第4-数控机床的机械结构.pptx

第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术1 1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 4.1 概述概述4.2 4.2 数控机床的总体布局数控机床的总体布局4.3 4.3 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统4.4 4.4 数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动系统4.5 4.5 数控机床的导轨数控机床的导轨4.6 4.6 数控机床的自动换刀装置数控机床的自动换刀装置4.7 4.7 数控机床的回转工作台数控机床的回转工作台 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术2 2一台小型立式加工中心的外形图一台小型立式加工中心的外形图 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术3 3数控机床本体的组成数控机床本体的组成：其中，机床基础件机床基础件、主传动系统主传动系统、进给系统进给系统以及液压、润滑、冷却等辅助装置液压、润滑、冷却等辅助装置是构成数控机床的机床本体的基本部件，其他部件则按数控机床的功能和需要选用。（1）主传动系统：实现主运动，使刀具(或工件)产生主切削运动（2）进给系统：实现进给运动，使工件(或刀具)产生进给运动并实现定位（3）机床基础件指床身、底座、立柱、滑座、工作台等。其功用是支承机床本体的零、部件，并保证这些零、部件在切削加工过程中占有的准确位置（4）实现某些部件动作和某些辅助功能的装置如液压、气动、润滑、冷却以及防护、排屑等装置（5）实现工件回转、分度定位的装置和附件（6）刀库、刀架和自动换刀装置（7）自动托盘交换装置（8）特殊功能装置如刀具破损检测、精度检测和监控装置等 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术4 44.1 4.1 概概 述述(Introduction)(Introduction)从本质上说，数控机床与普通机床一样，也是一种经从本质上说，数控机床与普通机床一样，也是一种经过切削将金属材料加工成各种不同形状零件的设备。近年过切削将金属材料加工成各种不同形状零件的设备。近年来，来，随着电主轴、直线电机等新技术、新产品在数控机床随着电主轴、直线电机等新技术、新产品在数控机床上的推广应用上的推广应用，数控机床的机械结构正在发生重大的变化；，数控机床的机械结构正在发生重大的变化；虚拟轴机床的出现和实用化，使传统的机床结构面临着更虚拟轴机床的出现和实用化，使传统的机床结构面临着更严峻的挑战。严峻的挑战。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术5 54.1 4.1 概概 述述(Introduction)(Introduction)结构简单、操作方便、自动化程度高。结构简单、操作方便、自动化程度高。4.1.1 4.1.1 数控机床机械结构的主要特点数控机床机械结构的主要特点1）伺服进给系统代替普通机床的进给系统；2）主轴调速系统实现主轴自动变速；3）在操作上，它不像普通机床那样，需要操作者通过手柄进行调整和变速，操作机构比普通机床要简单多；4）由于数控机床的大部分辅助动作都可以通过数控系统的辅助技能（M技能）进行控制，因此，常用的操作按钮也较普通机床少。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术6 6广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品1）数控机床进行的是高速、高精度加工，在简化机械结构的同时，对于机械传动装置和元件也提出了更高的要求；2）特别是随着新材料，新工艺的普及、应用，高速加工已经成为目前数控机床的发展方向之一。具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件1）“工艺复合化”和“功能集成化”是无人化、柔性加工的基本要求，也是数控机床最显著的特点和当前的发展方向；2）自动换刀装置（ATC）、动力刀架、自动换屑装置、自动润滑装置等特殊机械部件是必不可少，有的机床还带有自动工作台交换装置（APC）；3）工件的自动装卸、自动定位，刀具的自动对刀、破损检测、寿命管理，工件的自动测量和自动补偿功能上；第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术7 7静压导轨 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术8 8对机械结构、零部件的要求高对机械结构、零部件的要求高1）对组成机床的各种零部件和控制系统的可靠性要求很高；2）为了提高加工效率，充分发挥机床性能，数控机床通常都能够同时进行粗细加工。