第七章 数控机床的机械结构.

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1 第七章 数控机床的机械结构

2 授课内容 1 数控机床结构的组成、特点及要求 2 数控机床的整体布局 3 数控机床的导轨 4 数控机床的自动换刀装置
5 数控机床的回转工作台

3 1 数控机床结构的组成、特点及要求 1.1 数控机床机械结构的主要组成 1、主传动系统 2、进给系统 3、机床基础件
4、实现某些部件动作和辅助功能的装置 5、实现工件回转、分度定位的装置和附件 6、刀库、刀架和自动换刀装置 7、自动托盘交换装置（APC装置） 8、特殊功能装置

4 1.2 数控机床机械结构的主要特点 1.3 数控机床对机械结构的基本要求 1、结构简单、操作方便、自动化程度高
2、广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品 3、具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件 4、对机械结构、零部件的要求高 1.3 数控机床对机械结构的基本要求 1、提高机床结构的静刚度 刚度：结构在特定的激扰下抵抗变形的能力。 静载荷下抵抗变形的能力称为静刚度，动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度，即引起单位振幅所需要的动态力。 静刚度一般用结构的在静载荷作用下的变形多少来衡量，动刚度则是用结构的固有频率来衡量；

5 1.2 数控机床机械结构的主要特点 1.3 数控机床对机械结构的基本要求 1、结构简单、操作方便、自动化程度高
2、广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品 3、具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件 4、对机械结构、零部件的要求高 1.3 数控机床对机械结构的基本要求 1、提高机床结构的静刚度 1)基础件采用合理的截面形状和尺寸以及筋板结构 2)采用合理布局，改善受力状态，提高机床的静刚度 3)补偿有关零部件的静力变形 4)提高机床各部件的接触刚度 5)采用钢板焊接结构 5

6 1) 基础件采用合理的 截面形状和尺寸 以及筋板结构

7 1) 基础件采用合理的 截面形状和尺寸以及筋板结构
数控车床的床身截面

8 2)采用合理布局，改善受力状态，提高机床的静刚度

9 3)补偿有关零部件的静力变形

10 1.3 数控机床对机械结构的基本要求 2、提高机床结构的抗振性 1）基础件内充填泥芯

11 1.3 数控机床对机械结构的基本要求 2、提高机床结构的抗振性 1）基础件内充填泥芯 11

12 1.3 数控机床对机械结构的基本要求 2、提高机床结构的抗振性 1）基础件内充填泥芯 2）表面采用阻尼涂层 3）采用新材料制造基础件
4）充分利用接合面间的阻尼 3、减小机床的热变形 1）改进机床布局和结构 热对称 预拉伸的滚珠丝杠结构 机床布局时，尽量减小热变形的影响 2）控制升温 3）采用热变形调节件 12

13 4、改善运动导轨副的摩擦特性

14 2 数控机床的整体布局 2.1 数控车床的常见布局形式 平床身 斜床身 立式床身

15 2 数控机床的整体布局 2.1 数控车床的常见布局形式 平床身 斜床身 立式床身
2 数控机床的整体布局 2.1 数控车床的常见布局形式 平床身 斜床身 立式床身 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。 15

16 （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。
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。 （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。

17 （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。 斜床身布局的数控车床（导轨倾斜角度通常选择45º、60º或75º），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，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。

18 2.2 加工中心常见布局形式 （1）卧式加工中心的常见布局形式
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）。 常用的立柱 单立柱 框架结构双立柱 Z坐标轴的移动方式有工作台移动式和立柱移动式两种。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。

19 （1）卧式加工中心的常见布局形式 图4-11a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4-11b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4-11c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

20 （2）立式加工中心的常见布局形式 图4-12a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4-12b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； 图4-12b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。

21 （2）立式加工中心的常见布局形式 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。

22 2.3 高速数控机床的布局形式 立式数控机床采用的固定门式立柱布局形式
卧式数控机床采用的“内外双框架”结构布局, 即“箱中箱”（Box in Box)结构

