第八章章节数控机床的总体布局跟结构设计资料
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数控机床总体设计
数控机床的特点
数控机床具有加工精度高、加工 效率高、适应性强、加工复杂零 件能力强等特点。
数控机床的分类与组成
数控机床的分类
数控机床可以根据加工方式、运动形式、控制方式等进行分类，如数控车床、 数控铣床、数控磨床等。
数控机床的组成
数控机床主要由控制系统、伺服系统、主轴系统、辅助装置等部分组成。
数控机床的应用与发展趋势
倾斜式布局则能够满足一些特殊加工 需求，如斜孔加工等，但这种布局形 式的操作和维护相对复杂。
数控机床的布局优化
在数控机床的总体布局设计中，还需 要考虑布局优化问题，以提高机床的 使用性能和加工效率。
优化设计还需要考虑生产效率、制造 成本和维护成本等因素，以实现最优 化的设计目标。
布局优化主要包括对机床结构、冷却 系统、排屑系统等方面的优化设计， 以提高机床的刚度、减小热变形、提 高加工精度等。
05 数控机床刀具系统设计
刀具系统的组成与功能
刀柄
连接刀具和主轴的部件，要求 具有高精度和刚性。
刀具管理系统
用于监控刀具状态、选择合适 的刀具以及刀具更换等功能的 系统。
刀具
用于切削工件材料的工具，具 有锋利的切削刃和适当的硬度。
刀夹
用于固定刀具在刀柄上的装置， 需具备夹紧和定位功能。
冷却系统
用于提供冷却液，降低切削温 度，延长刀具使用寿命。
主轴转速
主轴转速是数控机床的重要参数，需 要根据加工需求和刀具特性进行选择。
主轴功率
主轴功率决定了主轴电机的输出能力， 需要根据加工需求和工件材料进行选 择。
主轴轴承
主轴轴承的性能直接影响主轴的旋转 精度和刚度，需要选择高精度、高刚 度的轴承。
主轴箱体
主轴箱体是主轴系统的支撑结构，需 要具备足够的刚度和稳定性，以确保 主轴系统的精度和稳定性。
数控机床具有加工精度高、加工 效率高、适应性强、加工复杂零 件能力强等特点。
数控机床的分类与组成
数控机床的分类
数控机床可以根据加工方式、运动形式、控制方式等进行分类，如数控车床、 数控铣床、数控磨床等。
数控机床的组成
数控机床主要由控制系统、伺服系统、主轴系统、辅助装置等部分组成。
数控机床的应用与发展趋势
倾斜式布局则能够满足一些特殊加工 需求，如斜孔加工等，但这种布局形 式的操作和维护相对复杂。
数控机床的布局优化
在数控机床的总体布局设计中，还需 要考虑布局优化问题，以提高机床的 使用性能和加工效率。
优化设计还需要考虑生产效率、制造 成本和维护成本等因素，以实现最优 化的设计目标。
布局优化主要包括对机床结构、冷却 系统、排屑系统等方面的优化设计， 以提高机床的刚度、减小热变形、提 高加工精度等。
05 数控机床刀具系统设计
刀具系统的组成与功能
刀柄
连接刀具和主轴的部件，要求 具有高精度和刚性。
刀具管理系统
用于监控刀具状态、选择合适 的刀具以及刀具更换等功能的 系统。
刀具
用于切削工件材料的工具，具 有锋利的切削刃和适当的硬度。
刀夹
用于固定刀具在刀柄上的装置， 需具备夹紧和定位功能。
冷却系统
用于提供冷却液，降低切削温 度，延长刀具使用寿命。
主轴转速
主轴转速是数控机床的重要参数，需 要根据加工需求和刀具特性进行选择。
主轴功率
主轴功率决定了主轴电机的输出能力， 需要根据加工需求和工件材料进行选 择。
主轴轴承
主轴轴承的性能直接影响主轴的旋转 精度和刚度，需要选择高精度、高刚 度的轴承。
主轴箱体
主轴箱体是主轴系统的支撑结构，需 要具备足够的刚度和稳定性，以确保 主轴系统的精度和稳定性。
机床总体设计(全)
3.结构布局设计
机床结构布局：立式、卧式、斜置式。 基础支承件的形式：底座式、立柱式、龙门式。
基础支承件的结构形式：一体式、分离式。
同一种运动分配式可以有多种结构布局形式，运动分配 设计阶段评价后，需对结构布局方案进行评价，去除不 合理方案。 评价的主要依据是定性分析机床的刚度、占地面积、与 物流系统的可亲和性等。
设计结果是得到机床总体结构布局形态图。
机床支承形式的选择
• 机床的支承件：床身、底座、立柱、横梁、横臂等。
– 柱形：支承件是立柱，或立柱与底座的组合—立式机床。 – 倒T字形：支承件是床身和立柱的组合—复合式机床。 – 槽形：支承件是床身（底座）、立柱和横臂三者的组合—单 臂式机床。 – 框形：支承件由床身、横梁及双立柱组成，形成封闭的框形 结构—龙门式机床。
