第九章 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

9.1概述9.2數(shù)控機(jī)床的布局特點(diǎn)9.3數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)9.4進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)9.5數(shù)控機(jī)床的刀具交換裝置9.6機(jī)床床身9.7刀具系統(tǒng)9.8夾具及附件第九章數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9.1概述機(jī)床數(shù)控技術(shù)由機(jī)械技術(shù)、控制技術(shù)和外圍技術(shù)三大部分組成，其中，控制技術(shù)和外圍技術(shù)在前幾章已做了介紹，本章主要介紹數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)及主要部件。數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體（主要是機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及功能部件）的設(shè)計(jì)可靠性在很大程度上也決定了整機(jī)的可靠性。數(shù)控機(jī)床的功能部件包括滾珠絲桿、滾動(dòng)導(dǎo)軌、數(shù)控車(chē)床轉(zhuǎn)塔刀架、加工中心的刀庫(kù)和機(jī)械手等。

9.1.1數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）主傳動(dòng)裝置多采用無(wú)級(jí)變速或分段無(wú)級(jí)變速方式，可利用程序控制主軸的變向和變速，主傳動(dòng)具有較寬的調(diào)速范圍，數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈也大大縮短。有些數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)已開(kāi)始采用結(jié)構(gòu)緊湊及性能優(yōu)異的電主軸。（2）為減小摩擦、消除傳動(dòng)間隙和獲得更高的加工精度，更多地采用了高效傳動(dòng)部件，進(jìn)給傳動(dòng)裝置中廣泛采用無(wú)間隙滾珠絲杠傳動(dòng)和無(wú)間隙齒輪傳動(dòng)，利用貼塑導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌來(lái)減少運(yùn)動(dòng)副的摩擦力，提高傳動(dòng)精度。有些數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給部件直接使用直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了高速、高靈敏度伺服驅(qū)動(dòng)。（3）為適應(yīng)連續(xù)的自動(dòng)化加工和提高加工生產(chǎn)率，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的靜、動(dòng)態(tài)剛度和阻尼精度，以及較高的耐磨性，而且熱變形??；床身、立柱、橫梁等主要支承件采用合理的截面形狀，且采取一些補(bǔ)償變形的措施，使其具有較高的結(jié)構(gòu)剛度。（4）為了改善勞動(dòng)條件、減少輔助時(shí)間、改善操作性、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加工中心刀庫(kù)采用了刀具自動(dòng)夾緊裝置與自動(dòng)換刀裝置及自動(dòng)排屑裝置等輔助裝置，可進(jìn)行多工序、多面加工，大大提高了生產(chǎn)率。

9.1.2數(shù)控機(jī)床對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求根據(jù)數(shù)控機(jī)床的適用場(chǎng)合和機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)提出以下要求：（1）較高的機(jī)床靜、動(dòng)剛度

