1、第一節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)與基本要求一、數(shù)控機(jī)床對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本要求從數(shù)控技術(shù)的特點(diǎn)看，由于數(shù)控機(jī)床采用了伺服電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)床執(zhí)行部件動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)位移的直接控制，傳統(tǒng)機(jī)床的變速箱結(jié)構(gòu)被取消了，因而機(jī)械結(jié)構(gòu)也大大簡(jiǎn)化了。數(shù)字控制還要求機(jī)械系統(tǒng)有較高的傳動(dòng)剛度且沒(méi)有傳動(dòng)間隙，以確?？刂浦噶畹膱?zhí)行和控制品質(zhì)的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)由于計(jì)算機(jī)水平和控制能力的不斷提高，同一臺(tái)機(jī)床上允許更多功能部件同時(shí)執(zhí)行所需要的各種輔助功能已成為可能，因而數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)機(jī)床具有更高的集成化功能要求。從制造技術(shù)發(fā)展的要求看，隨著新材料和新工藝的出現(xiàn)以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)低成本的要求，金屬切削加工正朝著切削精度和速度

2、越來(lái)越高、生產(chǎn)效率越來(lái)越高和系統(tǒng)越來(lái)越可靠的方向發(fā)展。這就要求在傳統(tǒng)機(jī)床基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的數(shù)控機(jī)床精度更高、驅(qū)動(dòng)功率更大，機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)、靜、熱態(tài)剛度更好，工作更可靠，能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行和有盡可能少的停機(jī)時(shí)間。綜合上述原因，數(shù)控機(jī)床對(duì)其基本要求可歸納為要有更高的精度，更好動(dòng)、靜態(tài)剛度，以適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)的耐用度和工作可靠性。二、數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成典型數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由基礎(chǔ)件、主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、自動(dòng)換刀裝置及其他機(jī)械功能部件等幾部分組成。數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)件通常是指床身、立柱（或橫梁）、工作臺(tái)、底座等結(jié)構(gòu)件，由于其尺寸較大，俗稱(chēng)“大件”，構(gòu)成了機(jī)床的基本框架。其他部件附著在基礎(chǔ)件

3、上，有的部件還需要沿著基礎(chǔ)件運(yùn)動(dòng)。由于基礎(chǔ)件起著支承和導(dǎo)向的作用，因而對(duì)基礎(chǔ)件的基本要求是剛度好。此外，由于基礎(chǔ)件通常固有頻率較低，在設(shè)計(jì)時(shí)，還希望它的固有頻率能高一些，阻尼能大一些。和傳統(tǒng)機(jī)床一樣，數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳遞給主軸，保證系統(tǒng)具有切削所需要的轉(zhuǎn)矩和速度。但由于數(shù)控機(jī)床具有比傳統(tǒng)機(jī)床更高的切削性能要求，因而要求數(shù)控機(jī)床的主軸部件具有更高的回轉(zhuǎn)精度、更好的結(jié)構(gòu)剛度和抗振性能。由于數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)常采用大功率的變速電動(dòng)機(jī)，因而主傳動(dòng)鏈較傳統(tǒng)機(jī)床短，不需要復(fù)雜的變速機(jī)構(gòu)。由于自動(dòng)換刀的需要，具有自動(dòng)換刀功能的數(shù)控機(jī)床主軸在內(nèi)孔中需要有刀具自動(dòng)送開(kāi)和夾緊裝置。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)

4、構(gòu)是直接接受計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令，實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給和定位，對(duì)機(jī)床的運(yùn)行精度和質(zhì)量影響最明顯。因此，對(duì)數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的主要要求是精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)的能力，即要它能盡快地根據(jù)控制指令要求，穩(wěn)定地達(dá)到需要的加工速度和位置精度，并盡量小地出現(xiàn)振蕩和超調(diào)現(xiàn)象。根據(jù)工作要求回轉(zhuǎn)工作臺(tái)分成兩種類(lèi)型，即數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和分度轉(zhuǎn)臺(tái)。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)在加工過(guò)程中參與切削，相當(dāng)于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸，因而對(duì)它的要求和進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的要求是一樣的。分度轉(zhuǎn)臺(tái)只完成分度運(yùn)動(dòng)，主要要求分度精度指標(biāo)和在切削力作用下保持位置不變的能力。轉(zhuǎn)塔刀架在原理和結(jié)構(gòu)上都和分度轉(zhuǎn)臺(tái)類(lèi)似。為了在次安裝后能盡可能多地完成同一工件不同部位的加工要求，并盡