总体方案综合评价与选择：对各种方案进行综合评价，从中选择较 好的方案。 总体方案的设计修改与优化
对所选择的方案进行进一步修改或优化，确定最终方案。
BACK
3.1.3 机床的设计步骤
结构设计
设计机床的传动系统，确定各主要结构的原理方案，设计部件装配图，对主要 零部件进行分析计算和优化，设计液压原理图和相应液压部件装配图，设计电 气控制系统原理图和相应的电气安装接线图，设计和完善机床总装配图和总联 系尺寸图。
上述步骤反复进行，直到达到设计结果满意为止。 定型设计，结构设计完成之后，可进行实物样机的制造、实验及评价。根 据实物样机的评价结果进行修改设计，最终完成产品的定型设计。
BACK
3.1.4 机床总体设计一、床系列型谱的确定由于各种机床用户生产的产品和规模不同，对机床性 能和结构的要求也不同，因此，同一机床甚至同一规 格的机床，还需要有各种变形，以满足用户各种各样 的需求。为了以最少的品种规格，满足尽可能多用户 的不同需求，通常是按照该类机床的主参数标准，先 确定一种用途最广，需求量最大的机床作为“基型系 列”，在这系列的基础上，根据用户的需求派生出若 干变型机床，形成“变型系列”。“基型”和“变型” 构成了机床的“系列型谱”。
机床结构布局：立式、卧式、斜置式。 基础支承件的形式：底座式、立柱式、龙门式。
基础支承件的结构形式：一体式、分离式。
同一种运动分配式可以有多种结构布局形式，运动分配 设计阶段评价后，需对结构布局方案进行评价，去除不 合理方案。 评价的主要依据是定性分析机床的刚度、占地面积、与 物流系统的可亲和性等。
设计结果是得到机床总体结构布局形态图。
机床支承形式的选择
• 机床的支承件：床身、底座、立柱、横梁、横臂等。
– 柱形：支承件是立柱，或立柱与底座的组合—立式机床。 – 倒T字形：支承件是床身和立柱的组合—复合式机床。 – 槽形：支承件是床身（底座）、立柱和横臂三者的组合—单 臂式机床。 – 框形：支承件由床身、横梁及双立柱组成，形成封闭的框形 结构—龙门式机床。
总体方案综合评价与选择：对各种方案进行综合评价，从中选择较 好的方案。 总体方案的设计修改与优化
对所选择的方案进行进一步修改或优化，确定最终方案。
BACK
3.1.3 机床的设计步骤
结构设计
设计机床的传动系统，确定各主要结构的原理方案，设计部件装配图，对主要 零部件进行分析计算和优化，设计液压原理图和相应液压部件装配图，设计电 气控制系统原理图和相应的电气安装接线图，设计和完善机床总装配图和总联 系尺寸图。
上述步骤反复进行，直到达到设计结果满意为止。 定型设计，结构设计完成之后，可进行实物样机的制造、实验及评价。根 据实物样机的评价结果进行修改设计，最终完成产品的定型设计。
BACK
3.1.4 机床总体设计一、床系列型谱的确定由于各种机床用户生产的产品和规模不同，对机床性 能和结构的要求也不同，因此，同一机床甚至同一规 格的机床，还需要有各种变形，以满足用户各种各样 的需求。为了以最少的品种规格，满足尽可能多用户 的不同需求，通常是按照该类机床的主参数标准，先 确定一种用途最广，需求量最大的机床作为“基型系 列”，在这系列的基础上，根据用户的需求派生出若 干变型机床，形成“变型系列”。“基型”和“变型” 构成了机床的“系列型谱”。
数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
•一、概述
– 概念： 概念
数控机床的布局是指机 床机械结构部件相对安装 位置的总体方案。
第二节 数控机床的布局
– 数控机床机械结构
• 机床基础件 ：床身、底座、立柱、横梁、工作台 • 主运动系统（主轴） • 进给传动系统 • 辅助功能部件：气动、润滑、冷却、排屑、防护等 • 刀架或自动换刀装置（ATC） • 自动托盘交换装置（APC、AWC） • 特殊功能装置：刀具破损监控、精度检测等。
第二节 数控机床的布局
二、数控机床的功能和性能对布局结构的要求
– 高自动化 要求自动保证稳定的加工精度。 高自动化： – 高精度和大功率 高精度和大功率：
数控机床集高精度与重切削于一身,因此对传动件和 基础件的结构和刚度有了更高的要求。
– 高速度 简化传动机构，趋势：“零传动” 高速度:
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
四、数控机床的总体布局实例
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
