《现代制造装备及控制》数控机床本体设计课件.pptx

1、7.1 支支承承件件设计设计7.1.1 支承件的功用 支承件是数控机床的基本构件，主要是指床身、立柱、横梁、工作台、箱体、升降台等大件。作用：u 支承作用：即支承其他零部件，在机床切削时，承受着一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力；u 基准作用：即保证机床在使用中或长期使用后，能够保证各部件之间正确的相互位置关系和相对运动轨迹。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计7.1.2 支承件的基本要求 支承件受力、受热后的变形和振动将直接影响机床的加工精度和表面质量。支承件的结构设计、尺寸及布局具应满足下列要求。p 刚度：支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵抗变形的能力；p 抗振性：支承件抵抗受迫振

2、动和自激振动的能力；p 热变形：影响机床的工作精度和几何精度（隔热、散热，均衡温度场、对称温度场）；p 内应力：支承件的设计应从结构上和材料上保证其内应力要小，并应在焊接、铸造等工序后进行时效处理；p 其它：支承件还应使排屑通畅，操作方便，吊运安全，加工及装配工艺性好等。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计7.1.3 支承件的静刚度支承件变形包括三部分：自身变形，局部变形和接触变形。一、提高支承件自身刚度支承件抵抗自身变形的能力称为支承件的自身刚度，它主要决定于支承件的材料、形状、尺寸和筋板的布置等。(1)正确选择支承件的截面和尺寸支承件所受的载荷，主要由拉压、弯曲和扭转。其中弯曲和扭

3、转是主要的载荷。因此，支承件的自身刚度，应主要考虑弯曲刚度和扭转刚度。在其它条件相同时，抗弯、抗扭刚度与截面惯性矩有关。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计(2)合理布置隔板图a为床身前后壁用T形隔板连接，主要提高水平面刚度，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。但这种床身结构简单，铸造工艺好。图b为“H”形隔板，“H”形隔板具有一定的宽度B和高度H，垂直面和水平面上的抗弯刚度都比较高，铸造性能也很好，在大型车床上应用较多。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计 图c为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

4、果最为显著。图d床身刚度最高，排屑容易。(3)合理开窗和加盖为了安装机件或清砂，支承件壁上往往需要开窗孔。窗孔对刚度有影响，因而开窗孔后加盖并拧紧螺钉，可将抗弯刚度恢复到接近未开孔时的程度。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计二、提高支承件连接刚度和局部刚度支承件在连接处抵抗变形的能力，称为支承件的连接刚度。连接刚度与连接处的材料、几何形状与尺寸、接触面硬度及表面粗糙度、几何精度和加工方法有关。支承件抵抗局部变形的能力，称为支承件的局部刚度。这种变形主要发生在载荷较集中的局部结构处，它与局部变形处的结构和尺寸等有关。合理设置加强筋是提高局部刚度的有效途径，下面示出了4种加强筋结构。第第

5、7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计加筋的布置第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计(a)：直线筋直线筋，结构简单，刚性差、可用于窄壁或受载较小的床身上；(b)：纵横筋板直角相交纵横筋板直角相交，制造简单、易产生内应力，用于箱型截面上；(c)：筋板在壁上呈三角形分布筋板在壁上呈三角形分布，能保证刚度，用于矩形截面床身的宽壁处；(d)：米字型筋板米字型筋板，抗弯、抗扭刚度较高，结构复杂，多用于焊接床身上。7.1.4 支承件形状和尺寸的确定一、卧式床身：床身截面形状主要取决于刚度要求，导轨位置，内部需安装的零部件和排屑等。u图a为前后壁之间加隔板的形式，用于中小型车床，刚度较低。u图为双

6、重壁结构，刚度比图a高些。u图c所示的床身截面形状是通过后壁的孔排屑，这样床身的主要部分可做成封闭的箱形，刚度较高。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计u图d主要用于中、小型工作台不升降式铣床，龙门刨床，插床和镗床床身。为了便于冷却液和润滑液流动，顶面有一定斜度。u图e床身内部可安装尺寸较大的机构，也可兼作油箱。床身的前后壁之间无隔板连接，刚度较低，常作为轻型机床床身，如磨床。u图f是重型机床的床身，导轨可达4-5个。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计二、立柱：可看做立式床身，其截面有圆形、方形和矩形。立柱所承受的载荷有两类：u弯曲载荷，载荷作用于立柱的对称面，如立式钻床的立

