数控机床与编程第2版 郑堤第3章 数控机床的机械结构

1、第一节 数控机床的结构与性能要求,第二节 常见数控机床的布局,第三节 数控机床的主传动系统及主轴部件,第四节 进给系统的机械传动机构,第三章数控机床的机械结构,第七节 数控机床的回转工作台,第八节 数控加工用辅助装置,第五节 数控机床的床身与导轨,第六节 数控机床的刀库与换刀装置,第一节 数控机床的结构和性能要求,从本质上说，数控机床和普通机床一样，也是一种经过切削将金属材料加工成各种不同形状零件的设备。早期的数控机床，包括目前部分改造、改装的数控机床，大都是在普通机床的基础上，通过对进给系统的革新、改造而成的。因此，在许多场合，普通机床的构成模式、零部件的设计计算方法仍然适用于数控机床。但是，随着数控技术（包括伺服驱动、主轴驱动）的迅速发展，为了适应现代制造业对生产效率、加工精度、安全环保等方面越来越高的要求，现代数控机床的机械结构已经从初期对普通机床的局部改造，逐步发展形成了自己独特的结构。特别是随着电主轴、直线电动机等新技术、新产品在数控机床上的推广应用，部分机械结构日趋简化，新的结构、功能部件不断涌现，数控机床的机械机构正在发生重大的变化，虚拟轴机床的出现和实用化，使传统的机床

2、结构面临着更严峻的挑战。,数控机床对机械结构的基本要求,具有较高的静、动刚度和良好抗震性,机床的刚度反映了机床机构抵抗变形的能力，。机床变形产生的误差，通常很难通过调整和补偿的方法予以彻底的解决。为了满足数控机床高效、高精度、高可靠性以及自动化的要求，与普通机床相比，数控机床应具有更高的精刚度。此外，为了充分发挥机床的效率，加大切削用量，还必须提高机床的抗震性，避免切削时产生的共振和颤振。而提高机构的动刚度是提高机床抗震性的基本途径。,数控机床对机械结构的基本要求,具有较好的热稳定性,机床的热变性是影响机床加工精度的主要因素之一。由于数控机床的主轴转速、快速进给都远远超过普通机床，机床又长时间处于连续工作状态，电动机、丝杠、轴承、导轨的发热都比较严重，加上高速切削产生的切屑的影响，使得数控机床的热变性影响比普通机床要严重得多。虽然在先进的数控系统具有热变性补偿功能，但是它并不能完全消除热变性对于加工精度的影响，在数控机床上还应采取必要的措施，尽可能减小机床的热变性。,具有较高的运动精度和良好的低速稳定性,利用伺服系统代替普通机床的进给系统是数控机床的主要特点。伺服系统最小的移动量（脉冲

3、当量），一般只有0.001mm，甚至更小；最低进给速度，一般只有1mm/min，甚至更低。这就要求进给系统具有较高的运动精度，良好的跟踪性能和低速稳定性，才能对数控系统的位置指令做出准确的响应，从而得到要求的定位精度。 传动装置的间隙直接影响着机床的定位精度，虽然在数控系统中可以通过间隙补偿、单向定位等措施减小这一影响，但不能完全消除。特别是对于非均匀间隙，必须机械消除间隙措施，才能得到较好的解决。,数控机床对机械结构的基本要求,高的机床寿命和精度保持性,措施1 采用耐磨性好的零部件,措施2 机床运动部件间具有良好的润滑,数控机床对机械结构的基本要求,数控机床对机械结构的基本要求,具有良好的操作、安全防护性能,方便、舒适的操作性能，是操作者普遍关心的问题。在大部分数控机床上，刀具和工件的装卸、刀具和夹具的调整、还需要操作者完成，机床的维修更离不开人，而且由于加工效率的提高，数控机床的工件装卸可能比普通机床更加频繁，因此良好的操作性能是数控机床设计时必须的问题。数控机床是一种高度自动化的加工设备，动作复杂，高速运动部件较多，对机床动作互锁、安全防护性能的要求也比普通机床要高很多。同时，数

4、控机床一般都有高压、大流量的冷却系统，为了防止切屑、冷却液的飞溅，数控机床通常都应采用封闭和半封闭的防护形式，增加防护性能。,第2章 数控机床结构及主要部件,一、数控机床的布局特点,数控机床大都采用机、电、液、气一体化布局，全封闭或半封闭防护，机械结构大大简化，易于操作及实现自动化。,第二节、常见数控机床的布局特点,如图 2-7 所示均为数控铣床，但四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。其中， (a)适应较轻工件，( b )适应较大尺寸工件，( c )适应较重工件，(d )适应更重更大工件。,1、不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量,如图 2-8 所示为数控镗铣床的三种布局方案。其中，（ a ）主轴立式布置，上下运动，对工件顶面进行加工；（ b ）主轴卧式布置，加工工作台上分度工作台的配合，可加工工件多个侧面；（ c ）在（ b ）基础上再增加一个数控转台，可完成工件上更多内容的加工。,2、不同布局有不同的运动分配及工艺范围,如图 2-9 所示为几种数控卧式镗铣床。其中，（ a ）、（ b ）为 T 形床身布局，工作台支承于床身，刚度好，工作台承载能力强； （ c ）、（ d ）工

