1、模块二 数控机床的机械结构及维修,主讲 张 红 旗,黄冈科技职业学院机电汽车工程系,模块二 数控机床的机械结构,1. 概述2. 数控机床的机械结构3. 数控机床的主传动系统4. 数控机床的进给系统5. 数控机床用导轨6. 自动换刀装置7. 数控工作台与分度工作台,刀库,主轴,X轴,Y轴,Z轴,操作显示单元,机械手,与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特点。在主传动系统方面，具有下列特点：(1)目前数控机床的主传动电机已不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被直流调速电机和新型的交流调速电机所代替。(2)转速高，功率大。(3)变速范围大。(4)主轴速度的变换迅速可靠。,2.
2、1 概述,1. 数控机床机械结构概述,主轴,提供切削功率、在高档数控机床中还具有C轴功能及定向功能,电主轴,数控车床主轴换挡控制,普通交流鼠笼式异步电动机配变频器,1-冷却液喷嘴；2-刀具；3-拉钉；4-主轴；5-弹性卡爪；6-喷气嘴7-拉杆；8-定位凸轮；9-碟形弹簧；10-轴套；11-固定螺母；12-旋转接头；13-推杆；14-液压缸；15-交流伺服电机；16-换挡齿轮,图2-3ZHS-K63加工中心主轴内部刀具夹紧机构,1. 数控机床机械结构概述,在进给传动系统方面，具有下列特点：（1）尽量采用低摩擦的传动副。采用静压导轨、滚动导轨和滚珠丝杠等，以减小摩擦力。（2）选用最佳的降速比，以达
3、到提高机床分辨率，使工作台尽可能大地加速，以达到跟踪指令、系统折算到驱动轴上的惯量尽量小的要求。（3）缩短传动链及用预紧的方法提高传动系统的刚度。（4）尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。,2.1 概述,1. 数控机床机械结构概述,进给部件： 其作用是在伺服电机的驱动下完成直线运动的定位、进给。下图是滚珠丝杠、联轴节的实物照片。,滚珠丝杠螺母副机构滚珠丝杠螺母副是一种新型的传动机构，它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动件，以减小摩擦，如图2-4所示。,1. 数控机床机械结构概述,滚珠丝杠螺母副,（2）滚珠循环方式。目前国内外生产的滚珠丝杠螺母副，可分为外循环和内循环两类。如
4、图2-7所示为外循环螺旋槽式滚珠丝杠副如图2-8所示为内循环滚珠丝杠螺母副。,数控机床的进给系统,图2-7 外循环螺旋槽式滚珠丝杠副图,数控机床的进给系统,图2-8 内循环滚珠丝杠螺母副,数控机床的进给系统,常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有以下3种。（a）垫片调隙式（图2-9）,1、2-单螺母；3-螺母座；4-调整垫片图2-9 垫片调隙式,数控机床的进给系统,（b）螺纹调隙式（图2-10）,1、2-单螺母；3-平键；4-调整螺母图2-10 螺纹调隙式,数控机床的进给系统,（c）齿差调隙式（图2-11）。,1、4-内齿圈；2、3-单螺母 图2-11 齿差调隙式,数控机床的进给系统,图2-14
5、 滚珠丝杠在机床上的支承方式,滚珠丝杠,齿形带及带轮,丝杠母,润滑油管,伺服电机,数控机床用导轨,（1）滑动导轨。在数控机床上常用的滑动导轨有液体静压导轨、气体静压导轨和贴塑导轨。液体静压导轨。在两导轨工作面间通入具有一定压力的润滑油，形成静压油膜，使导轨工作面间处于纯液态摩擦状态，摩擦系数极低。气体静压导轨。在两导轨工作面间通入具有恒定压力的气体，使两导轨面形成均匀分离，以得到高精度的运动。贴塑导轨。在动导轨的摩擦表面上贴上一层由塑料等其他化学材料组成的塑料薄膜软带。,数控机床用导轨,（2）滚动导轨。滚动导轨的最大优点是摩擦系数小，一般为0.00250.005近年来数控机床愈来愈多地采用由专