7、柱；u弯曲和扭转载荷，如铣床，镗床的立柱。p图a为圆形截面，抗弯刚度较差，主要用于运动部件绕其轴心旋转以及载荷不大的场合，如摇臂钻床。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计p图b为对称矩形截面，用于以弯曲载荷为主，载荷作用于立柱对称面且较大的场合。p图c为对称方形截面，用于有两个方向的弯曲和扭转载荷的立柱。p图d用于龙门框架式立柱。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计三、横梁和底座横梁用于龙门式机床上，进行受力分析时，可看作两支点的简支梁，工作时承受复杂的空间载荷，因此横梁的刚度对机床性能影响很大，其截面一般做成封闭形，见图a-e。图f为底座的截面形状，底座是某些机床不可缺少的支

8、承件，因此必须要有足够的刚度。横梁和底座截面形状第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计7.1.5 支承件材料的选择及时效处理一、铸铁一、铸铁 灰铁铸造性能较好，容易获得复杂结构的支承件，内摩擦力大，阻尼系数大，振动衰减性能好，成本低。但周期较长，易产生缩孔，气泡等缺陷。l HT196为级铸铁，用于外形简单和弯曲应力、压应力较大的支承件；l HT147为级铸铁，铸造性能好而力学性能差，适用于精密机床，形状复杂及载荷不大的座身，底座也多采用级铸铁；l HT98为级铸铁，其力学性能较差，一般多用于镶嵌导轨的支承件。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计二、钢二、钢 钢强度比铸铁高，弹性模

9、量约为铸铁的1.5-2倍。支承件用钢材焊接而成，质量可减轻2050%，且可使固有频率提高。生产周期短，又不易出现废品。三、失三、失 效效 处处 理理在铸造及焊接后因冷却收缩而产生内应力，且很不均匀。时效处理方法有3种：即自然时效，人工时效和振动时效。p 自然时效：将铸铁毛坯或粗加工后的半成品在露天存放3个月到几年，逐渐消除其内应力，使内部材料性能逐渐趋于稳定，然后进行加工。p 人工时效：将工件放在200以下的退火炉中，以不超过80/h的速度缓慢冷却，以免产生新的内应力，冷却到400以下方可从炉中取出。p 振动时效：将激振器的激振频率调到等于零件一次弯曲振动的固有频率，使零件发生共振，弯曲应力加

10、上内应力将有一部分材料的总应力超过屈服极限，使材料产生塑性变形而消除内应力。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计7.2 机床导轨设计机床导轨设计7.2.1 概述概述一、导轨的功用和分类一、导轨的功用和分类导轨副的主要功用是导向和承载，为此，导轨副只允许具有一个自由度。导轨副按下列性质分类：u 运动轨迹可分为直线运动导轨和圆周运动导轨。u 摩擦性质可分为滑动导轨和滚动导轨。u 工作性质可分为主运动导轨、进给运动导轨、移置导轨和卸荷导轨。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计二、导轨应满足的基本要求二、导轨应满足的基本要求p 导向精度导向精度：指导轨运动轨迹的精确度。影响因素有：导轨

11、的几何精度和接触精度，导轨的结构形式，导轨及其支承件的刚度和热变形，静（动）压导轨副之间的油膜厚度及其刚度等。p 精度保持性精度保持性：主要由导轨的耐磨性决定，耐磨性与导轨的材料、导轨副的摩擦性质，导轨上的压强及其分布规律等因素有关。p 刚度刚度：包括导轨自身刚度和接触刚度。主要取决于导轨的形状、尺寸与支承件的连接方式及受力状况等因素。p 低速运动平稳性低速运动平稳性：动导轨作低速运动或微量位移时，易产生摩擦自激振动，即爬行现象。爬行会降低定位精度或增大被加工工件表面的粗糙度值。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计三、导轨的主要失效形式三、导轨的主要失效形式u 磨损磨损：分为磨粒磨损和

12、咬合磨损。u 疲劳和压溃疲劳和压溃：表面疲劳是因为表层受接触应力而产生弹性变形，脱离接触时则弹性恢复，这种过程达到一定循环次数后，表层形成龟裂而产生剥落片。压溃是由于接触应力过大而使表层产生塑性变形而形成坑。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计四、导轨的材料及导轨副匹配四、导轨的材料及导轨副匹配 导轨材料的基本要求导轨材料的基本要求a.良好的耐磨性 导轨的磨损不但影响机床的稳定性，而且在许多情况下还影响与导轨相联系的摩擦副(例如丝杠螺母、蜗杆-蜗轮等)的工作性能。b.良好的摩擦特性 良好的摩擦特性包括较小的静摩擦系数和它受静接触延续时间的影响小；较小的动摩擦系数和它在低速进给范围内受滑

