1、第五章 本章教学要点知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关知识相关知识概述了解数控机床机械结构的特点；掌握对机械结构的基本要求。强力切削、高效加工；高刚度、高精度。数控机床的典型机械结构了解滚珠丝杠螺母结构；掌握齿轮传动间隙消除结构；了解机床导轨；掌握刀库与自动换刀装置；了解回转工作台与分度工作台。滚动摩擦；滑动摩擦；多工位加工；加工中心；动静摩擦系数。数控机床的主传动系统掌握基本要求和变速方式；了解主轴部件的结构；了解电主轴与高速主轴系统。主轴控制；旋转精度；高速主轴。数控机床的进给传动系统掌握对进给传动系统基本要求；熟悉进给传动系统的基本形式；了解直线电机高速进给单元。进给伺服控制；直线运动
2、精度；直线电动机。5.1.1 5.1.1 数控机床机械结构的特点数控机床机械结构的特点 数控机床本体结构是机床的主体部分，虽然也有普通机床所具有的床身、立柱、导轨、工作台、刀架等部件，但为了与数控加工的高精度、高速切削性能相匹配，数控机床在机械结构性能方面具有其自身的特点。数控机床的主体结构具有以下特点：1)简化机械传动、缩短传动链，多采用无级变速主轴及伺服传动系统。2)为适应连续自动化加工和提高生产效率，具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，耐磨性，热变形小。3)为了减小摩擦、消除传动间隙和获得高加工精度，更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠螺母副、塑料导轨、滚动导轨、静压导轨等。4)为了改善劳动
3、条件、提高劳动生产率，采用多主轴、多刀架结构，刀具与工件的自动夹紧装置、自动换刀装置、自动排屑装置及自动润滑冷却装置等。5)为了保证机床精度的稳定性、获得可靠的加工质量，数控机床多采取减小热变形的措施。5.1 5.1 概述概述 数控机床与同类型的普通机床在结构上十分相似，事实上两者之间存在很大的差异，机械结构设计应满足以下要求：1.1.较高的机床静、动刚度及良好的抗振性较高的机床静、动刚度及良好的抗振性 机床刚度是机床结构抵抗变形的能力，机床在加工过程中承受多种外力的作用，根据所受载荷的不同，机床的刚度可分为静刚度和动刚度。静刚度是机床在稳定载荷作用下抵抗变形的能力，它与系统构件的几何参数及材
4、料弹性模量有关；动刚度是机床在交变载荷作用下阻止振动的能力，它与系统构件阻尼大小有关。为了提高机床机械结构的刚度，需采用合理的构建截面形状、封闭界面的床身等措施。为了提高机床各部件的接触刚度，增加机床的承载能力，需采用刮研的方法增加单位面积上的接触点，并在结合面之间施加足够大的预紧载荷，以增加接触面积。为了提高数控机床主轴的刚度，不但经常采用三支撑结构，而且选用刚性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承，以减小主轴的径向和轴向变形。5.1.2 5.1.2 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5.1 5.1 概述概述5.1 5.1 概述概述在保证静态刚度的前提下，还必须
5、提高动态刚度。常用的措施主要有：提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。试验表明，提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。钢板的焊接结构既可以增加静刚度、减轻结构重量，又可以增加构件本身的阻尼。因此，近年来在数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台。封砂铸件也有利于振动衰减，对提高抗振性具有较好的效果。3.3.减少运动件间的摩擦和消除传动间隙减少运动件间的摩擦和消除传动间隙数控机床的运动精度和定位精度与运动件的摩擦特性有关。用滚珠丝杠代替滑动丝杠可以明显减少摩擦阻力。执行件的摩擦阻力主要2.2.减少机床的热变形减少机床的热变形机床的主轴、工作台、刀架等运动部件，在工作中产生
6、热量，为减小热变形，要求各运动部件的发热量尽量少。为此，机床结构根据热对称的原则设计，并改善主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动导轨副的摩擦特性。对于产生大量切屑的数控机床，一般都带有良好的自动排屑装置等。来自导轨，数控机床通常采用塑料滑动导轨、滚动导轨或静压导轨来减少摩擦副之间的摩擦力，避免低速爬行。数控机床，尤其是开环伺服系统的数控机床，加工精度在很大程度上取决于进给传动链的精度。除了减少传动齿轮和滚珠丝杠的加工误差之外，另一个重要措施是采用无间隙滚珠丝杠传动和无间隙齿轮传动，也可提高数控机床的传动精度。4.4.提高机床的寿命和精度保持性提高机床的寿命和精度保持性为了提高机床的寿命和精度保持性，
7、在设计时应充分考虑数控机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给传动丝杠以及主轴部件等影响加工精度的主要零部件的耐磨性。在使用过程中，应保证数控机床各运动部件间的润滑良好。5.5.操作方便安全可靠操作方便安全可靠将机床设计成全封闭结构，只在工作区留有可以自动开闭的安全门窗，用于观察和装卸工件，防止切屑与冷却液飞溅。机床结构布局要合理、紧凑，人性化设计，操作简单，维修方便，外型美观。5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构5.2.1 滚珠丝杠螺母结构滚珠丝杠螺母结构丝杠螺母副是机床上常用的将旋转运动转换为直线运动的传动机构。按丝杠与螺母的摩擦性质不同，常
