數(shù)控機(jī)床布局

*1第一節(jié)數(shù)控機(jī)床對(duì)結(jié)構(gòu)的要求第二節(jié)數(shù)控機(jī)床的布局特點(diǎn)第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)部件第四節(jié)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置*2第一節(jié)數(shù)控機(jī)床對(duì)結(jié)構(gòu)的要求一、數(shù)控機(jī)床及其加工過(guò)程的特點(diǎn)1.數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成*32.數(shù)控機(jī)床及加工特點(diǎn)：（1）自動(dòng)化程度高

數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中，能按數(shù)控系統(tǒng)的指令自動(dòng)進(jìn)行加工、變速及完成其它輔助功能，不必像傳統(tǒng)機(jī)床那樣由操作者進(jìn)行手動(dòng)調(diào)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(jī)——減少裝卸時(shí)間

刀具材料——高速切削、強(qiáng)力切削、因而減少切削時(shí)間

利用誤差反饋、補(bǔ)償技術(shù)提高精度，數(shù)控機(jī)床的定位精

度和重復(fù)定位精度相當(dāng)高。（3）多工序和多功能集成

在數(shù)控機(jī)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*4加工，甚至能完成除安裝面以外的各個(gè)加工表面的加工。車(chē)削中心除能加工外圓、內(nèi)孔和端面外，還能在外圓和端面上進(jìn)行銑、鉆甚至曲面等加工。

另一方面，隨著數(shù)控機(jī)床向柔性制造系統(tǒng)方向的發(fā)展，功能集成化不僅體現(xiàn)在ATC和APC上，且還體現(xiàn)在工件自動(dòng)定位、機(jī)內(nèi)對(duì)刀、刀具破損監(jiān)控、精度檢測(cè)和補(bǔ)償上。

（4）高的可靠性和精度保持性

數(shù)控機(jī)床特別是在FMS中的數(shù)控機(jī)床，常在高負(fù)荷下長(zhǎng)時(shí)間地連續(xù)工作，故數(shù)控機(jī)床通常都具有較高的可靠性和精度保持性。二、數(shù)控機(jī)床對(duì)結(jié)構(gòu)的要求

1、高的靜、動(dòng)剛度及良好的抗振性能

數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，生產(chǎn)費(fèi)用比傳統(tǒng)機(jī)床的要高得多，要獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，必須采取措施大幅度地壓縮單件加工時(shí)間，包括兩個(gè)方面：*5新型刀具材料的發(fā)展，使切削速度成倍提高，縮短切削時(shí)間采用各種自動(dòng)輔助裝置，大大減少了輔助時(shí)間，大幅度提高了生產(chǎn)率，然而同時(shí)也明顯地增加了機(jī)床的負(fù)載及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。

此外，由機(jī)床床身、導(dǎo)軌、工作臺(tái)、刀架和主軸箱等部件的幾何精度及其變形所產(chǎn)生的誤差取決于它們的結(jié)構(gòu)剛度，所有這些都要求數(shù)控機(jī)床要有比傳統(tǒng)機(jī)床更高的靜剛度。

切削過(guò)程中的振動(dòng)不僅影響工件的加工精度和表面質(zhì)量，而且會(huì)降低刀具壽命，影響生產(chǎn)率。數(shù)控機(jī)床具有高效率的特點(diǎn)，應(yīng)充分發(fā)揮其加工能力，在加工過(guò)程中不允許進(jìn)行如改變幾何角度等類(lèi)似的人工調(diào)整。因此，對(duì)數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性提出了更高的要求，也就是說(shuō)還要提高其動(dòng)剛度。

合理地設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)，改善受力情況，以便減少受力變形。(1)提高機(jī)床靜剛度和固有頻率的有利措施如下：機(jī)床的基礎(chǔ)大件采用封閉箱形結(jié)構(gòu)（圖a），提高自身剛度。*6*7加強(qiáng)構(gòu)件之間的接觸剛度。(2)提高機(jī)床動(dòng)剛度的重要措施

改善機(jī)床結(jié)構(gòu)的阻尼特性，如在機(jī)床大件內(nèi)腔填充阻尼材料(圖c)，表面噴涂阻尼涂層，充分利用結(jié)合面間的摩擦阻尼，耗散振動(dòng)能量，抑制振動(dòng)。*8措施：(1)對(duì)熱源采取液冷或風(fēng)冷等方法來(lái)控制溫升。(2)均熱2、良好的熱穩(wěn)定性