23 2.4 并联运动机床的布局形式 并联运动基础是以空间并联机构为基础，利用计算机数字控制的方法，以软件取代部分硬件，以电气装置和电子器件取代部分机械传动。

24 3 数控机床的导轨 3.1 数控机床对导轨的基本要求 机床上的直线运动部件都是沿着它的床身、立柱、横梁等上的导轨进行运动的,导轨的作用概括地说是对运动部件起导向和支承作用,导轨的制造精度及精度保持性对机床加工精度有着重要作用的影响。基本要求主要有: 导向精度高; 精度保持性好; 足够的刚度; 良好的摩擦特性; 此外,导轨结构工艺性要好,便于制造和装配,便于检验、调整和维修,而且有合理的 导轨防护和润滑措施等。 数控机床对导轨的要求主要有: (1) 导向精度高 导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线与有关基面之间的中相互位置的准确性。无论空载还是加工,导轨都应具有足够的导向精度,这是对导轨的基本要求。各种机床对于导轨本身的精度都有具体的规定或标准,以保证导轨的导向精度。 (2) 精度保持性好 精度保持性是指导轨能否长期保持原始精度。影响精度保持性的主要因素是导轨的磨损,此外,还与导轨的结构形式及支承件(如床身)的材料有关。数控机床的精度保持性要求比普通机床高,应采用摩擦系数小的滚动导轨,塑料导轨或静压导轨。 (3) 足够的刚度 机床各运动部件所受的外力,最后都由导轨面来承受,若导轨受力后变形过大,不仅破坏了导向精度,而且恶化了导轨的工作条件。导轨的刚度主要决定于导轨类型、结构形式和尺寸大小、导轨与床身的联接方式、导轨材料和表面加工质量等。数控机床的导轨截面积通常较大,有时还需要在主导轨外添加辅助导轨来提高刚度。 (4) 良好的摩擦特性 数控机床导轨的摩擦系数要小,而且动、静摩擦因数应尽量接近,以减小摩擦阻力和导轨热变形,使运动轻便平稳,低速无爬行。 此外,导轨结构工艺性要好,便于制造和装配,便于检验、调整和维修,而且有合理的 导轨防护和润滑措施等。

25 3.2数控机床导轨的种类与特点 导轨按接触面的摩擦性质可以分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三种。 滑动导轨 滚动导轨 静压导轨

26 3.2数控机床导轨的种类与特点 滑动导轨 滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点,是机床上使用最广泛的导轨形式。但普通的铸铁一铸铁、铸铁一淬火钢导轨,存在的缺点是静摩擦系数大,而且动摩擦因数随速度变化而变化,摩擦损失大,低速(1 ～60mm/min)时易出现爬行现象,降低了运动部件的定位精度。 塑料导轨不仅可以满足机床对导轨的低摩擦、耐磨、无爬行、高刚度的要求,同时又具有生产成本低、应用工艺简单、经济效益显著等特点。因此,在数控机床上得到了广泛的应用。 通过选用合适的导轨材料和采用相应的热处理及加工方法,可以提高滑动导轨的耐磨性及改善其摩擦特性。如:采用优质铸铁、合金耐磨铸铁或镶洋火钢导轨;进行导轨表面滚轧强化、表面洋硬、涂铬、涂钼工艺处理等等。 镶粘塑料导轨不仅可以满足机床对导轨的低摩擦、耐磨、无爬行、高刚度的要求,同时又具有生产成本低、应用工艺简单、经济效益显著等特点。因此,在数控机床上得到了广泛的应用。 镶粘塑料导轨是通过在滑动导轨面上镶粘一层由多种成分复合的塑料导轨软带,来达到改善导轨性能的目的。这种导轨的共同特点是:摩擦系数小,且动、静摩擦因数差很小,能防止低速爬行现象；耐磨性,抗撕伤能力强；加工性和化学稳定性好,工艺简单,成本低,并有良好的自润滑和抗震性。塑料导轨多与铸铁导轨或淬硬刚导轨相配使用。 常用的塑料导轨软带主要有以下几种: 1) 以聚四氟乙烯(PTFY)为基体,通过添加不同的填充料构成的高分子复合材料。聚四氟乙烯是现有材料中摩擦系数最小(0.04)的一种,但纯聚四氟乙烯不耐磨,因而需要添加663青铜粉、石墨、MoS2、铅粉等填充料增加耐磨性。这种导轨软带具有良好的抗磨、减磨、吸振、消声性能；适用的工作温度范围广( -200～280°C )；动、静摩擦因数小,且两者差别很小；还可以在干摩擦下应用；并且能吸收外界进入导轨面的硬粒,使导轨不至拉伤和磨损。这种材料常被做成厚度0.1～2.5mm的塑料软带的形式,粘结在导轨基面上,图2-22是镶粘塑料导轨的结构示意图。 图2-22b中滑板2和床身1间采用了聚四氟乙烯一铸铁导轨副,在滑板的各导轨面,以及压板5和镶条3也粘贴有聚四氟乙烯塑料软带, 满足了机床对导轨的低摩擦、耐磨、无爬行、高刚度的要求。图2-22a为聚四氟乙烯塑料软带的粘贴尺寸以及粘贴表面加工要求示意图,在导轨面加工出0.5 ～1mm深的凹槽,通过粘接胶将塑料软带和导轨粘接。 这种导轨软带还可将其制成金属与塑料的导轨板形式(称DU导轨)。 DU导轨是一种在钢板上烧结青铜粉及真空浸渍含铅粉的聚四氟乙烯的板材。导轨板的总厚度为2 ～ 4mm,多孔青铜上方表层的聚四氟乙烯厚度为0.025mm。它的优点是刚性好,线性膨胀系数与钢板几乎相同。 2) 以环氧树脂为基体,加入MoS2,胶体石墨Ti02等制成的抗磨涂层材料。这种涂料附着力强,可用涂敷工艺或压注成形工艺涂到预先加工成锯齿形状的导轨上,涂层厚度为1.5～2.5mm。我国己生产的有环氧树脂耐磨涂料(MNT) ,在它与铸铁组成的导轨副中,摩擦系数 ƒ= 0.1～0.12,在无润滑油情况下仍有较好的润滑和防爬行的效果。塑料涂层导轨主要使用在大型和重型机床上。

