第四章

數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)：輸入裝置輸出裝置計算機(jī)數(shù)控裝置PLC主軸控制單元主軸機(jī)床伺服電機(jī)速度控制單元工作臺位置檢測反饋裝置數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的主要組成部分（1）主傳動系統(tǒng)及主軸部分（使刀具或工件產(chǎn)生主切削運(yùn)動）；（2）進(jìn)給傳動系統(tǒng)（使工件或刀具產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動并實現(xiàn)定位）；（3）基礎(chǔ)件（床身、立柱、滑座、工作臺等）；（4）其他輔助裝置（液壓、氣動、潤滑、切削液等系統(tǒng)及裝置）此外加工中心類數(shù)控機(jī)床還帶有自動換刀系統(tǒng)；高級機(jī)床還有破損監(jiān)測裝置等。

數(shù)控機(jī)床工作過程加工準(zhǔn)備階段機(jī)床調(diào)整階段程序調(diào)試階段試切加工階段正式加工階段檢測數(shù)控機(jī)床的主要工藝特點與一般機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床主要工藝特點如下：（1）自動化程度搞、柔性好。（2）加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定。（3）生產(chǎn)效率高§4-1對機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求一、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)要求1、高精度2、高速度3、高自動化要求數(shù)控機(jī)床必須具有很高的

強(qiáng)度、剛度和抗振性因此，數(shù)控機(jī)床的功能要求和設(shè)計要求與普通機(jī)床有較大的差異。數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求可以歸納為如下幾方面：1、具有大切削功率，高的靜、動剛度和良好的抗振性能；2、具有較高的幾何精度、傳動精度、定位精度和熱穩(wěn)定性；3、具有實現(xiàn)輔助操作自動化的結(jié)構(gòu)部件。1、數(shù)控機(jī)床應(yīng)具有更高的靜、動剛度一、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)要求（1）提高剛度的原因在重載荷的作用下，機(jī)床的各部件、構(gòu)件會受力變形，引起刀具和工件的相對位置的變化機(jī)床剛度差—影響機(jī)床抗振性剛度:是指支承件在恒定載荷或交變載荷作用下抵抗變形的能力(靜剛度)(動剛度)（2）提高剛度的措施合理選擇支承件的結(jié)構(gòu)形式措施1支承件截面形狀盡量選用抗彎的方截面和抗扭的圓截面或采用封閉型床身封閉整體箱形結(jié)構(gòu)（2）提高剛度的措施措施2合理布置支承件隔板的筋條隔板的作用是將作用于支承板的局部載荷傳遞給其它壁板,從而使整個支承件承受載荷,提高支承件的自身剛度“T”形隔板連接，主要提高水平面抗彎剛度，對提高垂直面抗彎剛度和抗扭剛度不顯著，多用在剛度要求不高的床身上（2）提高剛度的措施“W”形隔板，能較大地提高水平面上的抗彎抗扭剛度，對中心距超過1500mm的長床身，效果最為顯著（2）提高剛度的措施“”形隔板，在垂直面和水平面上的抗彎剛度都比較高，鑄造性能好，在大中型車床上應(yīng)用較多（2）提高剛度的措施斜向拉筋，床身剛度最高，排屑容易措施3增加導(dǎo)軌與支承件的連接部分的剛度（2）提高剛度的措施連接剛度:支承件在連接處抵抗變形的能力,稱為支承件的連接剛度.措施4增加機(jī)床各部件的接觸剛度和承載能力（2）提高剛度的措施采用刮研的方法增加單位面積上的接觸點在結(jié)合面之間施加足夠大的預(yù)加載荷,增加接觸面積合理的結(jié)構(gòu)布局（2）提高剛度的措施合理的結(jié)構(gòu)布局（2）提高剛度的措施采用補(bǔ)償變形的措施（2）提高剛度的措施測出受力點的相對變形的大小和方向，或者預(yù)知構(gòu)件的變形規(guī)律，就可采取補(bǔ)償變形的方法消除受力變形的影響合理選用構(gòu)件的材料措施1床身、立柱等支承件采用鋼板或型鋼焊接——增加剛度、減輕重量、提高抗振性（2）提高剛度的措施鑄件:容易獲得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的支承件,鑄鐵的內(nèi)摩擦力大,阻尼系數(shù)大,振動的衰減性能好,成本低.