熱變形的大小,受熱不均勻?qū)C(jī)床精度、壽命等都有影響引起熱變形的熱源主要是內(nèi)部熱源：主電機(jī)、進(jìn)給電機(jī)發(fā)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(gòu)件受熱變形以及熱源分布不均，各處零件的質(zhì)量不均勻，形成各部位的溫升不一樣，從而導(dǎo)致產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)和熱膨脹變形，影響刀具和工件正確的相對(duì)位置車(chē)床床身的均熱平面磨床工作臺(tái)的均熱平面磨床立柱的均熱*9*10(3)合理布局，改善機(jī)床結(jié)構(gòu)*11(4)熱變形補(bǔ)償措施(5)其它恒溫車(chē)間預(yù)熱—熱平衡

3、高的運(yùn)動(dòng)精度和低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性*12(1)高的運(yùn)動(dòng)精度

由于加工的需要，數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)都是雙向的，傳動(dòng)元件之間的間隙無(wú)疑會(huì)影響機(jī)床的定位精度及重復(fù)定位精度。因此，要求數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)無(wú)間隙傳動(dòng)。必須采取措施消除進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)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(yùn)動(dòng)偏心、周節(jié)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(guān)?！?/фi≠常數(shù)*13*14（2）滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)誤差

傳動(dòng)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(zhǎng)，裝配誤差等*15(2)低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性精加工—低速時(shí)易爬行*16避免爬行的措施：改善摩擦特性，使導(dǎo)軌靜摩擦力盡量接近動(dòng)摩擦力滾動(dòng)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(dǎo)軌板）高性能潤(rùn)滑油：極性添加劑→增大油膜強(qiáng)度4、充分滿足人性化要求由于數(shù)控機(jī)床是一種高速度、高效率機(jī)床，在一個(gè)零件的加工時(shí)間中，輔助時(shí)間也就是非切削時(shí)間占有較大比重，因此，壓縮輔助時(shí)間可大大提高生產(chǎn)率。目前已有許多數(shù)控機(jī)床采用多主軸、多刀架及自動(dòng)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(jié)省大量裝夾換刀時(shí)間。像這種自動(dòng)化程度很高的加工設(shè)備，與傳統(tǒng)機(jī)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*17工。要有明快、干凈、協(xié)調(diào)的人機(jī)界面，要盡可能改善操作者的觀察，要注意提高機(jī)虜；各部分的互鎖能力，并設(shè)有緊急停車(chē)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(gè)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。*18第二節(jié)數(shù)控機(jī)床的布局特點(diǎn)一、數(shù)控車(chē)床的布局結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（一）便于操作觀察—人機(jī)關(guān)系

中小型：數(shù)控裝置

大型：吊掛按鈕站、移動(dòng)工作臺(tái)

（二）排屑與冷卻

數(shù)控車(chē)床的床身結(jié)構(gòu)和導(dǎo)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*19

床身導(dǎo)軌常采用寬支撐V-平型導(dǎo)軌，絲杠位于兩導(dǎo)軌之間。二、加工中心的布局結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1．臥式加工中心

*202．立式加工中心

*213．五面加工中心與多坐標(biāo)加工中心*22第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)部件一、主傳動(dòng)變速(主傳動(dòng)鏈)1．帶有二級(jí)齒輪變速

主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)二級(jí)齒輪變速，使主軸獲得低速和高速兩種轉(zhuǎn)速系列，多用于大中型數(shù)控機(jī)床。滑移齒輪常用液壓撥叉或電磁離合器改變其位置。*232．帶有定比傳動(dòng)

主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)定比傳動(dòng)傳遞給主軸，定比傳動(dòng)采用齒輪傳動(dòng)或帶傳動(dòng)。帶傳動(dòng)主要用于小型數(shù)控機(jī)床上，可避免齒輪傳動(dòng)的噪音和振動(dòng)。3．由主軸電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)

電動(dòng)機(jī)軸與主軸用聯(lián)軸器同軸聯(lián)接。該方式大大簡(jiǎn)化了主軸結(jié)構(gòu)，有效地提高主軸剛度。但主軸輸出轉(zhuǎn)矩小，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱對(duì)主軸精度影響大。

近年來(lái)出現(xiàn)另外一種內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸，即主軸與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子合二為一。優(yōu)點(diǎn)是主軸部件結(jié)構(gòu)更緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動(dòng)、停止的響應(yīng)特性；缺點(diǎn)同樣是熱變形問(wèn)題。二、主軸(部件)結(jié)構(gòu)*241、主軸的支承