这就要求机床既能满足大切削量的粗加工对机床的刚度、强度和抗震性的要求，而且也能达到精密加工机床对机床精度的要求；3）数控机床的主轴电机的功率一般比同规格的普通机床大，主要部件和基础件的加工精度通常比普通机床高，对组成机床各部件的动、静态性能以及热稳定性的精度保持性也提出了更高的要求。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术9 94.1.2 4.1.2 数控机床对机械结构的基本要求数控机床对机械结构的基本要求具有较高的静、动刚度和良好的抗振性具有较高的静、动刚度和良好的抗振性1）机床的刚度反映了机床机构抵抗变形的能力；2）为了满足数控机床高效、高精度、高可靠性以及自动化的要求，与普通机床相比，数控机床应具有更高的精刚度；3）此外，为了充分发挥机床的效率，加大切削用量，还必须提高机床的抗震性，避免切削时产生的共振和颤振。而提高机构的动刚度是提高机床抗震性的基本途径。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术1010具有良好的热稳定性具有良好的热稳定性1）机床的热变性是影响机床加工精度的主要因素之一；2）在数控机床上还应采取必要的措施，尽可能减小机床的热变性。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术1111具有较高的运动精度与良好的低速稳定性具有较高的运动精度与良好的低速稳定性1）利用伺服系统代替普通机床的进给系统是数控机床的主要特点；2）这就要求进给系统具有较高的运动精度，良好的跟踪性能和低速稳定性，才能对数控系统的位置指令做出准确的响应，从而得到要求的定位精度；3）传动装置的间隙直接影响着机床的定位精度，虽然在数控系统中可以通过间隙补偿、单向定位等措施减小这一影响，但不能完全消除；4）特别是对于非均匀间隙，必须机械消除间隙措施，才能得到较好的解决。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术1212具有良好的操作、安全防护性能具有良好的操作、安全防护性能1）在大部分数控机床上，刀具和工件的装卸、刀具和夹具的调整、还需要操作者完成，机床的维修更离不开人，而且由于加工效率的提高，数控机床的工件装卸可能比普通机床更加频繁，因此良好的操作性能是数控机床设计时必须的问题；2）数控机床是一种高度自动化的加工设备，动作复杂，高速运动部件较多，对机床动作互锁、安全防护性能的要求也比普通机床要高很多；3）同时，数控机床一般都有高压、大流量的冷却系统，为了防止切屑、冷却液的飞溅，数控机床通常都应采用封闭和半封闭的防护形式，增加防护性能。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术13134.1.3 4.1.3 提高数控机床性能的措施提高数控机床性能的措施合理选择数控机床的总体布局合理选择数控机床的总体布局1）在数控机床上采用斜床身布局，可以改善受力情况，提高床身的刚度，提高操作性能；2）卧式数控镗床采用T形床身，框架结构双立柱、立柱移动式（Z）布局，可以减少机床的机构层次，大大提高机床结构刚度和加工精度，精度的稳定性好，热变性的影响小；3）在高速加工机床上，则通过采用固定门式立柱、“箱中箱”等特殊的布局型式，以最大限度地降低运动部件的质量，提高机床部件的快进速度和加速度，以满足高速加工的需要。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术1414提高结构件的刚度提高结构件的刚度1）改善机械部分构件；2）合理设计截面、布置筋板；3）利用平衡机构补偿部件变形；3）改善构件间的连接形式；4）缩短传动链，适当加大传动轴，对轴承和滚珠丝杠等传动部件进行预紧等等。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术1515提高机床抗振性提高机床抗振性1）对机床高速转旋转部件，特别是主轴部件进行动平衡，对传动部件进行消隙处理，减少机床激振力；2）提高机械部件的静态刚度和固有频率，避免共振，在机床结构大件中充填阻尼材料，在大件表面喷涂阻尼涂层抑制振动等。改善机床的热变形改善机床的热变形1）采用伺服电动机和主轴电动机、变量泵等低能耗执行元件，减少热量的产生；2）简化传动系统的结构，减少传动齿轮、传动轴，采用低摩擦系数的导轨和轴承，减少摩擦发热；3）改善散热条件、增加隔热措施、对发热部件（如：电柜、丝杆、油箱等）进行强制冷却，吸收热量，避免温升；4）采用对称结构设计，使部件均匀受热；对切削部分采用高压、大流量冷却系统冷却等等。