8、用的丝杠螺母运动副有滑动丝杠螺母副、滚动丝杠螺母副、静压丝杠螺母副。滚动丝杠螺母副摩擦损失小，形成了专业化、系列化产品，在数控机床中得到广泛应用，这里只对其进行介绍。1 1滚珠丝杠螺母副的工作原理滚珠丝杠螺母副的工作原理滚珠丝杠螺母副的结构原理如图5-1所示。在丝杠3和螺母1上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠2的螺旋滚道。a为滚珠出口，c为滚珠入口，螺母上有滚珠回路管道b，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠2。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，迫使螺母轴向移动。图图 5-1 滚珠丝杠滚珠丝杠螺母副的结构原理螺母副的结构原理1-
9、螺母螺母 2-滚珠滚珠 3-丝杠丝杠2 2滚珠丝杠螺母副的循环方式滚珠丝杠螺母副的循环方式滚珠在滚道内的循环方式有两种：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的称为内循环。1)外循环。图5-2所示为常用的一种外循环方式，这种结构是在螺母体上轴向相隔数个导程处钻两个孔与螺旋槽相切，作为滚珠的进口与出口，再在螺母的外表面上铣出回珠槽并沟通两孔。另外在螺母内进口、出口处各装一挡珠器，并在螺母外表面装一套筒，这样构成封闭的循环滚道。外循环结构制造工艺简单，使用较广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，噪声也较大。图图 5
10、-2 外循环方式示意图外循环方式示意图5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构2)内循环。内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种形式。图5-3(a)所示为圆柱凸键反向器，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽2。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键1定位，以保证对准螺纹滚道方向。图5-3(b)为扁圆镶块反向器，反向器为一半圆头平键形镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽3，用镶块的外廓定位。两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。内循环反向器和外循环反向器相比，其结构紧凑，定位可靠
11、，刚性好，且不易磨损，返回滚道短，不易发生滚珠堵塞，摩擦损失也小。其缺点是反向器结构复杂，制造较困难，且不能用于多头螺纹传动。(a)(b)图图5-3 两种形式的内循环方式示意图两种形式的内循环方式示意图5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构3 3滚珠丝杠螺母副的选用滚珠丝杠螺母副的选用滚珠丝杠螺母副的选择包括其精度、尺寸规格、支承方式等几个方面。根据机床精度选用丝杠副的精度，根据机床载荷来选定丝杠直径，对细长而又承受轴向压缩载荷的滚珠丝杠，需核算压杆稳定性；对转速高，支承距离大的滚珠丝杠副需校核临界转速；对精度要求高的滚珠丝杠需校核刚度。1)精度等级的选择目前我国滚珠丝杠
12、螺母副的精度标准为4级：普通级P、标准级B、精密级J和超精密级C。各级精度所规定的各项允差可查有关手册。一般的数控机床可选用标准级B，精密数控机床可选精密级J或超精密级C。2)结构尺寸的选择滚珠丝杠副的结构尺寸主要有：丝杠的名义直径D0、螺距t、长度L、滚珠直径d0等。名义直径与刚度直接相关，直径越大，承载能力和刚度越大，但直径大转动惯量也随之增加，使系统的灵敏度降低。应兼顾这两个方面。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构(1)名义直径D0。滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。对于小型加工中心采用名义直径D0为32mm、40mm，中型加工中心选用名义
13、直径D0为40、50mm，大型加工中心采用名义直径D0为50mm、63mm的滚珠丝杠，但通常应大于L/35L/30。(2)螺距t。常用的螺距t为4mm、5mm、6mm、8mm、10mm、12mm,t越小，螺旋升角越小，摩擦力矩小，分辨率高，但传动效率低，承载能力低。(3)丝杆长度L。一般为“工作行程螺母长度(510)mm”。(4)滚珠直径d0。滚珠直径d0越大，承载能力越高，尽量取大值。一般取d0=0.6t。(5)(5)滚珠的工作圈数j、列数K和工作滚珠总数N对丝杆工作特性影响较大。一般工作圈数j为2.53.5圈,列数K为23列,工作滚珠总数一般N小于150粒。5.2 5.2 数控机床的典型机
14、械结构数控机床的典型机械结构3)验算 当有关结构参数选定后，还应根据有关规范进行扭转刚度、临界转速和寿命的校验。(1)刚度验算。数控机床的滚珠丝杠是精密传动元件，它在轴向力的作用下将产生伸长或缩短，受扭矩会引起扭转变形，这将引起丝杠的导程发生变化，从而影响其传动精度及定位精度，因此滚珠丝杠应验算满载时的变形量。(2)临界转速验算。对于数控机床来说，滚珠丝杠的最高转速是指快速移动时的转速，此时的转速应小于临界转速。同时丝杠转速应避开丝杠自身的自振频率，避免产生共振。(3)寿命验算。滚珠丝杠副的寿命，主要是指疲劳寿命，滚珠丝杠副的寿命可根据有关经验公式校核，应保证总时间寿命Lt20000小时。5.
