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1、第3章数控机床典型结构及部件,技能目标 了解其结构特点及要求； 理解其主传动系统的主轴变速方式，典型主轴部件结构及原理； 理解并掌握进给系统中典型部件结构及原理； 理解并掌握一般转塔回转刀加及自动换刀机构的组成及工作原理； 了解其排屑装置的作用与种类。 对数控机床的要求是：精密、完善、稳定、可靠、重复。,普通机床的弱点是：结构刚性不足、抗振性差、滑动面的摩 擦阻力大、传动元件中的间隙大等。 数控机床具有独特的机械结构，除机床基础外，还有主传动 系统、进给系统、工件实现回转定位的装置及附件、自动换 刀装置等。 3.1 数控机床的结构特点及要求 其特点有： （1）机械传动系统结构简化、传动链缩短。
2、如采用高性能的 无级变速主轴及伺服传动系统。 （2）机械结构的刚性和抗振较好。如采用动静压轴承的主轴 部件、钢板焊接结构支承件等。 （3）传动元件其效率、刚度、精度等方面较优良。如采用滚,珠丝杆螺母副、静压蜗杆副、塑料滑动导轨、滚动导轨、静 压导轨等。 （4）大大提高生产率，改善劳动条件。如采用多主轴、多刀 架结构、刀具及工件的自动夹紧装置、自动换刀装置、自动 排屑、自动润滑冷却装置等。 （5）加工精度高及其稳定，产品质量可靠。如采取了减小机 床热变形措施。 数控机床机械结构基本要求如表3.1所示。 刚度是指结构在一定频率下承受抵抗变形的能力。 静刚度是指结构在静载荷下抵抗变形的能力，用变形多
3、 少来衡量。 动刚度是指结构在动载荷下抵抗变形的能力，用固有频 率来衡量。,1、,2、,3、,a,b,a,b,a,b,c,d,e,1,2,3,4,5,3.2 数控机床主传动系统,数控机床主传动系统包括主轴电机、主传动系统和主轴组 件。 主轴运动是成形运动之一，其精度决定了零件的精度；而 数控机床又是高效率的机床，所以，主轴系统要有较大的调 速范围并能实现无级调速；较高的精度和刚度、传动平稳、 噪声低；低温升，小的热变形；良好的静刚度和抗振性。 3.2.1 主轴变速方式 数控机床一般采用直流或交流主轴伺服电机实现主轴无级 变速。目前交流主轴电机及交流变频驱动装置应用较为广泛。 1、带有变速齿轮的
4、主传动 图3.1（a）所示，是大、中型数控机床较常采用的配置方,式。通过少数几对齿轮的传动，扩大变速范围，确保低速扭 矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。其滑移齿轮的移位多采 用液压拔叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。,2、通过带传动的主传动 图31（b）所示，一般用于转速较高、变速范围不大的小型 数控机床上。电动机本身的调整就能满足要求，不用齿变速，,还可避免齿轮传动所引起的 振动和噪声。它常用于高速 低扭矩特性的主轴，常采用 多楔带和同步齿形带。 1）多楔带 又称复合三角带，如图3.2 所示，其楔角为40。优点： （1）强力层中有多根钢丝绳或 涤纶绳，较小伸长率、较大的 抗拉强度和抗弯疲劳强度
5、，主 要承担传递负载。,（2）运转时振动小、发热少、运转平稳重量小，可在40m/s的线速度下使用。 （3）接触好，负载分布均匀，瞬时超载不会打滑，其传动功率比V带大20%30%，可满足高速、大转矩和不打滑的要求。 （4）安装时需要较大的张紧力，主轴和电机须承受较大的径向负载。 按齿距分3种规格：J型为2.4mm， L型为4.8mm，M型为9.5mm。 2）同步齿形带 综合带、链传动优点的新型的一种传 动带，分梯形齿和圆弧齿两种，如图 3.2（b）所示，其结构和传动如图3.3 所示。,同步齿形带是通过带工作面上 的齿与带轮圆周上的齿相互嵌合， 而进行无滑动的啮合传动。 带内采用了加载后无弹性伸长