5、作台为十字形布局，其中（ c ）主轴箱悬挂于单立柱一侧，使立柱受偏载，（ d ）主轴箱装在框式立柱中间，对称布局，受力后变形小，有利于提高加工精度。,3、不同布局有不同的机床结构性能,不同的机床布局使机床操作中不少工作（如工件、刀具装卸、切屑清理、加工观察等）方便程度不同。如图 2-10 为数控车床的三种不同布局方案，其中（ c ）为立床身，排屑最方便，切屑直接落入自动排屑的运输装置；（ b ）为斜床身，排屑亦较方便；（ a ）为横床身，加工观察与排屑均不易。,4、不同布局影响机床操作方便程度,二、数控车床的布局结构特点,平床身 斜床身 立式床身,图2-1 数控车床的三种常用布局 (a)平床身布局(b)斜床身布局(c)立式床身布局,常用布局形式,这三种布局方式各有特点，一般经济型、普及型数控车床以及数控化改造的车床，大都采用平床身；性能要求较高的中、小规格数控车床采用斜床身（有的机床是用平床身斜滑板）；大型数控车床或精密数控车床采用立式床身。,常用布局形式,斜床身布局的数控车床（导轨倾斜角度通常选择45、60或75），不仅可以在同等条件下，改善受力情况，而且还可通过整体封闭式截面设计，

6、提高床身的刚度，特别是自动换刀装置的布置较方便。而平床身、立式床身布局的机床受结构的局限，布置比较困难，限制了机床性能。因此，斜床身布局的数控车床应用比较广泛。,常用布局形式,在其他方面则三种布局方式各具特点： （1）热稳定性：当主轴箱因发热使主轴轴线产生热变位时，斜床身的影响最小；斜床身、立式床身因排屑性能好，受切屑产生的热量影响也小。 （2）运动精度：平床身布局由于刀架水平布置，不受刀架、滑板自重的影响，容易提高定位精度；立式床身受自重的影响最大，有时需要加平衡机构消除；斜床身介于两者之间。,常用布局形式,（3）加工制造 ： 平床身的加工工艺性较好，部件精度较容易保证。另外，平床身机床工件重量产生的变形方向竖直向下，它和刀具运动方向垂直，对加工精度的影响较小；立式床身产生的变形方向正好沿着运动方向，对精度影响最大；斜床身介于两者之间。 （4）操作、防护、排屑性能 ：斜床身的观察角度最好、工件的调整比较方便，平床身有刀架的影响，加上滑板突出前方，观察、调整较困难。但是，在大型工件和刀具的装卸方面，平床身因其敞开面宽，起吊容易，装卸比较方便。立式床身因切屑可以自由落下，排屑性能最好，导

7、轨防护也较容易。在防护罩的设计上，斜床身和立式床身结构较简单，安装也比较方便；而平床身则需要三面封闭，结构较复杂，制造成本较高。,三、加工中心的布局结构特点 1.卧式加工中心 卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的布局形式种类较多，其主要区别在于立柱的结构形式和X、Z坐标轴的移动方式上（Y轴移动方式无区别）。,单立柱 框架结构双立柱,图2-2卧式数控镗铣床（卧式加工中心）常见的布局形式,常用的立柱,Z坐标轴的移动方式有工作台移动式（图2-2a、b）和立柱移动式（图2-2c）两种。以上基本形式通过不同组合，还可以派生其他多种变形，如X、Z两轴都采用立柱移动，工作台完全固定的结构形式；或X轴为立柱移动、Z轴为工作台移动的结构形式等。,在图2-2所示的三种中、小规格卧式数控镗铣床（卧式加工中心）常见的布局形式中，图2-2a所示的结构形式和传统的卧式镗床相同，多见于早期的数控机床或数控化改造的机床；图2-2b所示的采用了框架结构双立柱、Z轴工作台移动式布局，为中、小规格卧式数控机床常用的结构形式。图2-2c所示的采用了T形床身、框架结构双立柱、立柱移动式（Z轴）布局，为卧式数控机床典型结构。,框架结

8、构双立柱采用了对称结构，主轴箱在两立柱中间上、下运动，与传统的主轴箱侧挂式结构相比，大大提高了结构刚度。另外，主轴箱是从左、右两导轨的内侧进行定位，热变形产生的主轴轴线变位被限制在垂直方向上，因此，可以通过对Y轴的补偿，减小热变形的影响。,T形床身布局可以使工作台沿床身做X 方向移动时，在全行程范围内，工作台和工件完全支承在床身上，因此，机床刚性好，工作台承载能力强，加工精度容易得到保证。而且，这种结构可以很方便地增加X轴行程，便于机床品种的系列化、零部件的通用化和标准化。,立柱移动式结构的优点是：首先，这种形式减少了机床的结构层次，使床身上只有回转工作台、工作台，共三层结构，它比传统的四层十字工作台，更容易保证大件结构刚性；同时又降低了工件的装卸高度，提高了操作性能。其次，Z轴的移动在后床身上进行，进给力与轴向切削力在同一平面内，承受的扭曲力小，镗孔和铣削精度高。此外，由于Z轴的导轨的承重是固定不变的，它不随工件重量改变而改变，因此有利于提高Z轴的定位精度和精度的稳定性。但是，由于Z轴承载较重，对提高Z轴的快速性不利，这是其不足之处。,立式数控镗铣床（立式加工中心）的布局形式与卧式数控镗铣床类似，图2-3所示的是三种常见布局形式。,这三种布局形式中，图2-3a所示的结构形式是常见的工作台移动式数控镗铣床（立式加工中心）的布局，为中、小规格机床的常用结构形式；图2-3b所示的采用了T形床身，X、Y、Z三轴都是立柱移动式的布局，多见于长床身（大X轴行程）或采用交换工作台的立式数控机床。这三种布局形式的结构特点，基本和卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的对应结构相同。,同样，以上基本形式通过不同组合，还可以派生其他多种变形，如X、Z两轴都采用立柱移动、工作台完全固定的结构形式，或X轴为立柱移动、Z轴为工作台移动的结构形式等等。,图2-3立式数控镗铣床（立式加工中心）常见的布局形式,

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