15、2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构4 4滚珠丝杠的支承形式滚珠丝杠的支承形式 为提高传动刚度，不仅应合理确定滚珠丝杠螺母副的参数，螺母座的结构，丝杠两端的支承形式，以及它们与机床的连接刚度也有很大影响。因此，螺母座的孔与螺母之间必须有良好的配合，保证孔与端面的垂直度，螺母座宜增添加强筋，加大螺母座和机床结合面的接触面积，均可提高螺母座的局部刚度和接触刚度。为了提高螺母支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承及其支承方式是十分重要的。常用的支承方式如图5-4所示。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构图图5-4 5-4 常用的几种支承方式常用的几种支承方式
16、5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构1)一端装止推轴承如图(a)所示。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杠，如数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直移动环节。2)一端装止推轴承，另一端装向心球轴承如图(b)所示。滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定，另一自由端装向心球轴承。为了减少丝杠热变形的影响，止推轴承的安装位置应远离热源(如液压马达)及丝杠上的常用段。3)两端装止推轴承如图(c)所示。将止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长较为敏感。4)两端装止推轴承及向心轴承如图(d)所示。为了提高刚度，丝杠两端
17、采用双重支承，如止推轴承和向心球轴承，并施加预紧拉力。这种结构方式可使丝杠的热变形转化为止推轴承的预紧力，但设计时要注意提高止推轴承的承载能力和支架刚度。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构5 5滚珠丝杠的制动滚珠丝杠的制动 滚珠丝杠螺母副传动效率很高，但不能自锁，用在垂直传动或水平放置的高速大惯量传动中，必须装有制动装置。常用的制动方法有超越离合器、电磁摩擦离合器或者使用具有制动装置的伺服驱动电动机。6 6滚珠丝杠螺母副的轴向间隙消除和预紧滚珠丝杠螺母副的轴向间隙消除和预紧 滚珠丝杠副对轴向间隙有严格的要求，以保证反向时的运动精度。所谓轴向间隙是指丝杠和螺母无相对转动
18、时，丝杠和螺母之间最大轴向窜动。它除了结构本身的游隙之外，还包括在施加轴向载荷之后弹性变形所造成的窜动。因此要把轴向间隙完全消除比较困难，通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形控制在允许的限度内。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构1)用锁紧螺母预紧 图5-5所示为利用双螺母来调整间隙实现预紧的结构，滚珠丝杠左右两螺母以平键与外套相连，其中右边一个螺母的外伸端没有凸缘并制有螺纹。用两个圆螺母1、2可使右端螺母相对于丝杠作轴向移动，在消除间隙后将其锁紧。这种调整方法具有结构紧凑、调整方便等优点，故应用广泛，但调整位移量不易精确控制。图图5-5锁紧螺母调间隙式滚珠丝杠副锁紧螺
19、母调间隙式滚珠丝杠副1-圆螺母圆螺母 2-锁紧螺母锁紧螺母5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构2)修磨垫片调间隙 如图5-6所示，通过修磨垫片的厚度，使滚珠丝杠的左右螺母产生轴向位移，实现预紧。这种方式结构简单、刚性好，调整间隙时需卸下调整垫片修磨，为了装卸方便，最好将调整垫片做成半环结构。图图5-6 修磨垫片调间隙式滚珠丝杠副修磨垫片调间隙式滚珠丝杠副5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构3)齿差式调整 图5-7为齿差式调整间隙结构。Z1和Z2相差一个齿。两个齿轮分别与两端相应的内齿圈相啮合。内齿圈紧固在螺母座上，预紧时脱开两个内齿圈，使两个螺母
20、同向转动相同的齿数，然后再合上内齿圈，两螺母的轴向相对位置发生变化从而实现间隙的调整和施加预紧力。当Z1=99，Z2=100，t=10mm，两齿轮沿同一方向各转过一个齿时其轴向位移量为s=1/99-1/1001m。这种方法使两个螺母相对轴向位移最小，可达1m，调整精度高，调整准确可靠，但结构复杂。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构 图图5-7 齿差调间隙式滚珠丝杠副齿差调间隙式滚珠丝杠副 1-左螺母左螺母 2-滚珠滚珠 3-套筒套筒 4-丝杠丝杠 5-右螺母右螺母 6-内齿圈内齿圈5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构5.2.2 齿轮传动间隙消除
