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1、数控机床的机械结构第1页，本讲稿共86页2.1 概述概述下页下页上页上页返回返回数控机床机械结构的主要特点数控机床机械结构的主要特点数控机床对机械结构的基本要求数控机床对机械结构的基本要求提高数控机床性能的措施提高数控机床性能的措施图库图库 从本质上说，数控机床和普通机床一样，也是一种经过切削将金属材料加工从本质上说，数控机床和普通机床一样，也是一种经过切削将金属材料加工成各种不同形状零件的设备。早期的数控机床，包括目前部分改造、改装的数控成各种不同形状零件的设备。早期的数控机床，包括目前部分改造、改装的数控机床，大都是在普通机床的基础上，通过对进给系统的革新、改造而成的。因此，机床，大都是在
2、普通机床的基础上，通过对进给系统的革新、改造而成的。因此，在许多场合，普通机床的构成模式、零部件的设计计算方法仍然适用于数控机床。在许多场合，普通机床的构成模式、零部件的设计计算方法仍然适用于数控机床。但是，随着数控技术（包括伺服驱动、主轴驱动）的迅速发展，为了适应现代制但是，随着数控技术（包括伺服驱动、主轴驱动）的迅速发展，为了适应现代制造业对生产效率、加工精度、安全环保等方面越来越高的要求，现代数控机床的造业对生产效率、加工精度、安全环保等方面越来越高的要求，现代数控机床的机械结构已经从初期对普通机床的局部改造，逐步发展形成了自己独特的结构。机械结构已经从初期对普通机床的局部改造，逐步发展
3、形成了自己独特的结构。特别是随着电主轴、直线电动机等新技术、新产品在数控机床上的推广应用，部特别是随着电主轴、直线电动机等新技术、新产品在数控机床上的推广应用，部分机械结构日趋简化，新的结构、功能部件不断涌现，数控机床的机械机构正在分机械结构日趋简化，新的结构、功能部件不断涌现，数控机床的机械机构正在发生重大的变化，虚拟轴机床的出现和实用化，使传统的机床结构面临着更严峻发生重大的变化，虚拟轴机床的出现和实用化，使传统的机床结构面临着更严峻的挑战。的挑战。第2页，本讲稿共86页2.1.1数控机床机械结构的主要特点数控机床机械结构的主要特点结构简单、操作方便、自动化程度高结构简单、操作方便、自动化
4、程度高 下页下页上页上页返回返回 数控机床需要根据数控系统的指令，自动完成对进给速度、主轴转速、道具运数控机床需要根据数控系统的指令，自动完成对进给速度、主轴转速、道具运动轨迹以及其他机床辅助技能（如自动换刀，自动冷却）的控制。它必须利用伺服动轨迹以及其他机床辅助技能（如自动换刀，自动冷却）的控制。它必须利用伺服进给系统代替普通机床的进给系统，并可以通过主轴调速系统实现主轴自动变速。进给系统代替普通机床的进给系统，并可以通过主轴调速系统实现主轴自动变速。因此，在机械结构上，数控机床的主轴箱、进给变速箱结构一般非常简单；齿轮、因此，在机械结构上，数控机床的主轴箱、进给变速箱结构一般非常简单；齿轮
5、、轴类零件、轴承的数量大为减少；电动机可以直接连接主轴和滚珠丝杠，不用齿轮；轴类零件、轴承的数量大为减少；电动机可以直接连接主轴和滚珠丝杠，不用齿轮；在使用直线电动机，电主轴的场合，甚至可以不用丝杠、主轴箱。在操作上，在使用直线电动机，电主轴的场合，甚至可以不用丝杠、主轴箱。在操作上，它不它不像普通机床那样，需要操作者通过手柄进行调整和变速，操作机构比普通机床像普通机床那样，需要操作者通过手柄进行调整和变速，操作机构比普通机床要简单多，要简单多，许多机床甚至没有手动机械操作系统。此外，由于数控机床的大部许多机床甚至没有手动机械操作系统。此外，由于数控机床的大部分辅助动作都可以通过数控系统的辅助
6、技能（分辅助动作都可以通过数控系统的辅助技能（M技能）进行控制，因此，常用技能）进行控制，因此，常用的操作按钮也较普通机床少。的操作按钮也较普通机床少。结构简单、结构简单、操作更方便，更简单操作更方便，更简单图库图库第3页，本讲稿共86页2.1.1数控机床机械结构的主要特点数控机床机械结构的主要特点广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品下页下页上页上页返回返回 数控机床进行的是高速、高精度加工，再简化机械结构的同时，对数控机床进行的是高速、高精度加工，再简化机械结构的同时，对于机械传动装置和元件也提出了更高的要求。高效、无间隙传动装置和元于机械
