2 进给传动系统;3实现工件回转、定位的装置和附件；4实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置，如液压、气压、润滑、冷却等系统和排屑、防护等装置；5刀库、刀架和自动换刀装置ATC；66 自动托盘交换装置APC；7特殊功能装置，如刀具破损监控、精度检测和监控装置等；8为完成自动化控制功能的各种反响信号装置及元件。数控机床的机械结构除机床根底件，由以下几局部组成 机床根底件通常是指:床身 底座 立柱 横梁 滑座 工作台 数控机床本体组成数控机床本体组成 1-主轴头 2-刀库 3-立柱 4-立柱底座 5-工作台 6-工作台底座 立式数控铣床 移动立柱卧式加工中心 立式数控铣床 数控机床 数控车床的主要内部结构数控车床的主要内部结构 一、数控机床的主要技术参数 1.允许最大工件回转半径；2.最大切削直径；3.最大切削长度；4.主轴转速范围；5.主轴通孔直径；6.刀架有效行程；7.快速移动速度；8.安装刀具数；9.选刀方式；10.主轴伺服电机；11.进给伺服电机；12.机床外形尺寸。一数控机床加工过程的特点：自动化程度高 高的加工精度和切削效率 多工艺和功能集成化 高可靠性和精度保持性 二、数控机床的结构要求二、数控机床的结构要求 二数控机床的对结构的要求：1、高的静、动刚度和良好的抗振性 机床床身、导轨、工作台、刀架、主轴箱的几何精度与变形产生的定位误差，取决于它们的结构刚度。提高刚度的措施有：G.合理选用构件的材料 E.合理的结构布局 F.采用补偿变形的措施 H.通过加配重或液压平衡负载以减小有关零部件的静力变形 I.通过在支承件内腔或外表填加阻尼材料等来改善阻尼特性，以增大动刚度 A.合理选择支承件的结构形式 B.合理布置支承件隔板的筋条结构 C.增加导轨与支承件的连接局部的刚度 D.增加机床各部件的接触刚度和承载能力 高抗振性 改善动态特性的措施是：提高系统的静刚度、增加阻尼例如，采用三支承主轴，后支承就有利于消振以及调整构件的质量和自振动频率，对高速回转部件或零件进行动平衡等。2、减少机床的热变形 减小热变形的措施：1 减少发热；机床内部发热是产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中别离出去。主轴部件采用精密滚动轴承；进行润滑油润滑；采用静压轴承；防止使用摩擦力离合器。加工切屑也是一个热源，可在工作台或导轨上装设隔热板；使用切屑液。2 控制温升 通过良好的散热和冷却控制温升，减少热源影响。3改善机床结构 采用热对称结构及热平衡措施，使机床主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上，如以下图所示；3、提上下速进给运动的平稳性和运动精度 1影响低速爬行的因素：2防爬行措施：减少静动摩擦系数之差 提高传动系统的传动刚度 降低执行部件质量，在不降低静刚度的前提下，减轻重量可以提高构件的固有频率。kmfNvc4移动部件质量。刚度阻尼比，动、静摩擦系数之差，），正压力（含滑动件质量临界速度，m,kfmNvc4、提高机床的寿命和精度保持性 在设计上充分考虑各零部件的耐磨性，保证数控机床各部件的良好润滑。5、减少辅助时间，改善操作性，充分满足人性化的要求 三、数控机床的总体布局 一数控车床的总体布局 a为水平床身-水平滑板，床身工艺性好，便于导轨面的加工，下部空间小，故排屑困难，刀架水平放置加大了机床宽度方向的结构尺寸；b为倾斜床身-倾斜滑板，排屑亦较方便，中小规格的数控车床其床身的倾斜度以60为宜；c水平床身-倾斜滑板，具有水平床身工艺性好，宽度方向的尺寸小，且排屑方便，是卧式数控车床的最正确布局形式。二加工中心的总体布局结构 1、卧式加工中心 卧式加工中心的布局形式种类较多，其主要卧式加工中心的布局形式种类较多，其主要区别在于立柱的结构形式和区别在于立柱的结构形式和X、Z坐标轴的移坐标轴的移动方式上动方式上Y轴移动方式无区别。轴移动方式无区别。