6、业厂家生产的直线滚动导轨副或滚动导轨块。这种导轨组件本身制造精度很高，对机床的安装基面要求不高，安装、调整都非常方便。,数控机床用导轨,如图2-16所示为一种滚动导轨块组件，其特点是刚度高、承载能力大、导轨行程不受限制。当运动部件移动时，滚珠3在支承部件的导轨与本体6之间滚动，同时绕本体6循环滚动。每一导轨上使用导轨块的数量可根据导轨的长度和负载的大小确定。,1-防护板；2-端盖；3-滚珠；4-导向片；5-保护架；6-本体图2-16 滚动导轨块组件,自动换刀装置,数控车床的转塔刀架、加工中心的刀库及换刀机构，能够使工件一次装夹后不用再拆卸工件就可完成多工序的加工。,自动换刀装置,一、自动换刀装
7、置的形式1. 回转刀架换刀数控车床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，根据不同加工对象，可以设计成四方刀架和六角刀架等多种形式。数控车床回转刀架动作的要求是刀架抬起、刀架转位、刀架定位和刀架夹紧。,自动换刀装置,如图2-17所示为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。1活塞 2刀架体 3、7齿轮 4齿圈 5空套齿轮 6活塞 8齿条 9固定插销 10活动插销 11推杆 12触头,自动换刀装置,2. 转塔头式换刀装置一般数控机床常采用转塔头式换刀装置，如数控车床的转塔刀架，数控钻镗床的多轴转塔头等。在转塔的各个主轴头上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具，当发出换刀指令时，各种主轴头
8、依次转到加工位置，并接通主运动，使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不同加工位置的主轴都与主运动脱开。,自动换刀装置,1-主轴；2-端盖；3-螺母；4-套筒；5、6、15-齿轮；7、8-鼠齿盘；9、11-推力轴承；10-转塔刀架；12-活塞 13-中心液压缸；14-操纵杆；16-顶杆；17-螺钉； 18-轴承,图2-18 卧式八轴转塔头,自动换刀装置,3. 车削中心用动力刀架如图2-19(a)所示为意大利Baruffaldi公司生产的适用于全功能数控车床及车削中心的动力转塔刀架。如图2-19(b)所示为该转塔刀架的传动示意图。,图2-19 动力转塔刀架,自动换刀装置,二、带刀库的自动换刀系统自
9、动换刀数控机床多采用刀库式自动换刀装置。带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成，它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀方法。整个换刀过程较为复杂，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在进行尺寸预调整之后，按一定的方式放入刀库，换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具。在进行刀具交换之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放入刀库。常见的刀库形式有3种，即盘形刀库，链式刀库，格子箱刀库等。,自动换刀装置,1. 直接在刀库与主轴（或刀架）之间换刀的自动换刀装置这种换刀装置只具备一个刀库，刀库中储存着加工过程中需使用的各种刀具，利用机床本身与刀库的运动实现换
10、刀过程。如图2-20所示为自动换刀数控立式车床示意图。,1-工作台；2-工件；3-立柱 4-横梁；5-刀架滑座6-刀架滑枕；7-刀库 图2-20 自动换刀数控立式车床示意图,自动换刀装置,1-刀库；2-换刀机械手；3、4-刀具主轴；5-转塔头；6-工件；7-工作台图2-22 机械手和转塔头配合刀库换刀的自动换刀过程,自动换刀装置,刀具交换装置数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式通常分为由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换和采用机械手交换刀具两类。,自动换刀装置,1. 利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的装置此装置在换刀时必