（2）減少機(jī)床的熱變形（3）減少運(yùn)動(dòng)間的摩擦和消除傳動(dòng)間隙（4）提高機(jī)床的壽命和精度保持性（5）減少輔助時(shí)間和改善操作性能數(shù)控機(jī)床的性能指標(biāo)種類(lèi)項(xiàng)目含義影響精度指標(biāo)定位精度數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)等移動(dòng)部件在確定的終點(diǎn)所達(dá)到的實(shí)際位置的水平直接影響加工零件的位置精度重復(fù)定位精度同一數(shù)控機(jī)床上，應(yīng)用相同程序加工一批零件所得連續(xù)質(zhì)量的一致程度影響一批零件的加工一致性和穩(wěn)定性分度精度分度工作臺(tái)在分度時(shí)，理論要求回轉(zhuǎn)的角度值和實(shí)際回轉(zhuǎn)角度值的差值。影響零件加工部位的空間位置及孔系加工的同軸度分辨率指數(shù)控機(jī)床對(duì)兩個(gè)相鄰的分散細(xì)節(jié)間可分辨的最小間隔，即認(rèn)識(shí)識(shí)別的最小單位的能力決定機(jī)床的加工精度和表面質(zhì)量脈沖當(dāng)量執(zhí)行運(yùn)動(dòng)部件的移動(dòng)量決定機(jī)床的加工精度和表面質(zhì)量坐標(biāo)軸可控軸數(shù)機(jī)床數(shù)控裝置能控制的坐標(biāo)數(shù)目影響機(jī)床功能、加工適應(yīng)性和工藝范圍聯(lián)動(dòng)軸數(shù)機(jī)床數(shù)控裝置控制的坐標(biāo)軸同時(shí)到達(dá)空間某一點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)目影響機(jī)床功能、加工適應(yīng)性和工藝范9.2數(shù)控機(jī)床的布局特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)性能數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)性能和布局特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)性能一、對(duì)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的基本要求：1、有良好的靜剛度、動(dòng)剛度2、有更小的熱變形3、有良好的低速運(yùn)動(dòng)性能4、有更好的宜人性數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)性能1、有良好的靜剛度、動(dòng)剛度良好的靜剛度、動(dòng)剛度是數(shù)控機(jī)床保證加工精度及其精度保證特性的關(guān)鍵因素之一。與普通機(jī)床相比，其靜剛度、動(dòng)剛度應(yīng)提高50%以上。為使數(shù)控機(jī)床具有良好的靜剛度，應(yīng)注意合理選擇構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，如基礎(chǔ)件采用封閉的完整箱體結(jié)構(gòu)，構(gòu)件采用封閉式截面，合理選擇及布局隔板和筋條（圖3、4），盡量減小接合面，提高部件間接觸剛度等；合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局（圖5）；采取補(bǔ)償構(gòu)件變形的結(jié)構(gòu)措施（圖6）。

1、有良好的靜剛度、動(dòng)剛度1、有良好的靜剛度、動(dòng)剛度

提高數(shù)控機(jī)床動(dòng)剛性則可通過(guò)改善機(jī)床阻尼特性（如填充阻尼材料）來(lái)提高抗振性；在床身表面噴涂阻尼涂層；采用新材料（如人造花崗石，混凝土等）等方法實(shí)現(xiàn)。

1、提高靜、動(dòng)剛度的措施（1）提高靜剛度的措施

1）基礎(chǔ)大件采用封閉整體箱形結(jié)構(gòu)2）合理布置加強(qiáng)筋3）提高部件之間的接觸剛度。（2）提高動(dòng)剛度的措施

1）改善機(jī)床的阻尼特性（如填充阻尼材料）

2）床身表面噴涂阻尼涂層

3）充分利用結(jié)合面的摩擦阻尼

4）采用新材料，提高抗震性數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)性能2、有更小的熱變形

數(shù)控機(jī)床加工中的摩擦等均會(huì)引起溫升及變形而影響加工精度。為確保加工精度，在數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)中可考慮盡量采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)（如對(duì)稱(chēng)立柱等），進(jìn)行強(qiáng)制冷卻（如采用空冷機(jī)），使排屑通道對(duì)稱(chēng)布置等措施。

數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)性能3、有良好的低速運(yùn)動(dòng)性能

數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的精度及其靈敏性亦極大地影響到零件加工精度，要提高數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度可采取降低執(zhí)行件的質(zhì)量，減小靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差，清除傳動(dòng)件間間隙，提高傳動(dòng)剛度等措施。數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦要小，要消除傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙，達(dá)到低速時(shí)無(wú)爬行，高速時(shí)快速響應(yīng)。數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)性能4、有更好的宜人性

從使用數(shù)控機(jī)床的操作使用角度出發(fā)，機(jī)床結(jié)構(gòu)布局應(yīng)有良好的人機(jī)關(guān)系（如面板、操作臺(tái)位置布置等）和較高的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)控機(jī)床的布局特點(diǎn)