21、结构齿轮传动间隙消除结构 由于数控机床进给系统的传动齿轮副存在间隙，在开环系统中会造成进给运动的位移值滞后于指令值；反向时，会出现反向死区，影响加工精度。在闭环系统中，由于有反馈作用，滞后量虽可得到补偿，但反向时会使伺服系统产生振荡而不稳定。为了提高数控机床伺服系统的性能，因此，在设计时必须采取相应的措施，控制间隙在允许范围内，通常采取下列方法消除间隙。1 1刚性整调法刚性整调法 刚性调整法是调整后齿侧间隙不能自动补偿的调整法。因此，齿轮的周节公差及齿厚要严格控制，否则影响传动的灵活性。这种调整方法结构比较简单，且有较好的传动刚度。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构1
22、)偏心轴调整法。如图5-8所示，小齿轮1装在偏心轴套2上，调整偏心轴套2可以改变小齿轮1和大齿轮3之间的中心距，从而消除了齿侧间隙。图图5-8 偏心轴调整法偏心轴调整法1-小齿轮小齿轮 2-偏心轴套偏心轴套 3-大齿轮大齿轮5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构2)轴向垫片调整法。如图5-9所示，一对啮合着的圆柱齿轮，若它们的节圆直径沿着齿厚方向制成一个较小的锥度，只要改变3的厚度就能改变齿轮2和齿轮1的轴向相对位置，从而消除了齿侧间隙。图图5-9 轴向垫片调整法轴向垫片调整法1-小齿轮小齿轮 2-大齿轮大齿轮 3-调整垫片调整垫片5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数
23、控机床的典型机械结构3)双片斜齿轮垫片调整法。如图5-10所示，在两个薄片斜齿轮3和4之间加一垫片2，将垫片厚度增加或减少t，薄片齿轮3和4的螺旋线就会错位，分别与厚齿轮1的齿槽左、右侧面都可贴紧，消除了间隙。垫片厚度的增减量t与齿侧间隙的关系，可用下式表示：cost式中，为斜齿轮螺旋角。垫片的厚度采用测试法确定，一般要经过几次修磨垫片厚度，直至消除齿侧间隙，使齿轮转动灵活为止。这种调整法结构简单，但调整麻烦，齿侧间隙不能自动补偿，同时，无论正、反向旋转时，分别只有一薄齿轮承受载荷，故齿轮的承载能力较小。图图5-10 双片斜齿轮调垫片整法双片斜齿轮调垫片整法1-厚斜齿轮厚斜齿轮 2-调整垫片调
24、整垫片 3-薄片斜齿轮薄片斜齿轮 4-薄片斜齿轮薄片斜齿轮5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构2 2柔性调整法柔性调整法柔性调整法是调整之后齿侧间隙仍可自动补偿的调整法。这种方法一般都采用调整压力弹簧的压力来消除齿侧间隙，并在齿轮的齿厚和调节有变化的情况下，也能保持无间隙啮合，但这种结构较复杂，轴向尺寸大、转动刚度底，同时，传动平稳性也差。1)轴向压簧调整法如图5-11所示，两个薄片斜齿轮1和2用键4滑套在轴6上，用螺母5来调节压缩弹簧3的轴向压力，使齿轮1和2的左、右齿面分别与厚斜齿轮7齿槽的左右侧面贴紧。弹簧力需调整适当，过松消除不了间隙，过紧则齿轮磨损过快。2)周
25、向弹簧调整法如图5-12所示，两个齿数相同的薄片齿轮1和2与另一个厚齿轮相啮合，齿轮1空套在齿轮2上，可以相对回转。每个齿轮端面分别均匀装有四个螺纹凸耳3和8，齿轮1的端面还有四个通孔，凸耳8可以从中穿过，弹簧4分别钩在调节螺钉7和凸耳3上。旋转螺母5和6可以调整弹簧4的拉力，弹簧的拉力可以使薄片齿轮错位，即两片薄齿轮的左、右齿面分别与宽齿轮齿槽的右、左贴紧，消除了齿侧间隙。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构图图5-11 轴向压簧调整法轴向压簧调整法1-薄片斜齿轮薄片斜齿轮 2-薄片斜齿轮薄片斜齿轮 3-压缩弹簧压缩弹簧 4-键键 5-螺母螺母 6-轴轴 7-厚斜齿轮
26、厚斜齿轮图图5-12 周向弹簧调整法周向弹簧调整法1-薄片斜齿轮薄片斜齿轮 2-薄片斜齿轮薄片斜齿轮 3-凸耳凸耳 4-拉伸弹簧拉伸弹簧 5-调整螺母调整螺母 6-锁紧螺母锁紧螺母 7-调节螺钉调节螺钉 8-凸耳凸耳5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构5.2.3 机床导轨机床导轨导轨质量对机床的刚度、加工精度和使用寿命具有很大的影响，作为机床进给系统的重要环节，数控机床的导轨比普通机床的导轨要求更高。现代数控机床采用的导轨主要有塑料滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。1 1对导轨的基本要求对导轨的基本要求1)导向精度高导向精度主要指运动部件沿导轨运动时的直线度或圆度。影响导向
