1、第4章 數控機床的機械結構數控機床的機械結構與普通機床相比有相似之數控機床的機械結構與普通機床相比有相似之處，但其工藝特點對數控機床的機械結構提出處，但其工藝特點對數控機床的機械結構提出了更高的要求。了更高的要求。本章對數控機床機械機構的特點進行較為全面本章對數控機床機械機構的特點進行較為全面的闡述。重點對數控機床的主傳動系統、導軌的闡述。重點對數控機床的主傳動系統、導軌及進給傳動系統進行詳細介紹。及進給傳動系統進行詳細介紹。24.1 數控機床機械結構的主要特點4.1.1 數控機床的主要工藝特點(1)自動化程度高、柔性好：數控機床可以自動控制各運動部件的動作順序，自動變速，以及實現多坐標聯動加

2、工，因而還能完成一般機床難以完成的復雜型面加工。當改變加工工件時，只需要改變加工程序，因此能實現單件、小批生產的加工自動化。(2)加工精度高、質量穩定：數控機床是根據數控加工程序自動進行加工的，因而可以避免人為的誤差，自動保證穩定的加工精度。此外，在計算機控制的數控機床上，還可以利用軟件進行精度校正和工件誤差補償，進一步提高加工精度。(3)生產效率高：數控機床采用了高轉速、大進給量，有大的切削功率，可同時實現粗、精加工，加之無需工序間的檢驗與測量，因而生產效率可大大提高。在采用自動換刀的數控機床(加工中心)上，工序可以高度集中，工件在一次裝夾后可以完成工件各面的鉆、銑、鏜、攻螺紋等的加工，因而

3、適合于加工表面多，相互位置精度要求高的工件，生產效率可顯著提高，生產周期也可大大縮短。34.1.2 對數控機床機械結構提出的要求數控機床的上述特點，對其機械結構數控機床的上述特點，對其機械結構提出了更高的要求，主要有以下幾個提出了更高的要求，主要有以下幾個方面。方面。1. 高剛度高剛度2. 高抗振性高抗振性3. 減少機床的熱變形減少機床的熱變形4. 提高進給運動的動態性能和定位提高進給運動的動態性能和定位精度精度44.2 數控機床的主要組成部分及其結構簡介4.2.1 數控機床的主要組成部分數控機床的主要組成部分與普通機床相類似，包括以下幾個組成部分：主傳動系統及主軸部件使刀具(或工件)產生主切

4、削運動。進給傳動系統使工件(或刀具)產生進給運動并實現定位。基礎件床身、立柱、滑座、工作臺等。其他輔助裝置如液壓、氣動、潤滑、切削液等系統及裝置。圖4.1為一臺小型立式加工中心的外形圖。 54.2.2 主傳動系統及主軸部件機床的主傳動系統將電動機機床的主傳動系統將電動機的扭矩或功率傳遞給主軸部的扭矩或功率傳遞給主軸部件，使安裝在主軸內的工件件，使安裝在主軸內的工件或刀具實現主切削運動。主或刀具實現主切削運動。主傳動系統和主軸部件一般都傳動系統和主軸部件一般都設計成一個主軸箱。設計成一個主軸箱。1. 主軸箱的機械結構加工中心的主軸箱由于要沿z軸方向運動，因此要求主傳動系統的傳動件盡量少、結構緊湊

5、、運動輕便。一般采用了無級調速電動機直接帶動主軸回轉，或經12級變速傳動主軸，圖4.2為某加工中心主軸箱的機械結構圖。 2. 主軸準停裝置某加工中心主軸準停裝置的工作原理如圖4.3所示。64.2.3 進給傳動系統數控機床的進給傳動系統與一般的機床有著本質上的差別，它數控機床的進給傳動系統與一般的機床有著本質上的差別，它是進給伺服系統的一個重要組成部分。由數控系統發出的速度是進給伺服系統的一個重要組成部分。由數控系統發出的速度和位移指令信號經過伺服驅動裝置和進給傳動系統，可以使工和位移指令信號經過伺服驅動裝置和進給傳動系統，可以使工作臺或刀架實現要求的進給運動和精確的定位，自動完成切削作臺或刀架