數(shù)控機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)布局應(yīng)按上述要求，既滿(mǎn)足從機(jī)床性能、加工適應(yīng)范圍等內(nèi)部因素考慮確定各構(gòu)件間位置，同時(shí)亦滿(mǎn)足從外觀、操作、管理到人機(jī)關(guān)系等外部因素考慮安排機(jī)床總布局。

數(shù)控機(jī)床不同的布局形式給機(jī)床工作帶來(lái)了不同的影響，從而形成不同的特點(diǎn)，其影響主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：2、不同布局有不同的運(yùn)動(dòng)分配及工藝范圍3、不同布局有不同的機(jī)床結(jié)構(gòu)性能4、不同布局影響機(jī)床操作方便程度1、不同布局適應(yīng)不同的工件形狀、尺寸及重量

二、數(shù)控機(jī)床布局特點(diǎn)

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(jiǎn)化，易于操作及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

如圖7所示均為數(shù)控銑床，但四種布局方案適應(yīng)的工件重量、尺寸卻不同。其中，(a)適應(yīng)較輕工件，(b)適應(yīng)較大尺寸工件，(c)適應(yīng)較重工件，(d)適應(yīng)更重更大工件。1、不同布局適應(yīng)不同的工件形狀、尺寸及重量

如圖8所示為數(shù)控鏜銑床的三種布局方案。其中，（a）主軸立式布置，上下運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件頂面進(jìn)行加工；（b）主軸臥式布置，加工工作臺(tái)上分度工作臺(tái)的配合，可加工工件多個(gè)側(cè)面；（c）在（b）基礎(chǔ)上再增加一個(gè)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，可完成工件上更多內(nèi)容的加工。2、不同布局有不同的運(yùn)動(dòng)分配及工藝范圍如圖9所示為幾種數(shù)控臥式鏜銑床。其中，（a）、（b）為T(mén)形床身布局，工作臺(tái)支承于床身，剛度好，工作臺(tái)承載能力強(qiáng)；（c）、（d）工作臺(tái)為十字形布局，其中（c）主軸箱懸掛于單立柱一側(cè)，使立柱受偏載，（d）主軸箱裝在框式立柱中間，對(duì)稱(chēng)布局，受力后變形小，有利于提高加工精度。3、不同布局有不同的機(jī)床結(jié)構(gòu)性能不同的機(jī)床布局使機(jī)床操作中不少工作（如工件、刀具裝卸、切屑清理、加工觀察等）方便程度不同。如圖10為數(shù)控車(chē)床的三種不同布局方案，其中（c）為立床身，排屑最方便，切屑直接落入自動(dòng)排屑的運(yùn)輸裝置；（b）為斜床身，排屑亦較方便；（a）為橫床身，加工觀察與排屑均不易。4、不同布局影響機(jī)床操作方便程度

9.3數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生主切削力（一）傳動(dòng)系統(tǒng)作用1.足夠的轉(zhuǎn)速范圍

2.足夠的功率和扭矩

3.各零部件應(yīng)具有足夠的精度、強(qiáng)度、剛度和抗振性

4.噪聲低、運(yùn)行平穩(wěn)（二）對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求

1.采用變速齒輪傳動(dòng)

采用少數(shù)幾對(duì)齒輪降速，用液壓撥叉自動(dòng)變速，電機(jī)主軸仍為無(wú)級(jí)變速，并實(shí)現(xiàn)主軸的正反啟動(dòng)、停止、制動(dòng)。該方式扭矩大，噪聲大，一般用于較低速加工。

2.采用同步齒形帶傳動(dòng)

采用直流或交流主軸伺服電機(jī)，由同步齒形帶傳動(dòng)至主軸，該方式主軸箱及主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主軸部件剛性好；傳動(dòng)效率高、平穩(wěn)、噪聲??；不需潤(rùn)滑；但由于輸出扭矩小，低速性能不太好，在中檔機(jī)床中應(yīng)用較多。

