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1、数控机床机械结构及数控机床机械结构及常见故障分析常见故障分析 主要内容主要内容一一.数控机床的构成与分类数控机床的构成与分类二二.数控机床的机械结构数控机床的机械结构三三.数控车床介绍数控车床介绍四四.数控加工中心和数控铣床介绍数控加工中心和数控铣床介绍五五.数控机床的辅助装置数控机床的辅助装置一一.数控机床的构成与分类数控机床的构成与分类（一）（一）.数控机床的构成数控机床的构成 数控机床一般由下列几个部分组成1.主机 是数控机床的主体，包括床身、立柱、工作台、主轴、进给机构等机械部件。2.CNC装置（控制装置）是数控机床的核心，包括硬件和相应的软件等部分。3.驱动装置 是数控机床执行机构的
2、驱动部件，包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机、进给电机等等。4.数控机床的辅助装置 指数控机床的一些必须的配套部件，用以保证数控机床的正常运行。如液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和分度头，还包括刀具及监控检测装置等立式加工中心主机床身拖板（床鞍）工作台 立 柱主轴主轴箱刀库 卧式加工中心主机全功能数控车床主机全功能数控车床主机 床身部件床身部件进给丝杠直线导轨组件润滑系统 （二）（二）.数控机床的分类数控机床的分类 目前，为了研究数控机床，可从不同的角度对数控机床进行分类1.1.按控制系统的特点分类按控制系统的特点分类 1）点位控制数控 2）直线控制数控机床 3）轮廓控制的
3、数控机床2.2.按照可联动（同时控制）轴数分按照可联动（同时控制）轴数分 按照可联动（同时控制）且相互轴数，可以分为2轴控制、2.5轴控制、3轴控制、4轴控制、5轴控制等。3.3.按执行机构的伺服系统类型分类按执行机构的伺服系统类型分类 1）开环伺服系统数控机床 2）半闭环伺服系统数控机床 3）闭环伺服系统数控机床 开环数控系统开环数控系统开环数控系统开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置 进给系统），进给系统），故系故系统稳定性好。统稳定性好。电机电机机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插补指令插补指令脉冲频
4、率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大 半闭环数控系统半闭环数控系统半闭环数控系统半闭环数控系统 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节器位置控制调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单元检测与反馈单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际位实际位置反馈置反馈实际速实际速度反馈度反馈 全闭环数控系统全闭环数控系统全闭环数控系统全闭环数控系统 全闭环数控系统的位
5、置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节位置控制调节器器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单元检测与反馈单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际位实际位置反馈置反馈实际速实际速度反馈度反馈二二.数控机床的机械结构数控机床的机械结构（）数控机床机械结构的主要组成）数控机床机械结构的主要组成数控机床的机械结构，除机床基础件外，由下列各部分组成：数控机床的机械结构，除机床基础件外，由下列各部分组成：1.1.主传动系统；主传动系统；2.2.进给系统；进给系统；3.3.实现工件回转、定位的