6、實現要求的進給運動和精確的定位，自動完成切削過程。大部分數控機床帶有過程。大部分數控機床帶有23個直線進給運動，有的還帶有圓個直線進給運動，有的還帶有圓周進給運動。典型的直線進給運動的進給系統機械結構的示意周進給運動。典型的直線進給運動的進給系統機械結構的示意圖如圖圖如圖4.4所示。所示。 74.2.4 自動換刀裝置1. 簡介(1)自動換刀裝置應滿足的要求：自動換刀裝置的功能就是儲備一定數量的刀具，并完成在加工過程中的自動更換刀具。自動換刀裝置應當滿足換刀時間短、刀具重復定位精度高、有足夠的刀具儲存量、刀庫體積小以及安全可靠等基本要求。(2)自動換刀裝置的主要形式：各類數控機床的自動換刀裝置的

7、結構取決于機床的型式、工藝范圍以及刀具的種類和數量等。 2. 刀庫刀庫是自動換刀裝置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具體結構對數控機床的設計有很大影響。(1) 刀庫的存儲量(2) 刀庫的形式(3) 選刀方法84.3 數控機床的導軌4.3.1 對導軌的基本要求導軌應滿足以下基本要求。(1) 導向精度：是指機床的運動部件沿導軌移動時的直線性和它與有關基面之間相互位置的準確性。無論在空載時還是在切削加工時，導軌都應有足夠的導向精度。影響導向精度的主要因素包括導軌的結構形式、導軌的制造精度和裝配質量，以及導軌和基礎件的剛度等。(2) 精度保持性：是指導軌在長期使用中保持導向精度的能力。導軌的耐磨性

8、是保持精度的決定性因素，它與導軌的摩擦性質、導軌的材料等有關。除了力求減少磨損量外，還應使導軌面在磨損后能自動補償和便于調整。(3) 低速運動平穩性：運動部件在導軌上低速運動或微量移動時，運動應平穩，無爬行現象。這一要求對數控機床尤為重要。它與導軌的結構類型、材料、潤滑條件等有關。要求導軌的摩擦系數要小，以減小摩擦阻力。而且動、靜摩擦系數應盡量接近，同時還應有良好的阻尼特性。(4) 結構簡單、工藝性好：要便于加工、裝配、調整和維修。94.3.2 導軌的分類和特點機床上常用的導軌，按其接觸面間的機床上常用的導軌，按其接觸面間的摩擦性質的不同，可分為以下三大類。摩擦性質的不同，可分為以下三大類。1

9、. 滑動導軌滑動導軌具有結構簡單、制造方便、剛度好、抗振性強等優點，因此在一般的機床上應用最為廣泛。常用的導軌截面形狀有三角形、矩形、燕尾形及圓柱形等四種，如圖4.5所示。2. 滾動導軌在導軌工作面間放入滾珠、滾柱或滾針等滾動體，使導軌面間成為滾動摩擦，可以大大降低摩擦系數，提高運動靈敏度。3. 靜壓導軌靜壓導軌是在導軌工作面間通入具有一定壓強的潤滑油，使運動件浮起。導軌面間充滿潤滑油形成的油膜，因而始終處于純液體摩擦狀態。(1)開式靜壓導軌 (2)閉式靜壓導軌 104.3.3 滾動導軌的結構和參數選擇原則1. 滾動導軌的結構形式(1)滾珠導軌(圖4.6) (2)滾柱導軌(圖4.7) (3)滾

10、針導軌 (4)直線滾動導軌塊(副)組件 2. 滾動導軌的預緊預緊的方法有以下兩種。(1)采用過盈配合 (2)采用調整元件 3. 滾動導軌參數選擇原則(1)滾動體尺寸和數目的選擇 (2)滾動導軌的長度 4. 滾動導軌的計算滾動導軌的計算主要應對滾動體的承載能力進行計算，精密機床還要驗算導軌的剛度，使其在機床精度允許的范圍內。114.4 進給系統的機械傳動機構4.4.1 對進給系統的機械傳動機構的要求數控機床進給系統的機械傳動機構是指將電動機的旋轉運動變為工作臺或刀架的運動的整個機械傳動鏈，包括齒輪傳動副、絲杠螺母副(或蝸桿蝸輪副)等以及它們的支承部件(軸承座等)。 1. 高傳動剛度高傳動剛度 2