7、传动装置和元件也提出了更高的要求。高效、无间隙传动装置和元件在数控机床上去得了广泛的应用。如：滚珠丝杠副、塑料滑动导轨、静件在数控机床上去得了广泛的应用。如：滚珠丝杠副、塑料滑动导轨、静压导轨、直线滚动导轨等高效执行部件，不仅可以减少进给系统的摩擦阻压导轨、直线滚动导轨等高效执行部件，不仅可以减少进给系统的摩擦阻力，提高传动效率；而且还可以使运动平稳和获得较高的定位精度。力，提高传动效率；而且还可以使运动平稳和获得较高的定位精度。特别是随着新材料，新工艺的普及、应用，高速加工已经成为目前数特别是随着新材料，新工艺的普及、应用，高速加工已经成为目前数控机床的发展方向之一，快进速度达到了每分钟数十
8、米，甚至上百米，主轴控机床的发展方向之一，快进速度达到了每分钟数十米，甚至上百米，主轴转速达到了每分钟上万转、甚至十几万转，采用电主轴、支线电动机、直线转速达到了每分钟上万转、甚至十几万转，采用电主轴、支线电动机、直线滚动导轨等新产品、新技术已势在必行。滚动导轨等新产品、新技术已势在必行。图库图库第4页，本讲稿共86页2.1.1数控机床机械结构的主要特点数控机床机械结构的主要特点具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件下页下页上页上页返回返回 “工艺复合化工艺复合化”和和“功能集成化功能集成化”是无人化、柔性加工的基本要求，也是无人化、柔性加工的基本要求，也是数
9、控机床最显著的特点和当前的发展方向。因此，自动换刀装置（是数控机床最显著的特点和当前的发展方向。因此，自动换刀装置（ATC）、动）、动力刀架、自动换屑装置、自动润滑装置等特殊机械部件是必不可少，有的机床还带力刀架、自动换屑装置、自动润滑装置等特殊机械部件是必不可少，有的机床还带有自动工作台交换装置（有自动工作台交换装置（APC）。）。“功能集成化功能集成化”是当前数控机床的另一重要发展方向。在现代数控机床上，自是当前数控机床的另一重要发展方向。在现代数控机床上，自动换刀装置、自动工作台交换装置等已经成为基本装置。随着数控机床向无人化、动换刀装置、自动工作台交换装置等已经成为基本装置。随着数控机
10、床向无人化、柔性化加工发展，功能集成化更多体现在：工件的自动装卸、自动定位，刀具的自柔性化加工发展，功能集成化更多体现在：工件的自动装卸、自动定位，刀具的自动对刀、破损检测、寿命管理，工件的自动测量和自动补偿功能上，因此，国外还动对刀、破损检测、寿命管理，工件的自动测量和自动补偿功能上，因此，国外还新近开发了集中突破传统机床界限，集钻、铣、镗、车、磨等加工于一体的所谓新近开发了集中突破传统机床界限，集钻、铣、镗、车、磨等加工于一体的所谓“万能加工机床万能加工机床”，大大提高了附加值，并随之不断出现新的机械部件。，大大提高了附加值，并随之不断出现新的机械部件。图库图库第5页，本讲稿共86页2.1
11、.1数控机床机械结构的主要特点数控机床机械结构的主要特点对机械结构、零部件的要求高对机械结构、零部件的要求高下页下页上页上页返回返回 高速、高效、高精度的加工要求，无人化管理以及工艺复合高速、高效、高精度的加工要求，无人化管理以及工艺复合化、功能集成化，一方面可以大大的提高生产率，同时，也必然会化、功能集成化，一方面可以大大的提高生产率，同时，也必然会使机床的开机时间，工作负载随之增加，机床必须在高负荷下，长使机床的开机时间，工作负载随之增加，机床必须在高负荷下，长时间可靠工作。因此，对组成机床的各种零部件和控制系统的可靠时间可靠工作。因此，对组成机床的各种零部件和控制系统的可靠性要求很高。性
12、要求很高。此外，为了提高加工效率，充分发挥机床性能，数控机床此外，为了提高加工效率，充分发挥机床性能，数控机床通常都能够同时进行粗细加工。这就要求机床技能满足大切削量的通常都能够同时进行粗细加工。这就要求机床技能满足大切削量的粗加工对机床的刚度、强度和抗震性的要求，而且也能达到精密加粗加工对机床的刚度、强度和抗震性的要求，而且也能达到精密加工机床对机床精度的要求。因此，数控机床的主轴电机的功率一般工机床对机床精度的要求。因此，数控机床的主轴电机的功率一般比同规格的普通机床大，主要部件和基础件的加工精度通常比普通比同规格的普通机床大，主要部件和基础件的加工精度通常比普通机床高，对组成机床各部件的