圖a綜合剛度高，可滿足強(qiáng)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(shù)控機(jī)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(zhuǎn)速，適用于中等精度低速重載數(shù)控機(jī)床。2、主軸內(nèi)部刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)

3、主軸準(zhǔn)停裝置*25第四節(jié)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)一、對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的要求進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是以保證刀具與工件相對(duì)位置關(guān)系為目的，被加工工件的輪廓精度和位置精度都受到進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的直接影響。

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的直接控制對(duì)象。對(duì)于閉環(huán)控制系統(tǒng)，還要在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的末端加上位置檢測(cè)系統(tǒng)，并將測(cè)量的實(shí)際位移反饋到控制系統(tǒng)中，以使運(yùn)動(dòng)更準(zhǔn)確。因此，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)必須具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、運(yùn)動(dòng)件間的摩擦阻力小

問(wèn)題：摩擦↑→爬行、不平穩(wěn)、快速響應(yīng)↓

措施：采用滾珠絲杠副、靜壓絲杠副2、消除傳動(dòng)系統(tǒng)中的間隙*263、傳動(dòng)系統(tǒng)的精度和剛度高

問(wèn)題：間隙↑→反向死區(qū)，精度↓，剛度↓

措施:采用消隙機(jī)構(gòu)

問(wèn)題：剛度↓→爬行、反向死區(qū)

措施：↓傳動(dòng)鏈、合理選擇尺寸、預(yù)緊：絲杠螺母、支承4、減小運(yùn)動(dòng)慣量，具有適當(dāng)?shù)淖枘?/p>

問(wèn)題：慣量↑→動(dòng)態(tài)響應(yīng)↓、起動(dòng)負(fù)荷↑

措施：↓運(yùn)動(dòng)件重量↓旋轉(zhuǎn)件直徑

阻尼能降低伺服系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性，能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故系統(tǒng)要有適當(dāng)?shù)淖枘?。二、傳?dòng)齒輪副1、設(shè)計(jì)傳動(dòng)齒輪副應(yīng)考慮的問(wèn)題*27使絲杠、工作臺(tái)的慣量在系統(tǒng)中占有較小的比重使高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的伺服驅(qū)動(dòng)裝置的輸出變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中可歸算所需的脈沖當(dāng)量。速比分配及傳動(dòng)級(jí)數(shù)對(duì)傳動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和執(zhí)行件的失動(dòng)的影響。2、消除傳動(dòng)齒輪間隙的措施齒側(cè)間隙造成開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)的反向失動(dòng)量使閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性消隙措施剛性調(diào)整法柔性調(diào)整法具體可參閱相關(guān)書(shū)籍。*28三、絲杠螺母副1．滾珠絲杠螺母副

數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)鏈中，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的方法很多，本節(jié)只介紹滾珠絲杠螺母副和靜壓絲杠螺母副。（一）工作原理和特點(diǎn)1.原理:絲杠和螺母上都有圓弧形面的螺旋槽,在工作過(guò)程中,滾珠既自轉(zhuǎn)又循環(huán)滾動(dòng),絲杠和螺母間為滾動(dòng)摩擦。摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，可達(dá)0.90～0.96預(yù)緊后，可完全消除間隙，提高傳動(dòng)剛度和精度摩擦阻力小，

平穩(wěn)、無(wú)爬行

磨損↓、精度保持好、壽命↑

發(fā)熱↓→適應(yīng)高速*29具有運(yùn)動(dòng)的可逆性:螺母、絲杠均可作主動(dòng)件或從動(dòng)件。故不能自鎖、絲杠立式使用需增加制動(dòng)裝置*30（二）結(jié)構(gòu)類(lèi)型

按滾珠循環(huán)方式可分為以下兩種：1.外循環(huán):滾珠通過(guò)螺母外表面返回

優(yōu)點(diǎn):簡(jiǎn)單、工藝性↑

缺點(diǎn):滾道接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾動(dòng)平穩(wěn)性，甚至發(fā)生卡珠現(xiàn)象，噪聲較大。*312.內(nèi)循環(huán):滾珠通過(guò)螺母內(nèi)表面返回

優(yōu)點(diǎn):緊湊、滾珠流通性好、摩擦損失小

缺點(diǎn):反相器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝性↓、承載能力↓（三）滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊方法:雙螺母軸向位移，滾珠與絲杠滾道左右兩側(cè)接觸，消除間隙和加預(yù)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)

*32

一端裝推力軸承，（簡(jiǎn)支)(圖7-17b)

