数控机床的机械结构分析（培训）

1 1数控机床的机械结构分析 认识数控机床的机械结构1数控机床机械结构的特点2项目训练73数控机床的主传动系统4数控机床进给传动系统5自动换刀装置6数控机床的回转工作台2 2数控机床的机械结构分析数控机床的机械结构分析培训人：培训对象：3 3一认识数控机床的机械结构1、熟悉数控车床的机械结构 4 4一认识数控机床的机械结构2、熟悉加工中心的机械结构 5 5二数控机床机械结构的特点 1、数控机床机械结构特点 1）静刚度和动刚度高）静刚度和动刚度高 合理选择构件的结构形式，如基础件采用封闭的完整合理选择构件的结构形式，如基础件采用封闭的完整箱体结构；合理选择及布局隔板和筋条，尽量减小接箱体结构；合理选择及布局隔板和筋条，尽量减小接合面，提高部件间接触刚度等；合理进行结构布局；合面，提高部件间接触刚度等；合理进行结构布局；采取补偿构件变形的结构措施。采取补偿构件变形的结构措施。2）抗振性高）抗振性高 6 6 4.2 数控机床机械结构的特点 立柱结构立柱结构筋条结构筋条结构7 7二数控机床机械结构的特点 一、数控机床机械结构特点3）灵敏度高）灵敏度高4）热变形小）热变形小v在数控机床结构布局设计中可考虑尽量采用对称结构在数控机床结构布局设计中可考虑尽量采用对称结构（如对称立柱等），进行强制冷却（如采用空冷机），（如对称立柱等），进行强制冷却（如采用空冷机），使排屑通道对称布置等措施。使排屑通道对称布置等措施。5）自动化程度高，操作方便）自动化程度高，操作方便回转交换式APC移动交换式移动交换式APC二、数控机床布局特点1、不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量、不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量 数控铣床四种布局方案数控铣床四种布局方案适应的工件重量、尺寸适应的工件重量、尺寸却不同。（却不同。（a）适应较）适应较轻工件，（轻工件，（b）适应较）适应较大尺寸工件，（大尺寸工件，（c）适）适应较重工件，（应较重工件，（d）适）适应更重更大工件。应更重更大工件。二、数控机床布局特点2、不同布局有不同的运动分配及工艺范围、不同布局有不同的运动分配及工艺范围 数控镗铣床的三种布局方案数控镗铣床的三种布局方案中，（中，（a）主轴立式布置，上）主轴立式布置，上下运动，对工件顶面进行加下运动，对工件顶面进行加工；（工；（b）主轴卧式布置，）主轴卧式布置，加工工作台上分度工作台的加工工作台上分度工作台的配合，可加工工件多个侧面；配合，可加工工件多个侧面；（c）在（）在（b）基础上再增加）基础上再增加一个数控转台，可完成工件一个数控转台，可完成工件上更多内容的加工。上更多内容的加工。二、数控机床布局特点3、不同布局有不同的机床结构性能、不同布局有不同的机床结构性能 数控卧式镗铣床中，（数控卧式镗铣床中，（a）、）、（b）为）为T形床身布局，工作形床身布局，工作台支承于床身，刚度好，工作台支承于床身，刚度好，工作台承载能力强；台承载能力强；(c)、(d)工工作台为十字形布局，（作台为十字形布局，（c）主）主轴箱悬挂于单立柱一侧，使立轴箱悬挂于单立柱一侧，使立柱受偏载，柱受偏载，(d)主轴箱装在框主轴箱装在框式立柱中间，对称布局，受力式立柱中间，对称布局，受力后变形小，有利于提高加工精后变形小，有利于提高加工精度。度。二、数控机床布局特点4、不同布局影响机床操作方便程度、不同布局影响机床操作方便程度 数控车床的四种不同布局方案，（数控车床的四种不同布局方案，（a）为）为水平床身水平床身-水平滑板水平滑板，床身工艺性好，便于导轨面的加工，下部空间小，故排屑困难，床身工艺性好，便于导轨面的加工，下部空间小，故排屑困难，刀架水平放置加大了机床宽度方向的结构尺寸；刀架水平放置加大了机床宽度方向的结构尺寸；二、数控机床布局特点4、不同布局影响机床操作方便程度、不同布局影响机床操作方便程度（b）为）为倾斜床身倾斜床身-倾斜滑板倾斜滑板，排屑亦较方便，中小规格的数控，排屑亦较方便，中小规格的数控车床其床身的倾斜度以车床其床身的倾斜度以60为宜；（为宜；（c）水平床身水平床身-倾斜滑板倾斜滑板，具有水平床身工艺性好，宽度方向的尺寸小，且排屑方便，具有水平床身工艺性好，宽度方向的尺寸小，且排屑方便，是卧式数控车床的最佳布局形式。