13、动、静态性能以及热稳定性的精度保机床高，对组成机床各部件的动、静态性能以及热稳定性的精度保持性也提出了更高的要求。持性也提出了更高的要求。图库图库第6页，本讲稿共86页2.1.2数控机床对机械结构的基本要求数控机床对机械结构的基本要求具有较高的静、动刚度和良好抗震性具有较高的静、动刚度和良好抗震性下页下页上页上页返回返回图库图库 机床的刚度反映了机床机构抵抗变形的能力，。机床变形产机床的刚度反映了机床机构抵抗变形的能力，。机床变形产生的误差，通常很难通过调整和补偿的方法予以彻底的解决。为生的误差，通常很难通过调整和补偿的方法予以彻底的解决。为了满足数控机床高效、高精度、高可靠性以及自动化的要求
14、，与了满足数控机床高效、高精度、高可靠性以及自动化的要求，与普通机床相比，数控机床应具有更高的精刚度。此外，为了充分普通机床相比，数控机床应具有更高的精刚度。此外，为了充分发挥机床的效率，加大切削用量，还必须提高机床的抗震性，避发挥机床的效率，加大切削用量，还必须提高机床的抗震性，避免切削时产生的共振和颤振。而提高机构的动刚度是提高机床抗免切削时产生的共振和颤振。而提高机构的动刚度是提高机床抗震性的基本途径。震性的基本途径。第7页，本讲稿共86页2.1.2数控机床对机械结构的基本要求数控机床对机械结构的基本要求具有较好的热稳定性具有较好的热稳定性下页下页上页上页返回返回图库图库 机床的热变性是
15、影响机床加工精度的主要因素之一。由于机床的热变性是影响机床加工精度的主要因素之一。由于数控机床的主轴转速、快速进给都远远超过普通机床，机床又数控机床的主轴转速、快速进给都远远超过普通机床，机床又长时间处于连续工作状态，电动机、丝杠、轴承、导轨的发热长时间处于连续工作状态，电动机、丝杠、轴承、导轨的发热都比较严重，加上高速切削产生的切屑的影响，使得数控机床都比较严重，加上高速切削产生的切屑的影响，使得数控机床的热变性影响比普通机床要严重得多。虽然在先进的数控系统的热变性影响比普通机床要严重得多。虽然在先进的数控系统具有热变性补偿功能，但是它并不能完全消除热变性对于加工具有热变性补偿功能，但是它并
16、不能完全消除热变性对于加工精度的影响，在数控机床上还应采取必要的措施，尽可能减小精度的影响，在数控机床上还应采取必要的措施，尽可能减小机床的热变性。机床的热变性。第8页，本讲稿共86页2.1.2数控机床对机械结构的基本要求数控机床对机械结构的基本要求具有较高的运动精度和良好的低速稳定性具有较高的运动精度和良好的低速稳定性下页下页上页上页返回返回图库图库 利用伺服系统代替普通机床的进给系统是数控机床的主要利用伺服系统代替普通机床的进给系统是数控机床的主要特点。伺服系统最小的移动量（脉冲当量），一般只有特点。伺服系统最小的移动量（脉冲当量），一般只有0.001mm，甚至更小；最低进给速度，一般只有
17、，甚至更小；最低进给速度，一般只有1mm/min，甚至更低。这，甚至更低。这就要求进给系统具有较高的运动精度，良好的跟踪性能和低速就要求进给系统具有较高的运动精度，良好的跟踪性能和低速稳定性，才能对数控系统的位置指令做出准确的响应，从而得稳定性，才能对数控系统的位置指令做出准确的响应，从而得到要求的定位精度。到要求的定位精度。传动装置的间隙直接影响着机床的定位精度，虽然在数控传动装置的间隙直接影响着机床的定位精度，虽然在数控系统中可以通过间隙补偿、单向定位等措施减小这一影响，但不系统中可以通过间隙补偿、单向定位等措施减小这一影响，但不能完全消除。特别是对于非均匀间隙，必须机械消除间隙措施，能完
18、全消除。特别是对于非均匀间隙，必须机械消除间隙措施，才能得到较好的解决。才能得到较好的解决。第9页，本讲稿共86页2.1.2数控机床对机械结构的基本要求数控机床对机械结构的基本要求具有良好的操作、安全防护性能具有良好的操作、安全防护性能下页下页上页上页返回返回图库图库 方便、舒适的操作性能，是操作者普遍关心的问题。在大方便、舒适的操作性能，是操作者普遍关心的问题。在大部分数控机床上，刀具和工件的装卸、刀具和夹具的调整、还需部分数控机床上，刀具和工件的装卸、刀具和夹具的调整、还需要操作者完成，机床的维修更离不开人，而且由于加工效率的提要操作者完成，机床的维修更离不开人，而且由于加工效率的提高，数
