第5章數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)

第5章數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床2上一章詳細(xì)討論進(jìn)給伺服系統(tǒng)的軟件硬件結(jié)構(gòu)；進(jìn)給伺服系統(tǒng)基本功能的原理及實(shí)現(xiàn)方法。數(shù)控機(jī)床3內(nèi)容提要本章將討論數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及典型部件等的功能、實(shí)現(xiàn)方法和安裝調(diào)試方法。數(shù)控機(jī)床45.1數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)5.2進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)5.3數(shù)控機(jī)床的刀具交換裝置5.4數(shù)控機(jī)床的布局?jǐn)?shù)控機(jī)床55.1

數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床6

1、定義、功用、組成定義：

主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)：指驅(qū)動(dòng)主軸運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。主軸：指帶動(dòng)刀具和工件旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生切削運(yùn)動(dòng)且消耗功率最大的運(yùn)動(dòng)軸。5.1.1概述數(shù)控機(jī)床7功用：傳遞動(dòng)力：傳遞切削加工所需要的動(dòng)力傳遞運(yùn)動(dòng)：傳遞切削加工所需要的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制：控制主運(yùn)動(dòng)的大小方向開停組成：動(dòng)力源：電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)：定比傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、變速裝置運(yùn)動(dòng)控制裝置:離合器、制動(dòng)器等執(zhí)行件：主軸數(shù)控機(jī)床8動(dòng)力功率高由于日益增長(zhǎng)的對(duì)高效率要求，加之刀具材料和技術(shù)的進(jìn)步，大多數(shù)NC機(jī)床均要求有足夠高的功率來(lái)滿足高速?gòu)?qiáng)力切削。一般NC機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)功率在3.7kw~250kw之間。2、對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)要求數(shù)控機(jī)床9調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍：有恒扭矩、恒功率調(diào)速范圍之分?，F(xiàn)在，數(shù)控機(jī)床的主軸的調(diào)速范圍一般在：100～10000，且能無(wú)級(jí)調(diào)速。要求恒功率調(diào)速范圍盡可能大，以便在盡可能低的速度下，利用其全功率。變速范圍負(fù)載波動(dòng)時(shí)，速度應(yīng)穩(wěn)定。數(shù)控機(jī)床10控制功能的多樣化同步控制功能：NC車床車螺紋用；主軸準(zhǔn)停功能：加工中心自動(dòng)換刀、NC車床車螺紋用；恒線速切削功能：NC車床和NC磨床在進(jìn)行端面加工時(shí)，為了保證端面加工的粗糙度要求，要求接觸點(diǎn)處的線速度為恒值；C軸控制功能：車削中心。數(shù)控機(jī)床11性能要求高

電機(jī)過(guò)載能力強(qiáng)。要求有較長(zhǎng)時(shí)間（1~30min）和較大倍數(shù)的過(guò)載能力在斷續(xù)負(fù)載下，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)要小。

速度響應(yīng)要快，升降速時(shí)間要短。

電機(jī)溫升低，振動(dòng)和噪音小。

可靠性高，壽命長(zhǎng)，維護(hù)容易。

體積小，重量輕，與機(jī)床聯(lián)接容易。數(shù)控機(jī)床123、主運(yùn)動(dòng)變速系統(tǒng)的參數(shù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)：主運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)的參數(shù)：變速范圍、轉(zhuǎn)速等。動(dòng)力參數(shù)：電機(jī)功率、扭矩。動(dòng)力參數(shù)主運(yùn)動(dòng)的功率N=Nc/（kw）數(shù)控機(jī)床13主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍主軸的調(diào)速范圍是指主軸變速能力：通常數(shù)控機(jī)床的都較普通機(jī)床要高，Rn：100~10000數(shù)控機(jī)床141.普通電機(jī)—機(jī)械變速系統(tǒng)—主軸部件特點(diǎn)：能夠滿足各種切削運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出的要求，但變速范圍不大，由于是有級(jí)變速使切削速度的選擇受到限制，而且該配置的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以現(xiàn)在僅有少數(shù)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床采用該配置，其它已很少采用。5.1.2主運(yùn)動(dòng)的配置形式和驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)控機(jī)床152.變頻器—交流電機(jī)—1~2機(jī)械變速—主軸部件這種配置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝調(diào)試方便，且在傳動(dòng)上能滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸出要求，但其調(diào)速范圍及特性相對(duì)于交、直流主軸電機(jī)系統(tǒng)而言要差一些。主要用于經(jīng)濟(jì)型或中低檔數(shù)控機(jī)床上。