是卧式数控车床的最佳布局形式。1414三数控机床的主传动系统3.1 数控机床主传动的特点1）具有更大的调速范围并实现无级调速。一般要求主轴具）具有更大的调速范围并实现无级调速。一般要求主轴具备备1（1001000）的恒转矩调速范围和）的恒转矩调速范围和1 10的恒功的恒功率调速范围。率调速范围。2）具有较高的精度与刚度，传递平稳，噪声低）具有较高的精度与刚度，传递平稳，噪声低 3）良好的抗振性和热稳定性。）良好的抗振性和热稳定性。4）在车削中心上，要求主轴具有）在车削中心上，要求主轴具有C轴控制功能。轴控制功能。5）在加工中心上，要求主轴具有高精度的准停功能。）在加工中心上，要求主轴具有高精度的准停功能。6）具有恒线速度切削控制功能。）具有恒线速度切削控制功能。15154.3 数控机床的主传动系统4.3.2 数控机床主轴的变速方式 1 1、带有变速齿轮的主轴传动、带有变速齿轮的主轴传动大大中中型型数数控控机机床床较较常常采采用用的的配配置置方方式式，确确保保低低速速时时有有较较大大的的扭扭矩矩，滑滑移移齿齿轮轮的的移移位位大大多多采采用用液液压压拨拨叉叉或或直直接接由由液液压缸驱动齿轮来实现。压缸驱动齿轮来实现。数控机床主传动的四种配置方式数控机床主传动的四种配置方式(a)齿轮变速；齿轮变速；(b)带传动；带传动；(c)两个电机分别驱动；两个电机分别驱动；(d)调速电机直接驱动调速电机直接驱动16164.3.2 数控机床主轴的变速方式 2 2、通过带传动的主轴传动、通过带传动的主轴传动主主要要用用在在转转速速较较高高、变变速速范范围围不不大大的的小小型型数数控控机机床床上上。可可以以避避免免由由齿齿轮轮传传动动所所引引起起的的振振动动和和噪噪声声。适适用用于于高高速速低低转转矩矩特性的主轴，常用有特性的主轴，常用有多楔带多楔带和和同步齿形带同步齿形带。带的结构形式带的结构形式 (a)多楔带多楔带;(b)同步齿形带同步齿形带 1717同同步步齿齿形形带带传传动动是是一一种种综综合合了了带带传传动动和和链链传传动动优优点点的的新新型传动方式，带型有梯形齿和圆弧齿。型传动方式，带型有梯形齿和圆弧齿。同步齿形带的结构和传动同步齿形带的结构和传动4.3.2 数控机床主轴的变速方式18183 3、用两个电机分别驱动主轴传动、用两个电机分别驱动主轴传动高高速速时时，由由一一个个电电机机通通过过带带传传动动；低低速速时时，由由另另一一个个电电机机通通过过齿齿轮轮传传动动，齿齿轮轮起起到到降降速速和和扩扩大大变变速速范范围围的的作作用用，使使恒恒功功率率区区增增大大，扩扩大大了了变变速速范范围围，避避免免了了低低速速时时转转矩矩不不够够且且电机功率不能充分利用的问题。电机功率不能充分利用的问题。4.3.2 数控机床主轴的变速方式19194 4、调速电机直接驱动主轴传动、调速电机直接驱动主轴传动 大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出的扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。刚度，但主轴输出的扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。直接驱动式直接驱动式4.3.2 数控机床主轴的变速方式2020主轴轴承常见的支撑形式主轴轴承常见的支撑形式 (a)形式一；形式一；(b)形式二；形式二；(c)形式三形式三 1 1、主轴轴承的支撑形式、主轴轴承的支撑形式1 1）前前支支撑撑采采用用双双列列短短圆圆柱柱滚滚子子轴轴承承和和6060角角接接触触双双列列向向心心推推力力球球轴轴承承组组合合，后后支支撑撑采采用用成成对对向向心心推推力力球球轴轴承承。