内容小结
1、 数控机床的刀具交换装置概述 2、自动换刀装置的形式 3、刀 库
பைடு நூலகம்
4、数控机床的布局概述 5、数控机床的功能和性能对布局结构的要求 6、影响数控机床总体布局的因素 7、数控机床的总体布局实例
习题与思考题
1、简述自动换刀装置的作用。 2、简述自动换刀装置的形式。 3、简述设计刀库时应考虑的主要问题。 4、 简述数控机床机械结构的组成。 5、简述数控机床的功能和性能对布局结构的要求。 6、简述影响数控机床总体布局的因素。
第二节 数控机床的布局
•一、概述
– 概念： 概念
数控机床的布局是指机 床机械结构部件相对安装 位置的总体方案。
第二节 数控机床的布局
– 数控机床机械结构
• 机床基础件 ：床身、底座、立柱、横梁、工作台 • 主运动系统（主轴） • 进给传动系统 • 辅助功能部件：气动、润滑、冷却、排屑、防护等 • 刀架或自动换刀装置（ATC） • 自动托盘交换装置（APC、AWC） • 特殊功能装置：刀具破损监控、精度检测等。
第二节 数控机床的布局
二、数控机床的功能和性能对布局结构的要求
– 高自动化 要求自动保证稳定的加工精度。 高自动化： – 高精度和大功率 高精度和大功率：
数控机床集高精度与重切削于一身,因此对传动件和 基础件的结构和刚度有了更高的要求。
– 高速度 简化传动机构，趋势：“零传动” 高速度:
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
四、数控机床的总体布局实例
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
第二节 数控机床的布局
内容小结
1、 数控机床的刀具交换装置概述 2、自动换刀装置的形式 3、刀 库
பைடு நூலகம்
4、数控机床的布局概述 5、数控机床的功能和性能对布局结构的要求 6、影响数控机床总体布局的因素 7、数控机床的总体布局实例
习题与思考题
1、简述自动换刀装置的作用。 2、简述自动换刀装置的形式。 3、简述设计刀库时应考虑的主要问题。 4、 简述数控机床机械结构的组成。 5、简述数控机床的功能和性能对布局结构的要求。 6、简述影响数控机床总体布局的因素。
数控机床的结构设计与总体布局
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数控机床的结构设计与总体布局
•6.2 数控机床的总体布局
6.2.1 总布局与工件形状、尺寸和重量的关系； 6.2.2 运动分配与部件的布局； 6.2.3 总布局与机床的结构性能； 6.2.4 自动换刀数控卧式镗铣床的总布局； 6.2.5 机床的使用要求与总布局； 6.2.6 数控机床总布局的其它趋势。
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数控机床的结构设计与总体布局
2.满足机床刚度和抗振性的要求 ● 具有抵抗外载荷的能力； ● 抵抗受迫和自激振动的能力； ● 改善机床机构。
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数控机床的结构设计与总体布局
3.减少热变形要求 ● 减少发热 ● 控制温升 ● 改善机床结构
• 数控机床受热变形与切入方
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数控机床的结构设计与 总体布局
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2020/11/21
数控机床的结构设计与总体布局
第六章 数控机床的结构设计
6.1 概述
6.1.1 对数控机床机械机构的要求 6.1.2 提高机床结构刚度 6.1.3 提高机床的抗振性 6.1.4 提高低速进给运动的平稳性和运动精度
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数控机床的结构设计与总体布局
➢合理选择构件的结构形式； ➢合理的结构布局； ➢构件变形补偿。
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数控机床的结构设计与总体布局
•6.1.2 提高机床结构刚度
• ➢合理选择构件的结构形式
