數(shù)控技術(shù)第8節(jié)2014

第5章數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)5.1數(shù)控機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)5.2數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)要求5.3數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)5.4同步帶傳動(dòng)5.5數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)5.6其它輔助機(jī)構(gòu)5.1數(shù)控機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)1主傳動(dòng)系統(tǒng)；2進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng);實(shí)現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)、定位的裝置和附件；實(shí)現(xiàn)某些部件動(dòng)作和輔助功能的系統(tǒng)和裝置，如液壓、氣壓、潤(rùn)滑、冷卻等系統(tǒng)和排屑、防護(hù)等裝置；刀庫、刀架和自動(dòng)換刀裝置（ATC）；6自動(dòng)托盤交換裝置（APC）；特殊功能裝置，如刀具破損監(jiān)控、精度檢測(cè)和監(jiān)控裝置等；為完成自動(dòng)化控制功能的各種反饋信號(hào)裝置及元件。

數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)除機(jī)床基礎(chǔ)件，由以下幾部分組成機(jī)床基礎(chǔ)件通常是指:床身底座立柱橫梁滑座工作臺(tái)數(shù)控機(jī)床本體組成1-主軸頭2-刀庫3-立柱4-立柱底座

5-工作臺(tái)6-工作臺(tái)底座立式數(shù)控銑床移動(dòng)立柱臥式加工中心立式數(shù)控銑床數(shù)控機(jī)床

數(shù)控車床的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)（一）數(shù)控機(jī)床加工過程的特點(diǎn)：自動(dòng)化程度高高的加工精度和切削效率多工藝和功能集成化高可靠性和精度保持性5.2、數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)要求（二）數(shù)控機(jī)床的對(duì)結(jié)構(gòu)的要求：1、高的靜、動(dòng)剛度和良好的抗振性機(jī)床床身、導(dǎo)軌、工作臺(tái)、刀架、主軸箱的幾何精度與變形產(chǎn)生的定位誤差，取決于它們的結(jié)構(gòu)剛度。提高剛度的措施有：G.合理選用構(gòu)件的材料E.合理的結(jié)構(gòu)布局F.采用補(bǔ)償變形的措施H.通過加配重或液壓平衡負(fù)載以減小有關(guān)零部件的靜力變形I.通過在支承件內(nèi)腔或表面填加阻尼材料等來改善阻尼特性，以增大動(dòng)剛度A.合理選擇支承件的結(jié)構(gòu)形式B.合理布置支承件隔板的筋條結(jié)構(gòu)C.增加導(dǎo)軌與支承件的連接部分的剛度D.增加機(jī)床各部件的接觸剛度和承載能力高抗振性改善動(dòng)態(tài)特性的措施是：提高系統(tǒng)的靜剛度、增加阻尼（例如，采用三支承主軸，后支承就有利于消振）以及調(diào)整構(gòu)件的質(zhì)量和自振動(dòng)頻率，對(duì)高速回轉(zhuǎn)部件或零件進(jìn)行動(dòng)平衡等。2、減少機(jī)床的熱變形減小熱變形的措施：（1）減少發(fā)熱；機(jī)床內(nèi)部發(fā)熱是產(chǎn)生熱變形的主要熱源，應(yīng)當(dāng)盡可能地將熱源從主機(jī)中分離出去。主軸部件采用精密滾動(dòng)軸承；進(jìn)行潤(rùn)滑油潤(rùn)滑；采用靜壓軸承；避免使用摩擦力離合器。加工切屑也是一個(gè)熱源，可在工作臺(tái)或?qū)к壣涎b設(shè)隔熱板；使用切屑液。（2）控制溫升通過良好的散熱和冷卻控制溫升，減少熱源影響。（3）改善機(jī)床結(jié)構(gòu)采用熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)及熱平衡措施，使機(jī)床主軸的熱變形發(fā)生在刀具切入的垂直方向上，如下圖所示；3、提高低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和運(yùn)動(dòng)精度（1）影響低速爬行的因素：（2）防爬行措施：減少靜動(dòng)摩擦系數(shù)之差提高傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度降低執(zhí)行部件質(zhì)量，在不降低靜剛度的前提下，減輕重量可以提高構(gòu)件的固有頻率。4、提高機(jī)床的壽命和精度保持性在設(shè)計(jì)上充分考慮各零部件的耐磨性，保證數(shù)控機(jī)床各部件的良好潤(rùn)滑。5、減少輔助時(shí)間，改善操作性，充分滿足人性化的要求三、數(shù)控機(jī)床的總體布局（一）數(shù)控車床的總體布局（a）為水平床身-水平滑板，床身工藝性好，便于導(dǎo)軌面的加工，下部空間小，故排屑困難，刀架水平放置加大了機(jī)床寬度方向的結(jié)構(gòu)尺寸；（b）為傾斜床身-傾斜滑板，排屑亦較方便，中小規(guī)格的數(shù)控車床其床身的傾斜度以60°為宜；（c）水平床身-傾斜滑板，具有水平床身工藝性好，寬度方向的尺寸小，且排屑方便，是臥式數(shù)控車床的最佳布局形式。（二）加工中心的總體布局結(jié)構(gòu)1、臥式加工中心