5、可能減少數(shù)控機(jī)床的非故障停機(jī)時(shí)間，數(shù)控加工中心的機(jī)床常具有自動(dòng)換刀裝置和自動(dòng)化托盤(pán)交換裝置。對(duì)自動(dòng)換刀裝置的基本要求主要是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。其他機(jī)械功能部件主要指潤(rùn)滑、冷卻、排屑和監(jiān)控機(jī)構(gòu)。由于數(shù)控機(jī)床是生產(chǎn)效率極高并可以長(zhǎng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工的機(jī)床，因而潤(rùn)滑、冷卻、排屑問(wèn)題比傳統(tǒng)機(jī)床更為突出。大切削量的加工需要強(qiáng)力冷卻和及時(shí)排屑，冷卻的不足或排屑不暢會(huì)嚴(yán)重影響刀具的壽命，甚至使得加工無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。大量冷卻和潤(rùn)滑的作用還對(duì)系統(tǒng)的密封和防漏提出了更高的求，從而導(dǎo)致半封閉、全封閉結(jié)構(gòu)的機(jī)床出現(xiàn)。三、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床的使用者應(yīng)該對(duì)數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)有一個(gè)比較全面的了解，數(shù)控機(jī)床的床身是整個(gè)

6、機(jī)床的基礎(chǔ)支承件，一般用來(lái)放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。為了滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床加工精度，需要機(jī)床在受熱、受力時(shí)變形小。所以在床身結(jié)構(gòu)上要盡可能地提高它的靜、動(dòng)剛度，更好的抗振忭。另外，為了減少熱變形，在結(jié)構(gòu)上能做到熱的均勻或及時(shí)清除熱源等，特別是減少運(yùn)動(dòng)部件的摩擦力和清除傳動(dòng)間隙等方面，從結(jié)構(gòu)和技術(shù)上需要采取很多措施，只有解決了上述問(wèn)題才能提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度與定位精度。由于數(shù)控機(jī)床最終能使被加：正零件得到很高的加工精度，所以數(shù)控機(jī)床與傳統(tǒng)的非數(shù)控機(jī)床在結(jié)構(gòu)上有很多變化。數(shù)控機(jī)床的床身多采用整體結(jié)構(gòu)，采用米漢納鑄鐵鑄造、人造花崗巖、鋼板焊接等材料。為了減小運(yùn)動(dòng)部件的摩擦力，在導(dǎo)軌上也有很大的改善，除了采

7、用改進(jìn)的滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌之外，在滑動(dòng)導(dǎo)軌上也采取了不少措施，如采用滑動(dòng)導(dǎo)軌表面三面貼塑工藝，使滑動(dòng)導(dǎo)軌減小了摩擦力，而且也提高了耐磨度，避免機(jī)床的爬行。在數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)方面，比較普遍地使用滾珠絲杠，由于滾珠絲杠是滾動(dòng)摩擦，所以可以大大減小進(jìn)給傳動(dòng)中的摩擦力。（一）鑄造床身結(jié)構(gòu)根據(jù)數(shù)控機(jī)床的類(lèi)型不同，床身的結(jié)構(gòu)有各種各樣的形式。數(shù)控銑床和加工中心等這一類(lèi)數(shù)控機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)有固定立柱式和移動(dòng)立柱式兩種。前者一般適用于中小型立式或臥式加工中心，而后者又分為整體T形床身和前后床身分開(kāi)組裝的T形床身。T形床身是指床身是由橫置的前床身（也稱(chēng)橫床身）和與它垂直的后床身（也稱(chēng)縱床身）組成。整體式床身，剛性和

8、精度保持性都比較好，但是卻給鑄造和加工帶來(lái)很大不便，尤其是大中型機(jī)床的整體床身，加工時(shí)需有大型設(shè)備。而分離式T形床身，鑄造工藝性加工工藝性都大大改善，但前后床身連接處要刮研，連接時(shí)用定位鍵和專(zhuān)用定位銷(xiāo)定位，然后沿截面四周，用大螺栓固緊。這樣連接的床身，在剛度和精度保持性方面，基本也能滿(mǎn)足使用要求。機(jī)床床身結(jié)構(gòu)一般為箱體結(jié)構(gòu)，為使床身在較小質(zhì)量下又能獲得較高的靜剛度和適宜的固有頻率，設(shè)計(jì)時(shí)需采用筋板結(jié)構(gòu)，圖21所示是床身中常用的幾種筋板布置的截面圖。24數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌組成：動(dòng)導(dǎo)軌、支承導(dǎo)軌。作用：對(duì)運(yùn)動(dòng)部件起支承和導(dǎo)向作用。2.4.1 數(shù)控機(jī)床對(duì)導(dǎo)軌的基本要求1. 導(dǎo)向精度高2. 耐磨性能好3.