•正确选择截面的形状和尺寸 • 形状相同的断面，当保持相同的截面积时，应 减小壁厚，加大截面的轮廓尺寸； • 圆形截面的抗扭刚度比方形截面的大，抗弯刚 度则比方形截面的小； • 封闭式截面的刚度比不封闭式截面的刚度大很 多； • 壁上开ZL将使刚度下降，在孔周加上凸绿可使 抗弯刚度得到恢复。
数控机床的机械结构(PPT52页).ppt
数控技术系机制教研室
数控机床结构与装调工艺
三、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
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 有更高的静刚度。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。
数控技术系机制教研室
数控机床结构与装调工艺
四、提高数控机床性能的措施
1、合理选择数控机床的总体布局 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、改善 机床受力情况，提高热稳定性和操作性能，使机 床满足数控化的要求。
数控技术系机制教研室
1-主轴头 2-刀库 3-立柱 4-立柱底座 5-工作台 6-工作台底座
数控技术系机制教研室
数控机床结构与装调工艺
5.实现工件回转、分度定位的装置和附件， 如回转工作台。
6.刀库、刀架和自动换刀装置 (ATC) 。 7.自动托盘交换装置 (APC) 。 8.特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检
测和监控装置等。
（1）不同布局适应不同的 工件形状、尺寸及重量
数控铣床四种布局方案 适应的工件重量、尺寸 却不同。 （a）适应较轻工件； （b）适应较大尺寸工件； （c）适应较重工件； （d）适应更重更大工件。
工作台与铣头完成进给
数控技术系机制教研室
数控机床结构与装调工艺
1）数控机床布局特点
（1）不同布局适应不同的 工件形状、尺寸及重量
数控机床结构与装调工艺
三、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
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 有更高的静刚度。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。
数控技术系机制教研室
数控机床结构与装调工艺
四、提高数控机床性能的措施
1、合理选择数控机床的总体布局 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、改善 机床受力情况，提高热稳定性和操作性能，使机 床满足数控化的要求。
数控技术系机制教研室
1-主轴头 2-刀库 3-立柱 4-立柱底座 5-工作台 6-工作台底座
数控技术系机制教研室
数控机床结构与装调工艺
5.实现工件回转、分度定位的装置和附件， 如回转工作台。
6.刀库、刀架和自动换刀装置 (ATC) 。 7.自动托盘交换装置 (APC) 。 8.特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检
测和监控装置等。
（1）不同布局适应不同的 工件形状、尺寸及重量
数控铣床四种布局方案 适应的工件重量、尺寸 却不同。 （a）适应较轻工件； （b）适应较大尺寸工件； （c）适应较重工件； （d）适应更重更大工件。
工作台与铣头完成进给
数控技术系机制教研室
数控机床结构与装调工艺
1）数控机床布局特点
（1）不同布局适应不同的 工件形状、尺寸及重量
数控机床(第二单元)(第89章))
图8-3 数控车床主轴结构
1、6、8-螺母 2-齿形带 5、12、13、17-螺钉 7-主轴 3 、16-齿形带轮 4-脉冲编码器 9-箱体 10 、11、14-轴承 15-带轮
第一节 数控车床
图8-4 数控车床主轴的另一种结构
图8-5液压夹盘
1-回转液压缸 2-空心拉杆 3-连接套 4-滑套 5-接套 6-活塞 7 、10-螺钉 8-回转液压缸 9-夹盘 11-夹盘座 12-夹爪
第一节 数控车床
图8-1数控车床传动系统
第一节 数控车床
