1、第第5章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 5.1 概概 述述 5.1.1 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 2广泛采用高效、无间隙传动装置和新广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品技术、新产品 3具有适应无人化、柔性化加工的特殊具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件部件 4对机械结构、零部件的要求高对机械结构、零部件的要求高 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 1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 2具有良好的热稳定性具有良好的
2、热稳定性 3具有较高的运动精度与良好的低速稳定具有较高的运动精度与良好的低速稳定性性 4.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 5.1.3 提高数控机床性能的措施提高数控机床性能的措施 1.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 2提高结构件的刚度提高结构件的刚度 3提高机床抗振性提高机床抗振性 4改善机床的热变形改善机床的热变形 5保证运动的精度和稳定性保证运动的精度和稳定性5.2 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 5.2.1 主传动系统的要求及传动方式主传动系统的要求及传动方式 1.主传动系统的要求主传动系统的要求（1）调速范围）调速范围 （2）热
3、变形）热变形 （3）主轴的旋转精度和运动精度）主轴的旋转精度和运动精度 （4）主轴的静刚度和抗振性）主轴的静刚度和抗振性 （5）主轴组件的耐磨性）主轴组件的耐磨性 5.2.1 主传动系统的要求及传动方式主传动系统的要求及传动方式 2.传动方式传动方式 （1）带有变速齿轮的主传动（图5.1a）（2）通过带传动的主传动（图5.1b）（3）内装电动机主轴传动结构（图5.1c）主轴电动机(a)主轴电动机(b)(c)主轴电动机（a）齿轮传动；（b）同步带传动；（c）电动机直接驱动 图5.1数控机床主轴传动方式3.齿轮传动机构齿轮传动机构图5.2 二级齿轮变速的主传动系统 图5.3 TND360型数控车床
4、主传动系统 1强力层；2带齿；3包布层；4带背4321图5.4 同步带的结构与传动原理 4.同步带传动机构同步带传动机构 同步带传动具有如下优点：（1）无滑动，传动比准确；（2）传动效率高，可达98%以上；（3）使用范围广，速度可达50m/s，传动比可达10左右，传递功率由几瓦到数千瓦；（4）传动平稳，噪声小；（5）维修保养方便，不需要润滑。5.电动机直接驱动电动机直接驱动 电动机驱动传动中的电动机又叫电主轴，其电动机定子固定，转子和主轴采用一体化设计，如图5.1（c）所示。这种方式大大简化了主轴箱体和主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但输出扭矩小，电动机的发热对主轴的精度影响较大。5.
5、2.2主轴部件的支承方式主轴部件的支承方式 a）b）c）d）图5.5 常用的主轴轴承2轴承的配置轴承的配置 图5.6 前端定位方式 图5.7 后端定位方式 图5.8 两端定位两端定位方式5.2.3 主轴部件典型结构主轴部件典型结构表5.2 数控机床主轴前端的结构序号主轴轴端形式应用序号主轴轴端形式应用1数控车床3数控镗铣床和加工中心2外圆磨床、平面磨床、无心磨床等的砂轮主轴4内圆磨床砂轮主轴2.数控车床的液压动力卡盘数控车床的液压动力卡盘1驱动爪；2卡爪；3卡盘；4活塞杆；5液压缸；6、7行程开关。图5.9液压驱动动力自定心夹盘1引油导套；2回转油缸；3活塞；4法兰盘；5卡盘壳体图5.10 液