鑄件的周期較長,需做木型模,易產(chǎn)生縮孔、氣泡等缺陷焊接件:鋼材的強(qiáng)度比鑄鐵高，質(zhì)量可比鑄件減輕20%-50%，不需要木模和澆注，生產(chǎn)周期短，不易出現(xiàn)廢品措施2采用封砂床身結(jié)構(gòu)（2）提高剛度的措施在鑄件中不清除砂心，在焊接件中灌注混凝土或砂增加摩擦阻力人造大理石床身（混凝土聚合物）措施3采用混凝土、樹脂混凝土或人造花崗巖作支承件的材料（2）提高剛度的措施天然大理石床身（2）提高剛度的措施高抗振性提高抗振性可以從動剛度和靜剛度之間的關(guān)系體現(xiàn)：式中k——靜剛度（）kd——動剛度（）D——阻尼比——頻率比——激振力的振動頻率（Hz）——機(jī)床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率（Hz）（1）當(dāng)=1，此時動剛度最?。╧d=2Dk），=1附近成為共振區(qū)，絕對應(yīng)該避免。（2）《1，即《此時動剛度接近靜剛度（3）此時動剛度隨增大而增大。因此，為了提高機(jī)床的動剛度，應(yīng)使機(jī)床主要構(gòu)件的固有頻率遠(yuǎn)離激振力頻率。一、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)要求2、減少機(jī)床的熱變形（1）產(chǎn)生熱變形的原因：內(nèi)外熱源的影響不能人工修正熱變形誤差（2）減少熱變形的措施：減少發(fā)熱—將熱源從主機(jī)中分離出去措施1主運(yùn)動采用直流或交流調(diào)速電動機(jī)進(jìn)行無級調(diào)速——減少傳動軸和傳動齒輪數(shù)量——減少主傳動箱內(nèi)的發(fā)熱量進(jìn)行熱變形補(bǔ)償措施2采用低摩擦系數(shù)的導(dǎo)軌和軸承——采用滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌或滾動軸承（2）減少熱變形的措施：控制溫升措施

通過散熱和冷卻方法改善機(jī)床結(jié)構(gòu)措施1

采用對稱原則設(shè)計數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)措施2使機(jī)床主軸的熱變形發(fā)生在刀具切入的垂直方向上措施3采用排屑系統(tǒng)主軸冷卻風(fēng)管對機(jī)床熱源進(jìn)行強(qiáng)制冷卻主軸冷卻風(fēng)管對機(jī)床熱源進(jìn)行強(qiáng)制冷卻對稱結(jié)構(gòu)立柱措施1采用對稱原則設(shè)計數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)措施2使機(jī)床主軸的熱變形發(fā)生在刀具切入的垂直方向上機(jī)床排屑系統(tǒng)措施3采用排屑系統(tǒng)傾斜床身措施3采用排屑系統(tǒng)措施4將熱源置于易散熱的位置將主傳動箱和主電動機(jī)放在機(jī)床的外面3、減少運(yùn)動副的摩擦，提高傳動精度4、提高機(jī)床壽命和精度保持性一、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)要求措施1采用滾動導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌來減少摩擦副之間的摩擦措施2采用滾珠絲杠或無間隙齒輪傳動—減小摩擦措施1采用耐磨性好的零部件措施2機(jī)床運(yùn)動部件間具有良好的潤滑滾珠絲杠螺母副+滾動導(dǎo)軌副5、自動化的機(jī)構(gòu)、宜人的操作性一、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)要求便于操作的機(jī)床結(jié)構(gòu)一、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)要求6、安全防護(hù)和宜人的造型數(shù)控機(jī)床大都采用機(jī)、電、液、氣一體化布局，全封閉或半封閉防護(hù)，機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡化，易于操作及實現(xiàn)自動化。二、對主傳動系統(tǒng)的要求2、對主傳動的要求1、主傳動的作用：產(chǎn)生主切削力將電動機(jī)的扭矩或功率傳遞給主軸部件，使安裝在主軸內(nèi)的工件或刀具實現(xiàn)主切削運(yùn)動。足夠的轉(zhuǎn)速范圍足夠的功率和扭矩各零部件應(yīng)具有足夠的精度、強(qiáng)度、剛度和抗振性噪聲低、運(yùn)行平穩(wěn)3、主傳動的配置方式主軸電動機(jī)直接驅(qū)動（一體化主軸，電主軸）特點：有效提高主軸部件剛度，但主軸輸出扭矩小電主軸主軸電動機(jī)2、電動機(jī)經(jīng)同步齒形帶（或變速帶輪）傳動主軸帶輪傳動比3、電動機(jī)經(jīng)齒輪變速傳動主軸主軸電動機(jī)4、主軸部件三、對進(jìn)給傳動系統(tǒng)的要求1、進(jìn)給傳動系統(tǒng)作用接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給脈沖，經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換后驅(qū)動執(zhí)行元件實現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動。