1、2021年12月21日3時44分1 第一節 數控機床對結構的要求 第二節 數控機床的布局特點 第三節 數控機床的主運動部件 第四節 數控機床的進給運動系統 第五節 數控機床的自動換刀裝置2021年12月21日3時44分2第一節 數控機床對結構的要求一、數控機床及其加工過程的特點1. 數控機床的機械結構組成 2021年12月21日3時44分32.數控機床及加工特點：（1）自動化程度高 數控機床在加工過程中，能按數控系統的指令自動進行加工、變速及完成其它輔助功能，不必像傳統機床那樣由操作者進行手動調整和改變切削用量。（2）高的加工精度及切削效率 粗精加工同機減少裝卸時間 刀具材料高速切削、強力切削

2、、因而減少切削時間 利用誤差反饋、補償技術提高精度，數控機床的定位精 度和重復定位精度相當高。（3）多工序和多功能集成 在數控機床上，特別是加工中心，工件一次裝夾后，能完成銑、鏜、鉆、攻螺紋等多道工序的 2021年12月21日3時44分4加工，甚至能完成除安裝面以外的各個加工表面的加工。車削中心除能加工外圓、內孔和端面外，還能在外圓和端面上進行銑、鉆甚至曲面等加工。 另一方面，隨著數控機床向柔性制造系統方向的發展，功能集成化不僅體現在ATC和APC上，且還體現在工件自動定位、機內對刀、刀具破損監控、精度檢測和補償上。（4）高的可靠性和精度保持性 數控機床特別是在FMS中的數控機床，常在高負荷下

3、長時間地連續工作，故數控機床通常都具有較高的可靠性和精度保持性。 二、數控機床對結構的要求 1、高的靜、動剛度及良好的抗振性能 數控機床價格昂貴，生產費用比傳統機床的要高得多，要獲得較好的經濟效益，必須采取措施大幅度地壓縮單件加工時間，包括兩個方面：2021年12月21日3時44分5新型刀具材料的發展，使切削速度成倍提高，縮短切削時間采用各種自動輔助裝置，大大減少了輔助時間，大幅度提高了生產率，然而同時也明顯地增加了機床的負載及運轉時間。 此外，由機床床身、導軌、工作臺、刀架和主軸箱等部件的幾何精度及其變形所產生的誤差取決于它們的結構剛度，所有這些都要求數控機床要有比傳統機床更高的靜剛度。 切

4、削過程中的振動不僅影響工件的加工精度和表面質量，而且會降低刀具壽命，影響生產率。數控機床具有高效率的特點，應充分發揮其加工能力，在加工過程中不允許進行如改變幾何角度等類似的人工調整。因此，對數控機床的動態特性提出了更高的要求，也就是說還要提高其動剛度。 合理地設計數控機床的結構，改善受力情況，以便減少受力變形。(1)提高機床靜剛度和固有頻率的有利措施如下：機床的基礎大件采用封閉箱形結構（圖a），提高自身剛度。2021年12月21日3時44分62021年12月21日3時44分7加強構件之間的接觸剛度。(2)提高機床動剛度的重要措施 改善機床結構的阻尼特性，如在機床大件內腔填充阻尼材料(圖c)，表

5、面噴涂阻尼涂層，充分利用結合面間的摩擦阻尼，耗散振動能量，抑制振動。2021年12月21日3時44分8措施：(1)對熱源采取液冷或風冷等方法來控制溫升。(2)均熱2、良好的熱穩定性 熱變形的大小,受熱不均勻對機床精度、壽命等都有影響引起熱變形的熱源主要是內部熱源：主電機、進給電機發熱，摩擦熱及切削熱等。 熱變形影響加工精度的原因，主要是構件受熱變形以及熱源分布不均，各處零件的質量不均勻，形成各部位的溫升不一樣，從而導致產生不均勻的溫度場和熱膨脹變形，影響刀具和工件正確的相對位置 車床床身的均熱 平面磨床工作臺的均熱平面磨床立柱的均熱2021年12月21日3時44分92021年12月21日3時4

