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1、数 控 机 床,1,第5章 数控机床的机械结构,数 控 机 床,2,上一章详细讨论进给伺服系统的软件硬件结构；进给伺服系统基本功能的原理及实现方法。,数 控 机 床,3,内容提要 本章将讨论数控机床的主运动系统、进给系统机械结构、运动传动机构以及典型部件等的功能、实现方法和安装调试方法。,数 控 机 床,4,5.1 数控机床的主运动结构 5.2 进给系统的机械传动结构 5.3 数控机床的刀具交换装置 5.4 数控机床的布局,数 控 机 床,5,5.1 数控机床的主运动结构,数 控 机 床,6,1、定义、功用、组成 定义： 主运动系统：指驱动主轴运动的系统。 主轴：指带动刀具和工件旋转，产生切削
2、运 动且消耗功率最大的运动轴。,5.1.1 概述,数 控 机 床,7,功用： 传递动力：传递切削加工所需要的动力 传递运动：传递切削加工所需要的运动 运动控制：控制主运动的大小方向开停 组成： 动力源：电机 传动系统：定比传动机构、变速装置 运动控制装置:离合器、制动器等 执行件：主轴,数 控 机 床,8,动力功率高 由于日益增长的对高效率要求，加之刀具材料和技术的进步，大多数NC机床均要求有足够高的功率来满足高速强力切削。 一般NC机床的主轴驱动功率在3.7kw250kw之间。,2、 对主传动系统要求,数 控 机 床,9,调速范围宽 调速范围：有恒扭矩、恒功率调速范围之分。现在，数控机床的主
3、轴的调速范围一般在： 10010000，且能无级调速。 要求恒功率调速范围尽可能大，以便在尽可能低的速度下，利用其全功率。 变速范围负载波动时，速度应稳定。,数 控 机 床,10,控制功能的多样化 同步控制功能：NC车床车螺纹用； 主轴准停功能：加工中心自动换刀、 NC车床车 螺纹用； 恒线速切削功能：NC车床和NC磨床在进行端面加工时，为了保证端面加工的粗糙度要求，要求接触点处的线速度为恒值； C轴控制功能：车削中心。,数 控 机 床,11,性能要求高 电机过载能力强。要求有较长时间（130min）和较大倍数的过载能力 在断续负载下，电机转速波动要小。 速度响应要快，升降速时间要短。 电机温
4、升低，振动和噪音小。 可靠性高，寿命长，维护容易。 体积小，重量轻，与机床联接容易。,数 控 机 床,12,3、主运动变速系统的参数 运动参数：主运动速度有关的参数：变速范围、转速等。 动力参数：电机功率、扭矩。,动力参数 主运动的功率 N=Nc/ （kw）,数 控 机 床,13,主运动的调速范围 主轴的调速范围是指主轴变速能力：,通常数控机床的都较普通机床要高，R n：10010000,数 控 机 床,14,1.普通电机机械变速系统主轴部件,特点：能够满足各种切削运动转矩输出的要求，但变速范围不大，由于是有级变速使切削速度的选择受到限制，而且该配置的结构较复杂，所以现在仅有少数经济型数控机床
5、采用该配置，其它已很少采用。,5.1.2 主运动的配置形式和驱动电机,数 控 机 床,15,2. 变频器交流电机12机械变速主轴部件,这种配置的结构简单、安装调试方便，且在传动上能满足转速与转矩的输出要求，但其调速范围及特性相对于交、直流主轴电机系统而言要差一些。 主要用于经济型或中低档数控机床上。,数 控 机 床,16,3. 交、直主轴电机 主轴部件,这种配置形式同上面一样，但电机是性能更好交直流主轴电机，其变速范围宽，最高转速可达8000 r/min，且控制功能丰富，可满足中高档数控机床的控制要求,数 控 机 床,17,4. 电主轴 电主轴又称内装式主轴电机，即主轴与电机转子合为一体，其优
6、点是主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高启动、停止的响应特性，利于控制振动和噪声。转速高，目前最高可达200000 r/min。其缺点是电机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴，因此，主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是内装式电机主轴的关键问题,数 控 机 床,18,车床用电主轴,铣床用电主轴,数 控 机 床,19,5.1.3 主轴部件,1、概述 功用： 夹持工件或刀具实现切削运动； 传递运动及切削加工所需要的动力。 组成： 主轴、支承、传动零件、装夹刀具或工件的附件及辅助零部件。,数 控 机 床,20,要求： 主轴的精度要高。包括运动精度（回转精度、轴向串动）、和安装刀具或夹持工件的夹具