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术1616保证运动的精度和稳定性保证运动的精度和稳定性1）减小运动部件的质量，采用低摩擦系数的导轨和轴承以及滚珠丝杆副、静压导轨、直线滚动导轨、塑料滑动导轨等高效执行部件，可以减少系统的摩擦阻力，提高运动精度，避免低速爬行；2）缩短传动链，对传动部件进行消隙，对轴承和滚珠丝杠进行预紧，可以减消机械系统的间隙和非线性影响，提高机床的运动精度和稳定性。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术1717|数控车床的常用布局形式数控车床的常用布局形式|卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局形式局形式|立式数控镗铣床（立式加工中心）的常用布立式数控镗铣床（立式加工中心）的常用布局形式局形式|数控机床交换工作台的布局数控机床交换工作台的布局|高速加工数控机床的特殊布局高速加工数控机床的特殊布局|虚拟轴机床虚拟轴机床4.2 4.2 数控机床的总体布局数控机床的总体布局 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术18184.2.1 4.2.1 数控车床的常用布局形式数控车床的常用布局形式 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术1919数控车床常用的布局型式有平床身、斜床身和立式床身三种 一般经济型、普及型数控车床以及数控化改造的车床，大都采用平床身；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 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术2020性能要求较高的中、小规格数控车床采用斜床身（有的机床是用平床身斜滑板）；斜床身布局的数控车床（导轨倾斜角度斜床身布局的数控车床（导轨倾斜角度通常选择通常选择4545、6060或或7575），不仅可以在同），不仅可以在同等条件下，等条件下，改善受力改善受力情况，而且还可通过整情况，而且还可通过整体封闭式截面设计，提高床身的刚度，特别体封闭式截面设计，提高床身的刚度，特别是自动换刀装置的布置较方便。而平床身、是自动换刀装置的布置较方便。而平床身、立式床身布局的机床受结构的局限，布置比立式床身布局的机床受结构的局限，布置比较困难，限制了机床性能。因此，较困难，限制了机床性能。因此，斜床身布斜床身布局的数控车床应用比较广泛。局的数控车床应用比较广泛。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术2121 大型数控车床或精密数控车床采用立式床身 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术2222在其他方面则三种布局方式各具特点：当主轴箱因发热使主轴轴线产生热变位时，当主轴箱因发热使主轴轴线产生热变位时，斜床身的影响最小斜床身的影响最小；斜床身、立式床身因排屑性能好，受切屑产生的热量影响也小。斜床身、立式床身因排屑性能好，受切屑产生的热量影响也小。斜床身的观察角度最好、工件的调整比较方便斜床身的观察角度最好、工件的调整比较方便，平床身有刀架的影响，平床身有刀架的影响，加上滑板突出前方，观察、调整较困难。但是，在大型工件和刀具的装卸方面，加上滑板突出前方，观察、调整较困难。但是，在大型工件和刀具的装卸方面，平床身因其敞开面宽，起吊容易，装卸比较方便平床身因其敞开面宽，起吊容易，装卸比较方便。立式床身因切屑可以自由落立式床身因切屑可以自由落下，排屑性能最好，导轨防护也较容易下，排屑性能最好，导轨防护也较容易。在防护罩的设计上，。在防护罩的设计上，斜床身和立式床斜床身和立式床身结构较简单，安装也比较方便身结构较简单，安装也比较方便；而平床身则需要三面封闭，结构较复杂，制；而平床身则需要三面封闭，结构较复杂，制造成本较高。造成本较高。（1 1）热稳定性：）热稳定性：（2 2）运动精度：）运动精度：（3 3）加工制造）加工制造 ：（4 4）操作、防护、排屑性能）操作、防护、排屑性能 ：平床身布局平床身布局由于刀架水平布置，不受刀架、滑板自重的影响，由于刀架水平布置，不受刀架、滑板自重的影响，容容易提高定位精度易提高定位精度；立式床身受自重的影响最大，有时需要加平衡；立式床身受自重的影响最大，有时需要加平衡机构消除；斜床身介于两者之间机构消除；斜床身介于两者之间平床身的加工工艺性较好平床身的加工工艺性较好，部件精度较容易保证。另外，平床身机，部件精度较容易保证。另外，平床身机床工件重量产生的变形方向竖直向下，它和刀具运动方向垂直，对床工件重量产生的变形方向竖直向下，它和刀具运动方向垂直，对加工精度的影响较小；立式床身产生的变形方向正好沿着运动方向，加工精度的影响较小；立式床身产生的变形方向正好沿着运动方向，对精度影响最大；斜床身介于两者之间。