6、4分10(3)合理布局，改善機床結構2021年12月21日3時44分11(4)熱變形補償措施 (5)其它恒溫車間預熱熱平衡 3、高的運動精度和低速運動平穩性2021年12月21日3時44分12(1)高的運動精度 由于加工的需要，數控機床各坐標軸的運動都是雙向的，傳動元件之間的間隙無疑會影響機床的定位精度及重復定位精度。因此，要求數控機床進給系統無間隙傳動。必須采取措施消除進給傳動系統中的間隙，如齒輪副、絲杠螺母副的間隙。（1）齒輪副 齒輪本身的制造誤差如齒形誤差、運動偏心、周節誤差等，還與安裝軸的偏心和齒輪孔、軸的安裝偏差、間隙等有關。0/i常數 2021年12月21日3時44分132021年

7、12月21日3時44分14（2）滾珠絲杠螺母副的傳動誤差 傳動誤差主要由本身的制造誤差：螺距累積誤差、螺紋滾道型面誤差、直徑尺寸誤差、熱伸長，裝配誤差等2021年12月21日3時44分15(2)低速運動平穩性精加工低速時易爬行2021年12月21日3時44分16避免爬行的措施：改善摩擦特性，使導軌靜摩擦力盡量接近動摩擦力滾動摩擦：f=0.005、f 液體摩擦：f=0.0005、f低摩擦副材料：塑料鑄鐵（塑料軟帶、塑料導軌板）高性能潤滑油：極性添加劑增大油膜強度4、充分滿足人性化要求由于數控機床是一種高速度、高效率機床，在一個零件的加工時間中，輔助時間也就是非切削時間占有較大比重，因此，壓縮輔助

8、時間可大大提高生產率。目前已有許多數控機床采用多主軸、多刀架及自動換刀等裝置，特別是加工中心，可在一次裝夾下完成多工序的加工，節省大量裝夾換刀時間。像這種自動化程度很高的加工設備，與傳統機床的手工操作不同，其操作性能有新的含義。由于切削加工不需人工操作，故可采用封閉與半封閉式加2021年12月21日3時44分17工。要有明快、干凈、協調的人機界面，要盡可能改善操作者的觀察，要注意提高機虜；各部分的互鎖能力，并設有緊急停車按鈕，要留有最有利于工件裝夾的位置。將所有操作都集中在一個操作面板上，操作面板要一目了然，不要有太多的按鈕和指示燈，以減少誤操作。 2021年12月21日3時44分18第二節

9、數控機床的布局特點一、數控車床的布局結構特點（一）便于操作觀察人機關系 中小型：數控裝置 大型：吊掛按鈕站、移動工作臺 （二）排屑與冷卻 數控車床的床身結構和導軌有多種形式，主要有水平床身、傾斜床身以及水平床身斜滑板等 2021年12月21日3時44分19 床身導軌常采用寬支撐V-平型導軌，絲杠位于兩導軌之間。二、加工中心的布局結構特點1臥式加工中心 2021年12月21日3時44分202立式加工中心 2021年12月21日3時44分213五面加工中心與多坐標加工中心 2021年12月21日3時44分22第三節 數控機床的主運動部件一、主傳動變速(主傳動鏈)1帶有二級齒輪變速 主軸電動機經過二

10、級齒輪變速，使主軸獲得低速和高速兩種轉速系列，多用于大中型數控機床?；讫X輪常用液壓撥叉或電磁離合器改變其位置。2021年12月21日3時44分232帶有定比傳動 主軸電動機經定比傳動傳遞給主軸，定比傳動采用齒輪傳動或帶傳動。帶傳動主要用于小型數控機床上，可避免齒輪傳動的噪音和振動。3由主軸電動機直接驅動 電動機軸與主軸用聯軸器同軸聯接。該方式大大簡化了主軸結構，有效地提高主軸剛度。但主軸輸出轉矩小，電動機的發熱對主軸精度影響大。 近年來出現另外一種內裝電動機主軸，即主軸與電動機轉子合二為一。優點是主軸部件結構更緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動、停止的響應特性；缺點同樣是熱變形問題。二、主軸(