13、动速度的影响小等。还希望静、动摩擦系数差小。c.加工与使用中由于残留内应力产生的变形小。d.工作环境与自身温升的尺寸稳定，强度不变。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计 导轨副材料的匹配导轨副材料的匹配 p铸铁铸铁-铸铁：铸铁：动导轨常用灰铸铁。支承导轨采用孕育铸铁，高磷铸铁和合金铸铁，其耐磨性比普通铸铁高2-4倍。p铸铁铸铁-淬硬铸铁：淬硬铸铁：动导轨常用普通灰铸铁，并经刮配加工。支承导轨常用HT200铸铁并进行表面淬火提高共硬度及耐磨性。p铸铁铸铁-淬硬钢板：淬硬钢板：动导轨常用铸铁。支承导轨为淬硬钢导轨，分段镶装在铸铁床身上，用碳素钢(T108A，T8A等)、合金钢(40Cr，C

14、rWMn等)。p塑料塑料-铸铁：铸铁：在动导轨上粘贴聚四氟乙烯塑料软带，与铸铁导轨组成摩擦副时，摩擦系数仅为0.02-0.03，是铸铁-铸铁副的1/3左右。p有色金属有色金属-铸铁：铸铁：在动导轨基体上镶装有色金属板，主要有ZQSn6-6-3，ZQA1-9-2等。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计7.2.2 滑动导轨滑动导轨7.2.2.1 滑动导轨的结构滑动导轨的结构一、直线运动导轨一、直线运动导轨(1)直线运动导轨的截面形状直线运动导轨的截面形状 导轨面由若干个平面组成，从制造、装配和检验来说，平面数量应尽可能少。图a是矩形导轨，具有刚度高，承载能力大，制造，检验和维修方便。但是导

15、轨不可避免地存在侧向间隙，因而导向精度较差。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计 图b是三角形导轨，顶角越小导向性越好，但减小时导轨面当量摩擦系数加大；角加大承载能力增加。支承导轨为凸三角形时，不易积存有较大积屑，也不易存润滑油。支承导轨为凹三角形时，导轨副易产生动压效应，但防尘性差。图c是燕尾形导轨，高度较小，可承受颠覆力矩；但刚度差，制造、检验和维修都不方便。图d是圆柱形导轨，易制造，不易积存较大积屑和润滑油，磨损后难以调整和补偿间隙，用于轴向载荷场合。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计(2)直线运动滑动导轨常用组合形式直线运动滑动导轨常用组合形式 图a为双三角形组合，导

16、向精度高，磨损后相对位置不变。用于龙门刨床、丝杆车床等。图b为双矩形组合，承载能力大，刚度高，制造、调整简单。用于数控机床、拉床、镗床等。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计 图c为三角形和矩形组合，兼有导向性好、制造方便等优点，广泛用于车床、磨床、精密镗床、滚齿机等机床上。图d为矩形与燕尾形组合，兼有承受较大力矩，调整方便等优点。用于横梁和立柱上。图e为双圆柱导轨组合，常用于拉床、机械手等。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计7.2.2.2 塑料滑动导轨塑料滑动导轨 在金属导轨基体的表面上覆盖一层塑料或塑料在金属导轨基体的表面上覆盖一层塑料或塑料/金属混合物，金属混合物，称为

17、塑料滑动导轨称为塑料滑动导轨。优点优点：耐磨性好、抗咬合能力强，具有自润滑功能；摩擦系数小，动静摩擦系数接近且稳定、低速不爬行；吸振性好，具有良好的阻尼性；加工性好，工艺简单，化学性稳定性高、耐腐蚀(耐水、耐油)，维修方便，成本低等。缺点缺点：耐热性差、热导率低、线胀系数大、机械强度低、刚性差、易蠕变。数控机床采用的塑料滑动导轨有铸铁-塑料滑动导轨和镶钢-塑料滑动导轨。塑料滑动导轨常用在导轨副的运动导轨上，与之相配的金属导轨采用铸铁或钢质材料。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计(1)注塑导轨注塑导轨 导轨注塑或环氧涂层材料(抗磨涂层的材料)是以环氧树脂和二硫化硫为基体，加入增塑剂，混

18、合成膏状为一组分，固化剂为另一组分的双组分塑料。这种涂料附着力强，具有良好的可加工性，良好的摩擦特性和耐磨性，尺寸稳定。注塑导轨1-滑座；2-胶条；3-注塑层第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计(2)贴塑导轨贴塑导轨 在导轨滑动面上贴一层抗磨的塑料软带，与之相配的导轨滑动面经淬火和磨削加工。软带以聚四氟乙烯为基材，添加合金粉和氧化物制成。塑料软带可切成任意大小和形状，用胶粘剂粘接在导轨基面上。由于这类导轨软带用粘接方法，故称为贴塑导轨。贴塑导轨的粘接第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计7.2.2.3 静压导轨静压导轨 静压导轨由于其导轨的工作面完全处于纯液体摩擦下，因而工作时摩