6、装置和附件；实现工件回转、定位的装置和附件；4.4.实实现现某某些些部部件件动动作作和和辅辅助助功功能能的的系系统统和和装装置置如如液液压压、气气动动、润润滑；冷却等系统和排屑、防护等装置；滑；冷却等系统和排屑、防护等装置；5.5.刀架或自动换刀装置刀架或自动换刀装置 (ATC)(ATC)；6.6.自动托盘交换装置自动托盘交换装置(APC)(APC)；7.7.特殊功能装置特殊功能装置 如刀具破损监控、精度检测和监控装置等；如刀具破损监控、精度检测和监控装置等；8.8.为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。机机床床基基础础件件或或称称机机床床
7、大大件件，通通常常是是指指床床身身、底底座座、立立柱柱、横横梁梁、滑滑座座、工工作作台台等等。它它是是整整台台机机床床的的基基础础和和框框架架。机机床床的的其其他他零零、部部件件，或或者者固固定定在在基基础础件件上上，或或者者工工作作时时在在它它的导轨上运动。的导轨上运动。其他机械结构组成则按机床的功能需要选用。如一般的其他机械结构组成则按机床的功能需要选用。如一般的数控机床除基础件外，还有主传动系统，进给系统以及液压、数控机床除基础件外，还有主传动系统，进给系统以及液压、润滑、冷却等其他辅助装置，这是数控机床机械结构的基本润滑、冷却等其他辅助装置，这是数控机床机械结构的基本构成。加工中心则至
8、少还应有构成。加工中心则至少还应有ATCATC，有的还有双工位，有的还有双工位APCAPC等。等。柔性制造单元柔性制造单元(FMC)(FMC)除除ATCATC外还带有工位数较多的外还带有工位数较多的APCAPC，有的甚，有的甚至还配有用于上下料的工业机器人。至还配有用于上下料的工业机器人。（二）（二）.数控机床机械结构的特点数控机床机械结构的特点1 1）机床刚度的基本概念）机床刚度的基本概念 机床的刚度是机床的技术性能之一，它反映了机床结构抵抗变形的能力。根据机床所受载荷性质的不同，机床在静态力作用下所表现的刚度称为机床的静刚度；机床在动态力作用下所表现的刚度称为机床的动刚度。2 2）提高数控
9、机床结构刚度的常用措施）提高数控机床结构刚度的常用措施 （1）提高机床构件的静刚度和固有频率。常用方法有合理布置的筋板结构；设置卸荷装置来平衡载荷以补偿有关零、部件的静力变形；改善构件间的接触刚度或构件与地基联结处的刚度等。（2）改善机床结构的阻尼特性。常用方法有大件内腔充填泥芯和混凝土等阻尼材料，在振动时利用相对摩擦来耗散振动能量；在大件表面采用阻尼涂层；充分利用接合面间的摩擦阻尼；采用新材料和钢板焊接结构等。1.1.高刚度和高抗振性高刚度和高抗振性2.2.减少机床热变形的影响减少机床热变形的影响 机床的热学特性是影响加工精 度的重要因素之一。由于数控机床主轴转速、进给速度远高于普通机床，而
10、大切削用量产生的炽热切削对工件和机床部件的热传导影响远较普通机床严重，而热变形对加工精度的影响往往难以由操作者修正。因此，减少数控机床热变形影响的措施应予特别重视。常用的措施有下列几种：1 1）改进机床布局和绪构设计）改进机床布局和绪构设计 。如对热源来说比较对称的采用热对称结构；数控车床采用采用倾斜床身、平床身和斜滑板结构；某些重型数控机床由于结构限制采用热平衡措施。2 2）控制温升。）控制温升。对机床发热部分（如主轴箱、静压导轨液压油等）采取散热、风冷和液冷等控制温升的办法来吸收热源发出的热量，是在各类数控机床上使用较多的一种减少热变形影响的对策。3 3）对切削部位采取强冷措施。）对切削部