27 3.2数控机床导轨的种类与特点 滑动导轨

28 3.2数控机床导轨的种类与特点 滚动导轨 滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠、滚柱、滚针等滚动体,使导轨面之间的滑动摩擦变成为滚动摩擦。滚动导轨与滑动导轨相比的优点是: ①灵敏度高,且其动摩擦与静摩擦系数相差甚微,因而运动平稳,低速移动时,不易出现爬行现象。 ②定位精度高,重复定位精度可达0.2μm。 ③摩擦阻力小,移动轻便,磨损小,精度保持性好,寿命长。但滚动导轨的抗振性较差,对防护要求较高。

29 3.2 数控机床导轨的种类与特点 静压导轨 静压导轨的滑动面之间开有油腔,将有一定的油通过节流输入油腔,形成压力油膜,浮起运动部件,使导轨工作表面处于纯液体摩擦,不产生磨损,精度保持性好。同时摩擦系数也极低(0.0005) ,使驱动功率大大降低;低速无爬行,承载能力大,刚度好；此外，油液有吸振作用,抗振性好。其缺点是结构复杂,要有供油系统,油的清洁度要求高。 静压导轨横截面的几何形状一般V形和矩形两种。采用V形便于导向和回油,采用矩形便于做成闭式静压导轨。另外,油腔的结构,对静压导轨性能影响很大。

30 3.3 塑料滑动导轨 （1）矩形导轨 承载能力大，制造方便。 但磨损后不能自动补偿间隙。必须设置间隙调整装置。

31 3.3 塑料滑动导轨 （2）三角形导轨 具有自动补偿磨损的能力，故其导向性好，但制造较麻烦。
顶角一般为90度，小于90度可提高导向精度，110～120度时可提高承载能力。设计时两斜面的比压要基本相等。

32 3.3 塑料滑动导轨 （3）燕尾形导轨 结构紧凑，高度较小，常用于多层次移动部件中（如车床刀架）。 但制造较麻烦。不能自动补偿间隙。
必须有消除间隙装置。

33 3.3 塑料滑动导轨 （4）圆柱形导轨 制造方便。 但磨损后间隙调整困难，故常用于受轴向力为主的场合，如拉床、钻床的主轴和导向套组成的导轨副。

34 3.3 塑料滑动导轨 数控机床所采用的滑动导轨是铸铁-塑料或镶钢-塑料导轨。
目前导轨所使用的塑料常用聚四氟乙烯导轨软带和环氧树脂涂层导轨，它们的特点是摩擦特性好，能防止低速爬行，运动平稳，耐磨性好，对润滑油的供油量要求不高。塑料的阻尼性好，能吸收振动。塑料导轨还具有良好的工艺性 镶钢塑料（通过在滑动导轨面上镶粘一层由多种成分复合的塑料导轨软带）导轨不仅可以满足机床对导轨的 低摩擦、耐磨、无爬行、高刚度的要求，同时又具有生产成本低、应用工艺简单、经济效益显著等特点。