27、精度的主要因素有导轨的几何精度、导轨的接触精度、导轨的结构形式、动导轨及支承导轨的刚度和热变形、装配质量及动压导轨和静压导轨之间油膜的刚度。2)足够的刚度导轨刚度是指导轨在动静载荷下抵抗变形的能力。导轨要有足够的刚度，保证在静载荷作用下不产生过大的变形，从而保证各部件间的相对位置和导向精度。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构3)良好的耐磨性 动导轨沿支承导轨面长期运行会引起导轨的不均匀磨损，破坏导轨的导向精度，从而影响机床的加工精度。4)摩擦特性好 摩擦系数小，摩擦阻力损失小，动静摩擦系数差别小，高低速下摩擦系数稳定，低速运动平稳，不产生爬行。5)抗振性与结构工艺性好
28、2 2塑料滑动导轨塑料滑动导轨 塑料滑动导轨具有摩擦系数低，且动、静摩擦系数差值小；减振性好，具有良好的阻尼性；耐磨性好，有自润滑作用；结构简单、维修方便、成本低等特点。目前，数控机床所采用的塑料滑动导轨有铸铁对塑料滑动导轨和镶钢对塑料滑动导轨。按照成型方法，塑料滑动导轨分为注塑导轨和贴塑导轨，导轨上的塑料常采用聚四氟乙烯导轨软带和环氧树脂耐磨涂料。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构1)贴塑导轨。在导轨滑动面上贴一层抗磨的塑料软带，与之相配的导轨滑动面经淬火和磨削加工。软带以聚四氟乙烯为材料，添加合金粉和氧化物制成。塑料软带可切成任意大小和形状，用胶粘剂粘接在导轨基面
29、上。由于这类导轨用粘接方法，故称为贴塑导轨。导轨软带使用工艺简单。首先将导轨粘贴面加工至表面粗糙度 Ra为3.2m1.6m，为了对软带起定位作用，导轨粘贴面应加工成0.5mm1.0mm深的凹槽，再用汽油或丙酮清洗粘结面后，用胶粘剂粘贴。加压初固化1h2h后，再合拢到配对的固定导轨或专用夹具上，施加一定压力，并在室温固化24h，取下清除余胶，即可开油槽和精加工。2)注塑导轨。注塑导轨或抗氧化涂层的材料是以环氧树脂和二硫化钼为基体，加入增塑剂，混合成液状或膏状为一组分，固化剂为另一组分的塑料涂层。这种涂料附着力强，具有良好的可加工性，可经过车、铣、刨、磨削加工；也有良好的摩擦特性和耐磨性，而且固化
30、时体积不收缩，尺寸稳定。而且可以在调整好固定导轨和运动导轨间的相互位置精度后注入涂料。特别适用于重型机床和不能用导轨软带的复杂配合型面。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构3 3滚动导轨滚动导轨 滚动摩擦导轨具有摩擦系数小，动静摩擦系数差别小，启动阻力小，能微量准确移动，低速运动平稳，不宜发生爬行的特点，运动灵活，定位精度高，通过预紧可以提高刚度和抗振性，承受较大的冲击和振动载荷，寿命长，是适合数控机床进给系统应用，比较理想的导轨元件，常用的滚动导轨有滚动导轨块和直线滚动导轨两种。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构1)滚动导轨块。是一种圆柱滚动
31、体作循环运动的标准结构导轨元件，其结构如图5-13所示。在使用时，滚动导轨块安装在运动部件的导轨面上，每一导轨至少用两块，导轨块的数目与导轨的长度和负载的大小有关，与之相配的导轨多用镶钢淬火导轨。当运动部件移动时，滚柱在支承部件的导轨面与本体之间滚动，同时又绕滚动导轨块本体循环滚动，滚柱与运动部件的导轨面不接触，因而该导轨面不需淬硬磨光。滚动导轨块的特点是刚度高，承载能力大，便于拆装，它的行程取决于支承件导轨平面的长度。缺点是导轨制造成本高，抗振性能力欠佳。图图5-13 滚动导轨块的结构滚动导轨块的结构5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构2)直线滚动导轨。直线滚动导轨结
32、构如图5-14所示，主要由导轨块、滑块、滚珠、保持架、端盖等组成。由于它将支承导轨和运动导轨组合在一起，作为独立的标准导轨副部件由专门生产厂家制造，故又称单元式滚动导轨。在使用时导轨固定在不运动的部件上，滑块固定在运动的部件上。当滑块沿导轨体运动时，滚珠在导轨体和滑块之间的圆弧直槽内滚动，并通过端盖内的暗道从工作负载区到非工作负载区，然后再滚动回工作负载区，不断循环，从而把导轨体和滑块之间的滑动，变成了滚珠的滚动。1-压紧圈压紧圈 2-支承块支承块 3-密封板密封板 4-承载钢珠承载钢珠 5-反向钢珠列反向钢珠列 6-加油嘴加油嘴 7-侧板侧板 8-导轨导轨 9-保待器保待器5.2 5.2 数