3.采用主軸電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)（一體化主軸，電主軸）

亦稱(chēng)一體化主軸、電主軸，由主軸電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，電機(jī)、主軸合二為一，主軸為電機(jī)的轉(zhuǎn)子。該方式處理好散熱、潤(rùn)滑非常關(guān)鍵，一般應(yīng)用于高速機(jī)床。

（三）主傳動(dòng)的變速方式

變速齒輪傳動(dòng)

齒形帶—1齒形帶—2齒形帶—3齒形帶—4齒形帶

主軸電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)

1.主軸軸承

2.主軸準(zhǔn)停裝置

3.刀具自動(dòng)夾緊和清潔裝置

4、潤(rùn)滑與冷卻

四、主軸部件

1.主軸軸承

數(shù)控機(jī)床主軸軸承的支承形式、軸承材料、安裝方式均不同于普通機(jī)床，其目的是保證足夠的主軸精度。

2.主軸準(zhǔn)停裝置

滿(mǎn)足刀具交換時(shí)，刀柄鍵槽位置必須固定的要求。

四、主軸部件

3.刀具自動(dòng)夾緊和清潔裝置

自動(dòng)夾緊一般由液壓或氣壓裝置予以實(shí)現(xiàn)；而切屑清除則是通過(guò)設(shè)于主軸孔內(nèi)的壓縮空氣噴嘴來(lái)實(shí)現(xiàn)，其孔眼分布及其角度是影響清除效果的關(guān)鍵。

4、潤(rùn)滑與冷卻

低速時(shí)，采用油脂、油液循環(huán)潤(rùn)滑；高速時(shí)采用油霧、油氣潤(rùn)滑方式。主軸的冷卻以減少軸承及切割磁力線(xiàn)發(fā)熱，有效控制熱源為主。

四、主軸部件

數(shù)控車(chē)床主軸結(jié)構(gòu)

4.主軸的潤(rùn)滑、冷卻方式

（1）主軸軸承潤(rùn)滑方式：油脂潤(rùn)滑、油液循環(huán)潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑

（2）主軸冷卻方式：減少軸承及切割磁力線(xiàn)發(fā)熱，有效地排除已產(chǎn)生的熱量

主軸的潤(rùn)滑、冷卻方式

9.4數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)（一）進(jìn)給傳動(dòng)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(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。（二）對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的要求1.有較高的工作精度

2.響應(yīng)速度快

3.調(diào)速范圍寬

4.穩(wěn)定性好

5.可靠性高

滾珠絲杠螺母副+滾動(dòng)導(dǎo)軌副

1.步進(jìn)電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)

一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。

2.直流電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)

功率穩(wěn)定，但因采用電刷，其磨損導(dǎo)致在使用中需進(jìn)行更換。一般用于中檔數(shù)控機(jī)床。

3.交流電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)

應(yīng)用極為普遍，主要用于中高檔數(shù)控機(jī)床。

4.直線(xiàn)電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)

無(wú)中間傳動(dòng)鏈，精度高，進(jìn)給快，無(wú)長(zhǎng)度限制；但散熱差，防護(hù)要求特別高，主要用于高速機(jī)床。（三）進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)種類(lèi)

電機(jī)支承絲杠螺母伺服進(jìn)給系統(tǒng)

1.滾珠絲杠螺母副

1）工作原理

2）作用：將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)

3）特點(diǎn)：傳動(dòng)效率高，摩擦力小，壽命長(zhǎng)，經(jīng)預(yù)緊后可消除軸向間隙，無(wú)反向空行程，成本高，不能自鎖，尺寸不能太大。

4）用途：各類(lèi)中小型數(shù)控機(jī)床的直線(xiàn)進(jìn)給（四）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)部件

滾珠絲杠螺母副

2.回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

1）作用：實(shí)現(xiàn)繞X、Y、Z軸的圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

2）種類(lèi)：數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、數(shù)控分度工作臺(tái)

數(shù)控回