臥式加工中心的布局形式種類較多，其主要區(qū)別在于立柱的結(jié)構(gòu)形式和X、Z坐標(biāo)軸的移動(dòng)方式上（Y軸移動(dòng)方式無區(qū)別）。

單立柱框架結(jié)構(gòu)雙立柱常用的立柱下頁上頁返回圖庫

Z坐標(biāo)軸的移動(dòng)方式有工作臺(tái)移動(dòng)式和立柱移動(dòng)式兩種。以上基本形式通過不同組合，還可以派生其他多種變形，如X、Z兩軸都采用立柱移動(dòng)，工作臺(tái)完全固定的結(jié)構(gòu)形式；或X軸為立柱移動(dòng)、Z軸為工作臺(tái)移動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式等。什么是X,Y,Z軸？下頁上頁返回圖庫臥式加工中心常見的布局形式中，a結(jié)構(gòu)形式和傳統(tǒng)的臥式鏜床相同，多見于早期的數(shù)控機(jī)床或數(shù)控化改造的機(jī)床；b采用框架結(jié)構(gòu)雙立柱、Z軸工作臺(tái)移動(dòng)式布局，為中、小規(guī)格臥式數(shù)控機(jī)床常用的結(jié)構(gòu)形式。c采用T形床身、框架結(jié)構(gòu)雙立柱、立柱移動(dòng)式（Z軸）布局，為臥式數(shù)控機(jī)床典型結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)雙立柱采用了對(duì)稱結(jié)構(gòu)，主軸箱在兩立柱中間上、下運(yùn)動(dòng)，與傳統(tǒng)的主軸箱側(cè)掛式結(jié)構(gòu)相比，大大提高了結(jié)構(gòu)剛度。另外，主軸箱是從左、右兩導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)進(jìn)行定位，熱變形產(chǎn)生的主軸軸線變位被限制在垂直方向上，因此，可以通過對(duì)Y軸的補(bǔ)償，減小熱變形的影響。2、立式加工中心的總體布局結(jié)構(gòu)圖a所示的結(jié)構(gòu)形式是常見的工作臺(tái)移動(dòng)式立式加工中心的布局，為中、小規(guī)格機(jī)床的常用結(jié)構(gòu)形式；圖b在Y向是立柱移動(dòng)；圖c中X、Y、Z三軸都是立柱移動(dòng)式的布局，多見于長(zhǎng)床身（大X軸行程）或采用交換工作臺(tái)的立式數(shù)控機(jī)床。5.3、數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)主傳動(dòng)的基本要求主傳動(dòng)的變速方式主傳動(dòng)的部件組成和軸承選型主軸準(zhǔn)停裝置1、主傳動(dòng)的基本要求數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床一樣，主傳動(dòng)系統(tǒng)也必須通過變速，才能使主軸獲得不同的傳遞，以適應(yīng)不同的加工要求，并且，在變速的同時(shí)，還要求傳遞一定的功率和足夠的轉(zhuǎn)矩，滿足切削的需要。數(shù)控機(jī)床作為高度自動(dòng)化的設(shè)備，它對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求有以下幾點(diǎn)：

1)為了達(dá)到最佳的切削效果，一般都應(yīng)在最佳的切削條件下工作，因此，主軸一般都要求能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。

2)要求機(jī)床主軸系統(tǒng)必須具有足夠高的轉(zhuǎn)速和足夠大的功率，以適應(yīng)高效、高速的加工需要。1、主傳動(dòng)的基本要求

3)為了降低噪聲、減輕發(fā)熱、減少振動(dòng)，主傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少傳動(dòng)件。

4)在加工中心上，還必須具有安裝道具和刀具交換所需要的自動(dòng)夾緊裝置，以及主軸定向準(zhǔn)停裝置，以保證刀具和主軸、刀庫、機(jī)械手的正確嚙合。

