数控机床的机械结构(5)(1)gfly.docx

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1、数控机床床的机械械结构在数控机机床发展展的最初初阶段，其其机械结结构与通通用机床床相比没没有多大大的变化化，只是是在自动动变速、刀刀架和工工作台自自动转位位和手柄柄操作等等方面作作些改变变。随着着数控技技术的发发展，考考虑到它它的控制制方式和和使用特特点，才才对机床床的生产产率、加加工精度度和寿命命提出了了更高的的要求。数数控机床床的主体体机构有有以下特特点：11）由于于采用了了高性能能的无级级变速主主轴及伺伺服传动动系统，数数控机床床的极限限传动结结构大为为简化，传传动链也也大大缩缩短；22）为适适应连续续的自动动化加工工和提高高加工生生产率，数数控机床床机械结结构具有有较高的的静、动动态刚

2、度度和阻尼尼精度，以以及较高高的耐磨磨性，而而且热变变形小；3）为为减小摩摩擦、消消除传动动间隙和和获得更更高的加加工精度度，更多多地采用用了高效效传动部部件，如如滚珠丝丝杠副和和滚动导导轨、消消隙齿轮轮传动副副等；44）为了了改善劳劳动条件件、减少少辅助时时间、改改善操作作性、提提高劳动动生产率率，采用用了刀具具自动夹夹紧装置置、刀库库与自动动换刀装装置及自自动排屑屑装置等等辅助装装置。根根据数控控机床的的适用场场合和机机构特点点，对数数控机床床结构因因提出以以下要求求：一、较较高的机机床静、动动刚度数数控机床床是按照照数控编编程或手手动输入入数据方方式提供供的指令令自动进进行加工工的。由由

3、于机械械结构（如如机床床床身、导导轨、工工作台、刀刀架和主主轴箱等等）的几几何精度度与变形形产生的的定位误误差在加加工过程程中不能能人为地地调整与与补偿，因因此，必必须把各各处机械械结构部部件产生生的弹性性变形控控制在最最小限度度内，以以保证所所要求的的加工精精度与表表面质量量。为了了提高数数控机床床主轴的的刚度，不不但经常常采用三三支撑结结构，而而且选用用钢性很很好的双双列短圆圆柱滚子子轴承和和角接触触向心推推力轴承承铰接出出相信忒忒力轴承承，以以减小主主轴的径径向和轴轴向变形形。为了了提高机机床大件件的刚度度，采用用封闭界界面的床床身，并并采用液液力平衡衡减少移移动部件件因位置置变动造造成

4、的机机床变形形。为了了提高机机床各部部件的接接触刚度度，增加加机床的的承载能能力，采采用刮研研的方法法增加单单位面积积上的接接触点，并并在结合合面之间间施加足足够大的的预加载载荷，以以增加接接触面积积。这些些措施都都能有效效地提高高接触刚刚度。为为了充分分发挥数数控机床床的高效效加工能能力，并并能进行行稳定切切削，在在保证静静态刚度度的前提提下，还还必须提提高动态态刚度。常常用的措措施主要要有提高高系统的的刚度、增增加阻尼尼以及调调整构件件的自振振频率等等。试验验表明，提提高阻尼尼系数是是改善抗抗振性的的有效方方法。钢钢板的焊焊接结构构既可以以增加静静刚度、减减轻结构构重量，又又可以增增加构件

5、件本身的的阻尼。因因此，近近年来在在数控机机床上采采用了钢钢板焊接接结构的的床身、立柱、横梁和工作台。封砂铸件也有利于振动衰减，对提高抗振性也有较好的效果。二、减少机床的热变形在内外热源的影响下，机床各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破环，也是机床季度下降。对于数控机床来说，因为全部加工过程是计算的指令控制的，热变形的影响就更为严重。为了减少热变形，在数控机床结构中通常采用以下措施。1.减少发热机床内部发热时产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分离出去。2.制温升在采取了一系列减少热源的措施后，热变形的情况将有所改善。但要完全消除机床的内外热源通常是十