進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分。2、傳統(tǒng)進(jìn)給傳動系統(tǒng)與數(shù)控伺服進(jìn)給系統(tǒng)的區(qū)別傳統(tǒng)進(jìn)給傳動系統(tǒng)：多采用一個電機(jī)，執(zhí)行件之間采用大量的齒輪傳動，以實現(xiàn)內(nèi)外傳動鏈的各種傳動比要求。故傳動鏈很長，結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜數(shù)控伺服進(jìn)給系統(tǒng)：每一個運(yùn)動都由單獨的伺服電機(jī)驅(qū)動，傳動鏈大大縮短，傳動件大大減少，有利于減少傳動誤差，提高傳動精度3、對進(jìn)給傳動系統(tǒng)的要求減少運(yùn)動件的摩擦阻力提高機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能和運(yùn)動精度，減少爬行現(xiàn)象響應(yīng)性能：是進(jìn)給伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的指標(biāo)，反映了系統(tǒng)的跟蹤精度運(yùn)動精度：是機(jī)床的主要零、部件在以工作狀態(tài)的速度運(yùn)動時的精度爬行現(xiàn)象：低速時運(yùn)動不平衡的現(xiàn)象稱為爬行現(xiàn)象機(jī)床爬行現(xiàn)象一般發(fā)生在低速度、重載荷的運(yùn)動情況下當(dāng)主動件1作勻速運(yùn)動時，被動件3往往會出現(xiàn)明顯的速度不均勻，產(chǎn)生跳躍式的時停時走的運(yùn)動狀態(tài)，或時快時慢現(xiàn)象3、對進(jìn)給傳動系統(tǒng)的要求提高傳動精度和剛度措施1保證部件加工精度措施2在傳動鏈中加入減速齒輪—減小脈沖當(dāng)量，提高傳動精度措施3預(yù)緊支撐絲杠的軸承—消除齒輪、蝸輪傳動件間隙措施4預(yù)緊消除滾珠絲杠螺母副的軸向傳動間隙3、對進(jìn)給傳動系統(tǒng)的要求減小各運(yùn)動零部件的慣量穩(wěn)定性好，壽命長穩(wěn)定性好：保證低速時不產(chǎn)生爬行，外負(fù)載變化時不發(fā)生振動壽命：是指數(shù)控機(jī)床保持傳動精度和定位精度時間的長短，即保持原制造精度的能力§4-2數(shù)控機(jī)床典型機(jī)械結(jié)構(gòu)一、主軸準(zhǔn)停裝置機(jī)械式主軸準(zhǔn)停二、自動換刀裝置自動換刀裝置刀庫機(jī)械手(ATC)作用——交換主軸與刀庫中的刀（工）具對自動換刀裝置的基本要求換刀時間短刀具重復(fù)定位精度高有足夠的刀具貯存量刀庫占地面積小及安全可靠自動換刀裝置的形式回轉(zhuǎn)刀架換刀更換主軸頭換刀更換主軸箱換刀帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)二、自動換刀裝置1、回轉(zhuǎn)刀架換刀1）回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)要求：良好的強(qiáng)度和剛性2）回轉(zhuǎn)刀架的換刀動作刀架抬起刀架轉(zhuǎn)位刀架壓緊二、自動換刀裝置2、更換主軸換刀優(yōu)點：換刀時間短，換刀的可靠性強(qiáng)。缺點：主軸系統(tǒng)的剛度較差。適用場合：適應(yīng)于工序較少、精度要求不太高的機(jī)床回轉(zhuǎn)刀架換刀3、更換主軸箱換刀適用場合：適用于箱體類零件的加工二、自動換刀裝置4、帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)組成刀庫選刀系統(tǒng)刀具交換機(jī)構(gòu)刀具自動裝卸機(jī)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，換刀過程動作多，換刀時間長。適用場合：多用于鉆床、鏜銑床和數(shù)控組合機(jī)床。二、自動換刀裝置三、刀庫2、刀庫的種類1、刀庫的功能功能：儲存加工工序所需的各種刀具及輔助工具。直線式特點：結(jié)構(gòu)簡單，刀庫容量小，一般可容納8-12把刀具，故少用。三、刀庫鼓輪式（圓盤式）1）單鼓輪式刀具、鼓輪軸線平行刀具、鼓輪軸線垂直盤式刀庫三、刀庫刀具、鼓輪軸線成銳角特點：結(jié)構(gòu)簡單緊湊，應(yīng)用較多，但刀具單環(huán)排列，空間利用率低，適用于刀庫容量較小的場合，一般不多于50-60把刀。三、刀庫鼓輪端面上雙環(huán)排列特點：刀庫空間利用率較高，但裝刀、取刀機(jī)構(gòu)復(fù)雜，僅適用于機(jī)床空間有限制而刀庫容量較大的場合。三、刀庫鼓輪端面上多環(huán)排列鼓輪彈倉式2）多鼓輪式雙鼓輪式主軸三、刀庫三鼓輪式行星鼓輪式特點：不同類型的刀具及輕重型刀具可分別放置，空間利用率高，但傳動機(jī)構(gòu)和運(yùn)動控制裝置復(fù)雜，適用于刀庫容量大的場合。