數(shù)控機(jī)床163.交、直主軸電機(jī)—主軸部件這種配置形式同上面一樣，但電機(jī)是性能更好交直流主軸電機(jī)，其變速范圍寬，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)8000r/min，且控制功能豐富，可滿足中高檔數(shù)控機(jī)床的控制要求數(shù)控機(jī)床174.電主軸電主軸又稱內(nèi)裝式主軸電機(jī)，即主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體，其優(yōu)點(diǎn)是主軸部件結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣量小，可提高啟動(dòng)、停止的響應(yīng)特性，利于控制振動(dòng)和噪聲。轉(zhuǎn)速高，目前最高可達(dá)200000r/min。其缺點(diǎn)是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)和熱量將直接影響到主軸，因此，主軸組件的整機(jī)平衡、溫度控制和冷卻是內(nèi)裝式電機(jī)主軸的關(guān)鍵問題

數(shù)控機(jī)床18車床用電主軸銑床用電主軸數(shù)控機(jī)床195.1.3主軸部件1、概述功用：夾持工件或刀具實(shí)現(xiàn)切削運(yùn)動(dòng)；傳遞運(yùn)動(dòng)及切削加工所需要的動(dòng)力。組成：主軸、支承、傳動(dòng)零件、裝夾刀具或工件的附件及輔助零部件。數(shù)控機(jī)床20要求：主軸的精度要高。包括運(yùn)動(dòng)精度（回轉(zhuǎn)精度、軸向串動(dòng)）、和安裝刀具或夾持工件的夾具的定位精度（軸向、徑向）。部件的結(jié)構(gòu)剛度和抗振性好。較低的運(yùn)轉(zhuǎn)溫升以及較好的熱穩(wěn)定性。部件的耐磨性和精度保持性好。自動(dòng)可靠的裝夾刀具或工件數(shù)控機(jī)床21對(duì)數(shù)控機(jī)床除上述要求外，還應(yīng)有：（在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面）刀具的自動(dòng)夾緊裝置主軸的準(zhǔn)停裝置主軸孔的清理裝置等數(shù)控機(jī)床22主軸部件的結(jié)構(gòu)主軸端部的結(jié)構(gòu)形式端部用于安裝刀具或夾持工件的夾具，因此，要保證刀具或夾具定位（軸向、定心）準(zhǔn)確，裝夾可靠、牢固，而且裝卸方便。目前，主軸的端部形狀已標(biāo)準(zhǔn)化。數(shù)控機(jī)床23數(shù)控機(jī)床245.2

進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床251、進(jìn)給系統(tǒng)的功用協(xié)助完成加工表面的成形運(yùn)動(dòng)，傳遞所需的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力。5.2.1進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)概述數(shù)控機(jī)床262、進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分的組成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)+運(yùn)動(dòng)變換機(jī)構(gòu)+導(dǎo)向機(jī)構(gòu)+執(zhí)行件（工作臺(tái)）傳動(dòng)機(jī)構(gòu):齒輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)變換：絲杠螺母副、蝸桿齒條副、齒輪齒條副等導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：導(dǎo)軌（滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌）數(shù)控機(jī)床27工作臺(tái)導(dǎo)軌副數(shù)控機(jī)床283、主要要求（1）減小摩擦力采用摩擦力及動(dòng)靜摩擦力差值較小的傳動(dòng)件及導(dǎo)軌.（2）提高傳動(dòng)精度和剛度消除傳動(dòng)間隙，增加傳動(dòng)系統(tǒng)剛度.（3）減小運(yùn)動(dòng)慣量快速響應(yīng).減小運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量.數(shù)控機(jī)床295.2.2回轉(zhuǎn)工作臺(tái)1、定義與分類定義：實(shí)現(xiàn)周向進(jìn)給和分度運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)分類：分度工作臺(tái)：實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的定角度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即分度、轉(zhuǎn)位和定位工作。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)：除了分度和轉(zhuǎn)位的功能之外，還能實(shí)現(xiàn)數(shù)控圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床30分類：按定位元件分插銷定位；反靠定位；齒盤定位；鋼球定位。2、分度工作臺(tái)工作原理：按照控制系統(tǒng)的指令自動(dòng)地進(jìn)行，每次轉(zhuǎn)位回轉(zhuǎn)一定的角度，如（1°、5°、10°、15°、30°、45°、90°、180°）。數(shù)控機(jī)床313、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