11、须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，如图2-23所示的数控立式镗铣床就是采用这类刀具交换方式的实例。,1-工件；2-刀具；3-主轴 4-主轴箱；5-刀库 图2-23 数控立式镗铣床,自动换刀装置,图2-24 双臂机械手常用机构,自动换刀装置,如图2-25所示是双刀库机械手换刀装置,图2-25 双刀库机械手换刀装置,自动换刀装置,根据各类机床的需要，自动换刀数控机床所使用的刀具的刀柄有圆柱形和圆锥形两种。为了使机械手能可靠地抓取刀具，刀柄必须有合理的夹持部分，而且应当尽可能使刀柄标准化。如图2-26所示是常用的两种刀柄结构。V形槽夹持结构（图2-26(
12、a)）适用于图2-24的各种机械手法兰盘夹持结构（图2-26(b)）适用于钳式机械手装夹,图2-26 刀柄结构,自动换刀装置,四、机械手机械手的形式常见的有如图2-27所示的几种形式。,图2-27 各种形式的机械手,自动换刀装置,1. 单臂单爪回转式机械手这种机械手的手臂可以回转不同的角度，进行自动换刀，手臂上只有一个卡爪，不论在刀库上或是在主轴上，均靠这一个卡爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长，见图2-27a。 2. 单臂双爪回转式机械手这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪有所分工，一个卡爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务。另一个卡爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务，其换刀时间
13、较上述单爪回转式机械手要少，见图2-27b。,自动换刀装置,3. 双臂回转式机械手这种机械手的两臂各有一个卡爪，两个卡爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转180o后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。换刀时间较以上两种单臂机械手均短，是最常用的一种形式。图2-27c右边的一种机械手在抓取或将刀具送入刀库及主轴时，两臂可伸缩。 4. 双机械手这种机械手相当于两个单臂单爪机械手，互相配合起来进行自动换刀。其中一个机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个机械手由刀库取出“新刀”装入机床主轴，见图2-27d。,自动换刀装置,5. 双臂往复交叉式机械手这种机械手的两手臂可以往复运动，并交叉成一定角度。一个
14、手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库取出“新刀”装入机床主轴。整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴间的运刀工作，见图2-27e。 6. 双臂端面夹紧式机械手这种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同。前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面以抓取刀具，这种机械手则夹紧刀柄的两个端面，见图2-27f。,数控回转工作台与分度工作台,一、数控回转工作台 数控回转工作台的功用有两个：一是使工作台进行圆周进给运动，二是工作台进行分度运动。 用于开环系统中的数控回转工作台是由传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置等组成。当接到控制系统的回转指令后，首先要把蜗轮松开，然后开动电液
15、脉冲马达，按照指令脉冲来确定工作台回转的方向、速度、角度大小以及回转过程中速度的变化等参数。当工作台回转完毕后，再把蜗轮夹紧。,数控回转工作台与分度工作台,1-电液脉冲马达 2-偏心环 3-主动齿轮 4-从动齿轮 5-销钉 6-锁紧瓦 7-套筒 8-螺钉 9-丝杠 10-蜗杆 11-蜗轮 12、13-夹紧瓦 14-液压缸 15-活塞 16-弹簧 17-钢球 18-底座 19-光栅 20、21-轴承 JCS-013型自动换刀数控卧式镗铣床的数控回转工作台,数控回转工作台与分度工作台,图2-29 定位销式分度工作台,数控回转工作台与分度工作台,2. 齿盘式分度工作台 图2-30为Z65258型转塔