兩端裝推力軸承，(簡(jiǎn)支)(圖7-17c)

兩端裝雙向推力軸承，(簡(jiǎn)支)(圖7-17d)*332．靜壓絲杠螺母副（一）工作原理和特點(diǎn)

1.工作原理:*342.特點(diǎn)：摩擦系數(shù)很小，傳動(dòng)靈敏，避免了爬行；油膜層吸振，提高運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性、油液不斷流動(dòng)，有利于散熱，減少熱變形，提高機(jī)床的加工精度和表面質(zhì)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(duì)絲杠誤差有“均化”作用，即絲杠的傳動(dòng)誤差比絲杠本身的制造誤差還??；承載能力與供油壓力成正比，與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。供油系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)油的清潔度要求高（二）結(jié)構(gòu)絲杠:與一般的滑動(dòng)絲杠基本相同螺母:有油腔、節(jié)流器、油孔（三）類(lèi)型*35按節(jié)流控制方式分：（1)集中阻尼節(jié)流結(jié)構(gòu):每側(cè)油腔同一個(gè)節(jié)流器控制適用:徑向載荷小且均勻、傾覆力矩很?。?)分散阻尼節(jié)流結(jié)構(gòu):每側(cè)多個(gè)油腔、各用一個(gè)節(jié)流器控制適用:徑向載荷、傾覆力矩較大缺點(diǎn):節(jié)流器多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜（3)分散集中阻尼節(jié)流結(jié)構(gòu):同側(cè)同方位油腔用一個(gè)節(jié)流器控制適用:介于1、2之間*36*37四、機(jī)床導(dǎo)軌1．對(duì)導(dǎo)軌的要求：功用：支承、導(dǎo)向要求：1)導(dǎo)向精度高

無(wú)論空載或切削加工時(shí)，導(dǎo)軌均應(yīng)有足夠的精度

影響因素：結(jié)構(gòu)，制造、裝配誤差及導(dǎo)軌及其支承件的剛度和熱變形2)耐磨性能好

導(dǎo)軌在長(zhǎng)期使用過(guò)程中保持較高的導(dǎo)向精度

影響因素：導(dǎo)軌的磨損、結(jié)構(gòu)（采用滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌）3)足夠的剛度*38

導(dǎo)軌受力變形會(huì)影響部件之間的導(dǎo)向精度和相對(duì)位置，要求導(dǎo)軌有足夠的剛度。

為減輕或平衡外力的影響，數(shù)控機(jī)床常采用加大導(dǎo)軌面的尺寸或添加輔助導(dǎo)軌的方法來(lái)提高剛度。4)低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性

要使導(dǎo)軌的摩擦阻力小，運(yùn)動(dòng)輕便，低速運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象。5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好

導(dǎo)軌的制造和維修要方便，在使用時(shí)便于調(diào)整和維護(hù)。2．導(dǎo)軌的種類(lèi)和特點(diǎn)

分類(lèi)：

軌跡：直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、圓運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌*39

工作性質(zhì)：主運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、調(diào)整導(dǎo)軌

摩擦：普通滑動(dòng)、滾動(dòng)、靜壓導(dǎo)軌(1)滑動(dòng)導(dǎo)軌優(yōu)點(diǎn)：滑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、剛度好、抗振性高、缺點(diǎn)：靜摩擦因數(shù)大在低速(1～60mm／min)時(shí)易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象導(dǎo)軌材料搭配：*40聚四氟乙烯導(dǎo)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(lián)結(jié)：用粘結(jié)劑粘結(jié)，加壓固化后進(jìn)行加工

優(yōu)點(diǎn)：摩擦特性好，耐磨、減振、消聲的性能環(huán)氧型耐磨涂料

基體:環(huán)氧樹(shù)脂

其它:二硫化鉬，石墨，鐵粉

聯(lián)結(jié):涂刮導(dǎo)軌表面—涂塑導(dǎo)軌

注入導(dǎo)軌型腔—注塑導(dǎo)軌

優(yōu)點(diǎn):f=0.1～0.12，無(wú)潤(rùn)滑時(shí)仍有較好的潤(rùn)滑和防爬行。*41

塑料層薄→抗壓強(qiáng)度高；工藝簡(jiǎn)單

適用:大型、重型數(shù)控機(jī)床和導(dǎo)軌的維修(2)滾動(dòng)導(dǎo)軌定義:導(dǎo)軌面間放滾動(dòng)體，使導(dǎo)軌面間成為滾動(dòng)摩擦。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、摩擦阻力小，