6、的 材料做强力层，以保持带的节距不 变，可使主、从动带轮进行无相对 滑动的同步传动。其优点： （1）传动效率高，可达98%以上。 （2）无滑动，传动比准确。 （3）传动平稳，无噪声。 （4）使用范围广，速度可达50m/s 速比可达10左右，传递功率由几瓦 至数千瓦。,（5）维修保养方便，不需要润滑。 （6）安装中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。 3、用两个电机分别驱动 主轴 它是综合以上两种方法的混合传 动。其具有以上两种的性能，如图 3.1（c）所示。 高速时，由一个电机通过带传动 ；低速时，由另一个电机通过齿轮 变速传动，起到降速和扩大变速范 围的作用，恒功率增大，满足了低
7、速大转矩，两个电机，有点浪费。,4、调速电机直接驱动 主轴传动 图3.1（d）所示，由调速电机直 接驱动的主轴传动。其结构如图 3.4所示。简化了主轴箱体和主轴 的结构，刚度高，但输出扭矩小，,电机发热影响主轴精度。 一种新式内装电机主轴，即主轴与电机转子合为一体。其优点： 主轴组件结构紧凑、重量和惯性小，可提高启动、停止的响应特 性，有利于控制振动和噪声。缺点是：电机产生的热量影响主轴 精度，因此，温度控制和冷却 是使用内装电机主轴的关键问 题。图3.5为立式加工中心主轴 组件，最高转速可达 50000r/min。,3.2.2 主轴部件,主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴支承、安装 在
8、主轴上的传动零件等。其质量直接影响加工质量。 1、主轴端部的结构形状,主轴端部功能：用于安装刀具或夹持工件的夹具。 设计要求：应能保证定位准确、安装可靠、联结牢固、装 卸方便、能传递足够的转矩。其主轴端部的结构形状己标准 化，如图3.6所示。 图3.6（a）所示，其卡盘靠前端短圆锥和凸缘端面定位， 用拔销传递扭矩。主轴为空心， 前端有莫氏锥度孔，用以安装顶 尖或心轴。,前端短圆锥 凸缘端面,图3.6（b）所示为铣、镗类机床的主轴 端部结构，其铣、镗刀或刀杆靠前端 7：24的锥孔定位，并用拉杆从主轴后 端拉紧，而且由前端的端面键传递转矩。,图3.6（c）所示为外圆磨床砂轮主轴 端部结构； 图3.
9、6（d）所示为内圆磨床砂轮主轴 端部结构； 图3.6（e）所示为钻床与普通镗杆端 部结构，刀杆或刀具由莫氏锥孔定位， 用锥孔后端1个扁孔传递转矩，第2个扁 孔用以拆卸刀具。 数控镗床上采用图3.6（b）所示结构。,2、主轴部件的支承 主轴带着刀具或夹具在支承中进行回转运动，应能传递切 削转矩承受切削抗力，并要保证必要的旋转精度。所以主轴 的支承多数采用滚动轴承，对于精度要求特别高的则采用动 压或静压滑动轴承来支承。下面介绍主轴部件所用滚动轴承： （1）主轴部件常用滚动轴承的类型,图3.7（a）所示为锥孔双列圆柱滚子轴承，内 圈为1：12的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴向移动 时，内圈胀大可以调整滚道
10、的间隙。滚子数目 多，并两列交错排列，因而承载能力大，刚性 好，转速高。它的内、外圈壁厚较薄，所以要 求主轴轴颈与主轴箱孔有较高的精 度。该轴承只能承受径向载荷。,图3.7（b）所示为双列推力角接触球轴承，接触角为60，球径小，数目多，能承受双向轴向载荷。磨薄中间隔套，可调整间隙或预紧，轴向刚度较高，允许转速高。该轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用做主轴的前支承，其外圈外径为负偏差，只承受轴向载荷。,图3.7（c）所示，为双列圆锥滚子轴承，它有 一个公用外圈和两个内圈 ，由外圈凸肩在箱体 上轴向定位，箱体孔镗成通孔。磨薄中间隔套 可以调整间隙或预紧，两列滚子的数目相差一 个，能使振动频率不一致，
11、改善轴承的动态性。 能同时承受径向和轴向载荷，用于主轴的前支承 。 图3.7（d）所示为带凸肩的双列 圆柱滚子轴承，与图（c）相似， 可 用做主轴前支承。滚子呈空心， 保持架为整体结构，充满滚子之间的间隙 ，润 滑、冷却性能好。 空心滚子受冲击载荷可产生 微小变形，这样能增大接触面积并有吸振和缓 冲作用。,图3.7（e）所示为带预紧弹簧的圆锥滚子轴 承，弹簧数目1620根，均匀增减弹簧可以 改变预加载荷的大小。 （2）滚动轴承的精度 其精度等级有高级E，精密级D，特精级C和 超精级B。前支承的精度一般比后支承高一级 ，也可用相同的精度等级。普通精度的机床通 常前支承用C、D级，后支承用D、E级