对精度影响最大；斜床身介于两者之间。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术23234.2.24.2.2 卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局型式卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局型式 卧式数控镗铣床（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X、Z坐标轴的移动方式上（Y轴移动方式无区别）；常用的立柱有：单立柱、框架结构双立柱 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术2424Z Z坐标轴的移动方式为坐标轴的移动方式为工作台移动式工作台移动式单立柱单立柱图图a a所示的结构形式和传统的卧式镗所示的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床相同，多见于早期的数控机床或数控化改造的机床；数控化改造的机床；第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术2525框架结构双立柱框架结构双立柱Z Z坐标轴的移动方式为坐标轴的移动方式为工作台移动式工作台移动式图图b b所示的采用了框架结构双立柱、所示的采用了框架结构双立柱、Z Z轴工作台移动式布局，为中、小规格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卧式数控机床常用的结构形式 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术2626Z Z坐标轴的移动方式为坐标轴的移动方式为立柱移动式立柱移动式图图c c所示的采用了所示的采用了T T形床身、框架结形床身、框架结构双立柱、立柱移动式（构双立柱、立柱移动式（Z Z轴）布局，轴）布局，为卧式数控机床典型结构为卧式数控机床典型结构 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术2727 框架结构双立柱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，统的主轴箱侧挂式结构相比，大大提高了结构刚度大大提高了结构刚度。另外，主轴箱是从左、右。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，可以通过对此，可以通过对Y Y轴的补偿，轴的补偿，减小热变形减小热变形的影响。的影响。T T形床身布局形床身布局可以使工作台沿床身做可以使工作台沿床身做X X方向移动时，在全行程范围内，工作方向移动时，在全行程范围内，工作台和工件完全支承在床身上，因此，台和工件完全支承在床身上，因此，机床刚性好，工作台承载能力强，加工精机床刚性好，工作台承载能力强，加工精度容易得到保证度容易得到保证。而且，这种结构可以很方便地增加。而且，这种结构可以很方便地增加X X轴行程，便于机床品种轴行程，便于机床品种的系列化、零部件的通用化和标准化。的系列化、零部件的通用化和标准化。立柱移动式立柱移动式结构的优点是：结构的优点是：Z Z轴的移动在后床身上进行，轴的移动在后床身上进行，进给力与轴向切削进给力与轴向切削力在同一平面内，承受的扭曲力小，镗孔和铣削精度高力在同一平面内，承受的扭曲力小，镗孔和铣削精度高。此外，由于。此外，由于Z Z轴的导轴的导轨的承重是固定不变的轨的承重是固定不变的，它不随工件重量改变而改变，因此有利于提高，它不随工件重量改变而改变，因此有利于提高Z Z轴的轴的定位精度和精度的稳定性。但是，由于定位精度和精度的稳定性。但是，由于Z Z轴承载较重，对提高轴承载较重，对提高Z Z轴的快速性不利，轴的快速性不利，这是其不足之处。这是其不足之处。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术2828 为了提高数控机床的加工效率，在卧式加工中心上经常采用双交换工作台，进行工件的自动交换，以进一步缩短辅助加工时间，提高机床效率。如图所示是两种常见的双交换工作台布局型式。移动式双交换工作台布局图，用于工作台移动式卧式加工中心回转式双交换工作台布局图，用于立柱移动式卧式加工中心 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术29294.2.34.2.3立式数控镗铣床（立式加工中心）的常用布局型式立式数控镗铣床（立式加工中心）的常用布局型式 立式数控镗铣床（立式加工中心）的布局型式与卧式数控镗铣床类似，如图所示是三种常见的布局型式。