19、控机床的工件装卸可能比普通机床更加频繁，因此良好的高，数控机床的工件装卸可能比普通机床更加频繁，因此良好的操作性能是数控机床设计时必须的问题。数控机床是一种高度自操作性能是数控机床设计时必须的问题。数控机床是一种高度自动化的加工设备，动作复杂，高速运动部件较多，对机床动作互动化的加工设备，动作复杂，高速运动部件较多，对机床动作互锁、安全防护性能的要求也比普通机床要高很多。同时，数控机锁、安全防护性能的要求也比普通机床要高很多。同时，数控机床一般都有高压、大流量的冷却系统，为了防止切屑、冷却液的床一般都有高压、大流量的冷却系统，为了防止切屑、冷却液的飞溅，数控机床通常都应采用封闭和半封闭的防护形
20、式，增加防飞溅，数控机床通常都应采用封闭和半封闭的防护形式，增加防护性能。护性能。第10页，本讲稿共86页2.1.3提高数控机床性能的措施提高数控机床性能的措施合理选择数控机床的总体布局合理选择数控机床的总体布局 下页下页上页上页返回返回图库图库 机床的总体布局直接影响到机床的结构和性能。合理选择机床布机床的总体布局直接影响到机床的结构和性能。合理选择机床布局，不但可以使机械结构更简单、合理、经济，而且能提高机床刚度、局，不但可以使机械结构更简单、合理、经济，而且能提高机床刚度、改善机床受力情况，提高热稳定性和操作性能，使机床满足数控化的要改善机床受力情况，提高热稳定性和操作性能，使机床满足数
21、控化的要求。如：在数控机床上采用斜床身布局，可以改善受力情况，提高床身求。如：在数控机床上采用斜床身布局，可以改善受力情况，提高床身的刚度，提高操作性能。卧式数控镗床采用的刚度，提高操作性能。卧式数控镗床采用T形床身，框架结构双立柱、形床身，框架结构双立柱、立柱移动式（立柱移动式（Z）布局，可以减少机床的机构层次，大大提高机床结）布局，可以减少机床的机构层次，大大提高机床结构刚度和加工精度，精度的稳定性好，热变性的影响小。在高速加构刚度和加工精度，精度的稳定性好，热变性的影响小。在高速加工机床上，则通过采用固定门式立柱、工机床上，则通过采用固定门式立柱、“箱中箱箱中箱”等特殊的布局型等特殊的布
22、局型式，以最大限度地降低运动部件的质量，提高机床部件的快进速度式，以最大限度地降低运动部件的质量，提高机床部件的快进速度和加速度，以满足高速加工的需要。和加速度，以满足高速加工的需要。第11页，本讲稿共86页2.1.3提高数控机床性能的措施提高数控机床性能的措施提高结构件的刚度提高结构件的刚度下页下页上页上页返回返回图库图库 结构的刚度直接影响机床的精度和动态性能。机床的刚结构的刚度直接影响机床的精度和动态性能。机床的刚度主要决定于组成机械系统的部件质量、刚度、阻尼、固有频率度主要决定于组成机械系统的部件质量、刚度、阻尼、固有频率以及负载激振频率等。提高机床结构刚度主要措施有：改善机械以及负载
23、激振频率等。提高机床结构刚度主要措施有：改善机械部分构件；利用平衡机构补偿部件变性；改善并构件间的连接形部分构件；利用平衡机构补偿部件变性；改善并构件间的连接形式；缩短传动链，适当加大传动轴，对轴承和滚珠丝杠等传动部式；缩短传动链，适当加大传动轴，对轴承和滚珠丝杠等传动部件进行预紧等等。件进行预紧等等。第12页，本讲稿共86页2.1.3提高数控机床性能的措施提高数控机床性能的措施提高机床抗振性提高机床抗振性下页下页上页上页返回返回图库图库 高速转动零部件的动态不平衡力与切削产生的振动，是引起机床高速转动零部件的动态不平衡力与切削产生的振动，是引起机床振动的主要原因。提高数控机床抗振性的主要措施
24、有：对机床高速转旋转振动的主要原因。提高数控机床抗振性的主要措施有：对机床高速转旋转部件，特别是主轴部件进行动平衡，对传动部件进行消隙处理，减少机床部件，特别是主轴部件进行动平衡，对传动部件进行消隙处理，减少机床激振力；提高机械部件的静态刚度和固有频率，避免共振，在机床结构大激振力；提高机械部件的静态刚度和固有频率，避免共振，在机床结构大件中充填阻尼材料，在大件表面喷涂阻尼涂层抑制振动等。件中充填阻尼材料，在大件表面喷涂阻尼涂层抑制振动等。第13页，本讲稿共86页2.1.3提高数控机床性能的措施提高数控机床性能的措施改善机床的热变形改善机床的热变形下页下页上页上页返回返回图库图库 引起机床热变