7、的定位精度（轴向、径向）。 部件的结构刚度和抗振性好。 较低的运转温升以及较好的热稳定性。 部件的耐磨性和精度保持性好。 自动可靠的装夹刀具或工件,数 控 机 床,21,对数控机床除上述要求外，还应有：（在机械结构方面） 刀具的自动夹紧装置 主轴的准停装置 主轴孔的清理装置等,数 控 机 床,22,主轴部件的结构 主轴端部的结构形式 端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，因此，要保证刀具或夹具定位（轴向、定心）准确，装夹可靠、牢固，而且装卸方便。 目前，主轴的端部形状已标准化。,数 控 机 床,23,数 控 机 床,24,5.2 进给系统的机械传动结构,数 控 机 床,25,1、进给系统的功用 协
8、助完成加工表面的成形运动，传递所需的运动及动力。,5.2.1 进给系统机械传动结构概述,数 控 机 床,26,2、进给系统机械部分的组成 传动机构+运动变换机构+导向机构+执行件（工作台） 传动机构: 齿轮传动、同步带传动 运动变换：丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等 导向机构：导轨（滑动导轨、滚动导轨、静压导轨）,数 控 机 床,27,数 控 机 床,28,3、主要要求 （1）减小摩擦力 采用摩擦力及动静摩擦力差值较小的传动件及导轨. （2）提高传动精度和刚度 消除传动间隙，增加传动系统刚度. （3）减小运动惯量 快速响应.减小运动部件质量.,数 控 机 床,29,5.2.2 回转工作台,
9、1、定义与分类 定义：实现周向进给和分度运动工作台 分类： 分度工作台： 实现工作台的定角度回转运动，即分度、转位和定位工作。 数控回转工作台： 除了分度和转位的功能之外，还能实现数控圆周进给运动。,数 控 机 床,30,分类：按定位元件分 插销定位； 反靠定位； 齿盘定位； 钢球定位。,2、分度工作台,工作原理： 按照控制系统的指令自动地进行，每次转位回转一定的角度，如（ 1、5、10、15、30、45、90、180）。,数 控 机 床,31,3、数控回转工作台,（1）工作原理： 实现圆周进给运动的工作台-数控回转工作台（数控转台） （2）功能： 除了可以实现圆周进给运动之外，还可以完成分度
10、运动 （3）分类： 开环、闭环。,数 控 机 床,32,5.2.3 导轨,1、导轨的作用 导向：直线运动直线导轨；圆运动轴承 支承、承载 2、数控机床常用导轨形式 塑料导轨：滑动摩擦 滚动导轨：滚动摩擦 静压导轨：液体摩擦,数 控 机 床,33,3、对导轨的基本要求 一定的导向精度； 良好的摩擦特性：摩擦系数小（较高的灵敏度），动静摩擦系数之差小（低速平稳性好）； 阻尼特性好（高速时不振动）； 足够的刚度和强度； 良好的精度保持性。,数 控 机 床,34,内容小结,1、数控机床的主运动结构概述 2、主运动的配置形式和驱动电机 3、主轴部件 4、进给系统的机械传动结构概述 5、分度工作台 6、数
11、控回转工作台 7、导轨,数 控 机 床,35,习题与思考题,1、简述数控机床主运动系统的功用。 2、简述数控机床对主传动系统的要求。 3、简述数控机床主运动的配置形式及其特点。 4、简述数控机床进给系统机械部分的组成。 5、简述数控机床对导轨的基本要求,数 控 机 床,36,5.3 数控机床的刀具交换装置,数 控 机 床,37,内容提要 本节将讨论数控机床的自动刀具交换装置的形式、刀库的类型、刀具系统及选刀方式，最后将介绍一个自动刀具交换装置的实例。,数 控 机 床,38,5.3.1 概述,什么是自动换刀装置： 储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换功能的装置 ATC：Automatic To
12、ol Changer 为什么需要自动换刀装置： 缩短非切削时间，提高生产率，可使非切削时间减少到2030； “工序集中”，扩大数控机床工艺范围，减少设备占地面积； 提高加工精度；,数 控 机 床,39,数控机床对ATC要求： 换刀时间尽可能短； 刀具重复定位精度高； 刀具储存量足够； 结构紧凑，便于制造、维修、调整； 布局应合理，使机床总布局美观大方； 较好的刚性，避免冲击、振动及噪声，运转安全可靠； 防屑、防尘装置。 应用 数控车床、“加工中心”、车削中心、五面加工机床,数 控 机 床,40,5.3.2 自动换刀装置的形式,1、回转刀架换刀 工作原理同分度工作台,数 控 机 床,41,数 控