19、擦系数极低(f=0.00050.001)；导轨的运动不受负载和速度的限制，且低速时移动均匀，无爬行现象；由于液体具有吸振作用，因而导轨的抗振性好；承载能力大、刚性好、摩擦发热小，导轨温升小。但静压导轨的结构复杂，多了一套液压系统，成本高；油膜厚度难以保持恒定不变。故静压导轨主要用于大型、重型数控机床及加工中心上。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计一、静压导轨的结构一、静压导轨的结构开式静压导轨开式静压导轨 指不能限制工作台从导轨上分离的静压导轨。这种导轨的载荷总是指向导轨，不能承受相反方向的载荷，并且不易达到很高的刚性。这种静压导轨用于运动速度比较低的重型机床。开式液体静压导轨1-液

20、压泵；2-溢流阀；3-过滤器；4-节流器；5-运动导轨；6-床身导轨第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计闭式静压导轨闭式静压导轨 导轨设置在机座的几个面上，能够限制工作台从导轨上分离的静压导轨。各个方向导轨面上均开有油腔，具有承受各方向载荷的能力，导轨平衡性较好，常于要求承受倾覆力矩的场合。闭式静压导轨结构闭式液体静压导轨1-固定节流阀；2、3-可调节流阀；4-过滤器；5-液压泵；6-溢流阀；7-过滤器第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计二、油腔结构二、油腔结构 导轨油腔形状一般有矩形油腔和油槽形油腔，其中油槽形油腔包括：直油槽形油腔、二字形油槽腔和三字形油槽腔。不管油腔的形状

21、如何，只要支座的长L、宽B和油腔长t、宽b相等，各种形状的油腔具有相同的承载面积。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计三、导轨间隙三、导轨间隙 静压导轨的间隙代表了润滑油膜的厚度，间隙越大，流量越大，则刚性减少，且导轨容易出现漂移。导轨的间隙小，流量也小，刚性增大，但是导轨间隙受到导轨几何精度、零部件刚性以及最小节流器最小尺寸的限制，所以导轨间隙不能取得太小。p 中小型机床，空载时的导轨间隙一般取h0=0.01-0.025mm。p 大型机床，空载时的导轨间隙一般取h0=0.03-0.08mm。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计四、节流形式四、节流形式 分定压式供油系统定压式供

22、油系统和定量式供油系统定量式供油系统两种。在大型机床中采用定量式供油(即单腔单泵)可获得大的刚性，且载荷越大，刚性也越大，导轨油腔与泵之间直接连接无需再串节流器。液体静压导轨常用的定压式供油系统的节流器有两种：毛细管节流器 薄膜反馈节流器 第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计(1)毛细管节流器 毛细管节流器多采用节流长度可调整的螺旋槽结构。这是因为导轨各油腔压力往往大小不一，而进油压力p又要求一样，这就要使毛细管的节流长度能够在一定范围内调整，以适应各油腔的不同需要。可调毛细管节流器第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计 为了结构紧凑，静压导轨常将多个毛细管组合。毛细管节流开式和

23、闭式静压导轨，多用于载荷变化范围不大的机床。组合式毛细管节流器1-螺旋槽毛细管；2-进油管接头；3-油腔压力表座；4-节流阀；5-分配阀；6-供油压力表阀第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计(2)薄膜反馈节流器 薄膜反馈节流器的结构有单面和双面两种。双面薄膜反馈节流器结构同静压轴承完全一样。单面薄膜反馈节流器，有节流间隙不可调整(图a)和节流间隙可调整两种。在节流间隙可调整的结构中，又有弹簧压紧薄膜和阀芯移动调整间隙两种(图b)。节流间隙不可调整的单面薄膜反馈节流器节流间隙可调整单面薄膜反馈节流器第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计 单面薄膜反馈节流器多用于开式静压导轨。双面薄

24、膜反馈节流器多用于闭式静压导轨。导轨的每个油腔都应该有节流器控制。对于开式V形导轨两侧相对应的油腔，应各自有节流器控制，才能承受正方向垂直载荷和水平方向载荷，见下图。节流器的布置第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计二、圆周运动导轨二、圆周运动导轨 图a是平面圆环导轨。承载能力大，制造方便，只能承受轴向载荷，须与主轴联用，由主轴来承受径向载荷。用于立式车床，圆工作台磨床等。图b是锥面圆环导轨。其母线倾角常取30，导向性比平面导轨好，可承受轴向和径向载荷，但是较难保持锥面和轴心线的同轴度。图c是形圆环导轨。它可承受较大轴向力、径向力和颠覆力矩，较难保证锥面和轴心线的同轴度。第第7章章 数控