6、分困难的，甚至是不可能的。所以必须通过良好的散热和冷却来控制温升，以减少热源的影响。其中部较有效的方法是在机床的发热部位强制冷却，也可以在机床低温部分通过加热的方法，使机床各点的温度趋于一致，这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。3.改善机床机构在同样发热条件下，机床机构对热变形也有很大影响。如数控机床过去采用的单立柱机构有可能被双柱机构所代替。由于左右对称，双立柱机构受热后的主轴线除产生垂直方向的平移外，其它方向的变形很小，而垂直方向的轴线移动可以方便地用一个坐标的修正量进行补偿。对于数控车床的主轴箱，应尽量使主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上。这就可以使主轴热变形对加工直径的影响降低到最

7、小限度。在结构上还应尽可能减小主轴中心与主轴向地面的距离，以减少热变形的总量，同时应使主轴箱的前后温升一致，避免主轴变形后出现倾斜。数控机床中的滚珠丝杠常在预计载荷大、转速高以及散热差的条件下工作，因此丝杠容易发热。滚珠丝杠热生产造成的后果是严重的，尤其是在开环系统中，它会使进给系统丧失定位精度。目前某些机床用预拉的方法减少丝杠的热变形。对于采取了上述措施仍不能消除的热变形，可以根据测量结果由数控系统发出补偿脉冲加以修正。三、减少运动间的摩擦和消除传动间隙数控机床工作台（或拖板）的位移量十一脉中当量为最小单位的，通常又要求能以基地的速度运动。为了使工作台能对数控装置的指令作出准确响应，就必须采

8、取相应的措施。目前常用的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻尼特性方面存在着明显的差别。在进给系统中用滚珠丝杠代替滑动丝杠也可以收到同样的效果。目前，数控机床几乎无一例外地采用滚珠丝杠传动。数控机床（尤其是开环系统的数控机床）的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传动副。对于滚珠丝杠螺距的累积误差，通常采用脉冲补偿装置进行螺距补偿。四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，在设计时应充分考虑数控机场零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给伺港机主轴部件等影响进度的主要零件的耐磨性。在使用过程中，应保证数控

9、机床各部件润滑良好。五、减少辅助时间和改善操作性能在数控机床的单件加工中，辅助时间（非切屑时间）占有较大的比重。要进一步提高机床的生产率，就必须采取促使最大限度地压缩辅助时间。目前已经有很多数控机床采用了多主轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀装置等，以减少换刀时间。对于切屑用量加大的数控机床，床身机构必须有利于排屑。主运动机械部件数控机床的主传动运动是指生产切屑的传动运动，例如，数控车床上主轴带动工件的旋转运动，立式加工中心上主轴带动铣刀、镗刀和砂轮等的旋转运动。数控机床的主传动运动是通过主传动电机拖动的。一、主传动运动的变速系统目前，数控机床的主传动电机已经基本不再使用普通交流异步电机和传统的

10、直流调速电机，他们与逐步被新兴的交流变频调速伺服电机和直流伺服调速电机代替。数控机床的主运动要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切屑用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。为了适应各种工件和各种工件材料的要求，多恭喜自动换刀的数控机床和加工中心主运动的调速范围应进一步扩大。数控机床的变速时按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流变速主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节和提高了变速控制的可靠性，因此在数控机床的主传动系统中更能显示出它的优越性。为了确保低速时的扭矩，有的数控机床在交流和直流电机无级

11、变速的基础上配以齿轮变速。由于主运动采用了无级变速，在大型数控车床上测斜端面时就可实现恒速切屑控制，以便进一步提高生产效率和表面质量。数控机床主传动主要有三种配置方式。1.带有变速齿轮的主传动这是大、种型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速，扩大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床业采用此种传动方式，以获得强力切屑时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压油缸带动齿轮实现。2.通过皮带传动的主传动这主应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动是引起的振动与噪声。但它只能使用与要求的扭矩特性的主轴。3.由调速电机直接驱动的主传动这种主传动方式大大

12、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，电机发热对主轴的精度影响较大。二、数控击穿主轴部件数控机床主轴部件的精度、刚度和热变形对加工质量有直接影响。由于加工过程中不对数控机床进行人工调整，因此这些影响就更为严重。目前数控机床的主轴厂主要有三种型式。1.前后支撑采用不同轴承前支撑采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列向心推力球轴承组合，后支撑采用成对向心推力球轴承。此配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强力切屑的要求，因此普遍应用于各类数控机床。2.前轴承采用高精度双列向心推力球轴承向心推力球轴承高速时性能良好，主轴最高转速可达4000r/min。但是，