5)為了擴(kuò)大機(jī)床的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)C軸的控制，主軸還需安裝位置檢測(cè)裝置，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸位置的控制。數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的再求。故大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用無級(jí)變速系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)主要有以下三種配置方式。

數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)要求較大的調(diào)速范圍，以保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。2、主傳動(dòng)變速方式這種配置方式大、中型數(shù)控機(jī)床采用較多。它通過少數(shù)幾對(duì)齒輪降速，使之成為分段無級(jí)變速，確保低速時(shí)的扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的要求。但有一部分小型數(shù)控機(jī)床也采用這種傳動(dòng)方式，以獲得強(qiáng)力切削時(shí)所需要的扭矩?；讫X輪的移位大都采用液壓撥叉或直接由液壓缸帶動(dòng)齒輪來實(shí)現(xiàn)。（1）帶有變速齒輪的主傳動(dòng)（如圖）主要應(yīng)用在小型數(shù)控機(jī)床上，可以避免齒輪傳動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)和噪聲，但它只能適用于低扭矩特性要求的主軸。（2）通過帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)（如圖）同步帶的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)如圖所示。帶的工作面及帶輪外圓上均制成齒形，通過帶輪與輪齒相嵌合，作無滑動(dòng)的嚙合傳動(dòng)。帶內(nèi)采用了承載后無彈性伸長(zhǎng)的材料作強(qiáng)力層，以保持帶的節(jié)距不變，使主、從動(dòng)帶輪可作無相對(duì)滑動(dòng)的同步傳動(dòng)。同步帶傳動(dòng)是一種綜合了帶、鏈傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的新型傳動(dòng)。這種主傳動(dòng)方式大大簡(jiǎn)化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸的精度影響較大。（3）由調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng)（如圖）從直流主軸電動(dòng)機(jī)的速度與轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖中可以看出，在低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩輸出，高于額定轉(zhuǎn)矩時(shí)為恒功率輸出。使用這種電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)純電氣定向，而且主軸的控制功能可以很容易與數(shù)控系統(tǒng)相連接并實(shí)現(xiàn)修調(diào)輸入、速度和負(fù)載測(cè)量輸出等。（4）采用電主軸在高速加工機(jī)床上，大多數(shù)使用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和主軸一體的電主軸，可以使主軸達(dá)到每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)、甚至十幾萬轉(zhuǎn)的高速，主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，剛性更好。車床用電主軸銑床用電主軸目前，隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)（變頻調(diào)速技術(shù)、電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)等）的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡(jiǎn)化，基本上取消了帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”。這種主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”(ElectricSpindle,MotorSpindle)。由于當(dāng)前電主軸主要采用的是交流高頻電動(dòng)機(jī)，故也稱為“高頻主軸”（HighFrequencySpindle)。由于沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，有時(shí)又稱它為“直接傳動(dòng)主軸”（DirectDriveSpindle)。

電主軸所融合的技術(shù)：高速軸承技術(shù)：電主軸通常采用復(fù)合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時(shí)也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無限；高速電機(jī)技術(shù)：電主軸是電動(dòng)機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以把電主軸看作一臺(tái)高速電動(dòng)機(jī)。關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動(dòng)平衡；潤(rùn)滑：電主軸的潤(rùn)滑一般采用定時(shí)定量油氣潤(rùn)滑；也可以采用脂潤(rùn)滑，但相應(yīng)的速度要打折扣。所謂定時(shí)，就是每隔一定的時(shí)間間隔注一次油。所謂定量，就是通過一個(gè)叫定量閥的器件，精確地控制每次潤(rùn)滑油的油量。而油氣潤(rùn)滑，指的是潤(rùn)滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤(rùn)滑作用；太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)因油的阻力而發(fā)熱。

內(nèi)置脈沖編碼器：為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的相角控制以及與進(jìn)給的配合。自動(dòng)換刀裝置：為了應(yīng)用于加工中心，電主軸配備了自動(dòng)換刀裝置，包括碟形簧、拉刀油缸等；

高頻變頻裝置：要實(shí)現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用一高頻變頻裝置來驅(qū)動(dòng)電主軸的內(nèi)置高速電動(dòng)機(jī)，變頻器的輸出頻率必須達(dá)到上千或幾千赫茲。機(jī)床的主軸部件是機(jī)床重要部件之一，它帶動(dòng)工件或刀具執(zhí)行機(jī)床的切削運(yùn)動(dòng)，因此數(shù)控機(jī)床主軸部件的精度，抗振性和熱變形對(duì)加工質(zhì)量有直接的影響，由于數(shù)控機(jī)床在加工過程中