25、机床本体设计数控机床本体设计7.2.3 滚动导轨 在两导轨面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面之间的摩擦具有滚动摩擦性质，这种导轨称为滚动导轨。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计与普通滑动导轨相比，滚动导轨有下列优点与普通滑动导轨相比，滚动导轨有下列优点:运动灵敏度高运动灵敏度高，滚动导轨的摩擦系数为0.0025-0.005，远小于滑动导轨(静摩擦系数为0.4-0.2，动摩擦系数为0.2-0.1)。静、动摩擦力相差甚微，低速移动时，没有爬行现象。定位精度高定位精度高，滚动导轨重复定位误差为0.1-0.2m。普通滑动导轨一般为10-20m，在采用防爬措施后(如液压卸载)可达2-

26、5m。牵引力小，移动轻便牵引力小，移动轻便。钢制淬硬导轨具有较高的耐磨性，精度保持性好钢制淬硬导轨具有较高的耐磨性，精度保持性好。润滑系统简单，维修方便润滑系统简单，维修方便(只需更换滚动体)。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计缺点缺点:滚动导轨的抗振性较差，对防护要求也较高。由于导轨间无油膜存在，滚动体与导轨是点接触或线接触，接触应力较大，故一般滚动体和导轨需用淬火钢制成。另外，滚动体直径的不一致或导轨面不平，都会使运动部件倾斜或高度发生变化，影响导向精度，因此对滚动体的精度和导轨平面度要求高。与普通滑动导轨相比，滚动导轨的结构复杂，制造困难，成本较高。第第7章章 数控机床本体设计

27、数控机床本体设计一、滚动导轨类型p 按运动轨迹，分为直线运动导轨、圆周运动导轨；p 按行程，分为行程有限导轨及行程元限导轨；p 按滚动体形式，分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨等。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计(1)滚珠导轨 结构特点为：点接触，摩擦阻力小，承载能力较差，刚度低，结构紧凑，制造容易，成本较低。通过合理设计滚道圆弧可大幅度降低接触应力，提高承载能力。滚珠导轨一般适用于运动部件重量小于2000 N，切削力矩和颠覆力矩都较小的机床。滚珠导轨第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计(2)滚柱导轨 滚动体与导轨之间是线接触，承载能力较同规格滚珠导轨高一个数量级，刚度高，对

28、导轨面的平面度敏感，制造精度要求比滚珠导轨高适用于载荷较大的机床。滚柱导轨(3)滚针导轨 滚针尺寸小，结构紧凑，承载能力大，刚度高。对导轨面的平面度更敏感，对制造精度的要求更高。摩擦系数较大，适用于导轨尺寸受限制的机床。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计二、滚动导轨的结构形式 直线滚动导轨副直线滚动导轨副 导轨条l是支承导轨，滑块7装在移动件上，滑块7中装有4组滚珠，在导轨条和滑块的直线滚道内滚动。当滚珠4滚到滑块的端点，经端面挡板6和回珠孔返回另一端，再次进入循环。4组滚珠和各自的滚道相当于4个直线运动角接触球轴承。由于滚道的曲率半径略大于滚珠半径，在载荷作用下接触区为椭圆。可以从

29、油嘴8注入润滑脂。密封垫5用来防止灰尘迸入轨道。直线滚动导轨的结构1-导轨体；2-侧面密封垫；3-保持器；4-液珠；5-端部密封垫；6-端丽挡板；7-滑块；8-润滑油嘴第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计二、滚动导轨的结构形式第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计 滚动导轨块滚动导轨块 采用循环式圆柱滚子，与机床床身导轨配合使用，不受行程长度的限制，刚度高。滚动导轨块用螺钉固定在动导轨体上，滚动体3在导轨块6与支承5之间滚动，并经挡板2及上面的返回槽做循环运动。滚动导轨块1-防护板；2-端面销板；3-滚柱；4-导向片；5-保持器；6-导轨块第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体

30、设计二、材料及热处理二、材料及热处理 滚动体材料一般用滚动轴承钢，洋火后硬度可达60HRC以上。滚动导轨可用淬硬钢或铸铁制造。钢导轨具有承载能力大和耐磨性较高等优点。常用的材料有低碳合金钢，如20Cr，经渗碳洋火，硬度可达6063HRC；合金结构钢，如40Cr，热处理硬度可达4550HRC。加工性能较好；合金工具钢，淬火后低温回火，材料硬度较高，性能稳定，适用于变形小、耐磨位高的导轨。铸铁导轨适用于中、小载荷，不需要预紧且不承受动载荷的导轨上，常用材料为HT20 0，硬度为200220HB。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计三、滚动导轨的预紧三、滚动导轨的预紧 滚动导轨有预加载荷时，