二、数控车床主轴部件 数控车床主轴部件的精度、刚度和热变形对加工质量有直接影响。 （1）主轴的支承 如图8-2所示，数控车床主轴的支承配置形式主要有以下三种： ①前支承采用双列圆柱滚子轴承和60°角接触双列球轴承组合，后支承采用成 对安装的高精度角接触轴承，这种配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高，普遍 应用于各类数控机床主轴。图8-2 数控车床主轴支撑配置形式 8-2 ②前轴承采用高精度双列(或三列)角接触球轴承，后支承采用单列(或双列)角接 触轴承，这种配置适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。 ③前后轴承采用双列和单列圆锥滚子轴承，适用于中等精度、低速与重载的数控 机床主轴。
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前进
后退
第二节 液压与气压传动的主要元件应用简介
一、动力元件 1．液压泵概述 液压泵是液压系统的动力元件，它是一种能量转换装置， 将原动机的机械能转换成液体的压力能，为液压系统提供 动力，是液压系统的重要组成部分。目前有主要柱塞液压 泵 、齿轮泵和叶片泵等几种常见形式。如图9-1、9-2、9-3 所示。
第一节 数控车床
（2） 液压夹盘结构 数控车床工件夹紧装置可采用三爪自定心夹盘、四 爪单动夹盘或弹簧夹头(用于棒料加工)。为了减少数控车床装夹工件的 辅助时间，广泛采用液压或气动动力自定心夹盘。如图8-5所示，液压夹 盘固定安装在主轴前端，回转液压缸l与接套5用螺钉7连接，接套又通过 螺钉与主轴后端面连接，使回转液压缸随主轴一起转动。 （3）主轴编码器 数控车床主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生 器。该装置可以通过中间轴上的齿轮1：1地与主轴同步转动，也可以通 过弹性联轴器与主轴同轴安装。利用主轴编码器主要是检测主轴的速度 信号，实现主轴的速度反馈，可用于主轴旋转和进给运动的控制，例如 车削螺纹时，控制主轴旋转与刀架进给之间的同步运动关系。
数控机床布局
16
2013年11月11日4时50分
• 工。要有明快、干净、协调的人机界面，要尽可能改善操作者的 观察，要注意提高机虏；各部分的互锁能力，并设有紧急停车按 钮，要留有最有利于工件装夹的位置。将所有操作都集中在一个 操作面板上，操作面板要一目了然，不要有太多的按钮和指示灯， 以减少误操作。
2013年11月11日4时50分
2013年11月11日4时50分
15
• • • • • • • •
避免爬行的措施： 改善摩擦特性，使导轨静摩擦力尽量接近动摩擦力 滚动摩擦：f=0.005、△f ↓↓ 液体摩擦：f=0.0005、△f↓↓↓ 低摩擦副材料：塑料－铸铁（塑料软带、塑料导轨板） 高性能润滑油：极性添加剂→增大油膜强度 4、充分满足人性化要求 由于数控机床是一种高速度、高效率机床，在一个零件的加工时 间中，辅助时间也就是非切削时间占有较大比重，因此，压缩辅 助时间可大大提高生产率。目前已有许多数控机床采用多主轴、 多刀架及自动换刀等装置，特别是加工中心，可在一次装夹下完 成多工序的加工，节省大量装夹换刀时间。像这种自动化程度很 高的加工设备，与传统机床的手工操作不同，其操作性能有新的 含义。由于切削加工不需人工操作，故可采用封闭与半封闭式加
2013年11月11日4时50分
26
• • • • • • • • • • • •
使丝杠、工作台的惯量在系统中占有较小的比重 使高转速低转矩的伺服驱动装置的输出变为低转速大转矩 在开环系统中可归算所需的脉冲当量。 速比分配及传动级数对传动的转动惯量和执行件的失动的影响。 2、消除传动齿轮间隙的措施 齿侧间隙 造成开环、半闭环系统的反向失动量 使闭环系统的稳定性 消隙措施 刚性调整法 柔性调整法 具体可参阅相关书籍。
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2013年11月11日4时50分
• 工。要有明快、干净、协调的人机界面，要尽可能改善操作者的 观察，要注意提高机虏；各部分的互锁能力，并设有紧急停车按 钮，要留有最有利于工件装夹的位置。将所有操作都集中在一个 操作面板上，操作面板要一目了然，不要有太多的按钮和指示灯， 以减少误操作。
2013年11月11日4时50分
2013年11月11日4时50分
