第六章
数控机床的机械结构
提要本章讨论了数控机床机械结构的要求，介绍了提高机床刚度，减少机床的热变形，减少运动副的摩擦，提高传动精度，提高机床寿命和精度保持性的措施，介绍数控机床主运动系统和进给运动系统以及典型机械结构。
学时：4学时
第六章数控机床的机械结构
目标了解数控机床的机械结构特点；
掌握提高机床刚度，减少机床的热变形，减
少运动副的摩擦的措施；
了解数控机床的主运动系统和进给运动系统以及典型机械结构及其工作原理
了解提高传动精度，提高机床寿命和精度保
持性的措施；
第六章数控机床的机械结构
建议
了解数控机床对机械结构的要求，掌握提高机床刚度，减少机床的热变形，减少运动副的摩擦，提高传动精度，提高机床寿命和精度保持性的措施，了解数控机床的主运动系统和进给运动系统以及典型机械结构。
第六章数控机床的机械结构
第一节概述数控机床的机械结构要求
1、高精度
2、高速度
3、高自动化要求数控机床必须具有很高的强度、刚度和抗振性
因此，数控机床的功能要求和设计要求与普通机床有较大的差异。
数控机床的结构设计要求可以归纳为如下几方面：
1、具有大切削功率，高的静、动刚度和良好的抗振性能；
2、具有较高的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性；
3、具有实现辅助操作自动化的结构部件。
数控机床应具有更高的静、动刚度
刚度:是指支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵抗变形的能力
(静刚度)(动刚度)
提高刚度的原因：
①在重载荷的作用下，机床的各部件、构件会受
力变形，引起刀具和工件的相对位置的变化
②机床刚度差—影响机床抗振性
第二节提高刚度的措施
①合理选择支承件的结构形式
措施1 支承件截面形状尽量选用抗弯的方截面和抗扭的圆截面或采用封闭型床身
封闭整体箱形结构
左图为卧式加工中心的框式立柱结构。
从正面看，立柱截面成封闭框形．轮廓尺寸大，保证以高扭转刚度承受切削扭矩产生的扭转载荷。
从俯视截面看，两个立柱截面形状为矩形，矩形尺寸大的方向正是因切削力作用产生大的弯曲载荷的方向。
这种结构具有很高的刚度。
措施2 合理布置支承件隔板的筋条
隔板的作用是将作用于支承板的局部载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件承受载荷，提高支承件的自身刚度。
“T”形隔板连接，主
要提高水平面抗弯刚
度，对提高垂直面抗
弯刚度和抗扭刚度不
显著，多用在刚度要
求不高的床身上。
“W”形隔板，能较大地
提高水平面上的抗弯抗扭刚度，对中心距超过1500mm的长床身，效
果最为显著
“ ”形隔板，在垂直面
和水平面上的抗弯刚度都比较高，铸造性能好，在大中型车床上应用较多
斜向拉筋，床身刚度最高，排屑容易
措施3 增加导轨与支承件的连接部分的刚度连接刚度:支承件在连接处抵抗变形的能力。
措施4 增加机床各部件的接触刚度和承载能力◆采用刮研的方法增加单位面积上的接触点
◆在结合面之间施加足够大的预加载荷,增加接触面积
②合理的结构布局
②合理的结构布局
③采用补偿变形的措施
测出受力点的
相对变形的大
小和方向，或
者预知构件的
变形规律，就
可采取补偿变
形的方法消除
受力变形的影
响
④合理选用构件的材料
措施1床身、立柱等支承件采用钢板或型钢焊接
——增加刚度、减轻重量、提高抗振性。
铸件:容易获得复杂结构的支承件,铸铁的内摩擦力大，阻
尼系数大，振动的衰减性能好，成本低。
铸件的周期较长，需做木型模，易产生缩孔、气泡等缺陷。
焊接件:钢材的强度比铸铁高，质量可比铸件减轻20%-50%，不需要木模和浇注，生产周期短，不易出现废品。
措施2 采用封砂床身结构
在铸件中不清除
砂心，在焊接件
中灌注混凝土或
砂增加摩擦阻力
措施3 采用混凝土、树脂混凝土或人造花岗岩作支承件的材料
人造大理石床身（混凝土聚合物）
天然大理石床身
第三节减少机床的热变形
（1）产生热变形的原因：
①内外热源的影响
②不能人工修正热变形误差
（2）减少热变形的措施：
①减少发热—将热源从主机中分离出去
措施1 主运动采用直流或交流调速电动机进行无级调速——减少传动轴和传动齿轮数量