33、控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构4 4静压导轨静压导轨 液体静压导轨是将具有一定压力的油液，经节流器输送到导轨面上的油腔中，形成承载油膜，将相互接触的导轨表面隔开，实现液体摩擦。这种导轨的摩擦系数小(一般为0.0050.001)，机械效率高，能长期保持导轨的导向精度；承载油膜有良好的吸振性，低速下不易产生爬行，所以在机床上得到日益广泛的应用。这种导轨的缺点是结构复杂，且需备置一套专门的供油系统，制造成本较高。按承载方式的不同，静压导轨可分为开式和闭式两种。1)开式静压导轨。工作原理如图5-15(a)，油泵2启动后，压力油Ps经节流器调节至Pr(油腔压力)进入导轨油腔，并通过导轨间隙向
34、外流出回油箱8。油腔压力形成浮力将运动部件6浮起，形成一定的导轨间隙h0。当载荷增大时，运动部件下沉，导轨间隙减小，液阻增加，流量减小，从而油经过节流器时的压力损失减小，油腔压力Pr增大，直至与载荷W平衡。开式静压导轨只能承受垂直方向的负载，不能承受颠覆力矩。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构图图5-15 静压导轨工作原理图静压导轨工作原理图1，4-滤油器滤油器 2-油泵油泵 3-溢流阀溢流阀 5-节流器节流器 6-运动部件运动部件 7-固定部件固定部件 8-油箱油箱)闭式静压导轨。工作原理如图5-15(b)，闭式静压导轨各方向导轨面上都开有油腔，所以，它能承受较大的
35、颠覆力矩，导轨刚度也较大。另外，还有以空气为介质的空气静压导轨。它不仅内摩擦阻力低，而且还有很好的冷却作用，可减小热变形。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构5.2.4 刀库与自动换刀装置刀库与自动换刀装置 为了进一步提高生产效率、改进产品质量及改善劳动条件，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多道工序加工方向发展。为此，在数控机床上必须具备自动换刀装置。自动换刀装置应该满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，刀具储存数量足够，结构紧凑，便于制造、维修、调整，具有防屑、防尘装置，布局合理等要求。同时也应具有较好的刚性，冲击、振动及噪声小，运转安全可靠等特点。各类数控机床自
36、动换刀装置的具体结构取决于机床的型式、工艺范围以及刀具的种类和数量等因素。常见的自动换刀装置主要有回转刀架换刀、更换主轴头换刀、更换主轴箱换刀和带刀库的自动换刀系统等几种形式(见表5-1)。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构类型特点适用范围转 塔 刀架回转刀架多为顺序换刀，换刀时间短，结构简单紧凑，容纳刀具少各种数控车床，车削中心机床转塔头顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑，但刚性较差，刀具主轴数受限数控钻床、镗床、铣床刀库式刀库与主轴之间直接换刀换刀运动集中，运动部件少。但刀库运动多。布局不灵活，适应性差各种自动换刀数控机床，尤其是对使用回转类
37、刀具的数控镗铣，钻镗类立式、卧式加工中心机床，要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置类型，用于加工工艺范围广的立、卧式车削中心机床用机械手配合刀库进行换刀刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，比刀库作换刀运动惯性小，速度快用机械手、运输装置配合刀库换刀换刀运动分散，由多个部件实现，运动部件多，但布局灵活，适应性好有刀库的转塔头换刀装置弥补转塔换刀刀具数量不足的缺点，换刀时间短扩大工艺范围的各类转塔时数控机床 表表5-1 自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构1 1刀库的种类刀库的种类
38、 刀库的作用是储备一定数量的刀具，通过机械手实现与主轴上刀具的交换。根据刀库存放刀具的数目和取刀方式，刀库可设计成不同的形式。1)直线刀库，刀具在刀库中直线排列、结构简单，存放刀具的数量有限(一般812把)，较少使用。2)圆盘刀库，存刀量少则68把，多则5060把，其有多种形式。3)链式刀库，链式刀库是较常使用的形式之一，这种刀库刀座固定在链节上，常用的有单排链式刀库见图5-16，图5-16(a)一般存刀量小于30把，个别达60把。若进一步增加存刀量，可采用多排链刀库图5-16(b)，或采用加长链条的链式刀库图5-16(c)。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构(a)单