31、刚度会增加，但牵引力也增加。滚动导轨有预加载荷时，刚度会增加，但牵引力也增加。预盈量和牵引力的关系1-矩形滚柱导轨；2-滚珠导轨第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计预紧方法预紧方法过盈配合：过盈配合：装配前，滚动体母线间的距离为A，压板与溜板间的尺寸为A-。装配后，由此而产生的上下滚动体与导轨面之间的预紧力各为Q。当载荷P 作用于溜板时，上面滚子受力为Q-P。而当P=Q时，下面滚子的弹性变形为零，因此，预紧力应大于载荷。调整元件预紧：调整元件预紧：靠螺钉、弹簧或斜块移动导轨来实现预紧。滚动导轨的预紧1,2-支承块；3-螺钉第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计四、滚动导轨四、滚动

32、导轨的设计计算的设计计算 受力分析 中、小型机床的载荷以切削力为主，可忽略工件和动导轨部件的重力。对大型机床进行受力分析时，必须同时考虑切削力和重力。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计 Fc、Fr和Fp分别为切削力、进给力和背向力，FQ为牵引力，Rl、R2、R3、R4和RlT、R2T、R3T、R4T为反力。首先考虑Ff的作用。对O点取矩可得34343()2fyfFRR zRRyRFz1 1343413()2TTTTTfFxRRzRRxRFz第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计 滚动导轨的计算 以在一定的载荷下行走一定的距离，90%的支承不发生点蚀为依据，这个载荷称为额定动载荷

33、，行走的距离称为额定寿命。滚动导轨的预期寿命除了与额定动载荷和导轨的实际工作载荷有关外，还与导轨的硬度、滑块部分的工作温度和每根导轨上的滑块数目有关。对于直线滚动导轨副：对于滚动导轨块:350()HTCWCff fLFf10/3100()HTCWCff fLFf第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计同理，对O1点取矩可得1211222fTTfyRRFzxRRFz 采用同样的方法，求出切削力Fc和背向力对每个滑块的作用力，列表。将每个滑块的受力相加，可得计算载荷。Fc、Ff和Fp对滑块的作用力第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计式中，L滚动导轨的预期寿命(km)；C 额定动载荷(N

34、)，由样本查得；F 导轨块上的工作载荷(N)；fH 硬度系数，当导轨面硬度为58-64HRC时fH=1.0，为55HRC时fH=0.8，为50HRC时fH=0.53；fT 温度系数，工作温度为100时fT=1.0,150时fT=0.92,200时fT=0.73；fc接触系数，装2个滚动导轨块时fc=0.81，装3个时fc=0.72，装4个时fc=0.66；fw 载荷系数，无冲击振动，v5m/min时，fw=1-1.5；v=15-60m/min时，fw=1.5-2；有冲击振动，v60m/min时，fw=2.0-3.5。第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计 实际工作中，工作载荷F是变动的，

35、变动形式可分为图示的3种。其中图a表示载荷按阶段式变化的线图，平均载荷如载荷按图b所示的单调式变化，则有载荷按正弦曲线变化(图c)，载荷按正弦曲线变化(图d)，113333112233.()()nnnnavF LF LF LF LFLLminmax23avFFFmax0.65avFFmax0.75avFF第第7章章 数控机床本体设计数控机床本体设计 在零件的制造过程中，大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等非切削时间上，切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。为了缩短非切削时间，充分发挥机床的效率，往往采用“工序集中工序集中”的原则。常见的带有自动换刀装置的机床，如车削中心、镗铣加工

36、中心、钻削中心等比较典型。这类多工序的加工中心，有些还采用自动上、下料和自动装卸工件系统，以便提高机床的自动化程度，完成零件的多工序加工。第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统7.3 自动换刀装置自动换刀装置（自学）（自学）7.3.1 自动换刀装置的基本要求和类型(1)自动换刀装置的基本要求 满足工艺要求满足工艺要求 要求刀库能够布置足够的刀具，换刀时间短，刀库可以方便转位。保证足够的重复定位精度保证足够的重复定位精度 保证刀具和工件间准确的相对位置，精度保持性好，以便长期保持刀具的正确位

37、置。具有足够的刚度具有足够的刚度 使切削过程和换刀过程平稳。提高可靠性提高可靠性 缩短换刀时间缩短换刀时间 利于提高生产率。第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置换刀时间(2)自动换刀装置的形式自动换刀装置的类型第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统7.3.2 加工中心刀库类型与布局加工中心刀库类型与布局 刀库的作用是用来存放刀具，它是自动换刀装置中最主要的部件之一。目前最常见的刀库形式主要有鼓轮式刀库、链式刀库等几种，并根据不同的机床可以采用多种布局形式。(1)鼓轮式刀库鼓轮式刀库 鼓轮式刀库又称为圆盘刀库，其中