工作台移动式X、Y、Z轴立柱移动式Z轴立柱移动式 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术3030 此外还有一种通过双工作区，进行工件交换的布局型式，如图4.5所示，多用于长床身（X轴行程在1500mm以上），且X、Y、Z三轴都是立柱移动式（图4.4c）的立式加工中心上 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术31314.2.44.2.4 高速加工数控机床的特殊布局高速加工数控机床的特殊布局 高速加工机床需要同时满足高移动速度，高加速度、高主轴转速以及高精度加工的要求，因而在结构布局上需要集高速、高精度和高刚度于一体。在机床总体布局上必须考虑到高速加工机床的特殊性图a是立式数控机床采用固定门式立柱的布局型式图b是卧式数控机床采用“内外双框架”即“箱中箱”（box in box）结构的布局型式滑座滑枕 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术32324.2.54.2.5 虚拟轴机床虚拟轴机床 虚拟轴机床常见的布局有立式和卧式两种。如图4.7所示，虚拟轴机床的基座与主轴平台间是由六根杆并联地连接的，称之为并联结构。X、Y、Z三个坐标轴的运动由六根杆同时相互耦合地作伸缩运动来实现图a所示为立式虚拟轴数控机床图b所示为卧式虚拟轴数控机床。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术3333措施措施1 1 支承件截面形状尽量选用抗弯的方截面和抗扭的圆支承件截面形状尽量选用抗弯的方截面和抗扭的圆截面或采用封闭型床身截面或采用封闭型床身封闭整体箱形结构 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术3434 左左图图为为卧卧式式加加工工中中心心的的框框式式立立柱柱结结构构。从从正正面面看看，立立柱柱截截面面成成封封闭闭框框形形轮轮廓廓尺尺寸寸大大，保保证证以以高高扭扭转转刚刚度度承承受受切切削扭矩产生的扭转载荷。削扭矩产生的扭转载荷。从从俯俯视视截截面面看看，两两个个立立柱柱截截面面形形状状为为矩矩形形，矩矩形形尺尺寸寸大大的的方方向向正正是是因因切切削削力力作作用用产产生生大大的的弯弯曲曲载载荷荷的的方方向向。这这种种结构具有很高的刚度。结构具有很高的刚度。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术3535措施措施2 2 合理布置支承件隔板的筋条合理布置支承件隔板的筋条 隔板的作用是将作用于支承板的局部载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件承受载荷，提高支承件的自身刚度。“T”形隔板连接，主要提高水平面抗弯刚度，对提高垂直面抗弯刚度和抗扭刚度不显著，多用在刚度要求不高的床身上。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术3636“W”形隔板，能较大地提高水平面上的抗弯抗扭刚度，对中心距超过1500mm的长床身，效果最为显著“”形隔板，在垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较高，铸造性能好，在大中型车床上应用较多 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术3737斜向拉筋，床身刚度最高，排屑容易 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术3838 测出受力点的相对变形的大小和方向，或者预知构件的变形规律，就可采取补偿变形的方法消除受力变形的影响 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术3939连接刚度连接刚度:支承件在连接处抵抗变形的能力。支承件在连接处抵抗变形的能力。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术4040主轴冷却风管对机床热源进行强制冷却对机床热源进行强制冷却 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术4141对称结构立柱 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术42424.3 4.3 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统1 1、定义、功用、组成、定义、功用、组成定义：定义：主运动系统：指驱动主轴运动的系统。主运动系统：指驱动主轴运动的系统。主轴：指带动刀具和工件旋转，产生切削运动且消耗功率最大的运动轴。主轴：指带动刀具和工件旋转，产生切削运动且消耗功率最大的运动轴。