39、排链式刀库单排链式刀库 (b)多排链刀库多排链刀库 (c)加长链条的链式刀库加长链条的链式刀库图图5-16 链式刀库链式刀库4)其他刀库，刀库的形式还有很多，值得一提的是格子箱式刀库。刀库容量较大，可以使整箱刀库与机外交换。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构2 2换刀方式换刀方式 数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式和具体结构对机床的生产效率，工作可靠性，有着直接的影响。刀具的交换方式一般可分为两大类。1)无机械手换刀 无机械手的换刀系统一般是采用把刀库放在机床主轴可以运动到的位置，或整个刀库(或某一刀位
40、)能移动到主轴箱可以到达的位置，刀库中刀具的存放方向一般与主轴上的装刀方向一致。换刀时，由主轴运动到刀库上的换刀位置，利用主轴直接取走或放回刀具。图5-17为某立式数控镋铣床换刀结构示意图，其顺序如下：5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构(1)根据换刀指令，机床工作台快速向右移动，工件从主轴下面移开，刀库移到主轴下面，使刀库的某个空刀座对准主轴。(2)主轴箱下降，将主轴上用过的刀具放回刀库的空刀座中。(3)主轴箱上升，刀库回转，将下一工步所需用的刀具对准主轴。(4)主轴箱下降，刀具插入机床主轴。(5)主轴箱及主轴带着刀具上升。(6)刀库从主轴下面移开，机床工作台快速向左
41、返回，工件移至主轴下面，使刀具对准工件的加工面。无机械手换刀结构相对简单，但换刀动作麻烦，时间长，并且刀库的容量相对少。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构图图5-17 无机械手换刀无机械手换刀2)机械手换刀机械手换刀装置所需的换刀时间短，换刀动作灵活，多数加工中心采用机械手进行刀具交换，图5-18为加工中心机械手自动换刀过程。(1)刀库将准备更换的刀具转到刀库最下方的换刀位置。(2)上一工步结束后，刀库将换刀位置上的刀座逆时针转90，主轴箱上升到换刀位置后，机械手旋转75，分别抓住主轴和刀库刀座上的刀柄。(3)(3)待主轴自动放松刀柄后，机械手下降，同时把主轴孔内和刀
42、座内的刀柄拔出。(4)(4)机械手回转180。(5)(5)机械手上升，将交换位置后的两刀柄同时插入主轴孔和刀座中，并夹紧。(6)(6)机械手反方向回转75，回到初始位置，刀座带动刀具向上(顺时针)转动90，回到初始水平位置，换刀过程结束。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构图图5-18 机械手自动换刀过程机械手自动换刀过程5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构3 3刀具的选择方式刀具的选择方式 根据换刀指令，刀具交换装置从刀库中挑选各工序所需刀具的操作称为自动选刀。常用的选刀方法主要有顺序选刀和任意选刀两种，任意选刀又分为刀具编码选择、刀座编码选择
43、和记忆式选择。1)顺序选刀方式 顺序选刀是在加工之前，将刀具按预定的加工工艺先后顺序依次插入刀库的刀座中，加工时按顺序选刀。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。但加工不同的工件时必须重新调整刀具顺序，因而操作十分繁琐；而且同一工件、不同工序加工时，刀具也不能重复使用，这样就增加了刀具的数量和刀库的容量，降低了刀具和刀库的利用率；此外，装刀时必须十分谨慎，如果不按顺序装刀，将会产生严重的后果。由于该方式不需要刀具识别装置，驱动控制简单，工作可靠，因此，此种方式适合加工批量较大、工件品种数量较少的中、小型自动换刀数控机床。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典
44、型机械结构2)刀具编码方式 这种方式是采用一种特殊的刀柄结构，对每把刀具按照二进制原理进行编码，换刀时通过编码识别装置在刀库中识别所需的刀具。这样就可以将刀具存放于刀库的任意刀座中，并且刀具可以在不同的工序中重复使用，刀库的容量减少；用过的刀具也不一定放回原刀座中，从而避免了因刀具存放顺序的差错而造成事故，同时也缩短了刀库的运转时间，简化了自动换刀控制线路。但由于要求每把刀具上都带有专用编码系统，使刀具长度增加，制造困难，刚度降低，同时机械手和刀库结构也变复杂。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构3)刀座编码选刀方式 刀座编码方式是对刀库中的刀座进行编码，并将与刀座编码