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避免爬行的措施： 改善摩擦特性，使导轨静摩擦力尽量接近动摩擦力 滚动摩擦：f=0.005、△f ↓↓ 液体摩擦：f=0.0005、△f↓↓↓ 低摩擦副材料：塑料－铸铁（塑料软带、塑料导轨板） 高性能润滑油：极性添加剂→增大油膜强度 4、充分满足人性化要求 由于数控机床是一种高速度、高效率机床，在一个零件的加工时 间中，辅助时间也就是非切削时间占有较大比重，因此，压缩辅 助时间可大大提高生产率。目前已有许多数控机床采用多主轴、 多刀架及自动换刀等装置，特别是加工中心，可在一次装夹下完 成多工序的加工，节省大量装夹换刀时间。像这种自动化程度很 高的加工设备，与传统机床的手工操作不同，其操作性能有新的 含义。由于切削加工不需人工操作，故可采用封闭与半封闭式加
2013年11月11日4时50分
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使丝杠、工作台的惯量在系统中占有较小的比重 使高转速低转矩的伺服驱动装置的输出变为低转速大转矩 在开环系统中可归算所需的脉冲当量。 速比分配及传动级数对传动的转动惯量和执行件的失动的影响。 2、消除传动齿轮间隙的措施 齿侧间隙 造成开环、半闭环系统的反向失动量 使闭环系统的稳定性 消隙措施 刚性调整法 柔性调整法 具体可参阅相关书籍。
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数控机床的结构设计与总体布局
17
提高机床的抗振性措施
1. 减少机床内部振源；（动平衡、消除配合间隙、 隔振） 2. 提高静态刚度； 3. 增加构件或结构的阻尼。
18
6.1.4 提高低速进给运动的平稳性和运动精度
进给系统的低速爬行现象
措施 降低执行部件的质量 减少动静摩擦系数之差 提高传动系统的传动刚度 （扭转、拉压刚度）
32
6.2 数控机床的总体布局 6.2.6 数控机床总布局的其它趋势
机电一体化结构 控制计算机、按键、开关、显示器等集中在吊 挂按钮站
全封闭结构
33
本章结束
34
加工中心
链式刀库 主机的正前方 •对主机的操作有妨碍 •换刀机械手装在主轴箱 上 ，可以实现任意位置 换刀 • 换刀动作少 • 立柱的z向退刀动作就 是回到换刀位置的动作。
31
6.2 数控机床的总体布局 6.2.5 机床的使用要求与总布局
便于同时操作与观察
刀具、工件装卸、夹紧方便
排屑和冷却
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6.2 数控机床的总体布局
6.2.1 总布局与工件形状、尺寸和重量的关系； 6.2.2 运动分配与部件的布局； 6.2.3 总布局与机床的结构性能； 6.2.4 自动换刀数控卧式镗铣床的总布局；
6.2.5 机床的使用要求与总布局；
6.2.6 数控机床总布局的其它趋势。
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6.2 数控机床的总体布局
10
11
合理选择构件的结构形式
•合理选择及布置隔板
(e)交叉筋板的作用最好
12
合理选择构件的结构形式
•合理选择及布置筋条
(f)蜂窝状加强筋较好
13
合理选择构件的结构形式
提高构件局部刚度
图示为导轨和床身联结的几种形式。如果导轨的尺寸较宽时，应 用双壁联结型式如图(d)、(e)、(f)。导轨较窄时可用单壁或加厚 的单壁联结，或者在单壁上增加垂直筋条以提高局部刚度。
提高机床的抗振性措施
1. 减少机床内部振源；（动平衡、消除配合间隙、 隔振） 2. 提高静态刚度； 3. 增加构件或结构的阻尼。
18
6.1.4 提高低速进给运动的平稳性和运动精度
进给系统的低速爬行现象
措施 降低执行部件的质量 减少动静摩擦系数之差 提高传动系统的传动刚度 （扭转、拉压刚度）
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6.2 数控机床的总体布局 6.2.6 数控机床总布局的其它趋势
机电一体化结构 控制计算机、按键、开关、显示器等集中在吊 挂按钮站
全封闭结构
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本章结束
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加工中心
链式刀库 主机的正前方 •对主机的操作有妨碍 •换刀机械手装在主轴箱 上 ，可以实现任意位置 换刀 • 换刀动作少 • 立柱的z向退刀动作就 是回到换刀位置的动作。