6、压动力卡盘的液压缸结构图1卡盘盘体；2拉杆；3滑体；4卡爪滑座；5T形滑块；6卡爪图5.11 动力卡盘前端结构图3.主轴的准停装置主轴的准停装置 凸轮27凸轮28ba定位液压缸图5.12 V形槽轮定位盘主轴准停机构3.主轴的准停装置主轴的准停装置 1带轮；2磁传感器；3永久磁铁；4厚垫片；5主轴图5.13 主轴电气准停装置工作原理图3.主轴的准停装置主轴的准停装置1活塞；2螺旋弹簧；3磁传感器；4永久磁铁；5带轮；6钢球；7拉杆；8蝶形弹簧；9多联三角带；10皮带轮；11交流调速电动机；12,13限位开关111098 7 65432113121活塞；2螺旋弹簧；3磁传感器；4永久磁铁；5带轮；
7、6钢球；7拉杆；8碟形弹簧；9多联三角带；10皮带轮；11交流调速电机；12，13限位开关 图5.14 自动换刀机床的主轴准停、夹紧机构 4.主轴刀具自动装夹和切屑清除装置主轴刀具自动装夹和切屑清除装置图5.15 拉紧装置1-螺母；2-箱体；3-连接座；4-弹簧；5.液压缸体；6-液压缸；7-活塞杆；8-拉杆；9-套环；10-垫圈。图5.16 卸荷装置5.液压拨叉液压拨叉1、5液压缸；2活塞杆；3拨叉；4套筒图5.17 三位液压拨叉工作原理图5.2.4 电主轴电主轴图5.18 加工中心用电主轴1后轴承；2定子磁极；3转子磁极；4前轴承；5主轴图5.19 加工中心用电主轴的组成5.3 数控机床的
8、进给传动系统数控机床的进给传动系统 5.3.1 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及基本形式及基本形式 1.进给传动系统的基本要求进给传动系统的基本要求 （1）提高传动部件的刚度（2）减小传动部件的惯量 （3）减小传动部件的间隙 （4）减小系统的摩擦阻力 2.进给传动系统的基本形式进给传动系统的基本形式 在数控机床上，实现直线进给运动主要有三种型式：通过丝杠（通常为滚珠丝杠或静压丝杠）螺母副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动；通过齿轮、齿条副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动；直接采用直线电动机进行驱动。实现圆周运动除少数情况直接使用齿轮副外，一般都采用蜗轮蜗
9、杆。2.进给传动系统的基本形式进给传动系统的基本形式（1）滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副具有以下特点：摩擦损失小，传动效率高；丝杠螺母预紧后，可以消除间隙，提高了传动刚度；摩擦阻力小，而且它几乎与运动速度无关，动、静摩擦力的变化也很小，不易产生低速爬行现象；长期工作磨损小，使用寿命长，精度保持性好。因此在数控机床上得到了广泛应用，是目前中、小型数控机床最为常见的传动型式。2.进给传动系统的基本形式进给传动系统的基本形式（2）静压丝杠螺母副具有如下特点：摩擦系数很小，仅为0.0005，比滚珠丝杠（摩擦系数为0.0020.005）的摩擦损失更小。因此其起动力矩很小，传动灵敏，避免了爬行；油膜层可以
10、吸振，提高了运动的平稳性；由于油液的不断流动，有利于散热和减少热变形，提高了机床的加工精度和光洁度；油膜层具有一定刚度，减小了反向间隙。油膜层介于螺母与丝杠之间，对丝杠的误差有“均化”作用，即可以使丝杠的传动误差小于丝杠本身的制造误差；承载能力与供油压力成正比，与转速无关。2.进给传动系统的基本形式进给传动系统的基本形式（3）静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副 静压蜗杆蜗条副的工作原理与静压丝杠螺母副相同，蜗条实质上是螺母的一部分，蜗杆相当于一根短丝杠。（4）直线电动机直接驱动利用直线电动机驱动，可以完全取消传动系统中将旋转运动变为直线运动的环节，大大简化机械传动系统的结构，实现所谓的“零传动”。1位