45、对应的刀具放入刀座中，换刀时根据刀座的编码进行选刀。由于这种编码方式取消了刀柄中的编码环，使刀柄结构大为简化。刀座编码的识别原理与刀柄编码的识别原理相同，但由于取消了刀柄编码环，识别装置的结构不再受刀柄尺寸的限制，而且可以放在较适当的位置。缺点是当操作者把刀具放入与刀座编码不符的刀座中时仍然会造成事故；同时，在自动换刀过程中必须将用过的刀具放回原来的刀座中，增加了换刀动作的复杂性。与顺序选择刀具方式相比，刀座编码最突出的优点也是刀具在加工过程中可以重复使用。刀座编码方式分为永久性编码和临时性编码。永久性编码是将一种与刀座编号相对应的刀座编码板安装在每个刀具座的侧面，它的编码是固定不变的。5.2
46、 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构 4)记忆式选刀 目前，绝大多数采用加工中心记忆式选刀方式。它取消了传统的编码环和识别装置，利用软件构制一个模拟刀库数据表，其长度和表内设置的数据与刀库的刀座数及刀具号对应，选刀时数控装置根据数据表中记录的目标刀具位置，控制刀库旋转将选中的刀具送到取刀位置，用过的刀具可以任意存放，由软件记住其存放的位置，因此具有方便灵活的特点。这种方法主要由软件完成选刀，从而消除了由于识别装置的稳定性、可靠性所带来的选刀失误。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构5.2.5 回转工作台与分度工作台回转工作台与分度工作台 为了扩大机床的
47、工艺范围，数控机床除了具有直线进给功能外，还应具有绕X、Y、Z轴圆周进给或分度的功能。通常数控机床的圆周进给运动由回转工作台来完成。常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。分度工作台的功能是将工件转位换面，完成分度运动，和自动换刀装置配合使用，实现工件一次安装能完成几个面的多种工序。数控回转工作台除了用来进行各种圆弧加工或与直线进给联动进行曲面加工外，还可实现精确的自动分度工作。1.1.数控回转工作台数控回转工作台 回转工作台是数控铣床、数控镗床、加工中心等数控机床不可缺少的重要部件，其作用是按照控制装置的信号或指令作回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床能完成指定的加工工序。其外形和
48、数控分度工作台十分相似，但其内部结构却具有数控进给驱动机构的许多特点。数控回转工作台分为开环和闭环两种。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构1)开环数控回转工作台 开环数控回转工作台如图5-19，由步进电机驱动。步进电机3，经过齿轮2、齿轮6、蜗杆4和蜗轮15实现圆周进给运动。齿轮2和齿轮6的啮合间隙由调整偏心环1消除。齿轮6与蜗杆4用花键联接。蜗杆4为双导程蜗杆，用以消除蜗杆、蜗轮啮合间隙。蜗轮15下部的内、外两面装有夹紧瓦18和19，数控回转工作台的底座21上固定的支座24内均布有6个油缸14，当油缸的上腔进压力油时，柱塞16下移，并通过钢球17推动夹紧瓦18和19
49、，将蜗轮夹紧，从而将数控转台夹紧。当不需要夹紧时，只要卸掉油缸14上腔的压力油，弹簧20即可将钢球17抬起，蜗轮被放松。作为数控回转工作台时，不需要夹紧，功率步进电机将按指令脉冲的要求来确定数控转台的回转方向、回转速度、回转角度。5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构图图5-19 开环数控回转工作台开环数控回转工作台 1-偏心环偏心环 2-齿轮齿轮 3-步进电机步进电机 4-蜗杆蜗杆 5-螺塞螺塞 6-齿轮齿轮 7-调整垫片调整垫片 8-微动开关微动开关 9-挡块挡块 10-微动开关微动开关 11-挡块挡块12-圆柱滚子轴承圆柱滚子轴承 13-滚珠轴承滚珠轴承14-油缸油
50、缸 15-蜗轮蜗轮 16-柱塞柱塞 17-钢球钢球 18-夹紧瓦夹紧瓦 19-夹紧瓦夹紧瓦 20-弹簧弹簧 21-底座底座 22-圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承 23-调整套调整套 24-支座支座5.2 5.2 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构2)闭环数控回转工作台 闭环数控回转台的结构与开环数控回转台大致相同，其区别在于：闭环数控转台有转动角度的测量元件(圆光栅或感应同步器)。所测量的结果经反馈与指令值进行比较，按闭环原理进行工作，使转台分度精度更高。图5-20所示为闭环数控转台结构图。直流伺服电动机15通过减速齿轮14、16及蜗杆蜗轮副12、13带动工作台1回转，工作台的转角位置用圆