功用：功用：传递动力：传递切削加工所需要的动力传递动力：传递切削加工所需要的动力 传递运动：传递切削加工所需要的运动传递运动：传递切削加工所需要的运动 运动控制：控制主运动的大小方向开停运动控制：控制主运动的大小方向开停组成：组成：动力源：电机动力源：电机 传动系统：定比传动机构、变速装置传动系统：定比传动机构、变速装置 运动控制装置运动控制装置:离合器、制动器等离合器、制动器等 执行件：主轴执行件：主轴4.4.3 3.1 1 主传动的基本要求和变速方式主传动的基本要求和变速方式 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术43432 2、对主传动系统要求、对主传动系统要求主轴一般都要求能自动实现无级变速；1（1001000）的恒转矩调速范围和110的恒功率调速范围要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高速、高效的加工需为了降低噪声、减轻发热、减少振动，主传动系统应简化结构，减少传动件在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所需的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合为了扩大机床功能，实现对C轴位置（主轴回转角度）的控制，主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术44443 3、主传动的无级变速通常有以下三种方法：、主传动的无级变速通常有以下三种方法：采用交流主轴驱动系统实现无级变速传动，在早期的数控机床或大型数控机床（主轴功率超过100kw）上，也有采用直流主轴驱动系统的情况。在经济型、普及型数控机床上，为了降低成本，可以采用变频器带变频电机或普通交流电机实现无级变速的方式。在高速加工机床上，广泛使用主轴和电机一体化的新颖功能部件电主轴。电主轴的电机转子和主轴一体，无需任何传动件，可以使主轴达到数万转、甚至十几万转的高速 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术4545数控机床主传动的四种配置方式数控机床主传动的四种配置方式(a)(a)齿轮变速；齿轮变速；(b)(b)带传动；带传动；(c)(c)两个电机分别驱动；两个电机分别驱动；(d)(d)调速电机直接驱动调速电机直接驱动 4.4.3 3.2 2 主轴的联接型式主轴的联接型式 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术4646用辅助机械变速机构联接用辅助机械变速机构联接应用于大、中型数控机床上，目的是使主轴在低速时获得大扭矩和扩大恒功率调速范围，满足机床重切削时对扭矩的要求。通常采用2-3级齿轮变速。主轴电动机主轴电动机（1 1）电动机）电动机+变速齿轮变速齿轮+主轴主轴 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术4747额定扭矩额定扭矩140N.m140N.m，额定转速，额定转速1500rpm1500rpm，22KW22KW的交流无级变速电动的交流无级变速电动机，经过机械变速后的扭矩、功率曲线机，经过机械变速后的扭矩、功率曲线 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术4848（2 2）用两个电机分别驱动主轴传动）用两个电机分别驱动主轴传动 高高速速时时，由由一一个个电电机机通通过过带带传传动动；低低速速时时，由由另另一一个个电电机机通通过过齿齿轮轮传传动动，齿齿轮轮起起到到降降速速和和扩扩大大变变速速范范围围的的作作用用，使使恒恒功功率率区区增增大大，扩扩大大了了变变速范围，避免了低速时转矩不够且电机功率不能充分利用的问题。速范围，避免了低速时转矩不够且电机功率不能充分利用的问题。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术49492.2.定传动比的联接型式定传动比的联接型式（1 1）无级调速电动机）无级调速电动机+带传动带传动+主轴主轴小型数控机床中一般采用同步齿形带，多见于数控车床。减少了噪声和振动TND360TND360型数控机床的主传动系统型数控机床的主传动系统 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术5050主轴电动机主轴电动机小型数控机床中一般采用同步齿形带，多见于数控车床。减少了噪声和振动 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术5151 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，但主轴输出的扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。