11、部件)結構 2021年12月21日3時44分241、主軸的支承 圖a綜合剛度高，可滿足強力切削要求。 圖b具有良好的高速性能，但承載能力較小，適用于高速輕載和精密數控機床。 圖c徑向和軸向剛度很高，能承受重載荷。但限制了主軸最高轉速，適用于中等精度低速重載數控機床。2、主軸內部刀具自動夾緊機構 3、主軸準停裝置 2021年12月21日3時44分25第四節 數控機床的進給運動系統一、對進給系統的要求進給運動是以保證刀具與工件相對位置關系為目的，被加工工件的輪廓精度和位置精度都受到進給運動的傳動精度、靈敏度和穩定性的直接影響。 進給運動是數字控制系統的直接控制對象。對于閉環控制系統，還要在進給運動

12、的末端加上位置檢測系統，并將測量的實際位移反饋到控制系統中，以使運動更準確。因此，進給運動的機械結構必須具備以下幾個特點：1、運動件間的摩擦阻力小 問題：摩擦 爬行、不平穩、快速響應 措施：采用滾珠絲杠副、靜壓絲杠副 2、消除傳動系統中的間隙2021年12月21日3時44分263、傳動系統的精度和剛度高 問題：間隙 反向死區，精度，剛度 措施: 采用消隙機構 問題：剛度爬行、反向死區 措施：傳動鏈、合理選擇尺寸、 預緊：絲杠螺母、支承4、減小運動慣量，具有適當的阻尼 問題：慣量 動態響應、起動負荷 措施：運動件重量 旋轉件直徑 阻尼能降低伺服系統的快速響應特性，能提高系統的穩定性，故系統要有適

13、當的阻尼。二、傳動齒輪副1、設計傳動齒輪副應考慮的問題2021年12月21日3時44分27使絲杠、工作臺的慣量在系統中占有較小的比重使高轉速低轉矩的伺服驅動裝置的輸出變為低轉速大轉矩在開環系統中可歸算所需的脈沖當量。速比分配及傳動級數對傳動的轉動慣量和執行件的失動的影響。2、消除傳動齒輪間隙的措施齒側間隙 造成開環、半閉環系統的反向失動量 使閉環系統的穩定性消隙措施 剛性調整法 柔性調整法具體可參閱相關書籍。2021年12月21日3時44分28三、絲杠螺母副1滾珠絲杠螺母副 數控機床的進給運動鏈中，將旋轉運動轉換為直線運動的方法很多，本節只介紹滾珠絲杠螺母副和靜壓絲杠螺母副。（一） 工作原理和

14、特點1.原理: 絲杠和螺母上都有圓弧形面的螺旋槽, 在工作過程中 ,滾珠既自轉又循環滾動, 絲杠和螺母間為滾動摩擦。摩擦損失小，傳動效率高，可達0.900.96預緊后，可完全消除間隙，提高傳動剛度和精度摩擦阻力小， 平穩、無爬行 磨損、精度保持好、壽命 發熱適應高速2021年12月21日3時44分29具有運動的可逆性: 螺母、絲杠均可作主動件或從動件。故不能自鎖、絲杠立式使用需增加制動裝置2021年12月21日3時44分30（二） 結構類型 按滾珠循環方式可分為以下兩種：1. 外循環: 滾珠通過螺母外表面返回 優點: 簡單、工藝性 缺點: 滾道接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾動平穩性，甚至發生卡

