數(shù)控技術第8節(jié)2014

第5章數(shù)控機床的機械結構5.1數(shù)控機床的總體結構5.2數(shù)控機床機械結構要求5.3數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)5.4同步帶傳動5.5數(shù)控機床進給傳動5.6其它輔助機構5.1數(shù)控機床的總體結構1主傳動系統(tǒng)；2進給傳動系統(tǒng);實現(xiàn)工件回轉、定位的裝置和附件；實現(xiàn)某些部件動作和輔助功能的系統(tǒng)和裝置，如液壓、氣壓、潤滑、冷卻等系統(tǒng)和排屑、防護等裝置；刀庫、刀架和自動換刀裝置（ATC）；6自動托盤交換裝置（APC）；特殊功能裝置，如刀具破損監(jiān)控、精度檢測和監(jiān)控裝置等；為完成自動化控制功能的各種反饋信號裝置及元件。

數(shù)控機床的機械結構除機床基礎件，由以下幾部分組成機床基礎件通常是指:床身底座立柱橫梁滑座工作臺數(shù)控機床本體組成1-主軸頭2-刀庫3-立柱4-立柱底座

5-工作臺6-工作臺底座立式數(shù)控銑床移動立柱臥式加工中心立式數(shù)控銑床數(shù)控機床

數(shù)控車床的主要內(nèi)部結構（一）數(shù)控機床加工過程的特點：自動化程度高高的加工精度和切削效率多工藝和功能集成化高可靠性和精度保持性5.2、數(shù)控機床機械結構要求（二）數(shù)控機床的對結構的要求：1、高的靜、動剛度和良好的抗振性機床床身、導軌、工作臺、刀架、主軸箱的幾何精度與變形產(chǎn)生的定位誤差，取決于它們的結構剛度。提高剛度的措施有：G.合理選用構件的材料E.合理的結構布局F.采用補償變形的措施H.通過加配重或液壓平衡負載以減小有關零部件的靜力變形I.通過在支承件內(nèi)腔或表面填加阻尼材料等來改善阻尼特性，以增大動剛度A.合理選擇支承件的結構形式B.合理布置支承件隔板的筋條結構C.增加導軌與支承件的連接部分的剛度D.增加機床各部件的接觸剛度和承載能力高抗振性改善動態(tài)特性的措施是：提高系統(tǒng)的靜剛度、增加阻尼（例如，采用三支承主軸，后支承就有利于消振）以及調整構件的質量和自振動頻率，對高速回轉部件或零件進行動平衡等。2、減少機床的熱變形減小熱變形的措施：（1）減少發(fā)熱；機床內(nèi)部發(fā)熱是產(chǎn)生熱變形的主要熱源，應當盡可能地將熱源從主機中分離出去。主軸部件采用精密滾動軸承；進行潤滑油潤滑；采用靜壓軸承；避免使用摩擦力離合器。加工切屑也是一個熱源，可在工作臺或導軌上裝設隔熱板；使用切屑液。（2）控制溫升通過良好的散熱和冷卻控制溫升，減少熱源影響。（3）改善機床結構采用熱對稱結構及熱平衡措施，使機床主軸的熱變形發(fā)生在刀具切入的垂直方向上，如下圖所示；3、提高低速進給運動的平穩(wěn)性和運動精度（1）影響低速爬行的因素：（2）防爬行措施：減少靜動摩擦系數(shù)之差提高傳動系統(tǒng)的傳動剛度降低執(zhí)行部件質量，在不降低靜剛度的前提下，減輕重量可以提高構件的固有頻率。4、提高機床的壽命和精度保持性在設計上充分考慮各零部件的耐磨性，保證數(shù)控機床各部件的良好潤滑。5、減少輔助時間，改善操作性，充分滿足人性化的要求三、數(shù)控機床的總體布局（一）數(shù)控車床的總體布局（a）為水平床身-水平滑板，床身工藝性好，便于導軌面的加工，下部空間小，故排屑困難，刀架水平放置加大了機床寬度方向的結構尺寸；（b）為傾斜床身-傾斜滑板，排屑亦較方便，中小規(guī)格的數(shù)控車床其床身的傾斜度以60°為宜；（c）水平床身-傾斜滑板，具有水平床身工藝性好，寬度方向的尺寸小，且排屑方便，是臥式數(shù)控車床的最佳布局形式。（二）加工中心的總體布局結構1、臥式加工中心