11、置检测器；2转子；3定子；4床身；5、8辅助导轨；7、14冷却板；6、13次级；9、10测量系统；11拖链；12、17导轨；15工作台；16防护图5.20 直线电动机及安装（4）直线电动机直接驱动5.3.2 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副图5.21 滚珠丝杠副的结构图1.滚珠丝杠螺母副的结构滚珠丝杠螺母副的结构 图5.22 外循环式滚珠丝杠2.滚珠丝杠副的特点滚珠丝杠副的特点（1）传动效率高 滚珠丝杠副的传动效率很高，可达9298，是普通丝杠传动的24倍；（2）摩擦力小 因为滚珠滚动时的动、静摩擦系数相差小，因而传动灵敏，运动平稳、低速运行不易产生爬行，随动精度和定位精度高；（3）使用寿命长 滚
12、珠丝杠副采用优质合金钢制成，其滚道表面经淬火热处理后硬度高达6062HRC，表面粗糙度值小，另外因为是滚动摩擦，故磨损很小；（4）刚度高 滚珠丝杠副经预紧后可以消除轴向间隙，提高系统的刚度；（5）运动精度高 由于反向运动时无空行程，可以提高轴向运动精度。但是滚珠丝杠也有如下缺点：（1）制造成本高 滚珠丝杠对自身的加工精度和装配精度要求严格，其制造成本大大高于普通丝杠；（2）不能实现自锁 由于其摩擦系数小不能自锁，当作用于垂直位置时，为防止因突然停电而造成主轴箱自动下滑，必须加有制动装置。3滚珠丝杠副的间隙消除机构滚珠丝杠副的间隙消除机构图5.23 双螺母垫片调隙式结构 1,4内齿圈；2,5螺母
13、；3螺母座；6丝杠456z2z13211、4内齿圈；2、5螺母；3螺母座；6丝杠图5.24 双螺母齿差调隙式结构l、2圆螺母；3丝杠；4垫片；5螺母；6螺母座图5.25双螺母螺纹调隙式结构4.滚珠丝杠的支承滚珠丝杠的支承（a）一端装推力轴承，另一端自由；（b）一端装推力轴承，另一端装向心轴承；（c）两端装推力轴承；（d）两端均装推力轴承和向心轴承图5.26 丝杠两端支承形式5滚珠丝杠的防护滚珠丝杠的防护 滚珠丝杠副如果在滚道上落入了脏物，或使用不净的润滑油，不仅会妨碍滚珠的正常运转，而且使磨损急剧增加。通常采用毛毡圈对螺母进行密封。5.3.3 齿轮传动副齿轮传动副 1.直齿圆柱齿轮传动直齿圆柱
14、齿轮传动（1）偏心套调整法 (2)锥度齿轮垫片调整法1电动机；2偏心套图5.27 偏心套消除间隙 1、2齿轮；3垫片图5.28 垫片调整消除间隙 5.3.3 齿轮传动副齿轮传动副(3)双齿轮错齿调整法图5.29 双齿轮错齿调整 5.3.3 齿轮传动副齿轮传动副 2斜齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动（1）垫片调整法（2）轴向压簧调整 3.锥齿轮传动锥齿轮传动（1）周向压簧调整（2）轴向压簧调整 5.4数控机床的导轨数控机床的导轨 5.4.1 导轨的要求导轨的要求（1）导向精度高（2）耐磨性好（3）足够的刚度（4）低速运动平稳性（5）结构简单、工艺性好 5.4.2 滑动导轨及静压导轨滑动导轨及静压导
15、轨 1、滑动导轨、滑动导轨（1）以聚四氟乙烯为基体，添加合金粉和氧）以聚四氟乙烯为基体，添加合金粉和氧化物等构成的高分子复合材料。化物等构成的高分子复合材料。沟槽导轨宽度导轨软带粘接材料粘接层厚度0.050.10.51.03.21.6图5.34 贴塑导轨的粘接5.4.2 滑动导轨及静压导轨滑动导轨及静压导轨（2）以环氧树脂为基体，加入MoS2、胶体石墨、TiO2等制成的抗磨涂层材料 a）矩形导轨 b）燕尾导轨 c）圆柱导轨图5.35 贴塑导轨的结构5.4.2 滑动导轨及静压导轨滑动导轨及静压导轨2静压导轨静压导轨 1液压泵；2溢流阀；3过滤器；4节流器；5运动导轨；6床身导轨图5.36 开式静
16、压导轨工作原理5.4.2 滑动导轨及静压导轨滑动导轨及静压导轨1、2导轨；3节流阀；4、7过滤器；5液压泵；6溢流阀；8油箱图5.37 闭式静压导轨工作原理5.4.3 滚动导轨滚动导轨（1）滚珠导轨 图5.39 滚珠导轨5.4.3 滚动导轨滚动导轨（2）滚柱导轨（3）滚针导轨（4）直线导轨图5.40 滚柱导轨1导轨条；2循环滚柱滑座；3抗震阻尼滑座图5.41 直线滚动导轨副的外形5.5 数控机床的自动换刀装置数控机床的自动换刀装置 5.5.1 刀库刀库1刀库的类型刀库的类型（1）盘式刀库）盘式刀库（a）径向取刀形式 （b）轴向取刀形式 （c）刀具径向安装 （d）刀具轴线与刀盘轴线成一定角度图5