13、它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和紧密的数控车床。3.双列和单列圆锥滚子轴承这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。但是，这种轴承限制了主轴的最高转速和精度，因此使用中等精度、低速与重载的数控机床。在主轴的机构上，要处理好卡盘和刀架的装夹、主轴的卸荷、主轴轴承的定位和间隙调整、主轴部件的润滑和密封以及工艺上的其他一系列问题。为了尽可能减少主轴部件温升热变形对机床工作精度的影响，通常利用润滑油的循环系统把主轴部件的热量带走，使主轴部件与箱体保持恒定的温度。在某些数控镗、铣床上采用专用的制冷装置，比较理想的实现了温度控制。近年来，某些数控机床的主轴轴

14、承采用高级油脂，用封入方式进行润滑，每加一次油脂可以使用7年至10年。为了使润滑油和油脂不致混合，通常采用迷宫密封方式。对于数控车床主轴，因为在它的两端安装着结构笨重的动力卡盘和夹紧油缸，所以主轴刚度必须进一步提高，并应设计合理的连接端，以改善动力卡盘与主轴端度的连接刚度。对于数控镗床或铣床的主轴，考虑到实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还配有刀具自动装卸、主轴准停和主轴孔内切屑的清除装置。进给传动机械部件通常，一个典型的数控机床闭环控制进给系统，由位置比较，放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件等几部分组成。其中，机械传动装置是位置控制中的一个重要环节。这里所说的机械传动装置，是指将驱

15、动源的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链，包括齿轮装置、丝杠螺母副等中间传动机构。（一）联轴器联轴器是是用来连连接寄给给机构的的两根轴轴使之一一起回转转移传递递扭矩和和运动的的一种装装置。目目前联轴轴器的类类型繁多多，有液液力式、电电磁式和和机械式式。机械械式联轴轴器的应应用最为为广泛。套筒联轴器构造简单，径向尺寸小，但装卸困难（轴需作轴向移动）。且要求两轴严格对中，不允许有径向或角度偏差，因此使用时受到一定限制。绕行联轴器采用锥形夹紧环传递载荷，可使动力传递没有方向间隙。凸缘式联轴器构造简单、成本的、可传递较大扭矩，常用于转速低、五种及、轴的刚性大及对中性好的场合。他的主要缺点是对

16、两轴的对中性要求很高。若两轴间存在位移与倾斜，救在机件内引起附加载荷，使工作状况恶化。（二）减速机构1.齿轮传动装置齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个。一是将高转速的转矩的伺服电机（如步进电机、直流和交流伺服电机等）的输出改变为低转速大转矩的执行件的输入；另一是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中专有较小的比重。此外，对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。为了尽量减小齿侧间隙对数控机床加工精度的影响，经常在结构上采取措施，以减小或消除齿轮副的空程误差。如采用双片齿轮错齿法、利用偏心套调整齿轮副中心距

17、或采用轴向垫片调整法消除齿轮侧隙。与采用同步齿形带相比，在数控机床进给传动链中采用齿轮减速装置，更易产生低频振荡，因此减速机构中常配置阻尼器来改善动态性能。2.同步齿形带同步齿形带传动是一种新型的带传动。他利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次啮合传递运动和动力，因而兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，且无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高，而且齿形带的强度高、厚度小、重量轻、故可用于高速传动。齿形带无需特别张紧，故作用在轴和轴承上的载荷小，传动效率也高，现已在数控机床上广泛应用。同步齿形带的主要参数与规格如下：1）齿距齿距p为相邻两齿在节线上的距离。由于强力层在工作时长度不变，所以强力层的中心

18、线被规定为齿形带的节线（中性层），并以节线的周长L作为齿形带的公称长度。2）模数模数定义为m=p/,使齿形带尺寸计算的一个主要依据。3）其它参数齿形带的其它参数和尺寸与渐开线齿条基本相同。齿形带齿形的计算公式与渐开线齿条不同，因为齿形带的节线在强力层上，而不在齿高中部。齿形带的标注方法是：模数*宽度*齿数，即m*b*z。（三）滚珠丝杠螺母副为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，形成不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副的传动效率高达85%-98%，是普通滑动丝杠副的2-4倍。滚珠丝杠副的摩擦角小于1，因此不自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须有制动装置。滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上几乎没有什么差别。它可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠由专门工厂制造。