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6.2 数控机床的总体布局 6.2.5 机床的使用要求与总布局
便于同时操作与观察
刀具、工件装卸、夹紧方便
排屑和冷却
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6.2 数控机床的总体布局
6.2.1 总布局与工件形状、尺寸和重量的关系； 6.2.2 运动分配与部件的布局； 6.2.3 总布局与机床的结构性能； 6.2.4 自动换刀数控卧式镗铣床的总布局；
6.2.5 机床的使用要求与总布局；
6.2.6 数控机床总布局的其它趋势。
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6.2 数控机床的总体布局
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合理选择构件的结构形式
•合理选择及布置隔板
(e)交叉筋板的作用最好
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合理选择构件的结构形式
•合理选择及布置筋条
(f)蜂窝状加强筋较好
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合理选择构件的结构形式
提高构件局部刚度
图示为导轨和床身联结的几种形式。如果导轨的尺寸较宽时，应 用双壁联结型式如图(d)、(e)、(f)。导轨较窄时可用单壁或加厚 的单壁联结，或者在单壁上增加垂直筋条以提高局部刚度。
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四．自动换刀数控卧式镗铣床的总体布局。
卧式加工中心是由卧式数控镗铣床配以刀库识刀 器和机 械手组成的，总布局与普通数控机床原则 是相同的，但是将自动换刀系统与数控主机有机地结合 在一起是要特别考虑的。
图 6-17 中a）、 b ）、c ）和图 6-16 的 d 图四种都 是卧式加 工中心机床，但它们的布局不同，性能也差 异较大；
布局时应注意：选择合适的机械手，刀库和识刀器， 力求结构简单，动作可靠，刀具换刀时不与工件发生干 涉，机床总体结构紧凑。
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下一页பைடு நூலகம்
图 a） 采用四排链式刀库，放在机床的左后方，容量为 60 把刀，与主机没有固联在一起，双爪式机械手在立柱上移 动，在四排刀库的固定位置取刀，并在固定位置换刀，刀库 容量大，放在主机外，不影响主机，但结构复杂、调试费 高、占地面积大、结构松散。
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图6-16 中d 图 采用链式刀库，装在左侧面，换刀机械手装 在主轴箱上。可实现任意位置换刀，换刀动作少，结构紧 凑，处理美观，占地少，是较为优秀的方案。
五．总布局要考虑方便使用
1 ）要便于同时操作和观察； 2 ）要便于刀具和工件的装卸，易于接近装卸区域，装夹
要省力；
3 ）便于冷却和排削； P182，图6-18
图 b） 图链式刀库放在主机的右前方，有碍主机操作，换刀 机械手装在主轴箱上，可以在任意位置换刀，换刀动作少。
图 c） 图采用圆盘式刀库，安装在立柱后侧，与主轴箱较
远，采用两个机械手，后机械手由刀库取刀，装入一个运 刀装置，随运刀装置移动到固定位置，再由前换刀机械手 在主轴与运刀装置之间进行换刀，这种设计结构部件较多， 换刀动作也多，过程长，换刀位置固定。但结构较紧凑。
却较大。a）、b ）两方案采用 T 型床身，优点：工作台 沿 前床身方向作 X 坐标进给运动，在全部行程上工作台 均可支承床身，刚性好，提高了承重能力，易于保证加工 精度，床身工作台及数控转台为三层结构，在同台面高度 下，比图 c ）,d ）的十字工作台的四层结构的刚性好 c ） 和d ）采用十字形工作台， Z 向床身的一条导轨承受很大 的偏载荷；
50% ，以在外力作用下使产生的变形较小。
（一）合理选择构件的结构形式。
1 、正确选择截面的形状和尺寸；
构件抵抗弯曲或扭转变形的能力主要是抗弯和抗扭惯性
矩。
P169 表 6-1 列出了断面积相等各种断面形状的惯矩表中。
可见：
表6—1