臥式加工中心的布局形式種類較多，其主要區(qū)別在于立柱的結構形式和X、Z坐標軸的移動方式上（Y軸移動方式無區(qū)別）。

單立柱框架結構雙立柱常用的立柱下頁上頁返回圖庫

Z坐標軸的移動方式有工作臺移動式和立柱移動式兩種。以上基本形式通過不同組合，還可以派生其他多種變形，如X、Z兩軸都采用立柱移動，工作臺完全固定的結構形式；或X軸為立柱移動、Z軸為工作臺移動的結構形式等。什么是X,Y,Z軸？下頁上頁返回圖庫臥式加工中心常見的布局形式中，a結構形式和傳統(tǒng)的臥式鏜床相同，多見于早期的數(shù)控機床或數(shù)控化改造的機床；b采用框架結構雙立柱、Z軸工作臺移動式布局，為中、小規(guī)格臥式數(shù)控機床常用的結構形式。c采用T形床身、框架結構雙立柱、立柱移動式（Z軸）布局，為臥式數(shù)控機床典型結構?？蚣芙Y構雙立柱采用了對稱結構，主軸箱在兩立柱中間上、下運動，與傳統(tǒng)的主軸箱側掛式結構相比，大大提高了結構剛度。另外，主軸箱是從左、右兩導軌的內(nèi)側進行定位，熱變形產(chǎn)生的主軸軸線變位被限制在垂直方向上，因此，可以通過對Y軸的補償，減小熱變形的影響。2、立式加工中心的總體布局結構圖a所示的結構形式是常見的工作臺移動式立式加工中心的布局，為中、小規(guī)格機床的常用結構形式；圖b在Y向是立柱移動；圖c中X、Y、Z三軸都是立柱移動式的布局，多見于長床身（大X軸行程）或采用交換工作臺的立式數(shù)控機床。5.3、數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)主傳動的基本要求主傳動的變速方式主傳動的部件組成和軸承選型主軸準停裝置1、主傳動的基本要求數(shù)控機床和普通機床一樣，主傳動系統(tǒng)也必須通過變速，才能使主軸獲得不同的傳遞，以適應不同的加工要求，并且，在變速的同時，還要求傳遞一定的功率和足夠的轉矩，滿足切削的需要。數(shù)控機床作為高度自動化的設備，它對主傳動系統(tǒng)的基本要求有以下幾點：

1)為了達到最佳的切削效果，一般都應在最佳的切削條件下工作，因此，主軸一般都要求能自動實現(xiàn)無級變速。

2)要求機床主軸系統(tǒng)必須具有足夠高的轉速和足夠大的功率，以適應高效、高速的加工需要。1、主傳動的基本要求

3)為了降低噪聲、減輕發(fā)熱、減少振動，主傳動系統(tǒng)應簡化結構，減少傳動件。

4)在加工中心上，還必須具有安裝道具和刀具交換所需要的自動夾緊裝置，以及主軸定向準停裝置，以保證刀具和主軸、刀庫、機械手的正確嚙合。

5)為了擴大機床的功能，實現(xiàn)對C軸的控制，主軸還需安裝位置檢測裝置，以便實現(xiàn)對主軸位置的控制。數(shù)控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構必須適應自動操作的再求。故大多數(shù)數(shù)控機床采用無級變速系統(tǒng)，數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)主要有以下三種配置方式。