——减少主传动箱内的发热量
措施2 采用低摩擦系数的导轨和轴承
——采用滚动导轨、静压导轨或滚动轴承
②控制温升
措施通过散热和冷却方法
③改善机床结构
措施1采用对称原则设计数控机床结构
措施2使机床主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上措施3采用排屑系统
④进行热变形补偿
冷却风管
主轴
对机床热源进行强制冷却
主轴
冷却风管
对机床热源进行强制冷却
措施1 采用对称原则设计数控机床结构
对称结构立柱
措施2 使机床主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上
措施3 采用排屑系统
倾斜床身机床排屑系统
措施4 将热源置于易散热的位置
将主传动箱和主电动机放在机床的外面
第四节减少运动副的摩擦，提高传动精度
措施1采用滚动导轨或静压导轨来减少摩擦副之间的摩擦措施2采用滚珠丝杠或无间隙齿轮传动—减小摩擦
滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副
第五节提高机床寿命和精度保持性
措施1采用耐磨性好的零部件
措施2机床运动部件间具有良好的润滑
第六节对主传动系统和进给系统的的要求
1、主传动的作用：产生主切削力
2、对主传动的要求
①足够的转速范围
②足够的功率和扭矩
③各零部件应具有足够的精度、强度、刚度和抗振性
④噪声低、运行平稳
3、主传动的配置方式
①主轴电动机直接驱动（一体化主轴，电主轴）
特点：
有效提高主轴部件刚度，但主轴输出扭矩小
电主轴
②、电动机经同步齿形带传动主轴
主轴电动机
③、电动机经齿轮变速传动主轴主轴电动机
4、主轴部件
5、对进给传动系统的要求
（1）、进给传动系统作用
接受数控系统发出的进给脉冲，经放大和转换后
驱动执行元件实现预期的运动。
（2）、传统进给传动系统与数控伺服进给系统的区别
传统进给传动系统：多采用一个电机，执行件之间采用大量的齿轮传动，以实现内外传动链的各种传动比要求。
故传动链很长，结构相当复杂
数控伺服进给系统：每一个运动都由单独的伺服电机驱动，传动链大大缩短，传动件大大减少，有利于减少传动误差，提高传动精度
（3）、对进给传动系统的要求
①减少运动件的摩擦阻力
提高机床进给系统的快速响应性能和运动精度，减少爬行现象
响应性能：是进给伺服系统动态性能的指标，
反映了系统的跟踪精度
运动精度：是机床的主要零、部件在以工作状态
的速度运动时的精度
爬行现象：低速时运动不平衡的现象称为爬行现象
机床爬行现象一般发生在低速度、重载荷的运动情况下
当主传动件1作匀速运动时，工作台3往往会出现明显的速度不均匀，产生跳跃式的时停时走的运动状态，或时快时慢现象。
②提高传动精度和刚度
措施1 保证部件加工精度
措施2 在传动链中加入减速齿轮—减小脉冲当量，提高传动精度
措施3 预紧支撑丝杠的轴承—消除齿轮、蜗轮传动件间隙
措施4 预紧消除滚珠丝杠螺母副的轴向传动间隙
第六节对主传动系统和进给系统的的要求③减小各运动零部件的惯量
④稳定性好，寿命长
稳定性好：保证低速时不产生爬行，外负载变化时不发生振动
寿命：是指数控机床保持传动精度和定位精度时间的长短，即保持原制造精度的能力
6、滚珠丝杠螺母副
滚珠丝杠螺母副
（1）、滚珠丝杠螺母副的结构
丝杠
滚珠
螺母作用：将回转运动转换成直线运动
（2）、滚珠丝杠螺母副的特点
优点：①传动效率高
②摩擦阻力小
③传动精度高
④有可逆性
⑤使用寿命长
缺点：①制造工艺复杂
②不能实现自锁
第六节对主传动系统和进给系统的的要求（3）、滚珠丝杠螺母副的循环方式
①外循环：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环
②内循环：滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的成为内循环
（4）、滚珠丝杠螺母副的预紧
①预紧的目的：减小轴向间隙
轴向间隙：指丝杠和螺母间无相对转动时，二者之间的最大轴向窜动量
②预紧的方法
双螺母垫片式
双螺母螺纹式
双螺母齿差式
双螺母垫片式
第六节对主传动系统和进给系统的的要求。