9、足夠的剛度4. 良好的摩擦特性5. 工藝性好2.4.2 數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌的類(lèi)型與特點(diǎn)一滑動(dòng)導(dǎo)軌1. 優(yōu)點(diǎn)：具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、剛度好、抗振性高等。2. 缺點(diǎn)：是靜摩擦系數(shù)大，且動(dòng)摩擦系數(shù)隨速度變化而變化，摩擦損失大，低速時(shí)易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，降低了運(yùn)動(dòng)部件的定位精度。3. 目前多數(shù)采用貼塑導(dǎo)軌。貼塑導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)：貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)是摩擦特性好、耐磨性好、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、減振性好、工藝性好。二滾動(dòng)導(dǎo)軌1. 優(yōu)點(diǎn)：（1）靈敏度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，低速移動(dòng)時(shí)不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；（2）定位精度高；（3）摩擦阻力小，移動(dòng)輕便，磨損小，精度保持性好，壽命長(zhǎng)。2. 缺點(diǎn)：抗振性較差，對(duì)防護(hù)要求較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造比較困難，成本

10、較高。3. 三種結(jié)構(gòu)形式：4. 1）滾珠導(dǎo)軌；（2）滾柱導(dǎo)軌；（3）滾針導(dǎo)軌。三靜壓導(dǎo)軌1. 優(yōu)點(diǎn)：不產(chǎn)生磨損，機(jī)械效率高，精度保持性好，摩擦因數(shù)小，低速不易產(chǎn)生爬行，抗震性好。2. 分類(lèi)：液體靜壓導(dǎo)軌和氣體靜壓導(dǎo)軌。液體靜壓導(dǎo)軌缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，液壓裝置比較大，且需要專(zhuān)門(mén)的供油系統(tǒng)。氣體靜壓導(dǎo)軌缺點(diǎn)：防塵要求高。3. 5數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)3.1.1 工作臺(tái)應(yīng)用:直線(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。3.1.2 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)應(yīng)用：圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。3.1.3 擺動(dòng)工作臺(tái)應(yīng)用：擺動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。3.1.4 直接驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)1. 組成：是伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的集成。2. 優(yōu)點(diǎn)：減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)、簡(jiǎn)化機(jī)床的結(jié)構(gòu)等。3. 6數(shù)控機(jī)床

11、的位置檢測(cè)裝置1 .檢測(cè)裝置的作用：在閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，必須利用位置檢測(cè)裝置把機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移量隨時(shí)檢測(cè)出來(lái)，與給定的控制值（指令信號(hào)）進(jìn)行比較，從而控制驅(qū)動(dòng)元件準(zhǔn)確運(yùn)轉(zhuǎn)，使工作臺(tái)（或刀具）按規(guī)定的軌跡和坐標(biāo)移動(dòng)。它的精度直接影響數(shù)控機(jī)床的定位精度和加工精度。2 .對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求：（ 1）高可靠性和高抗干擾性；（ 2）滿(mǎn)足精度和速度要求；（ 3）使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運(yùn)行環(huán)境；（ 4）成本低，壽命長(zhǎng)。2.6.1 檢測(cè)裝置的分類(lèi)1. 根據(jù)安裝的位置及耦合方式分為：直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N。2. 按測(cè)量方法分為：增量式和絕對(duì)式兩種。3. 按檢測(cè)信號(hào)的類(lèi)型分為：模擬式和數(shù)字式兩大類(lèi)。4. 根

12、據(jù)運(yùn)動(dòng)型式分為：回轉(zhuǎn)型和直線(xiàn)型檢測(cè)裝置。直線(xiàn)型位置檢測(cè)裝置作用：用來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的直線(xiàn)位移量。旋轉(zhuǎn)型位置檢測(cè)裝置作用：用來(lái)檢測(cè)回轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)位移量。2.6.2 光柵1. 分類(lèi)：長(zhǎng)光柵（光柵尺）和圓光柵。長(zhǎng)光柵用來(lái)測(cè)量直線(xiàn)位移；圓光柵用來(lái)測(cè)量角度位移。2. 特點(diǎn)：響應(yīng)速度快，精度高。3. 應(yīng)用：高精度數(shù)控機(jī)床。2.6.3 旋轉(zhuǎn)變壓器1. 作用：一種常用的轉(zhuǎn)角檢測(cè)元件。2. 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈敏，對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，維護(hù)方便，輸出信號(hào)幅度大，抗干擾性強(qiáng)，工作可靠等特點(diǎn)，且精度能滿(mǎn)足一般的檢測(cè)要求。3. 分類(lèi)：旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷式和無(wú)刷式兩種結(jié)構(gòu)。有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可靠性差，