25、形的主要原因是机床内部热源发热，摩擦以及切削引起机床热变形的主要原因是机床内部热源发热，摩擦以及切削产生的发热。减少机床热变形的措施主要有：产生的发热。减少机床热变形的措施主要有：采用伺服电动机和主轴电动采用伺服电动机和主轴电动机、变量泵等低能耗执行元件，减少热量的产生；简化传动系统的结构，机、变量泵等低能耗执行元件，减少热量的产生；简化传动系统的结构，减少传动齿轮、传动轴，采用低摩擦系数的导轨和轴承，减少摩擦发热；减少传动齿轮、传动轴，采用低摩擦系数的导轨和轴承，减少摩擦发热；改善散热条件、增加隔热措施、对发热部件（如：电柜、丝杆、油箱等）改善散热条件、增加隔热措施、对发热部件（如：电柜、丝
26、杆、油箱等）进行强制冷却，吸收热量，避免温升；采用对称结构设计，使部件均匀受进行强制冷却，吸收热量，避免温升；采用对称结构设计，使部件均匀受热；对切削部分采用高压、大流量冷却系统冷却热；对切削部分采用高压、大流量冷却系统冷却等等。等等。第14页，本讲稿共86页2.1.3提高数控机床性能的措施提高数控机床性能的措施保证运动的精度和稳定性保证运动的精度和稳定性下页下页上页上页返回返回图库图库 机床的运动精度和稳定性，不仅和数控系统的分辨率、伺服机床的运动精度和稳定性，不仅和数控系统的分辨率、伺服系统的精度的稳定性有关，而且还在很大程度上取决于机械传动的系统的精度的稳定性有关，而且还在很大程度上取决
27、于机械传动的精度。传动系统的刚度、间隙、摩擦死区、非线性环节都对机床的精度。传动系统的刚度、间隙、摩擦死区、非线性环节都对机床的精度和稳定性产生很大的影响。减小运动部件的质量，采用低摩擦精度和稳定性产生很大的影响。减小运动部件的质量，采用低摩擦系数的导轨和轴承以及滚珠丝杆副、静压导轨、直线滚动导轨、塑系数的导轨和轴承以及滚珠丝杆副、静压导轨、直线滚动导轨、塑料滑动导轨等高效执行部件，可以减少系统的摩擦阻力，提高运动料滑动导轨等高效执行部件，可以减少系统的摩擦阻力，提高运动精度，避免低速爬行。缩短传动链，对传动部件进行消隙，对轴承精度，避免低速爬行。缩短传动链，对传动部件进行消隙，对轴承和滚珠丝
28、杠进行预紧，可以减消机械系统的间隙和非线性影响，提和滚珠丝杠进行预紧，可以减消机械系统的间隙和非线性影响，提高机床的运动精度和稳定性。高机床的运动精度和稳定性。第15页，本讲稿共86页2.2 数控机床的总体布局数控机床的总体布局数控车床的常用布局形式数控车床的常用布局形式卧式数控镗铣床（卧式加工中心）卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局形式的常用布局形式 立式数控镗铣床（立式加工中心）立式数控镗铣床（立式加工中心）的常用布局形式的常用布局形式数控机床交换工作台的布局数控机床交换工作台的布局高速加工数控机床的特殊布局高速加工数控机床的特殊布局 虚拟轴机床虚拟轴机床下页下页上页上页返回返回图库
29、图库第16页，本讲稿共86页2.2.1数控车床的常用布局形式数控车床的常用布局形式平床身平床身斜床身斜床身立式床身立式床身 图图2-1 数控车床的三种常用布局数控车床的三种常用布局(a)平床身布局平床身布局(b)斜床身布局斜床身布局(c)立式床身布局立式床身布局 常用布局形式常用布局形式下页下页上页上页返回返回图库图库 这三种布局方式各有特点，一般经济型、普及型数控车床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、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）；小规格数控车
30、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。大型数控车床或精密数控车床采用立式床身。第17页，本讲稿共86页2.2.1数控车床的常用布局形式数控车床的常用布局形式 常用布局形式常用布局形式下页下页上页上页返回返回图库图库 斜床身布局的数控车床（导轨倾斜角度通常选择斜床身布局的数控车床（导轨倾斜角度通常选择45、60或或75），不仅可以在同等条件下，改善受力情况，而且还可），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
31、布局的机床受结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。布局的数控车床应用比较广泛。第18页，本讲稿共86页2.2.1数控车床的常用布局形式数控车床的常用布局形式 常用布局形式常用布局形式下页下页上页上页返回返回图库图库 在其他方面则三种布局方式各具特点：在其他方面则三种布局方式各具特点：（1）热稳定性：）热稳定性：当主轴箱因发热使主轴轴线产生热变位时，斜床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