（2 2）调速电机直接驱动主轴传动）调速电机直接驱动主轴传动直接驱动式，小型数控机床中，输出扭矩小 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术52523.3.采用电主轴（采用电主轴（Electrospindle,Motor Spindle)Electrospindle,Motor Spindle)n主轴电动机与机床主轴合而为一，传动链为零，又称“零传动”。优点：结构轻、惯性小、高转速、高精度、高功率，高刚度，结构紧凑。应用：高速数控机床 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术5353电主轴结构 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术5454结构n轴壳：通常将轴承座孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电动机定子，必须开放一端。大型或特种电主轴，为方便制造、节省材料，可将轴壳两端均设计成开放型。n转轴：成品转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高。且必须对转轴进行严格的动平衡。n 轴承：高速精密轴承。具有高速性能好、动载荷承载能力高、润滑性能好、发热量小等优点。n定子与转子：定子由具有高磁导率的优质矽钢片叠压而成，叠压成型的定子内腔带有冲制嵌线槽。定子通过一个冷却套固装在电主轴的壳体上。n转子由转子铁心、鼠笼、转轴三部分组成。位于前后轴承之间，用热压装配法与主轴产生过盈配合，用由过盈力传递扭矩。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术5555n发热问题的解决 热源：内置电动机的发热和主轴轴承的发热。可用循环切削液冷却。电主轴内置电动机的发热与散热电主轴内置电动机的发热与散热 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术56564.3.24.3.2 主轴部件的支主轴部件的支承承主轴轴承主轴轴承主轴组件包括主轴、主轴轴承、传动零件等n一般采用滚动轴承一般采用滚动轴承轴承类型：轴承类型：（a a）锥孔双列圆柱滚子轴承锥孔双列圆柱滚子轴承：内圈为内圈为1 1：1212的锥孔，当内圈沿锥形的锥孔，当内圈沿锥形轴轴向移动时，内圈胀大，可以调整轴轴向移动时，内圈胀大，可以调整滚道间隙。滚子与内外圈线性接触，滚道间隙。滚子与内外圈线性接触，承载能力大，刚性好。允许极限转速承载能力大，刚性好。允许极限转速较高。对箱体孔、主轴颈的加工精度较高。对箱体孔、主轴颈的加工精度要求高，且只能要求高，且只能承受径向载荷承受径向载荷。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术5757（b）双列推力向心球轴承 接触角为60。球径小、数量多，允许转速高，轴向刚度较高，能承受双向轴向载荷。该种轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术5858（c）双列圆锥滚子轴承。这种轴承的特点是内、外列滚子数量相差一个，能使振动频率不一致，因此，可以改善轴承的动态性能。轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷，通常用作主轴的前支承。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术5959（d）带凸肩的双列圆锥滚子轴承。结构和图（c）相似，特点是滚子被做成空心，故能进行有效润滑和冷却；此外，还能在承受冲击载荷时产生微小变形，增加接触面积，起到有效吸振和缓冲作用。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术6060 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术61612.2.轴承的配置轴承的配置（a）后端定位：推力轴承布置在后支承两侧，并承受双向轴向载荷。优点：简化主轴端部结构，缺点：主轴热膨胀，向前端伸长或横向弯曲，影响精度。（b）前后两端定位：推力轴承布置在前、后支承的两外侧，轴向载荷分别由前后支承承受。轴向间隙一般由后端调整。在主轴受热伸长时，会改变支承的轴向、径向间隙，影响加工精度。设计时应考虑对主轴的自动预紧。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术6262(c)(d)均采用前端定位，推力轴承布置在前支承，轴向载荷由前支承承受。优点是结构刚度较高；主轴受热伸长，不会影响加工精度。图(c)的推力轴承安装在前支承两侧，会增加主轴的悬伸长度，对提高刚度不利。