13、壽命也較短。無(wú)刷式旋轉(zhuǎn)變壓器特點(diǎn)：提高了可靠性及使用壽命，但其體積、質(zhì)量、成本均有所增加。2.7數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置（ATC）作用：自動(dòng)儲(chǔ)存、更換刀具，使工件在一臺(tái)機(jī)床一次裝夾可完成多道工序或全部工序加工。要求：換刀時(shí)間短，刀具重復(fù)定位精度高，足夠的刀具儲(chǔ)備量，占地面積小，安全可靠等。（ .7.1刀庫(kù)1、刀庫(kù)容量：刀庫(kù)存放刀具的數(shù)量，一般根據(jù)加工工藝要求而定。2、刀庫(kù)類(lèi)型分類(lèi)：（1）鼓輪式刀庫(kù)；（2）鏈?zhǔn)降稁?kù)；（3）格子箱式刀庫(kù)；（4）直線(xiàn)式刀庫(kù)等。特點(diǎn)：（1）鼓輪式刀庫(kù)占地小，結(jié)構(gòu)緊湊，容量大，但選刀、取刀動(dòng)作復(fù)雜。（ 2）鏈?zhǔn)降稁?kù)結(jié)構(gòu)緊湊，容量大，鏈環(huán)的形狀也可隨機(jī)床布局制成各種形式而靈

14、活多變，還可將換刀位突出以便于換刀。（ 3）格子箱式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)緊湊，容量大，刀庫(kù)空間利用率高，換刀時(shí)間長(zhǎng)，輔助裝置較復(fù)雜。（ 4）直線(xiàn)式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容量小。3、選刀方式分類(lèi)：（1）順序選刀；（2）任意選刀。特點(diǎn)：（ 1）順序選刀是在加工前，將加工所需刀具依工藝次序插入刀庫(kù)刀套中，順序不能有差錯(cuò)，加工時(shí)按順序調(diào)刀。工件變更時(shí)，需重調(diào)刀具順序，操作煩瑣，且加工同一工件中刀具不能重復(fù)使用。（ 2）任意選刀刀庫(kù)中的刀具的排列順序與工件的加工順序無(wú)關(guān)，相同的刀具可重復(fù)使用。（ .7.2數(shù)控車(chē)床的自動(dòng)換刀裝置主要采用回轉(zhuǎn)刀盤(pán)。（ .7.3加工中心的自動(dòng)換刀裝置及刀庫(kù)類(lèi)型1 .轉(zhuǎn)塔式換刀裝置（1）垂直轉(zhuǎn)塔式

15、；（2）水平轉(zhuǎn)塔式2 .刀庫(kù)式換刀裝置（1）無(wú)機(jī)械手換刀方式；（2）機(jī)械手換刀方式；（3）機(jī)械手和刀具運(yùn)送器。3 .成套更換方式換刀裝置（1）更換轉(zhuǎn)塔頭；（2）更換主軸箱；（3）更換刀庫(kù)。2.8數(shù)控機(jī)床的輔助裝置（ .8.1數(shù)控機(jī)床液壓和氣壓裝置1定義：用壓力油或加壓空氣作為傳遞能量的載體實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)與控制。2特點(diǎn)：（1）液壓傳動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)輸出力大，機(jī)械結(jié)構(gòu)更緊湊、動(dòng)作平穩(wěn)可靠，易于調(diào)節(jié)和噪聲較小，但要配置液壓泵和油箱，當(dāng)油液滲漏時(shí)污染環(huán)境。（ 2）氣壓裝置裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作介質(zhì)不污染環(huán)境，工作速度快和動(dòng)作頻率高，適合于完成頻繁啟動(dòng)的輔助工作，過(guò)載時(shí)比較安全，不易發(fā)生過(guò)載損壞機(jī)件等事故。3輔助作用：（ 1）自動(dòng)換刀所需的動(dòng)作。（ 2）機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的平衡。（ 3）機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的制動(dòng)和離合器的控制，齒輪撥叉掛檔等。（ 4）機(jī)床的潤(rùn)滑冷卻。（ 5）機(jī)床防護(hù)罩、板、門(mén)的自動(dòng)開(kāi)關(guān)。（ 6）工作臺(tái)的松開(kāi)夾緊，交換工作臺(tái)的自動(dòng)交換動(dòng)作。（ 7）夾具的自動(dòng)松開(kāi)、夾緊。（ 8）工件、工具定位面和交換動(dòng)作臺(tái)的自動(dòng)吹屑、清理定位基面等。4構(gòu)成：1）動(dòng)力裝置；2）執(zhí)行裝置；3）控制與調(diào)節(jié)裝置；4）輔助裝置；5）傳動(dòng)介質(zhì)。（ .8.2自動(dòng)排屑裝置作用：自動(dòng)分