32、热量影响身的影响最小；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。也小。（2）运动精度：）运动精度：平床身布局由于刀架水平布置，不受刀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。响最大，有时需要加平衡机构消除；斜床身介于两者之间。第19页，本讲稿共86页2.2.1数控车床的常用布局形式数控车床的常用布局形式 常用布局形式常用布局形式下页下页上页上页返回返回图库图库 （3）加工制造）加工制造：平床身的加工工艺性较好，部件精度较容平床
33、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，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。者之间。（4）操作、防护、排屑性能）操作、防护、排屑性能 ：斜床身的观察角度最好、工件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、的调整比较方便，平床身有刀架的影响，加上滑板突出前方
34、，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。较复杂，制造成本较高。第20页，本讲稿共86页2.2.2卧式数控镗铣床（卧式数控镗铣床（卧
35、式加工中心）的常用布局）的常用布局形式形式 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别在于立柱的结构形式和X、Z坐标轴的移动方式上（坐标轴的移动方式上（Y轴移动方式轴移动方式无区别）。无区别）。单立柱单立柱框架结构双立柱框架结构双立柱图图2-2卧式数控镗铣床（卧式加工中心）常见的布局形式卧式数控镗铣床（卧式加工中心）常见的布局形式常用的立柱常用的立柱下页下页上页上页返回返回图库图库 Z坐标轴的移动方式有工作台移动式（图坐标轴的移动方式有工作台移动式（图2-2a、b）和立柱移动式（图）和立柱移动式（
36、图2-2c）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）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、轴为立柱移动、Z轴为工作台移动的结构形式等。轴为工作台移动的结构形式等。第21页，本讲稿共86页2.2.2卧式数控镗铣床（卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局）的常用布局形式形式 下页下页上页上页返回返回图库图库 在图在图2-2所示的三种中、小规格卧式数控镗铣床（卧式加工中心）常见的所示的三种中、小规格卧式数控镗铣床（卧式加工中心）常见的布局形式
37、中，图布局形式中，图2-2a所示的结构形式和传统的卧式镗床相同，多见于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；图早期的数控机床或数控化改造的机床；图2-2b所示的采用了框架结构所示的采用了框架结构双立柱、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。图构形式。图2-2c所示的采用了所示的采用了T形床身、框架结构双立柱、立柱移动式（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。轴）布局，为卧式数控机床典型结构。框架结构双立柱采用了对称结构，主轴箱在两立柱中间上
38、、下运动，框架结构双立柱采用了对称结构，主轴箱在两立柱中间上、下运动，与传统的主轴箱侧挂式结构相比，大大提高了结构刚度。另外，主轴箱与传统的主轴箱侧挂式结构相比，大大提高了结构刚度。另外，主轴箱是从左、右两导轨的内侧进行定位，热变形产生的主轴轴线变位被限制是从左、右两导轨的内侧进行定位，热变形产生的主轴轴线变位被限制在垂直方向上，因此，可以通过对在垂直方向上，因此，可以通过对Y轴的补偿，减小热变形的影响。轴的补偿，减小热变形的影响。第22页，本讲稿共86页2.2.2卧式数控镗铣床（卧式数控镗铣床（卧式加工中心）的常用布局形）的常用布局形式式 下页下页上页上页返回返回图库图库 T形床身布局可以使