单立柱单立柱 框架结构双立柱框架结构双立柱 常用的立柱常用的立柱 下页下页 上页上页 返回返回 图库图库 Z坐标轴的移动方式有工作台移动式和立柱移动式两种。以上根坐标轴的移动方式有工作台移动式和立柱移动式两种。以上根本形式通过不同组合，还可以派生其他多种变形，如本形式通过不同组合，还可以派生其他多种变形，如X、Z两轴都两轴都采用立柱移动，工作台完全固定的结构形式；或采用立柱移动，工作台完全固定的结构形式；或X轴为立柱移动、轴为立柱移动、Z轴为工作台移动的结构形式等。轴为工作台移动的结构形式等。下页下页 上页上页 返回返回 图库图库 卧式加工中心常见的布局形式中，卧式加工中心常见的布局形式中，a结构形式和传统的卧式镗床相同，多见于早期的数控机结构形式和传统的卧式镗床相同，多见于早期的数控机床或数控化改造的机床；床或数控化改造的机床；b采用框架结构双立柱、采用框架结构双立柱、Z轴工作台移动式布局，为中、轴工作台移动式布局，为中、小规格卧式数控机床常用的结构形式。小规格卧式数控机床常用的结构形式。c采用采用T形床身、框架结构双立柱、立柱移动式形床身、框架结构双立柱、立柱移动式Z轴布轴布局，为卧式数控机床典型结构。局，为卧式数控机床典型结构。框架结构双立柱采用了对称结构，主轴箱在两立柱中间上、下框架结构双立柱采用了对称结构，主轴箱在两立柱中间上、下运动，与传统的主轴箱侧挂式结构相比，大大提高了结构刚度。运动，与传统的主轴箱侧挂式结构相比，大大提高了结构刚度。另外，主轴箱是从左、右两导轨的内侧进行定位，热变形产生的另外，主轴箱是从左、右两导轨的内侧进行定位，热变形产生的主轴轴线变位被限制在垂直方向上，因此，可以通过对主轴轴线变位被限制在垂直方向上，因此，可以通过对Y轴的补轴的补偿，减小热变形的影响。偿，减小热变形的影响。2、立式加工中心的总体布局结构 图图a所示的结构形式是常见的工作台移动式立式加工中所示的结构形式是常见的工作台移动式立式加工中心的布局，为中、小规格机床的常用结构形式；图心的布局，为中、小规格机床的常用结构形式；图b 在在Y向是立柱移动；图向是立柱移动；图c中中X、Y、Z三轴都是立柱移动式的三轴都是立柱移动式的布局，多见于长床身大布局，多见于长床身大X轴行程或采用交换工作台轴行程或采用交换工作台的立式数控机床。的立式数控机床。4.2 数控机床的主运动系统结构 一、数控机床主传动的特点一、数控机床主传动的特点 1转速高、功率大、变速范围广，能使数控转速高、功率大、变速范围广，能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工；加工；2主轴转数的变换迅速可靠，并能自动无级主轴转数的变换迅速可靠，并能自动无级变速，使切削工作始终在最正确状态下进行；变速，使切削工作始终在最正确状态下进行；3为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上设为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上设计有刀具自动装卸、刀具定向停止和主轴孔内计有刀具自动装卸、刀具定向停止和主轴孔内的切屑去除装置。的切屑去除装置。数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式：1带有变速齿轮的主传动如图a 2通过带传动的主传动如图b 3由伺服电动机直接驱动的主传动如图c 二、二、数控机床主运动变速形式数控机床主运动变速形式(1)带有变速齿轮的主传动 通过少数几对齿轮变速，使之成为分段无级变速，确保低速时有足够的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。2通过带传动的主传动 带传动主要应用在小型数控机床上，具有如下优点：无滑动，传动比准确；传动效率高，可达98以上；传动平稳，噪声小；使用范围较广，速度可达50m/s，传动比可达10左右，传递功率由几瓦至数十千瓦。维修保养方便，不需要润滑。