三、刀庫鏈?zhǔn)絾苇h(huán)鏈?zhǔn)教攸c：結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫容量大，可充分利用空間，通常為軸向取刀，位置精度較低，適用于刀庫容量大的場合。龍門加工中心三、刀庫多環(huán)鏈?zhǔn)饺?、刀庫加長鏈?zhǔn)礁褡酉涫絾蚊婢W(wǎng)格式特點：刀庫結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用率高，但換刀時間較長，小直徑刀具為軸向取刀，大直徑刀具為徑向取刀，布局不靈活，通常刀庫安置在工作臺上，應(yīng)用較少。三、刀庫三、刀庫多面網(wǎng)格式特點：刀庫容量大，輔助裝置較復(fù)雜，用于需刀庫容量大的機(jī)床上。三、刀庫3、刀庫的容量銑削加工車削加工刀具數(shù)可加工件的比率102040305060708010090105015202530鉆削加工四、刀具的選刀方式1、自動選刀：在自動換刀裝置換刀時，按數(shù)控裝置發(fā)出的換刀指令，刀具交換裝置從刀庫中挑選各工序所需刀具的操作稱為自動換刀。2、刀具的選擇方式順序選擇方式任意選擇方式刀座編碼方式刀具編碼方式四、刀具的選刀方式順序選擇方式刀具的順序選擇方式是將刀具按加工工序的順序，依次放入刀庫的每一個刀座中。特點：不需要刀具識別裝置，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，但刀庫中刀具在不同工序中不能重復(fù)使用，因此，刀具的數(shù)量的刀庫的容量大。四、刀具的選刀方式刀具編碼方式接觸式識別裝置四、刀具的選刀方式刀柄刀具識別裝置觸針編碼環(huán)特點：結(jié)構(gòu)簡單，壽命較短，可靠性較差，難于快速換刀四、刀具的選刀方式非接觸式識別裝置11010特點：無磨損，無噪音，壽命長，反應(yīng)速度快，適用于高速，換刀頻繁的場合。四、刀具的選刀方式光電識別裝置四、刀具的選刀方式刀座編碼方式永久性編碼臨時性編碼刀座編碼四、刀具的選刀方式刀座編碼四、刀具的選刀方式識別碼塊識別傳感器刀柄編碼四、刀具的選刀方式臨時性編碼五、刀具交換裝置1、無機(jī)械手換刀五、刀具交換裝置1、無機(jī)械手換刀2、機(jī)械手換刀五、刀具交換裝置機(jī)械手形式五、刀具交換裝置機(jī)械手換刀五、刀具交換裝置機(jī)械手傳動結(jié)構(gòu)六、滾珠絲杠螺母副1、滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)滾珠絲杠螺母副六、滾珠絲杠螺母副1、滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)絲杠滾珠螺母作用：將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動六、滾珠絲杠螺母副2、滾珠絲杠螺母副的特點優(yōu)點：①傳動效率高、摩擦阻力?、谶\(yùn)動平穩(wěn)無爬行③傳動精度高④具有運(yùn)動可逆性⑤使用壽命長缺點：①制造工藝復(fù)雜，加工精度和表面質(zhì)量要求高，制造成本高。②不能實現(xiàn)自鎖，必須增加制動裝置。六、滾珠絲杠螺母副3、滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式①外循環(huán)：滾珠在循環(huán)過程結(jié)束后，通過螺母外表面上的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進(jìn)行循環(huán)；滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸。稱為外循環(huán)結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、承載能力較高，但徑向尺寸較大。目前應(yīng)用最為廣泛。②內(nèi)循環(huán)：靠螺母上安裝的反向器接通相鄰滾道，使?jié)L珠成單圈循環(huán)。滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠保持接觸成為內(nèi)循環(huán)。結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好、滾珠流通性好，磨損小，但制造較困難，適用于高靈敏、高精度的進(jìn)給系統(tǒng)。六、滾珠絲杠螺母副4、滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊預(yù)緊的目的：減小軸向間隙軸向間隙：指絲杠和螺母間無相對轉(zhuǎn)動時，二者之間的最大軸向竄動量預(yù)緊的方法雙螺母墊片式雙螺母螺紋式雙螺母齒差式單螺母變導(dǎo)程自預(yù)緊雙螺母墊片式六、滾珠絲杠螺母副雙螺母螺紋式六、滾珠絲杠螺母副雙螺母齒差式六、滾珠絲杠螺母副5、滾珠絲杠螺母副的安裝支承方式六、滾珠絲杠螺母副特點：其承載能力小，軸向剛度低，僅適用于短絲杠固定端采用兩個向心推力球軸承（固定—自由式）5、滾珠絲杠螺母副的安裝六、滾珠