17、.45 盘式刀库5.5.1 刀库刀库(2)链式刀库2.刀库的容量刀库的容量从使用角度出发，刀库的容量一般取为从使用角度出发，刀库的容量一般取为1040把，盲目地加大刀库容量，将会使刀库把，盲目地加大刀库容量，将会使刀库的利用率降低，结构过于复杂，造成很大的利用率降低，结构过于复杂，造成很大浪费。浪费。链 条链 轮刀 座导 轨张 紧 板图5.46 链式刀库5.5.1 刀库刀库 3刀具的选择方式刀具的选择方式（1）顺序选刀方式）顺序选刀方式（2）任意选刀方式）任意选刀方式 1）刀具编码选刀方式刀具编码选刀方式 2）刀座编码选刀方式）刀座编码选刀方式 刀座识别装置刀座编码块拉杆销紧螺母编码环刀柄图5
18、.47 刀具编码的结构5.5.2 刀具交换装置刀具交换装置 1有机械手换刀有机械手换刀 a）回转机械手；b）双机械手（回转）；c）双机械手（交叉）；d）刀库（盘式）；e）刀库（链式）图5.48 刀具交换装置的形式5.5.2 刀具交换装置刀具交换装置（a）钩手；（b）抱手；（c）伸缩手；（d）插手图5.49 双臂机械手常用结构5.5.2 刀具交换装置刀具交换装置图5.50 机械于换刀的工作过程5.5.2 刀具交换装置刀具交换装置 2无机械手换刀无机械手换刀 主轴刀库刀库图5.51双刀库机械手换刀装置 图5.52 无机械手换刀的工作过程 5.5.2 刀具交换装置刀具交换装置 3更换主轴换刀更换主轴
19、换刀图5.53 换主轴换刀5.5.2 刀具交换装置刀具交换装置 1机械手的结构及动作过程机械手的结构及动作过程（1）机械手抓刀（2）机械手拔刀（3）机械手换刀（4）机械手插刀（5）机械手复位 1、3、7、9、13、14位置开关（行程开关）；2、6、12挡环；4、11齿轮；5连接盘；8销子；10传动盘；15、18、20液压缸；16机械手臂轴；17、19齿条；21机械手图5.54 机械手结构示意图5.5.3 回转刀架回转刀架1.四方形回转刀架四方形回转刀架（1）刀架抬起）刀架抬起（2）刀架转位（3）刀架定位（4）刀架夹紧 1电动机；2联轴器；3蜗杆轴；4蜗轮丝杆；5刀架底座；6粗定位盘；7刀架体；
20、8球头销；9转位套；10电刷座；11发信体；12螺母；13、14电刷；15粗定位销图5.60 数控车床四方刀架结构图5.6 数控机床的回转工作台数控机床的回转工作台 5.6.1 分度工作台分度工作台 1鼠牙盘式分度工作台鼠牙盘式分度工作台 图5.62 鼠牙盘式分度工作台5.6.1 分度工作台分度工作台2.定位销式分度工作台定位销式分度工作台 123456789101112131415161718192022211分度工作台；2锥套；3螺钉；4支座；5间隙消除液压缸；6定位孔衬套；7定位销；8锁紧液压缸；9大齿轮；10长方形工作台；11活塞；12弹簧；13下底座；14加长型圆锥孔双列圆柱滚子轴承
21、；15螺柱；16活塞；17中央液压缸；18管道；19滚针轴承；20止推轴承；21下底座；22上底座图5.63 定位销式分度工作台5.6.2 数控回转工作台数控回转工作台 图5.64 数控回转工作台5.6.3 双工作台双工作台图5.65 配备双工作台的加工中心1环形交换工作台；2托盘座；3托盘；4加工中心；5托盘交换装置图5.66 具有托盘自动交换系统的柔性加工单元复复 习习 题题 5.1数控机床机械结构的主要特点和要求有哪些？5.2提高数控机床性能的措施有哪些？5.3数控机床对主传动系统有哪些要求？5.4数控机床的主轴变速方式有哪几种？试述其特点及应用场合？5.5主轴轴承的配置形式有哪些？试述
22、其各自结构特点？5.6主轴准停装置的种类有哪些？试述磁传感器准停控制的结构与工作原理？5.7数控机床对进给传动系统的要求有哪些？5.8数控机床进给传动系统的基本形式有哪些？5.9数控机床为什么常采用滚珠丝杠螺母副作为传动元件？5.10为什么要消除数控机床进给传动齿轮的齿侧间隙？消除齿侧间隙的措施有哪些？各有何优缺点？5.11为什么要消除数控机床滚珠丝杠螺母副的间隙？如何消除？5.12对数控机床的导轨有哪些要求?常用的导轨有哪些？5.13数控机床刀库的类型有哪几种？如何进行选刀？5.14叙述采用回转式单臂双机械手的立式加工中心机械手的换刀动作过程？5.15叙述数控回转工作台的工作原理？5.16数控车床上的回转刀架换刀时需完成哪些动作？如何实现？5.17分别叙述定位销式分度工作台、鼠牙盘式分度工作台的工作原理？