同步带传动也有许多缺乏之处，如其安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，本钱高。(3)由伺服电动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，电动机 发热对主轴的精度影响较大，主要用于 高速轻载的中小型机床。三、三、数控机床的主轴部件数控机床的主轴部件 机床的主轴部件是机床重要的部件之一，它带开工件或刀具执行机床的切削运动。因此数控机床主轴部件的精度、抗振性和热变形对加工质量有直接的影响。主轴部件包括：主轴轴承 刀具的自动夹紧机构 主轴的准停装置 (一)数控机床的主轴轴承配置形式如下图：前支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承a。综合刚度大幅提高，满足强力切削要求，主导形式。前轴承采用高精度角接触球轴承b。较好的高速性能，转速可达4000r/min，承载能力较小。高速、轻载、精密机床。双列圆锥滚子轴承和单列圆锥滚子轴承c。径向和轴向刚度高，能承受重载和较大动载荷，安装和调整性能好，适合中等精度、低速、重载机床。二刀具自动装卸和切屑去除装置 4.3.3 主轴部件 加工中心主轴前端有加工中心主轴前端有724号锥孔，内部和后端安装的是号锥孔，内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构。刀具自动夹紧机构。机床执行换刀指令，机械手机床执行换刀指令，机械手从主轴拔刀时，主轴需松开刀从主轴拔刀时，主轴需松开刀具。这时，液压缸上腔通压力具。这时，液压缸上腔通压力油，活塞推动拉杆向下移动，油，活塞推动拉杆向下移动，使碟形弹簧压缩，钢球进入主使碟形弹簧压缩，钢球进入主轴锥孔上端的槽内，刀柄尾部轴锥孔上端的槽内，刀柄尾部的拉钉被松开，机械手拔刀。的拉钉被松开，机械手拔刀。拉杆右移使右端的钢球位于套筒的喇叭口处，消除了刀杆上的拉力。当拉杆继续右移时，喷气嘴的端部把刀具顶松，使机械手方便地取出刀杆。压缩空气进入活塞和拉杆的中孔，压缩空气进入活塞和拉杆的中孔，吹净主轴锥孔，为装入新刀具做好准备。吹净主轴锥孔，为装入新刀具做好准备。当机械手将下一把刀具插入主轴后，液当机械手将下一把刀具插入主轴后，液压缸上腔无油压，在碟形弹簧和弹簧的压缸上腔无油压，在碟形弹簧和弹簧的恢复力作用下，拉杆、钢球和活塞退回恢复力作用下，拉杆、钢球和活塞退回到图示的位置，使刀具被夹紧。刀杆夹到图示的位置，使刀具被夹紧。刀杆夹紧机构用弹簧夹紧，液压放松，以保证紧机构用弹簧夹紧，液压放松，以保证在工作中突然停电时，刀杆不会自行松在工作中突然停电时，刀杆不会自行松脱。脱。机床采用的是机床采用的是7 72424号锥号锥柄刀具柄刀具，锥柄的尾端安装有拉锥柄的尾端安装有拉钉钉，拉杆通过拉杆通过4 4个钢球拉住拉个钢球拉住拉钉的凹槽钉的凹槽，使刀具在主轴锥孔使刀具在主轴锥孔内定位及夹紧内定位及夹紧。三三主轴的定向停止主轴的定向停止 主轴准停换刀示意图主轴准停换刀示意图 又称为主轴定位功又称为主轴定位功能能，这是自动换刀所必这是自动换刀所必需的功能需的功能。在自动换刀在自动换刀的镗铣加工中心上的镗铣加工中心上，切切削的转矩通常是通过刀削的转矩通常是通过刀杆的端面键来传递的杆的端面键来传递的，这就要求主轴具有准确这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度定位于圆周上特定角度的功能的功能。1 1 采用机械凸轮机构或采用机械凸轮机构或光电盘方式进行粗定位光电盘方式进行粗定位，然后有一个液动或气动的然后有一个液动或气动的定位销插入主轴上的销孔定位销插入主轴上的销孔或销槽实现精确定位或销槽实现精确定位，完完成换刀后定位销退出成换刀后定位销退出，主主轴才开始旋转轴才开始旋转。结构复杂结构复杂，在早期数在早期数控机床上使用较多控机床上使用较多。典型的典型的V形槽轮定位盘机械形槽轮定位盘机械准停原理示意图准停原理示意图 2 2 永久磁铁与磁传感器在永久