12、。特高 精度的机床前后支承均用B级精度。 （3）主轴滚动轴承的配置 图3.8（a）所示，能使主轴获得较大的径向和轴向刚度， 可满足较强力切削要求，普遍应用于各类数控机床的主轴， 如数控车床、数控铣床的主轴。见图3.8（a）。,图3.8（b）所示，其配置刚度小于图38（a），但提高了主 轴转速，可适应主轴要求较高转速的数控机床。如立式、卧 式加工中心机床广泛应用。为提高主轴刚度，前支承可配置 4个或更多，后支承配置两个。见图3.8（b）。,图3.8（c）所示，能使主轴承受较重载荷（尤其是较强的 动载荷），径向和轴向刚度高，安装和调整性好。但限制了 主轴最高转速和精度，适应于中等精度、低速与重载的
13、数控 机床。见图3.8（c）。,为提高主轴组件的刚度，常采用三支承。尤其跨距较大，第 三支承为辅助支承，可选后支承或中间支承为辅助支承，常采用深沟球轴承。,液体静压轴承和动压轴承主要应用于主轴高转速、高回转 精度场合，如精密、超精密数控机床主轴，数控磨床主轴。 空气静压轴承，主轴转速每分钟可达几万转，并有非常高的 回转精度。 （4）主轴滚动轴承的预紧 轴承预紧是指使轴承滚道预先承受一定的载荷，不仅 能消除间隙而且还使滚动体与滚道之间发生一定的变形，从 而使接触面积增大，轴承受力时变形减少，抵抗变形能力增 大。 合理选择预紧量及进行预紧目的：提高主轴部件的旋转精 度、刚度和抗振性。并且使用一段时
14、间后也需进行调整。因 此，对主轴轴承的预紧调整结构装置的设计应方便预紧和调 整。其方式有：,轴承内圈移动。如图39所示，此方法适用于锥孔双列圆 柱滚子轴承。用拧紧螺母通过套筒推动内圈在锥形轴颈上进 行轴向移动，使内圈变形胀大，在滚道上产生过盈，从而达 到预紧的目的。,调整螺母,套筒,修磨座为外圈窄边相对安装时，可采取修磨轴承外圈的 窄边，如图3.10所示。,修磨外圈 窄边,F,修磨外圈窄边,F,F,F,将两个厚度不同的隔套放在两轴承内、外圈之间，同样将 两轴承轴向相对压紧，而使滚道之间产生预紧，如图3.11 所示。,3、主轴的进给功能 车削中心主传动系统中，增加了主轴的进给功能。即主轴 C轴坐
15、标功能，以实现主轴定向停车和圆周进给，并在数控装 置控制下实现C轴、Z轴插补和C轴、X轴插补。如图312所示 为主轴的C轴功能的示意图。,3.3 数控机床进给传动系统,其机电部件主要有伺服电机、检测元件、联轴节、减速机 构（齿轮副和带轮）、滚珠丝杆螺母副（或齿轮齿条副）、 丝杆轴承、运动部件（工作台、主轴箱、滑座、横梁和立柱 等）。由于滚珠丝杆、伺服电机及其控制单元的性能提高， 很多数控机床已去掉了减速机构，而使伺服电机直接驱动滚 珠丝杆，因而其系统结构简单，减少了产生误差的环节及转 动惯量，使伺服特性亦有改善。其次还有一个最重要的元件 导轨。 3.3.1 数控机床对进给系统的要求 确保数控机
16、床进给系统传动精度和工作平稳，为此： 1、减小摩擦阻力,广泛采用滚珠丝杆螺母副、滚动导轨、塑料导轨和静压导 轨。以减小摩擦阻力，消除低速进给爬行现象，提高整个伺 服进给系统的稳定性。 2、减小各运动零件的惯量 在满足传动强度和刚度的前提下，尽可能使各零件的结构 、配置合理，减小旋转零件的直径和质量。以减小运动部件 的惯量对进给系统的起动、制动特性，特别是高速运转的直 接影响。 3、高的传动精度与定位精度 确保各零件的加工精度及装配精度；对滚珠丝杆、轴承进 行预紧，消除传动件的间隙；加入减速齿轮传动副等措施来 提高进给精度和支承刚度，以达到高的传动精度与定位精度。,4、响应速度要快 快响应特性是指进给系统对指令输入信号的响应速度 及瞬态过程结束的迅速程度。即： 跟踪指令信号的响应要快；定位速度和轮廓切削进给速度 要满足要求；工作台应能在规定的范围内灵敏而精确地跟踪 指令，进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现 象。 通过使工作台及其传动机构的刚度、间隙、摩擦及转动惯 量尽可能达到最佳值，以提高伺服进给系统的快速响应性， 来提高机床的加工效率和加工精度。 5、使用维护方便 数控机床属高精度自动控制机床，适用于单件、中小批量,