數(shù)控機床的主傳動要求較大的調速范圍，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質量。2、主傳動變速方式這種配置方式大、中型數(shù)控機床采用較多。它通過少數(shù)幾對齒輪降速，使之成為分段無級變速，確保低速時的扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的要求。但有一部分小型數(shù)控機床也采用這種傳動方式，以獲得強力切削時所需要的扭矩?；讫X輪的移位大都采用液壓撥叉或直接由液壓缸帶動齒輪來實現(xiàn)。（1）帶有變速齒輪的主傳動（如圖）主要應用在小型數(shù)控機床上，可以避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲，但它只能適用于低扭矩特性要求的主軸。（2）通過帶傳動的主傳動（如圖）同步帶的結構和傳動如圖所示。帶的工作面及帶輪外圓上均制成齒形，通過帶輪與輪齒相嵌合，作無滑動的嚙合傳動。帶內(nèi)采用了承載后無彈性伸長的材料作強力層，以保持帶的節(jié)距不變，使主、從動帶輪可作無相對滑動的同步傳動。同步帶傳動是一種綜合了帶、鏈傳動優(yōu)點的新型傳動。這種主傳動方式大大簡化了主軸箱體與主軸的結構，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電動機發(fā)熱對主軸的精度影響較大。（3）由調速電動機直接驅動的主傳動（如圖）從直流主軸電動機的速度與轉矩關系圖中可以看出，在低于額定轉速時為恒轉矩輸出，高于額定轉矩時為恒功率輸出。使用這種電動機可實現(xiàn)純電氣定向，而且主軸的控制功能可以很容易與數(shù)控系統(tǒng)相連接并實現(xiàn)修調輸入、速度和負載測量輸出等。（4）采用電主軸在高速加工機床上，大多數(shù)使用電動機轉子和主軸一體的電主軸，可以使主軸達到每分鐘數(shù)萬轉、甚至十幾萬轉的高速，主軸傳動系統(tǒng)的結構更簡單，剛性更好。車床用電主軸銑床用電主軸目前，隨著電氣傳動技術（變頻調速技術、電動機矢量控制技術等）的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的機械結構已得到極大的簡化，基本上取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機床主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床的“零傳動”。這種主軸電動機與機床主軸“合二為一”的傳動結構形式，使主軸部件從機床的傳動系統(tǒng)和整體結構中相對獨立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”(ElectricSpindle,MotorSpindle)。由于當前電主軸主要采用的是交流高頻電動機，故也稱為“高頻主軸”（HighFrequencySpindle)。由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)，有時又稱它為“直接傳動主軸”（DirectDriveSpindle)。

電主軸所融合的技術：高速軸承技術：電主軸通常采用復合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無限；高速電機技術：電主軸是電動機與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電動機的轉子即為主軸的旋轉部分，理論上可以把電主軸看作一臺高速電動機。關鍵技術是高速度下的動平衡；潤滑：電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑；也可以采用脂潤滑，但相應的速度要打折扣。所謂定時，就是每隔一定的時間間隔注一次油。所謂定量，就是通過一個叫定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用；太多，在軸承高速旋轉時會因油的阻力而發(fā)熱。

內(nèi)置脈沖編碼器：為了實現(xiàn)自動換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實現(xiàn)準確的相角控制以及與進給的配合。自動換刀裝置：為了應用于加工中心，電主軸配備了自動換刀裝置，包括碟形簧、拉刀油缸等；

高頻變頻裝置：要實現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉的轉速，必須用一高頻變頻裝置來驅動電主軸的內(nèi)置高速電動機，變頻器的輸出頻率必須達到上千或幾千赫茲。機床的主軸部件是機床重要部件之一，它帶動工件或刀具執(zhí)行機床的切削運動，因此數(shù)控機床主軸部件的精度，抗振性和熱變形對加工質量有直接的影響，由于數(shù)控機床在加工過程中