图(d)推力轴承均布置在前支承内侧，主轴的悬伸长度小，刚度大。但前支承结构较复杂，一般用于高速精密数控机床。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术6363n常见主轴轴承支承形式常见主轴轴承支承形式:1 1）前前支支撑撑采采用用双双列列短短圆圆柱柱滚滚子子轴轴承承和和6060角角接接触触双双列列向向心心推推力力球球轴轴承承组组合合，后后支支撑撑采采用用成成对对向向心心推推力力球球轴轴承承。可可提提高高主主轴轴的的综综合合刚刚度度，满满足足强强力力切切削削的的要要求求。普普遍遍用用于于各类数控机床主轴。各类数控机床主轴。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术6464 2 2）前支撑采用）前支撑采用高精度双列向心推力球轴承高精度双列向心推力球轴承。向心推力。向心推力轴承有良好的高速性，主轴最高转速可达轴承有良好的高速性，主轴最高转速可达4000r4000rminmin，但，但承载能力小，适于承载能力小，适于高速、轻载、高精密高速、轻载、高精密的数控机床主轴。的数控机床主轴。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术6565 3 3）前后支撑分别采用）前后支撑分别采用双列和单列圆锥滚子轴承双列和单列圆锥滚子轴承。径向。径向和轴向刚度高，能承受重载荷，其安装、调整性能好，但和轴向刚度高，能承受重载荷，其安装、调整性能好，但限制了主轴转速和精度，因此可用于限制了主轴转速和精度，因此可用于中等精度、低速、重中等精度、低速、重载载的数控机床的主轴。的数控机床的主轴。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术66664.3.44.3.4 主轴部件结构主轴部件结构n机床主轴部件的结构根据不同的机床有较大的差别。n主轴组件的分析方法：轴承类型、轴承配置、轴向力传递方式、轴承间隙调整方法。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术6767数控车床主轴组件图热调整套挡圈挡圈挡圈卡盘过渡盘 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术68684.4 4.4 数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动系统4.4.14.4.1 数控机床对进给传动系统的基本要求数控机床对进给传动系统的基本要求协助完成加工表面的成形运动，传递所需的运动及动力协助完成加工表面的成形运动，传递所需的运动及动力协助完成加工表面的成形运动，传递所需的运动及动力协助完成加工表面的成形运动，传递所需的运动及动力1、进给系统的功用2、传统进给传动系统与数控伺服进给系统的区别传统进给传动系统：多采用一个电机，执行件之间采用大量的齿轮传动，以实现内外传动链的各种传动比要求。故传动链很长，结构相当复杂数控伺服进给系统：每一个运动都由单独的伺服电机驱动，传动链大大缩短，传动件大大减少，有利于减少传动误差，提高传动精度 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术6969工作台导轨副3、进给系统机械部分的组成传动机构传动机构传动机构传动机构:齿轮传动、同步带传动齿轮传动、同步带传动齿轮传动、同步带传动齿轮传动、同步带传动运动变换：运动变换：运动变换：运动变换：丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等导向机构：导向机构：导向机构：导向机构：导轨（滑动导轨、滚动导轨、静压导轨）导轨（滑动导轨、滚动导轨、静压导轨）导轨（滑动导轨、滚动导轨、静压导轨）导轨（滑动导轨、滚动导轨、静压导轨）传动机构传动机构传动机构传动机构+运动变换机构运动变换机构运动变换机构运动变换机构+导向机构导向机构导向机构导向机构+执行件（工作台）执行件（工作台）执行件（工作台）执行件（工作台）第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术70704、数控机床对机械传动系统的要求可以概括如下：提高传动部件的刚度措施1 保证部件加工精度措施2 在传动链中加入减速齿轮减小脉冲当量，提高传动精度措施3 预紧支撑丝杠的轴承消除齿轮、蜗轮传动件间隙措施4 预紧消除滚珠丝杠螺母副的轴向传动间隙减小传动部件的惯量快速响应.减小运动部件质量 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术7171减小传动部件的间隙设计中可采用消除间隙的联轴节及有消除间隙措施的传动副等方法减小系统的摩擦阻力提高机床进给系统的快速响应性能和运动精度，减少爬行现象