可可提提高高主主轴轴的的综综合合刚刚度度，满满足足强强力力切切削削的的要要求求。普普遍遍用用于于各各类类数数控控机机床床主主轴轴。4.3 数控机床的主传动系统4.3.3 主轴部件 2）前前支支撑撑采采用用高高精精度度双双列列向向心心推推力力球球轴轴承承。向向心心推推力力轴轴承承有有良良好好的的高高速速性性，主主轴轴最最高高转转速速可可达达4000rmin，但但承承载载能能力力小小，适适于于高高速速、轻轻载载、高高精密精密的数控机床主轴。的数控机床主轴。3 3）前前后后支支撑撑分分别别采采用用双双列列和和单单列列圆圆锥锥滚滚子子轴轴承承。径径向向和和轴轴向向刚刚度度高高，能能承承受受重重载载荷荷，其其安安装装、调调整整性性能能好好，但但限限制制了了主主轴轴转转速速和和精精度度，因因此此可可用用于于中中等等精精度度、低低速速、重重载载的的数数控机床的主轴。控机床的主轴。22222、刀具自动装卸切屑清除装置4.3.3 主轴部件 机床执行换刀指令，机械手机床执行换刀指令，机械手从主轴拔刀时，主轴需松开刀从主轴拔刀时，主轴需松开刀具。这时，液压缸上腔通压力具。这时，液压缸上腔通压力油，活塞推动拉杆向下移动，油，活塞推动拉杆向下移动，使碟形弹簧压缩，钢球进入主使碟形弹簧压缩，钢球进入主轴锥孔上端的槽内，刀柄尾部轴锥孔上端的槽内，刀柄尾部的拉钉被松开，机械手拔刀。的拉钉被松开，机械手拔刀。加工中心主轴前端有加工中心主轴前端有7 24号锥孔，内部和后端安装的是号锥孔，内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构。刀具自动夹紧机构。2323 压缩空气进入活塞和拉杆的中孔，压缩空气进入活塞和拉杆的中孔，吹净主轴锥孔，为装入新刀具做好准吹净主轴锥孔，为装入新刀具做好准备。当机械手将下一把刀具插入主轴备。当机械手将下一把刀具插入主轴后，液压缸上腔无油压，在碟形弹簧后，液压缸上腔无油压，在碟形弹簧和弹簧的恢复力作用下，拉杆、钢球和弹簧的恢复力作用下，拉杆、钢球和活塞退回到图示的位置，使刀具被和活塞退回到图示的位置，使刀具被夹紧。刀杆夹紧机构用弹簧夹紧，液夹紧。刀杆夹紧机构用弹簧夹紧，液压放松，以保证在工作中突然停电时，压放松，以保证在工作中突然停电时，刀杆不会自行松脱。刀杆不会自行松脱。4.3.3 主轴部件2 2、刀具自动装卸切屑清除装置、刀具自动装卸切屑清除装置2424机机床床采采用用的的是是724724号号锥锥柄柄刀刀具具，锥锥柄柄的的尾尾端端安安装装有有拉拉钉钉，拉拉杆杆通通过过4 4个个钢钢球球拉拉住住拉拉钉钉的的凹凹槽槽，使使刀刀具具在在主主轴轴锥锥孔孔内定位及夹紧。内定位及夹紧。2 2、刀具自动装卸切屑清除装置、刀具自动装卸切屑清除装置4.3.3 主轴部件25253 3、主轴的准停、主轴的准停主轴准停换刀示意图主轴准停换刀示意图 又又称称为为主主轴轴定定位位功功能能，这这是是自自动动换换刀刀所所必必需需的的功功能能。在在自自动动换换刀刀的的镗镗铣铣加加工工中中心心上上，切切削削的的转转矩矩通通常常是是通通过过刀刀杆杆的的端端面面键键来来传传递递的的，这这就就要要求求主主轴轴具具有有准准确确定定位位于于圆圆周周上上特特定定角角度度的功能。的功能。4.3.3 主轴部件2626主轴准停阶梯孔或精镗孔示意图主轴准停阶梯孔或精镗孔示意图当加工阶梯孔或精当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，拉毛已精加工的孔表面，必须先让刀，再退刀，必须先让刀，再退刀，因此，刀具就必须具有因此，刀具就必须具有定位功能。定位功能。3 3、主轴的准停、主轴的准停4.3.3 主轴部件27271 1）机械准停控制）机械准停控制 采采用用机机械械凸凸轮轮机机构构或或光光电电盘盘方方式式进进行行粗粗定定位位，然然后后有有一一个个液液动动或或气气动动的的定定位位销销插插入入主主轴轴上上的的销销孔孔或或销销槽槽实实现现精精确确定定位位，完完成成换换刀刀后后定定位位销销退退出出，主主轴才开始旋转。轴才开始旋转。结结构构复复杂杂，在在