35 3.4 滚动导轨 滚动导轨的结构原理及特点 （1）滚动导轨块 滚动导轨块是由标准导轨块构成的滚动导轨。滚动体多为滚珠和滚柱。

36 3.4 滚动导轨 滚动导轨的结构原理及特点 （2）直线滚动导轨

37 3.4 滚动导轨 滚动导轨的结构原理及特点 （2）直线滚动导轨

38 3.4 滚动导轨 滚动导轨的结构原理及特点 （2）直线滚动导轨（安装步骤） 38

39 3.5 静压导轨 39

40 4 数控机床的自动换刀装置 在数控机床上，实现刀具自动交换的装置称为自动换 刀装置。作为自动换刀装置的功能，它必须能够存放一定
数量的刀具，即：有刀库或刀架；并能完成刀具的自动交 换。 4.4.1自动换刀装置的类型 自动换刀装置根据其组成结构，可分为：回转刀架式、 转塔式和带刀库式

41 回转刀架式 回转刀架由驱动电机作为动力源，通过机械传动系统的动作，自动实现刀盘的放松、转位、定位及夹紧等动作。刀具通过压板及斜铁夹紧，更换刀具和对刀都较方便。

42 转塔式自动换刀装置

43 车削中心动力刀架

44 带刀库式自动换刀装置 刀具的交换方式 刀具的交换方式通常有两种：无机械手换刀方式和 机械手换刀方式 无机械手换刀方式是通过刀库与机床主轴的相对运 动，结合刀库的回转运动实现刀具自动交换的方式。 机械手换刀是利用机械手实现主轴和刀库间刀具交换 的方式。它可以克服无机械手换刀的缺点，刀具交换速 度快，刀具数量多，刀库布局灵活，使用范围广。

45 无机械手换刀

46 机械手换刀

47 4.2刀库的类型与容量 刀库是自动换刀装置的主要部件，其容量、布局以及具体结构对数控机床的设计有很大的影响。 刀库的功能是储存加工工序所需要的各种刀具，并按程序指令把将要用的刀具准确地送到换刀位置，并接受从主轴送来的已用刀具。 根据刀库所需要的容量和取刀的方式，可以将刀库设计成多种形式。 加工中心目前最常用的刀库类型有鼓轮式刀库和链式刀库。

48 鼓轮式刀库 刀具轴线与鼓轮轴线平行式布局

49 鼓轮式刀库 刀具轴线与鼓轮轴线倾斜式布局

50 链式刀库 链式刀库的优点是结构紧凑、布局灵活、刀库容量大，可以实现刀具的“预选”，换刀时间短。

51 链式刀库

52 链式刀库

53 链式刀库

54 刀库的容量 刀库的容量首先要考虑加工工艺的分析的需要。一般情况下，并不是刀库中的刀具越多越好，太大的容量会增加刀库的尺寸和占地面积，使选刀过程时间增长。例如，立式加工中心的主要工艺为钻、铣。 统计了15000种工件，按成组技术分析，各种加工刀具所必需的刀具数的结果是：4把刀的容量就可以完成95%左右的铣削工艺，10把孔加工刀具可完成70%的钻削工艺，因此，14把刀的容量就可完成70~以上的工件钻削工艺。如果从完成工件的全部加工所需的刀具数目统计，所得结果是80%的工件完成全部加工任务所需的刀具数在40种以下，所以一般的中小型立式加工中心配14~30把刀具的刀库就能够满足70%~95%的工件加工需要。