11、位采取强冷措施。在大切削量切削时，落在工作台、床身等部件上的炽热切屑量一个重要的热源。现代数控机床，特别是加工中心和数控车床普遍采用多喷嘴、大流量冷却液来冷却并排除这些炽热的切屑，并对冷却液用大容量循环散热或用冷却装置致冷以控制温升。4 4）热位移补偿。）热位移补偿。预测热变形规律，建立数学模型存入计算机中进行实时补偿。热变形附加修正装置已在国外产品上作商品供货。3.3.传动系统机械结构简化传动系统机械结构简化 数控机床的主轴驱动系统和进给驱动系统分别采数控机床的主轴驱动系统和进给驱动系统分别采用交、直流主轴电机和伺服电机驱动，这两类电机调用交、直流主轴电机和伺服电机驱动，这两类电机调速范围大
12、，并可无级调速，因此使主轴箱、进给变速速范围大，并可无级调速，因此使主轴箱、进给变速箱及传动系统大为简化，箱体结构简单、齿轮、轴承箱及传动系统大为简化，箱体结构简单、齿轮、轴承和轴类零件数量大为减少甚至不用齿轮，由电机直接和轴类零件数量大为减少甚至不用齿轮，由电机直接带动主轴或进给滚珠丝杠。带动主轴或进给滚珠丝杠。4.4.高传动效率和无间隙的传动装置和元件高传动效率和无间隙的传动装置和元件 数控机床在高进给速度下，工作要平稳；并有高数控机床在高进给速度下，工作要平稳；并有高的定位精度。因此，对进给系统中的机械传动装置和的定位精度。因此，对进给系统中的机械传动装置和元件要求具有高寿命、高刚度、无
13、间隙、高灵敏度和元件要求具有高寿命、高刚度、无间隙、高灵敏度和低摩擦阻力的特点。目前数控机床进给驱动系统中常低摩擦阻力的特点。目前数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有三种，即滚珠丝杠副，静压用的机械传动装置主要有三种，即滚珠丝杠副，静压蜗杠蜗杠蜗母条和预加载荷双齿轮蜗母条和预加载荷双齿轮齿条。齿条。三、数控机床常见机械部件三、数控机床常见机械部件1 1、滚珠丝杠副、滚珠丝杠副2 2、导轨、导轨3 3、主轴部件、主轴部件4 4、轴承、轴承5 5、刀架、刀库、刀架、刀库1 1、滚珠丝杠副、滚珠丝杠副 滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺
14、旋传动元件。它由丝杆、螺母、滚珠和滚珠循环的螺旋传动元件。它由丝杆、螺母、滚珠和滚珠循环返回装置返回装置 (俗称回珠器俗称回珠器)等组成。当丝杠和螺母相对运等组成。当丝杠和螺母相对运动时，滚珠沿着丝杆螺旋滚道面滚动，滚动数圈后离动时，滚珠沿着丝杆螺旋滚道面滚动，滚动数圈后离开丝杆滚道面，通过循环返回装置返回其入口处继续开丝杆滚道面，通过循环返回装置返回其入口处继续参加工作，如此往复循环滚动。参加工作，如此往复循环滚动。（1 1）按滚珠循环方式分）按滚珠循环方式分分为外循环和内循环两大类。外循环的回珠器有螺旋槽式和插管式两种，目前国内、外生产厂用插管式的较多，内循环的回珠器有腰形槽嵌块式反向器和
15、圆柱凸键式反向器两种，目前国内、外生产厂用腰形槽嵌块式的较多。（2 2）按预加负载形式分）按预加负载形式分，可分为单螺母无预紧，单螺母变位导程预紧，单螺母加大钢球径向预紧，双螺母垫片预紧、双螺母齿差预紧、双螺母螺纹预紧6种。一般在数控机床上常用双螺母垫片式预紧。1 1）滚珠丝杠副结构型式）滚珠丝杠副结构型式（3 3）按精度等级分）按精度等级分我国原机械工业部标准JB3162.282分为6级，根据数控机床类别、按机床精度要求和位置控制系统型式(闭环、半闭环、开环)的不同分别选用，数控机床中大多用P3、P4，P5等3个等级。滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很
16、多优点（1 1）传动效率高。）传动效率高。滚珠丝杠副的机械效率可达90%以上，比梯形滑动丝杠副高24倍左右（2 2）灵敏度高，传动平稳）灵敏度高，传动平稳 。由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小。因此，无论静止时、还是在低、高速度传动时摩擦转矩几乎不变。（3 3）磨损小，寿命长）磨损小，寿命长 。滚珠丝杠副的主要零件采用优质合金钢制成，其滚道表面淬火硬度至HRC6062，并有较低的表面粗糙度，再加上滚动摩擦的磨损很少，因而具有良好的耐磨性，且可高速运行。（4 4）可消除轴向间隙，提高轴向刚度。）可消除轴向间隙，提高轴向刚度。可用多种消除间隙的预加负载方法，使反向时无空行程；此外，安装时给滚珠