38、最常见的形式有刀具轴线与鼓轮轴线平行式布局和刀具轴线与鼓轮轴线倾斜式布局两种。第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统鼓轮式刀库布局倾斜鼓轮式刀库第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统(2)链式刀库链式刀库 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。刀库一般都需要独立安装于机床侧面或顶部；刀具轴线和主轴轴线垂直，换刀必须通过机械手进行，机械结构比鼓轮式刀库复杂。链式刀库图第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统7.3.3 加工中心的自动换刀装置加工中心的自动换刀装置 具有

39、钻、镗、铣功能的数控镗铣床，为了使工件能在一次安装中实现工序高度集中、加工最多的工件表面，且尽量节省辅助时间，一般在其上配置刀库，井由机械手进行自动换刀，形成带自动交换刀具装置的镗铣加工中心。(1)转塔式换刀转塔式换刀转塔刀架转塔刀架第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统(2)无机械手换刀无机械手换刀 无机械手的换刀系统一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，或整个刀库或某一刀位能移动到主轴箱可以到达的位置，刀库中刀具的存放方向与主轴上的装刀方向一致。换刀时，由主轴运动到刀库上的换刀位置，利用主轴直接取走或放回刀具。换刀过程换刀过程第第7章章 自动换刀装置

40、和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统 刀库的驱动是由伺服电动机经齿轮、蜗杆、蜗轮转动刀库。为了消除齿侧间隙而采用双片齿轮。蜗杆、蜗轮采用单头双导程蜗杆消除蜗杆蜗轮啃合间隙，压盖5和轴承套6之间用螺纹连接。转动套6就可使蜗杆轴向移动以调整间隙，螺母7用于在调整后锁紧。刀库转位机构1-主动齿轮；2-消隙齿轮；3一蜗杆；4-蜗轮；5-压盖；6-轴承套；7-螺母第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统(3)机械手换刀机械手换刀 有一个专做储存刀具用的刀库，当需用某一刀具进行切削加工时，将该刀具自动地从刀库移送至刀具主轴或刀架中；切削完毕后，又将用过的刀具自动

41、地从刀具主轴或刀架移回刀库中。u 机械手机械手双臂机械手常用结构第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀过程示意图1-机械手；2-刀库；3-主轴；4-刀套；5-刀具u自动换刀过程自动换刀过程第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统u刀库结构与换刀机械手驱动机构刀库结构与换刀机械手驱动机构 下图为刀具存储方向与主轴方向相差90的自动换刀系统。JCS-018刀库1-驱动电动机；2-浮动联轴器；3-蜗杆；4-气缸；5-拨叉；6-刀套；7-刀库体；8-蜗轮第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统换刀

42、机械手驱动机构1-气缸；2，7-活塞齿条；3，6-齿轮；4-传动盘；5-杆 左图为换刀机械手的驱动机构。换刀时主轴箱上升至换刀位置，机械手由油缸活塞齿条2、齿轮3、传动盘4、杆5带动回转75。两手分别将主轴和刀套中的刀具拔出。在气缸活塞齿条7、齿轮6、传动盘4、杆5 带动下手臂回转180。气缸1使刀臂上升，将新刀具插入主轴，旧刀具插入刀套中。主轴内的夹紧机构自动夹紧刀具，在油缸活塞齿条2的作用下，手臂反方向回转75回原位。整个换刀过程约为6至10s。第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统7.3.4 刀具识别装置刀具识别装置 刀具(或刀套)识别装置是自动换刀装置

43、中的重要组成部分。有了该装置就可以将所需刀具从刀库中准确地调出来，所以说刀具识别装置决定了选刀方式。目前绝大多数数控系统都具有刀具任选功能，因此多数数控机床都采用任选刀具的换刀方式。一、编码方式 任选刀具的换刀方式有：刀具编码、刀套编码、记忆等方式。第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统(1)刀具编码方式 对每把刀具进行编码。刀柄1后面的拉杆4上套装有等间隔的编码环2，由螺母3固定。编码环直径有大小两种，大直径为二进制的“1”，小直径为“0”。通过两种圆环的不同排列，可以得到一系列代码。刀具编码l-刀柄；2-编码环；3-螺母；4-拉杆第第7章章 自动换刀装置和

44、工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统(2)刀套编码方式 对每个刀套、刀具都进行编码，并将刀具放到与其号码相符的刀套中。换刀时刀库旋转，使各个刀套依次经过识刀器，直至找到规定的刀套，刀库便停止旋转。由于这种编码方式取消了刀柄中的编码环，使刀柄结构大为简化。刀套编码1-刀套编码块；2-刀套识别装置第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统(3)计算机记忆方式 刀具号和存刀位置或刀座号(地址)对应地记忆在计算机的存储器或可编程控制器的存储器内，不论刀具存放在哪个地址，都始终记忆着它的踪迹，这样刀具可以任意取出，任意送回。刀柄采用国际通用的形式，没有编码条，结构