（1）工作原理：實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)---數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)）（2）功能：除了可以實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之外，還可以完成分度運(yùn)動(dòng)（3）分類：開環(huán)、閉環(huán)。數(shù)控機(jī)床325.2.3導(dǎo)軌1、導(dǎo)軌的作用導(dǎo)向：直線運(yùn)動(dòng)—直線導(dǎo)軌；圓運(yùn)動(dòng)—軸承支承、承載2、數(shù)控機(jī)床常用導(dǎo)軌形式塑料導(dǎo)軌：滑動(dòng)摩擦滾動(dòng)導(dǎo)軌：滾動(dòng)摩擦靜壓導(dǎo)軌：液體摩擦數(shù)控機(jī)床333、對(duì)導(dǎo)軌的基本要求一定的導(dǎo)向精度；良好的摩擦特性：摩擦系數(shù)?。ㄝ^高的靈敏度），動(dòng)靜摩擦系數(shù)之差?。ǖ退倨椒€(wěn)性好）；阻尼特性好（高速時(shí)不振動(dòng)）；足夠的剛度和強(qiáng)度；良好的精度保持性。數(shù)控機(jī)床34內(nèi)容小結(jié)1、數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)概述2、主運(yùn)動(dòng)的配置形式和驅(qū)動(dòng)電機(jī)3、主軸部件4、進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)概述5、分度工作臺(tái)6、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)7、導(dǎo)軌數(shù)控機(jī)床35習(xí)題與思考題1、簡(jiǎn)述數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的功用。2、簡(jiǎn)述數(shù)控機(jī)床對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求。3、簡(jiǎn)述數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的配置形式及其特點(diǎn)。4、簡(jiǎn)述數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分的組成。5、簡(jiǎn)述數(shù)控機(jī)床對(duì)導(dǎo)軌的基本要求數(shù)控機(jī)床365.3

數(shù)控機(jī)床的刀具交換裝置數(shù)控機(jī)床37內(nèi)容提要

本節(jié)將討論數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)刀具交換裝置的形式、刀庫(kù)的類型、刀具系統(tǒng)及選刀方式，最后將介紹一個(gè)自動(dòng)刀具交換裝置的實(shí)例。數(shù)控機(jī)床385.3.1概述

什么是自動(dòng)換刀裝置：儲(chǔ)備一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動(dòng)交換功能的裝置ATC：AutomaticToolChanger為什么需要自動(dòng)換刀裝置：縮短非切削時(shí)間，提高生產(chǎn)率，可使非切削時(shí)間減少到20％～30％；“工序集中”，擴(kuò)大數(shù)控機(jī)床工藝范圍，減少設(shè)備占地面積；提高加工精度；數(shù)控機(jī)床39數(shù)控機(jī)床對(duì)ATC要求：換刀時(shí)間盡可能短；刀具重復(fù)定位精度高；刀具儲(chǔ)存量足夠；結(jié)構(gòu)緊湊，便于制造、維修、調(diào)整；布局應(yīng)合理，使機(jī)床總布局美觀大方；較好的剛性，避免沖擊、振動(dòng)及噪聲，運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠；防屑、防塵裝置。應(yīng)用