39、工作台沿床身做形床身布局可以使工作台沿床身做X 方向移动时，在全行程范围内，方向移动时，在全行程范围内，工作台和工件完全支承在床身上，因此，机床刚性好，工作台承载能力强，工作台和工件完全支承在床身上，因此，机床刚性好，工作台承载能力强，加工精度容易得到保证。而且，这种结构可以很方便地增加加工精度容易得到保证。而且，这种结构可以很方便地增加X轴行程，便轴行程，便于机床品种的系列化、零部件的通用化和标准化。于机床品种的系列化、零部件的通用化和标准化。立柱移动式结构的优点是：首先，这种形式减少了机床的结构层次，立柱移动式结构的优点是：首先，这种形式减少了机床的结构层次，使床身上只有回转工作台、工作台
40、，共三层结构，它比传统的四层十字使床身上只有回转工作台、工作台，共三层结构，它比传统的四层十字工作台，更容易保证大件结构刚性；同时又降低了工件的装卸高度，提工作台，更容易保证大件结构刚性；同时又降低了工件的装卸高度，提高了操作性能。其次，高了操作性能。其次，Z轴的移动在后床身上进行，进给力与轴向切削力在轴的移动在后床身上进行，进给力与轴向切削力在同一平面内，承受的扭曲力小，镗孔和铣削精度高。此外，由于同一平面内，承受的扭曲力小，镗孔和铣削精度高。此外，由于Z轴的导轨轴的导轨的承重是固定不变的，它不随工件重量改变而改变，因此有利于提高的承重是固定不变的，它不随工件重量改变而改变，因此有利于提高Z
41、轴的定位精度和精度的稳定性。但是，由于轴的定位精度和精度的稳定性。但是，由于Z轴承载较重，对提高轴承载较重，对提高Z轴轴的快速性不利，这是其不足之处。的快速性不利，这是其不足之处。第23页，本讲稿共86页2.2.3立式数控镗铣床（立式数控镗铣床（立式加工中心）的常用布局）的常用布局形式形式 下页下页上页上页返回返回图库图库立式数控镗铣床（立式加工中心）的布局形式与卧式数控镗铣床类似，图立式数控镗铣床（立式加工中心）的布局形式与卧式数控镗铣床类似，图2-3所示的是三种常见布局形式。所示的是三种常见布局形式。这三种布局形式中，图这三种布局形式中，图2-3a所示的结构形式是常见的工作台移所示的结构形
42、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；图形式；图2-3b所示的采用了所示的采用了T形床身，形床身，X、Y、Z三轴都是立柱移动式的布局，三轴都是立柱移动式的布局，多见于长床身（大多见于长床身（大X轴行程）或采用交换工作台的立式数控机床。这三种布轴行程）或采用交换工作台的立式数控机床。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。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，
43、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轴为立柱轴为立柱移动、移动、Z轴为工作台移动的结构形式等等。轴为工作台移动的结构形式等等。图图2-3立式数控镗铣床（立式加工中心）常见的布局形式立式数控镗铣床（立式加工中心）常见的布局形式第24页，本讲稿共86页2.2.4数控机床交换工作台的布局数控机床交换工作台的布局 下页下页上页上页返回返回图库图库 为了提高数控机床的加工效率，在加工中心上经常采用双交换工为了提高数控机床的加工效率，在加工中心上经常采用双交换工作台，进行工件的自
44、动交换，以进一步缩短辅助加工时间，提高机作台，进行工件的自动交换，以进一步缩短辅助加工时间，提高机床效率。床效率。图图2-4a是移动式双交换工作台布局图，用于工作台移动式加工是移动式双交换工作台布局图，用于工作台移动式加工中心。对于图示的初始状态，其工作过程是：首先在中心。对于图示的初始状态，其工作过程是：首先在工位工作台上装上工位工作台上装上工件，交换开始后，工件，交换开始后，X轴自动运动到轴自动运动到工位的位置，并松开工作台夹紧机工位的位置，并松开工作台夹紧机构；交换机构通过液压缸或辅助电动机将机床上的工作台拉到构；交换机构通过液压缸或辅助电动机将机床上的工作台拉到工位上；工位上；X轴再自