1 ）形状相同，断面积相同，应减小壁厚，加大截面的
轮廓尺寸；
2 ）截面积相同，圆形截面的抗扭刚度比方形的大；
杆，也没有后立柱，对跨距较大的多层壁孔采用调头 镗削来解决。
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三．机床的布局要有利于机床的结构性能 总体布局应能兼顾机床有良好的精度、刚度、热稳定性和 抗振性等性能。
P180 ，图 6-16 所示的四种镗铣床，
图a）
图b）
图c）
图d）
它们的加工功能和运动要求是一样的，但结构性能的差异
六．总布局的其他趋势
1 ）机电一体化结构； 2）全封闭结构；
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6 ． 2 数控机床的结构设计
一．结构设计的要求。
（一）有利于自动保证稳定的加工精度。
设计数控机床时，对影响机床加工精度的各种因素必 须予以足够的重视（如机床的抗振性、刚度、温升热 变形、磨损、定位精度等）
二．机床部件的布局要考虑运动的分配。 运动的分配与部件布局是机床总布局的中心问题，以镗 铣数控机床为例： 如需加工工件顶面，则机床主轴应设计成立式。 如需对工件的多个侧面加工，则主轴应布局成卧式。
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两种机床均配以相应的旋转工作台。 注意：数控卧式镗铣床与普通的卧式镗床不同，它没有镗
c ）龙门式数控铣床。 工作台带动工件作一个方向的进给运动，其他两个方向 进给由多个铣头在横梁与立柱上移动来实现这种结构。
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布局使机床适用于大重量工件的加工，由于多刀加工， 提高了效率。 d ）落地式数控铣床。 这种铣适宜加工体积大、重量大的工件，体积大、重量 大的工件由机床工作台承受压力太大，由它作进给运 动也不太方便，因此此总机床设计工件放在地上，三个 方向的进给运动全由铣刀头运动来完成。
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b ）床身式铣床； d ）落地铣床。
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）升降台铣床： 加工工件尺寸较小，重量较轻的工件，加工时刀具相对 不动，由工件运动来完成三个方向的进给运动分别由工 作台、升降台和滑板来完成。。
b ）床身式铣床： 刚性比升降台铣床高它可以加工重量较重的工件，工 件放在工作台上，由工作台带动作水平二方向运动，垂 直上下运动改由铣头带动铣刀来完成。 相应地它可以加工比升降台铣床尺寸大、重量大的工 件。
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又如图a）、d ）中的主轴箱设计成对称形结构，装在框式 立
柱中间，比起 b ）,c ）主轴箱悬挂在单立柱一侧受力变形 和
热稳定性等性能均优，对称框式立柱少承受一个扭力矩和少。 一个弯曲力矩热变形对加工精度的影响也小些。
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3 ）截面积相同，圆形截面的抗弯刚度比方形的小；
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（二）结构设计应有利于提高机床的加工能力，切削效率； 机床应最大限度地发挥使用效率。切削功率大、切削 力大、速度高。因此结构上应保证机床具有良好的刚 性、抗震性和承载能力及使用寿命。
（三）提高使用效率。
实现辅助操作自动化缩短辅助工时。
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二．提高机床的结构刚度。
标准规定，数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高
第六章 数控机床的总体布局和结构设计 （不讲）
6 ． 1 数控机床的总体布局 6. 2 数控机床的结构设计
目录
6 ． 1 数控机床的总体布局（不讲）
机床总体布局对机床的制造和使用关系很大。 一．机床总体布局应考虑工件形状、尺寸和重量。 P177 图 6-13 中有四种类型的铣床，分别为：
）升降台铣床； c ）龙门铣床；