45、简单，通用性能好。刀座上也不编码，但刀库上必须设有一个机械原点(又称零位)，对于圆周运动选刀的刀库，每次选刀正转或反转都不超过180的范围。第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统二、刀具(刀套)识别装置 接触式刀具识别装置接触式刀具识别装置 接触式刀具识别装置结构简单，特别适用于空间位置较小的编码。触针有磨损，故寿命较短，可靠性较差，且难于快速选刀。刀具编码图识别图 l-刀柄；2-刀具识别装置；3-触针；4-编码环第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统 非接触式刀具识别装置非接触式刀具识别装置 非接触式刀具识别装置没有机械直接

46、接触，因而无磨损，无噪声，寿命长，反应速度快，适应于高速、换刀频繁的工作场合。p磁性识别法磁性识别法：利用磁性材料和非磁性材料磁感应强弱不同，通过感应线圈读取代码。磁性识别刀具编码1-非接触式识别装置；2-导磁材料编码环；3-刀柄；4-非导磁材料编码环；5-二次线圈；6-检测线圈；7-一次线圈第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统p光电识别法光电识别法 通过光学系统将刀具的外形及编码环投影到由无数光敏元件组成的屏板上，形成刀具图样。经过处理将代表刀具的“信息图形”记入存储器。当某一把刀具在识别位置出现的“信息图形”与存储器内指定刀具的“信息图形“相一致时，便发

47、出信号，使该刀具停在换刀位置。光电识别方法1-刀座；2-刀具；3-投光器;4-机械手；5-屏板第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统p利用利用PLC(可编程控制器可编程控制器)实现随机换刀实现随机换刀 利用软件选刀，代替了传统的编码环和识刀器。消除了由于识刀装置的不稳定性、可靠性所带来的选刀失误。a.ATC(自动换刀)控制和刀号数据表 如图刀库有8个刀套，可存放8把刀具。刀套固定位置编号为方框内1-8 号，0 为主轴刀位置号，由于刀具本身不附带编码环，所以刀具编号可任意设定，如图中10-18 的刀号。为了使用方便，刀号也采用BCD码。八刀位刀库第第7章章 自动

48、换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统 在PLC内部建立一个模拟刀库的刀号数据表，如图所示。数据表的表序号与刀库刀套编号相对应，每个表序号中的内容就是对应刀座中所插入的刀具号，图中刀号表首地址TAB单元固定存放主轴上的刀具号，TAB+1+8 存放刀库上的刀具号。由于刀号数据表实际上是刀库中存放刀具位置的一种映射，所以刀号表与刀库中刀具的位置应始终保持一致。模拟刀库刀号数据表第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统b.刀具的识别 由于PLC内部设置的刀号数据表始终与刀具在刀库中的实际位置相对应，所以对刀具的识别实质上转变为对刀库位置的识别。当PL

49、C接到寻找新刀具的指令(TXX)后，在模拟刀库的刀号数据表中进行数据检索，检到了代码给定的刀具号，将该刀具号所在数据表中的表序号数存放在一个缓冲存储单元，这个表序号数就是新刀具库中的目标位置。刀库旋转后，测得刀库的实际位置与要求的刀库目标位置一致时，即识别了所要寻找的新刀具，刀库停转并定位，等待换刀。第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统c.刀具的交换及刀号数据表的修改 当前一工序加工结束后需要更换新刀加工时，NC系统发出自动换刀指令M06，控制机床主轴准停，机械手执行换刀动作，将主轴上用过的旧刀和刀库上选好的新刀进行交换。与此同时，应通过软件修改PLC内部的

50、刀号数据表，使相应刀号表单元中的刀号与交换后的刀号相对应。第第7章章 自动换刀装置和工件自动交换系统自动换刀装置和工件自动交换系统 在采用自动换刀装置后，数控加工的辅助时间主要用于工件安装及调整，为了进一步提高生产率，就必须设法减少工件安装调整时间，因此，介绍几种常用的工件自动交换系统。7.4.1 托盘交换装置 在柔性物流系统中，工件一般是用夹具定位夹紧的，而夹具被安装在托盘上，当工件在机床上加工时，托盘支撑着工件完成加工任务；当工件输送时，托盘又承载着工件和夹具在机床之间进行传送。托盘既是工件承载体，也是各加工单元间的硬件接口。7.4 工件自动交换工件自动交换装置装置（自学）（自学）第第7章