13、 机 床,42,2、更换主轴换刀,数 控 机 床,43,3、更换主轴箱换刀,数 控 机 床,44,4、更换刀库换刀,数 控 机 床,45,5、带刀库的自动换刀系统 这类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换机构及刀具在主轴上的自动装卸机构等四部分组成， 刀库可装在机床的工作台上、立柱上或主轴箱上，也可作为一个独立部件装在机床之外。 这类换刀装置应用最广泛。,数 控 机 床,46,刀库装在机床的工作台上，这种换刀装置，直接利用机床本身及刀库的运动进行换刀。当某一刀具加工完毕从工件退出后，即开始进行自动换刀 。,数 控 机 床,47,现在的中小型加工中心，刀库不是装在工作台上，而是装在立柱上的一个托架
14、上。采用刀库在托架的导轨上平行于X方向运动与主轴的上下运动实现换刀。,数 控 机 床,48,数 控 机 床,49,当刀库的容量大、刀具较重或机床总体布局等原因， 刀库也可作为一个独立部件，装在机床之外,数 控 机 床,50,刀库远离主轴，常常要附加运输装置，来完成刀库与主轴之间刀具的运输。,数 控 机 床,51,为了缩短换刀时间，可采用带刀库的双主轴或多主轴换刀系统,数 控 机 床,52,5.3.3 刀 库,1、刀库的形式 （1）盘式刀库,数 控 机 床,53,数 控 机 床,54,（2）链式刀库,数 控 机 床,55,数 控 机 床,56,数 控 机 床,57,数 控 机 床,58,数 控
15、机 床,59,2、设计刀库时应考虑的主要问题 （1）合理确定刀库容量 对总体布局和 成本影响机大； 对机床工艺能 力和效率有影响；,数 控 机 床,60,（2）尽量缩短选刀时间 （3）刀库运动速度应适宜 外链式刀库的线速度可达100800mms，盘刀库的转速多为1060s。 （4）要求刀库运行平稳 （5）刀座在刀库中的排列 （6）其他应注意的问题 夹持可靠，刀库防尘、防屑及安全防护等,数 控 机 床,61,5.4 数控机床的布局,数 控 机 床,62,概念： 数控机床的布局是指机床机械结构部件相对安装位置的总体方案。,5.4.1 概述,数 控 机 床,63,数控机床机械结构 机床基础件 ：床身
16、、底座、立柱、横梁、工作台 主运动系统（主轴） 进给传动系统 辅助功能部件：气动、润滑、冷却、排屑、防护等 刀架或自动换刀装置（ATC） 自动托盘交换装置（APC、AWC） 特殊功能装置：刀具破损监控、精度检测等。,数 控 机 床,64,高自动化：要求自动保证稳定的加工精度。 高精度和大功率： 数控机床集高精度与重切削于一身，因此对传动件和基础件的结构和刚度有了更高的要求。 高速度: 简化传动机构，趋势：“零传动”,5.4.2 数控机床的功能和性能对布局结构的要求,数 控 机 床,65,工艺复合化和功能集成化： 附件和辅助装置增多 工艺复合化是指“一次装夹，多工序加工” 功能集成化是指“一机多
17、能”。 高可靠性 数控机床应能在高负荷下长时间无故障连续工作， 因而对机械元、部件的可靠性提出了很高的要求。,数 控 机 床,66,数控机床总体布局与工艺因素 表面形成方法对总体布局的影响 数控车床，数控铣床、数控齿轮加工机床等 工序集中 加工中心、五面加工机床、车铣复合机床等 工件的尺寸、重量对布局的影响 小型、中型、大型和重型数控机床；,5.4.3 影响数控机床总体布局的因素,数 控 机 床,67,总体布局与刀库配置 盘式刀库、链式刀库等 总体布局与操作使用 方便操作、使用等 总体布局与其它 机电一体化结构 全封闭式结构,数 控 机 床,68,5.4.4 数控机床的总体布局实例,数 控 机
18、 床,69,数 控 机 床,70,数 控 机 床,71,数 控 机 床,72,数 控 机 床,73,数 控 机 床,74,数 控 机 床,75,数 控 机 床,76,数 控 机 床,77,数 控 机 床,78,数 控 机 床,79,内容小结,1、 数控机床的刀具交换装置概述 2、自动换刀装置的形式 3、刀 库 4、数控机床的布局概述 5、数控机床的功能和性能对布局结构的要求 6、影响数控机床总体布局的因素 7、数控机床的总体布局实例,数 控 机 床,80,习题与思考题,1、简述自动换刀装置的作用。 2、简述自动换刀装置的形式。 3、简述设计刀库时应考虑的主要问题。 4、 简述数控机床机械结构的组成。 5、简述数控机床的功能和性能对布局结构的要求。 6、简述影响数控机床总体布局的因素。,