16、式坐标卧式钻床的齿盘分度工作台的液压系统图，图2-31为分度工作台的结构图。,图2-30 分度工作台的液压系统,数控回转工作台与分度工作台,1-分度工作台 2、4、15、18-管道 3、17-活塞 5、10-轴承 6、7-齿盘 8、9、22、23-推杆 11-内齿轮 12-外齿轮 13-下腔 14-上腔 16-左腔 19-右腔 20-挡铁 21-挡块 图2-31 齿盘式分度工作台,2.8 高速动力卡盘与其它辅助装置,一、高速动力卡盘高速动力卡盘一般只用于数控机床。随着卡盘的转速提高，由卡爪、滑座和紧固螺钉组成的卡爪组件离心力急剧增大，卡爪对零件的夹紧力下降。增大动态夹紧力有如下几种途径：（1）
17、加大静态夹紧力，但这会消耗更多的能源和因夹紧力过大造成零件变形。（2）减轻卡爪组件质量，以减小离心力，为此常采用斜齿条式结构。（3）增加离心力补偿装置，利用补偿装置的离心力抵消卡爪组件离心力造成的夹紧损失。,2.8 高速动力卡盘与其它辅助装置,二、尾座车床尾座一般是在加工时对工件起辅助支撑作用，它由尾座体和尾座套筒两部分组成。尾座体可在床身上移动和固定。尾座套筒前端安装顶针，套筒可以自动伸出和缩回，实现顶尖对工件的支撑作用。如图2-32所示为数控车床的尾座结构图。,数控车床的尾座结构图,2.8 高速动力卡盘与其它辅助装置,三、分度头分度头是将工件夹持在卡盘或两顶尖间，并使其旋转、分度和定位的机
18、床附件。它的作用是按照控制装置的信号或指令做回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床能完成指定的加工工序。按其传动、分度形式可分为蜗杆副分度头、度盘分度头、孔盘分度头、槽盘分度头、端齿盘分度头和其他分度头(包括电感分度头和光栅分度头)。按其功能可分为万能分度头、半万能分度头、等分分度头。按其结构形式可分为立卧分度头、可倾分度头、悬梁分度头。分度头作为通用型机床附件其结构主要由夹持部分、分度定位部分和传动部分组成。,模块二 数控机床机械结构故障诊断,第一节 数控机床机械故障诊断方法第二节 主轴部件第三节 滚珠丝杠螺母副第四节 导轨副第五节 刀库及换刀装置第六节 液压与气压传动系统,第一节 数控机
19、床机械结构故障诊断,一、故障与故障诊断 数控机床在机械结构上和普通机床不同点在于传动链缩短，传动部件的精度高，机械维护的面更广。主轴、进给轴、导轨和丝杠、刀库和换刀装置、液压和气动等。熟悉机械故障的特征，掌握数控机床机械故障的诊断的方法和手段。还要注意数控机床机电之间的内在联系。,第一节 数控机床机械故障诊断方法,1. 机械故障的原因 机床在运行过程中，机械零部件受到力、热摩 擦以及磨损等诸多因素的作用，使其领部件偏离或 丧失原有的功能。2. 机械故障诊断 机床运行状态的识别、运行状态的信号获取、 特征参数的分析，故障性质的判断和故障部位的确定。,第一节 数控机床机械故障诊断方法,二、 机械故
20、障诊断的方法实用诊断技术（问、听、看、闻、摸、查）振动、噪声测试(幅值大小、频率结构）油液分析（磨粒成分、型貌、数量）温度测试（表面温度及变化规律）超声、X射线探伤（机件内部缺陷）专家诊断系统（专家的经验、数据）,第一节 数控机床机械故障诊断方法,1.实用诊断技术问操作者（渐/突发、故障现象、加工件的情况、传动系统的运动和动力、润滑、保养和检修情况）看机床的转速变化、工件的表面粗糙度和振纹、颜色伤痕等明显症状听机床运转声（强弱、频率高低等）闻润滑油脂氧化蒸发油烟气焦糊气,触用手感来判别机床的故障（温升、 振动、伤痕和波纹、爬行、松紧） 实用诊断技术在机械故障的诊断中具有实用简便、快速有效的特点