45、动运动到轴再自动运动到工位的位置，交换机构将装有工件的工位的位置，交换机构将装有工件的工位工作台送工位工作台送到机床上，并夹紧。在机床进行工件加工的同时，操作者可以在到机床上，并夹紧。在机床进行工件加工的同时，操作者可以在工位工位装卸工件，准备第二次交换。这样就使得工件的装卸和机床加工可以同时装卸工件，准备第二次交换。这样就使得工件的装卸和机床加工可以同时进行，节省了加工辅助时间，提高了机床的效率。进行，节省了加工辅助时间，提高了机床的效率。图图2-4所示的是两种常见的双交换工作台布局形式所示的是两种常见的双交换工作台布局形式第25页，本讲稿共86页2.2.4数控机床交换工作台的布局数控机床交
46、换工作台的布局 下页下页上页上页返回返回图库图库 图图2-4b 是回转式双交换工作台布局图，用于立柱移动式加是回转式双交换工作台布局图，用于立柱移动式加工中心。其工作过程是：首先在工中心。其工作过程是：首先在工位（装卸工位）工作台上装上工位（装卸工位）工作台上装上工件，交换开始后，工件，交换开始后，工位（加工工位）的工作台夹紧机构自动松开；工位（加工工位）的工作台夹紧机构自动松开；交换回转台抬起，进行交换回转台抬起，进行180 回转，将回转，将工位上工作台转到工位上工作台转到工位的位工位的位置，并夹紧。在机床进行工件加工的同时，操作者可以在置，并夹紧。在机床进行工件加工的同时，操作者可以在工位
47、装工位装卸工件，准备第二次交换。卸工件，准备第二次交换。回转式双交换工作台的优点是交换速度快，定位精度高；对冷却、回转式双交换工作台的优点是交换速度快，定位精度高；对冷却、切屑的防护容易；缺点是结构较复杂，占地面积大。切屑的防护容易；缺点是结构较复杂，占地面积大。第26页，本讲稿共86页2.2.4数控机床交换工作台的布局数控机床交换工作台的布局 下页下页上页上页返回返回图库图库 此外，还有一种通过双工作区，进行工件交换的布局形式此外，还有一种通过双工作区，进行工件交换的布局形式（如图（如图2-5所示），多用于长床身（所示），多用于长床身（X轴行程在轴行程在1500mm以上），且以上），且X、Y
48、、Z三轴都是立柱移动式的加工中心上。它的基本结构和立柱移动三轴都是立柱移动式的加工中心上。它的基本结构和立柱移动式机床完全相同，区别仅在于利用中间防护，使机床原工作台分成式机床完全相同，区别仅在于利用中间防护，使机床原工作台分成了两个相对独立的操作区域。其工作过程是：立柱首先运动到了两个相对独立的操作区域。其工作过程是：立柱首先运动到区，区，对安装在该区的零件进行正常加工；与此同时，操作者可以在对安装在该区的零件进行正常加工；与此同时，操作者可以在区装卸工件。在区装卸工件。在区的零件加工完成后，通过区的零件加工完成后，通过X轴的快速移动，将立轴的快速移动，将立柱运动到柱运动到区，进行区，进行区
49、零件的加工；操作者可以在区零件的加工；操作者可以在区装卸工件，区装卸工件，如此循环。机床通过电气控制系统实现严格的互锁，对于加工区的防护门如此循环。机床通过电气控制系统实现严格的互锁，对于加工区的防护门也需要通过机电联锁装置予以封闭，确保机床的安全性、可靠性。也需要通过机电联锁装置予以封闭，确保机床的安全性、可靠性。图图2-5 双工作区交换的布局图双工作区交换的布局图第27页，本讲稿共86页2.2.5高速加工数控机床的特殊布局高速加工数控机床的特殊布局 下页下页上页上页返回返回图库图库图图2-6 高速加工机床布局高速加工机床布局1-X轴导轨轴导轨 2-内框内框 3-主轴箱主轴箱 4-Y轴导轨轴
50、导轨立式数控机床采用的固定门式立柱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卧式数控机床采用的“内外双框架内外双框架”结构布局结构布局 即即“箱中箱箱中箱”（Box in Box)结构结构 常用布局形式常用布局形式第28页，本讲稿共86页2.2.6虚拟轴机床虚拟轴机床 下页下页上页上页返回返回图库图库图图2-7虚拟轴机床虚拟轴机床立式布局形式立式布局形式卧式布局形式卧式布局形式 常用布局形式常用布局形式第29页，本讲稿共86页2.3 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统主传动的基本要求和变速方式主传动的基本要求和变速方式主轴的联接形式主轴的联接形式 主轴部件的支承主轴