55 刀库的容量

56 4.3 换刀时的自动选刀 按数控装置的刀具选择指令，从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。在刀库中，选择刀具通常采用两种方法。
1. 顺序选刀 在加工之前，将加工零件所需刀具按照工艺要求依次插入刀库的刀套中，顺序不能不差错，加工时按顺序调刀称为顺序选刀。 加工不同的工件时必须重新调整刀库中的刀具顺序，因而操作十分繁琐，而且加工同一工件中各工序的刀具不能重复使用。这样就会增加刀具的数量，而且由于刀具的尺寸误差也容易造成加工精度的不稳定。其优点是刀库的驱动和控制都比较简单。因此这种方式适合工件品种数量较少的中小型自动换刀数控机床。

57 2、任意选刀 这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可以任意存放。每把刀具都编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具都经过“刀具识别装置”接受识别。当某把刀具的代码与数控指令的代码相符合时，该把刀具被选中，刀库将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。任意选择刀具法的优点是刀库中刀具的排列顺序与工件加工顺序无关，相同的刀甚至可重复使用。因此，刀具数量比顺序选刀的刀具可以少一些，刀库也相应的小一些。

58 任意选刀主要有两种方式： （1）刀具编码方式 编码刀柄的结构 58

59 任意选刀主要有两种方式： （1）刀具编码方式 刀具识别装置 59

60 任意选刀主要有两种方式： （1）刀具编码方式 刀具识别装置 60

61 任意选刀主要有两种方式： （2）刀座编码方式 61

62 5 数控机床的回转工作台 定义：实现周向进给和分度运动的工作台。 分类：分度工作台和数控回转工作台。
工作台是数控机床的重要部件，为了提高数控机床的生产效率，扩大其工艺范围，对于数控机床的进给运动除了沿坐标轴X、Y、Z三个方向的直线进给运动之外，还常常需要有分度运动和圆周进给运动。 定义：实现周向进给和分度运动的工作台。 分类：分度工作台和数控回转工作台。

63 5.1 分度工作台 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。
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°）。 在数控机床上采用伺服电机驱动的分度工作台称为数控分度工作台，它可以分度的最小角度通常都较小，一般有0.5°、1°等，一般都采用鼠牙盘式定位。 在数控机床上有时也采用液压或手动分度工作台，这种分度工作台一般只能回转规定的角度，如：可以每隔90°、60°或45°进行分度，可以采用鼠牙盘式定位或定位销定位。

64 鼠牙盘 鼠牙（齿）盘式分度工作台 主要特点： 定位精度高，可达±2〃，最高可达±0.4〃。 采用多齿重复定位，重复定位精度稳定。
由于多齿啮合，啮合率高，所以定位刚度好，承载能力强。 最小分度为360º/Z，分度数目多，适用于多工位分度。 由于离合过程具有磨合作用，其定位精度不断提高，使用寿命长。 缺点是鼠齿盘制造比较困难。 鼠牙盘

65 鼠牙（齿）盘式分度工作台 鼠牙盘式液压分度工作台主要由工作台面、底座夹紧 油缸、分度油缸及鼠牙盘等部件组成，其工作过程如下： ⑴ 分度工作台抬起、松开 ⑵ 分度工作台回转、分度 ⑶ 分度工作台落下、夹紧 ⑷ 分度油缸返回

66 定位销式分度工作台 主要特点： 定位精度取决于定位销和定位孔的精度，最高可达±5〃。 定位销和定位孔衬套制造和装配精度要求高。 定位销和定位孔衬套硬度和耐磨性要求高。

67 定位销式分度工作台 工作过程分为三步： 工作台松开并抬起 工作台回转分度 工作台下 降并锁紧

68 5.2 数控回转工作台 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。
功能：完成工作台的连续回转进给和任意角度的分度。 作用：即能作为回转坐标轴实现坐标联动加工，又能 作为分度头完成工件的转位换面。 特点：采用伺服系统实现回转、精确分度和定位。

69 立 式 数 控 回 转 工 作 台 69

70 卧式数控回转工作台 主要用于立式机床， 以实现圆周运动，它一 般由传动系统、蜗轮蜗 杆副、夹紧机构等部分 组成。右图是一种数
控机床常用的立式数控 回转工作台，可以采用 气动或液压夹紧，其结 构原理如图：

71 作业 1.数控机床机械结构的主要组成部分有哪些？ 2.提高机床结构的静刚度的措施有哪些？ 3.7-3
4.无机械手换刀方式和机械手换刀方式的工作原理 5.换刀时的自动选刀的方式有哪些？