21、， 但诊断效果的好坏在很大程度上要凭借维修技术人员的经验，而且有一 定的局限性，对一些疑难故障难以奏效。,第一节 数控机床机械故障诊断方法,2. 机械振动检测诊断法 以机床振动作为信息源，在机床运行过程中获 取信号，对信号作各种处理和分析，通过某些特征 量的变化来判别有无故障、根据由以往诊断经验形 成的一些判据来确定故障的性质并综合一些其他依 据来进一步确定故障的部位。具有实用可靠、判 断准确的特点,第二节 主轴部件,主轴部件的性能要求 高回转精度、足够的功率输出、刚度、抗振性、温升以及自动变速、准停和自动换刀等要求。主轴部件的结构 成组高精度轴承（滚动/静压/磁力/陶瓷）及其配置、轴承间隙调
22、整和润滑密封以及满足工件的自动装夹要求,故障现象 故障原因 1.主轴发热 轴承损伤或不清洁、轴承油脂耗 尽 或油脂过多、轴承间隙过小 2.主轴强力 电机与主轴传动的皮带过松、 切削停转 皮带表面有油、离合器松 3.润滑油泄漏 润滑油过量、密封件损伤或 失效、管件损坏,主轴故障诊断,故障现象 故障原因4. 主轴噪声 缺少润滑、皮带轮动平衡 （振动） 不佳、带轮过紧、齿轮磨 损或啮合间隙过大、轴承 损坏5.主轴没有或 油泵转向不正确、油管或 润滑不足 滤油器堵塞、油压不足,主轴故障诊断,主轴故障诊,故障现象 故障原因6. 刀具不能 蝶形弹簧位移量太小、刀 夹紧 具松夹弹簧上螺母松动7.刀具夹紧后
23、刀具松夹弹簧压合过紧、 不能松开 液压缸压力和行程不够,第三节 滚珠丝杠螺母副,滚珠丝杠螺母副的维护1.轴向间隙的调整 保证反向传动精度和轴向刚度（垫片调隙式、螺纹调隙式、齿差调隙式） 2.支承轴承的定期检查 定期检查丝杠支承与床身的连接是否有松动以及轴承是否损坏,第三节 滚珠丝杠螺母副,滚珠丝杠螺母副的维护 3.滚珠丝杠副的润滑 润滑剂（油/脂）可提高耐磨性和传动效 率（工作前/半年） 4.滚珠丝杠的防护 防止硬质灰尘或切屑污物的进入，可采用 防护罩或防护套管等,滚珠丝杠螺母副的故障诊断,故障现象 故障原因1.噪声大 丝杠支承轴承损坏或压盖压合 不好、联轴器松动、润滑不良 或丝杠副滚珠有破损
24、2. 丝杠运动不灵活 轴向预紧太大、丝杠或螺母轴 线与导轨不平行、丝杠弯曲,第四节 导轨副,导轨副的维护1.间隙调整保证导轨面之间合理的间隙，小摩擦力大、 磨损，大运动失去准确性和平稳性、失去 导向精度）2.滚动导轨的预紧提高刚度、消除间隙3.导轨的润滑降低摩擦系数、减少磨损、防止导轨面锈蚀。 润滑方式：人工加油油杯供油、压力油润滑 润滑油：粘度变化小、润滑性好、油膜刚度,第四节 导轨副,4.导轨的防护防止切屑、磨粒或冷却液散落在导轨上而引起磨损、擦伤、和锈蚀，导轨面上应有可靠的防护装置。常用的有刮板式、卷帘式和叠层式防护罩。需要经常进行清理和保养。,导轨故障诊断,故障现象 故障原因 1.导轨
25、研伤 地基与床身水平有变化使局部 载荷过大、长期短工件加工局 部磨损严重、导轨润滑不良、 导轨材质不佳、刮研不符和要 求、导轨维护不良落入脏物,导轨故障诊断,故障现象 故障原因2.移动部件 导轨面研伤、导轨压板研伤、 镶条与导轨间隙太小3.加工面在 导轨直线度超差、工作台塞 接刀处不平 铁松动或塞铁弯度过大、机 床水平度差使导轨发生弯曲,第五节 刀库及换刀装置,刀库与换刀机械手的维护要点1.严禁把超重、超长的刀具装入刀库，防止 机械手换刀时掉刀或发生碰撞2.不管什么方式选刀时，刀具号要和刀库上 所需刀具一致3.手动方式放往刀库上装刀时，要确保装到 位、装牢靠。刀座上的锁紧也要可靠,第五节 刀库
26、及换刀装置,4. 经常检查刀库的回零位置是否正确，主轴 回换刀点位置到位，及时调整5. 要保持刀具刀柄和刀套的清洁6. 开机时，应先使刀库和机械手空运行，检 查各部分工作是否正常（行程开关、电磁 阀、液压系统的压力等）,刀库与换刀机械手的故障诊断,刀库故障主要表现在： 刀库运动故障、定位误差过大、机械手夹持刀柄不稳定和机械手运动误差过大等 故障现象 故障原因 1.刀库刀套不 刀套上的调整螺母位置不对 能卡紧刀具 2.刀库不能旋转 电机和蜗杆轴联轴器松动,刀库与换刀机械手的故障诊断,故障现象 故障原因3.刀具从机械 刀具超重、机械手卡紧销损 手中脱落 坏或没有弹出来4.刀具交换时 换刀时主轴没有回到换刀点 掉刀5.换刀速度过 气压太高或太低和节流阀开 快或过慢 口太大或太小,表2-1 数控机床常见机械故障及处理方法,表2-1 数控机床常见机械故障及处理方法,表2-1 数控机床常见机械故障及处理方法,表2-1 数控机床常见机械故障及处理方法,