15、珠現象，噪聲較大。2021年12月21日3時44分312. 內循環: 滾珠通過螺母內表面返回 優點: 緊湊、滾珠流通性好、摩擦損失小 缺點: 反相器結構復雜、工藝性、承載能力（三） 滾珠絲杠螺母副的預緊方法: 雙螺母軸向位移，滾珠與絲杠滾道左右兩側接觸，消除間隙和加預緊力方式: 1. 墊片式 2. 螺紋式 3. 齒差式（四）滾珠絲杠常用支承方式方式： 一端裝推力軸承，另一端自由 (圖7-17a) 2021年12月21日3時44分32 一端裝推力軸承，（簡支) (圖7-17b) 兩端裝推力軸承 ，(簡支) (圖7-17c) 兩端裝雙向推力軸承，(簡支) (圖7-17d) 2021年12月21日3

16、時44分332靜壓絲杠螺母副（一）工作原理和特點 1.工作原理: 2021年12月21日3時44分342.特點：摩擦系數很小，傳動靈敏，避免了爬行；油膜層吸振，提高運動的平穩性、油液不斷流動，有利于散熱，減少熱變形，提高機床的加工精度和表面質量；油膜層有一定剛度，大大減小了反向間隙，油膜層介于螺母和絲杠之間，對絲杠誤差有“均化”作用，即絲杠的傳動誤差比絲杠本身的制造誤差還小；承載能力與供油壓力成正比，與轉速無關。供油系統復雜，對油的清潔度要求高（二）結構 絲杠:與一般的滑動絲杠基本相同螺母:有油腔、節流器、油孔（三）類型2021年12月21日3時44分35按節流控制方式分：（1) 集中阻尼節流

17、結構: 每側油腔同一個節流器控制適用: 徑向載荷小且均勻、傾覆力矩很小（2) 分散阻尼節流結構: 每側多個油腔、各用一個節流器控制適用: 徑向載荷、傾覆力矩較大 缺點: 節流器多,結構復雜（3) 分散集中阻尼節流結構:同側同方位油腔用一個節流器控制適用:介于1、2之間2021年12月21日3時44分362021年12月21日3時44分37四、機床導軌1對導軌的要求：功用：支承、導向要求：1)導向精度高 無論空載或切削加工時，導軌均應有足夠的精度 影響因素：結構，制造、裝配誤差及導軌及其支承件的剛度和熱變形2)耐磨性能好 導軌在長期使用過程中保持較高的導向精度 影響因素：導軌的磨損、結構（采用滾

18、動導軌和靜壓導軌）3)足夠的剛度2021年12月21日3時44分38 導軌受力變形會影響部件之間的導向精度和相對位置，要求導軌有足夠的剛度。 為減輕或平衡外力的影響，數控機床常采用加大導軌面的尺寸或添加輔助導軌的方法來提高剛度。4)低速運動平穩性 要使導軌的摩擦阻力小，運動輕便，低速運動時無爬行現象。5)結構簡單、工藝性好 導軌的制造和維修要方便，在使用時便于調整和維護。2導軌的種類和特點 分類： 軌跡：直線運動導軌、圓運動導軌2021年12月21日3時44分39 工作性質：主運動導軌、進給運動導軌、調整導軌 摩擦：普通滑動、滾動、靜壓導軌 (1)滑動導軌優點：滑結構簡單、制造方便、剛度好、抗

19、振性高、缺點：靜摩擦因數大在低速(160mmmin)時易出現爬行現象導軌材料搭配：2021年12月21日3時44分40聚四氟乙烯導軌軟帶 基體：聚四氟乙烯 填充劑：青銅粉、二硫化鉬和石墨等 聯結：用粘結劑粘結，加壓固化后進行加工 優點：摩擦特性好， 耐磨、減振、消聲的性能環氧型耐磨涂料 基體: 環氧樹脂 其它: 二硫化鉬，石墨，鐵粉 聯結: 涂刮導軌表面涂塑導軌 注入導軌型腔注塑導軌 優點:f=0.10.12，無潤滑時仍有較好的潤滑和防爬行。 2021年12月21日3時44分41 塑料層薄抗壓強度高；工藝簡單 適用: 大型、重型數控機床和導軌的維修(2)滾動導軌定義:導軌面間放滾動體，使導軌面間成為滾動摩擦。 優點：靈敏度高、摩