17、丝杠预加拉伸负载，可提高丝杠的系统刚度和减少滚珠丝杠的热伸长，因而定位精度高。2 2、低摩擦系数的导轨、低摩擦系数的导轨 机床导轨是机床基本结构的要素之一。从机械结构的角度来说，机床的加工精度和使用寿命很大程度上决定于机床导轨的质量，而对数控机床的导轨则有更高的要求.如:高速进给时不振动，低速进给时不爬行，有高的灵敏度，能在重负载下长期连续工作，耐磨性要高，精度保持性要好等。现代数控机床使用的导轨，从类型来说虽仍是滑动导轨，滚动导轨和静压导轨3种，但在材料和结构上已起了“质”的变化，已不同于普通机床的导轨。1 1）.贴塑滑动导轨贴塑滑动导轨 2).2).滚动导轨滚动导轨（1 1）.滚动导轨块滚
18、动导轨块（2 2）.直线滚动导轨直线滚动导轨 直线滚动导轨副的优点直线滚动导轨副的优点（3 3）.静压导轨静压导轨6.6.能实现工艺复合化和功能集成化的要求能实现工艺复合化和功能集成化的要求三三.数控车床数控车床（一）（一）.机床的布局和结构特点机床的布局和结构特点 1.1.床身和导轨床身和导轨 2.2.刀架布局刀架布局 3.3.润滑系统润滑系统 4.4.分类分类（二）（二）.机床的主传动系统机床的主传动系统 1.1.结构特点结构特点2.2.设计要点设计要点3.3.主轴结构主轴结构（三）（三）.进给系统进给系统 1.1.结构特点结构特点 2.2.传动方式及传动元件传动方式及传动元件 四四.加工
19、中心和数控铣床加工中心和数控铣床（一）加工中心的结构（一）加工中心的结构1.1.基础部件基础部件 2.2.主轴部件主轴部件3.3.数控系统数控系统4.4.自动换刀系统自动换刀系统5.5.辅助系统辅助系统（二）（二）.加工中心的分类加工中心的分类1.1.卧式加工中心卧式加工中心2.2.立式加工中心立式加工中心3.3.五面加工中心五面加工中心（三）（三）.加工中心的主传动系统加工中心的主传动系统1.1.主传动系统的结构与分类主传动系统的结构与分类 2.2.主传动系统的运动学参数主传动系统的运动学参数 1 1）.转速转速2).2).回转精度回转精度3.3.主传动系统的动力学参数主传动系统的动力学参数
20、1 1）.静刚度静刚度2 2）.抗振性抗振性3 3）.热稳定热稳定4.4.主传动系统的关键零部件主传动系统的关键零部件1 1）.主轴轴承主轴轴承2 2）.传动带传动带3 3）.拉刀装置拉刀装置4 4）.主轴定向装置主轴定向装置（四）（四）.加工中心的进给系统加工中心的进给系统1.1.进给系统的结构与分类进给系统的结构与分类2.2.进给系统的刚度与误差进给系统的刚度与误差1).1).由传动刚度的变化引起的定位误差由传动刚度的变化引起的定位误差 2).2).动态误差动态误差3 3）.伺服刚度及死区误差伺服刚度及死区误差3.3.关键部件关键部件1 1）.滚珠丝杠副滚珠丝杠副2 2）.滚动导轨滚动导轨
21、4.4.设计中应验算的参数设计中应验算的参数1 1）.惯量匹配惯量匹配 2 2）.空载加速转矩空载加速转矩 3 3）.切削负载验算切削负载验算 4 4）.求滚珠丝杆拉压刚度求滚珠丝杆拉压刚度 5 5）.求机械传动的综合拉压刚度求机械传动的综合拉压刚度 6 6）.伺服刚度伺服刚度 7 7）.系统的综合刚度系统的综合刚度8 8）.由机械部分传动刚度变化引起的定位误差由机械部分传动刚度变化引起的定位误差 9).由传动刚度变化引起的死区误差由传动刚度变化引起的死区误差（五）（五）.自动换刀系统自动换刀系统1.1.刀库的类型刀库的类型1 1）.盘式刀库盘式刀库2 2）.链式刀库链式刀库 2.2.刀库的容量刀库的容量 3.3.选刀方式选刀方式4.4.机械手机械手