數(shù)控車床、“加工中心”、車削中心、五面加工機(jī)床數(shù)控機(jī)床405.3.2自動(dòng)換刀裝置的形式1、回轉(zhuǎn)刀架換刀工作原理同分度工作臺(tái)數(shù)控機(jī)床41數(shù)控機(jī)床422、更換主軸換刀數(shù)控機(jī)床433、更換主軸箱換刀數(shù)控機(jī)床444、更換刀庫(kù)換刀數(shù)控機(jī)床455、帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)這類換刀裝置由刀庫(kù)、選刀機(jī)構(gòu)、刀具交換機(jī)構(gòu)及刀具在主軸上的自動(dòng)裝卸機(jī)構(gòu)等四部分組成，刀庫(kù)可裝在機(jī)床的工作臺(tái)上、立柱上或主軸箱上，也可作為一個(gè)獨(dú)立部件裝在機(jī)床之外。這類換刀裝置應(yīng)用最廣泛。數(shù)控機(jī)床46刀庫(kù)裝在機(jī)床的工作臺(tái)上，這種換刀裝置，直接利用機(jī)床本身及刀庫(kù)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行換刀。當(dāng)某一刀具加工完畢從工件退出后，即開始進(jìn)行自動(dòng)換刀。數(shù)控機(jī)床47現(xiàn)在的中小型加工中心，刀庫(kù)不是裝在工作臺(tái)上，而是裝在立柱上的一個(gè)托架上。采用刀庫(kù)在托架的導(dǎo)軌上平行于X方向運(yùn)動(dòng)與主軸的上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換刀。數(shù)控機(jī)床48數(shù)控機(jī)床49當(dāng)?shù)稁?kù)的容量大、刀具較重或機(jī)床總體布局等原因，刀庫(kù)也可作為一個(gè)獨(dú)立部件，裝在機(jī)床之外

數(shù)控機(jī)床50刀庫(kù)遠(yuǎn)離主軸，常常要附加運(yùn)輸裝置，來(lái)完成刀庫(kù)與主軸之間刀具的運(yùn)輸。

數(shù)控機(jī)床51為了縮短換刀時(shí)間，可采用帶刀庫(kù)的雙主軸或多主軸換刀系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床525.3.3刀庫(kù)1、刀庫(kù)的形式（1）盤式刀庫(kù)數(shù)控機(jī)床53數(shù)控機(jī)床54（2）鏈?zhǔn)降稁?kù)數(shù)控機(jī)床55數(shù)控機(jī)床56數(shù)控機(jī)床57數(shù)控機(jī)床58數(shù)控機(jī)床592、設(shè)計(jì)刀庫(kù)時(shí)應(yīng)考慮的主要問題

（1）合理確定刀庫(kù)容量對(duì)總體布局和成本影響機(jī)大；對(duì)機(jī)床工藝能力和效率有影響；數(shù)控機(jī)床60（2）盡量縮短選刀時(shí)間（3）刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)適宜外鏈?zhǔn)降稁?kù)的線速度可達(dá)100～800mm／s，盤刀庫(kù)的轉(zhuǎn)速多為10°～60°／s。（4）要求刀庫(kù)運(yùn)行平穩(wěn)（5）刀座在刀庫(kù)中的排列（6）其他應(yīng)注意的問題夾持可靠，刀庫(kù)防塵、防屑及安全防護(hù)等數(shù)控機(jī)床615.4數(shù)控機(jī)床的布局?jǐn)?shù)控機(jī)床62概念：數(shù)控機(jī)床的布局是指機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)部件相對(duì)安裝位置的總體方案。5.4.1概述數(shù)控機(jī)床63數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)床基礎(chǔ)件：床身、底座、立柱、橫梁、工作臺(tái)主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（主軸）進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)輔助功能部件：氣動(dòng)、潤(rùn)滑、冷卻、排屑、防護(hù)等刀架或自動(dòng)換刀裝置（ATC）自動(dòng)托盤交換裝置（APC、AWC）特殊功能裝置：刀具破損監(jiān)控、精度檢測(cè)等。

數(shù)控機(jī)床64高自動(dòng)化：要求自動(dòng)保證穩(wěn)定的加工精度。高精度和大功率：數(shù)控機(jī)床集高精度與重切削于一身，因此對(duì)傳動(dòng)件和基礎(chǔ)件的結(jié)構(gòu)和剛度有了更高的要求。高速度:

簡(jiǎn)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，趨勢(shì)：“零傳動(dòng)”5.4.2數(shù)控機(jī)床的功能和性能對(duì)布局結(jié)構(gòu)的要求數(shù)控機(jī)床65工藝復(fù)合化和功能集成化：附件和輔助裝置增多工藝復(fù)合化是指“一次裝夾，多工序加工”功能集成化是指“一機(jī)多能”。高可靠性數(shù)控機(jī)床應(yīng)能在高負(fù)荷下長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障連續(xù)工作，因而對(duì)機(jī)械元、部件的可靠性提出了很高的要求。數(shù)控機(jī)床66數(shù)控機(jī)床總體布局與工藝因素表面形成方法對(duì)總體布局的影響數(shù)控車床，數(shù)控銑床、數(shù)控齒輪加工機(jī)床等工序集中加工中心、五面加工