11、. 高諧振高諧振3. 低摩擦低摩擦4. 低慣量低慣量5. 無間隙無間隙124.4.2 滾珠絲杠螺母副1. 工作原理和特點2. 結構類型3. 滾珠絲杠副的支撐方式4. 滾珠絲杠螺母副的選用5. 滾珠絲杠副的計算134.4.3 齒輪傳動副的消隙措施數控機床的機械進給裝置中常采用齒輪傳動副來達到一定的降數控機床的機械進給裝置中常采用齒輪傳動副來達到一定的降速比要求。由于齒輪制造中不可能達到理想齒面的要求，總是速比要求。由于齒輪制造中不可能達到理想齒面的要求，總是存在著一定的誤差，因此，一對嚙合著的齒輪，總要有一定的存在著一定的誤差，因此，一對嚙合著的齒輪，總要有一定的齒側間隙才能正常地工作。但是，齒

12、側間隙會造成進給系統的齒側間隙才能正常地工作。但是，齒側間隙會造成進給系統的反向失動量，對閉環系統來說，齒側間隙也會影響系統的穩定反向失動量，對閉環系統來說，齒側間隙也會影響系統的穩定性。因此，齒輪傳動副常采用以下消除側隙的措施，以盡量減性。因此，齒輪傳動副常采用以下消除側隙的措施，以盡量減小齒側間隙。小齒側間隙。1. 剛性調整法剛性調整法(1)偏心軸套調整法 (2)軸向墊片調整法 (3)雙薄片齒輪墊片調整法 2. 柔性調整法柔性調整法這種調整法一般都采用調整彈簧彈力的方法消除齒側間隙。因而調整之后齒側間隙仍可自動補償。在齒輪的齒厚和周節有變化的情況下，也能保持無間隙嚙合。但這種調整法結構較復

13、雜，傳動剛度低，傳動平穩性也差。144.5 習 題(1) 數控機床的機械結構與一般機床相比，在哪些方數控機床的機械結構與一般機床相比，在哪些方面提出了更高的要求？為什么？面提出了更高的要求？為什么？(2) 機床的主傳動系統和主軸部件的功能是什么？對機床的主傳動系統和主軸部件的功能是什么？對加工中心的主傳動系統和主軸部件提出了哪些要求？加工中心的主傳動系統和主軸部件提出了哪些要求？(3) 數控機床的進給傳動系統的功能是什么？典型的數控機床的進給傳動系統的功能是什么？典型的直線進給傳動系統是由哪些部分組成的？直線進給傳動系統是由哪些部分組成的？ (4) 數控機床常用的導軌有哪幾類？各有什么特點？數

14、控機床常用的導軌有哪幾類？各有什么特點？ (5) 為什么數控機床廣泛采用滾動導軌？為什么數控機床廣泛采用滾動導軌？(6) 滾動導軌按照滾動體的不同分成哪幾種？各適用滾動導軌按照滾動體的不同分成哪幾種？各適用于什么場合？于什么場合？(7) 滾動導軌為什么要進行預緊？如何進行預緊？預滾動導軌為什么要進行預緊？如何進行預緊？預緊力過大時，會帶來什么問題？緊力過大時，會帶來什么問題？154.5 習 題(8)滾動導軌中滾動體的尺寸和數目選擇的一般原則是什么？滾動導軌中滾動體的尺寸和數目選擇的一般原則是什么？(9)對滾動體承載能力的計算中，若不能滿足要求時，應如何處理？對滾動體承載能力的計算中，若不能滿足

15、要求時，應如何處理？(10) 為什么對進給系統的機械傳動機構提出了為什么對進給系統的機械傳動機構提出了“高傳動剛度、高諧振、低高傳動剛度、高諧振、低摩擦、低慣量、無間隙摩擦、低慣量、無間隙”的要求？如何才能達到要求？的要求？如何才能達到要求？(11) 為什么在數控機床的進給系統中，普遍采用滾珠絲杠副？為什么在數控機床的進給系統中，普遍采用滾珠絲杠副？(12) 比較滾珠絲杠副中滾珠的兩種不同循環方式的結構區別和特點，各適比較滾珠絲杠副中滾珠的兩種不同循環方式的結構區別和特點，各適用于何種用于何種 場合？場合？(13) 滾珠絲杠副為什么要預緊？常用的預緊方式有哪幾種？它們之間有何滾珠絲杠副為什么要預緊？常用的預緊方式有哪幾種？它們之間有何區別？區別？(14) 滾珠絲杠副的支撐方式有哪幾種？它們之間有什么區別？各適用于何滾珠絲杠副