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1、第第3章数控机床典型结构及部件章数控机床典型结构及部件 技能目标技能目标 了解其结构特点及要求；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；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；作原理；了解其排屑装置的作用与种类。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。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：
2、结构刚性不足、抗振性差、滑动面的摩普通机床的弱点是：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。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。刀装置等。3.1 数控机床的结构特点及要求数控机床的结构特点及要求 其特点有：其特点有：（1）机械传动系统结构简化、传动链缩短。如采用高性能的）机械传动系统结构简化、传动链缩短。如采用高性能的无级变速主轴及伺服传动系统。无级变速主轴
3、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）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。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）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。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）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、自动架结构、刀具及工件的自动夹紧装置、自动换
4、刀装置、自动排屑、自动润滑冷却装置等。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）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。床热变形措施。数控机床机械结构基本要求如表数控机床机械结构基本要求如表3.1所示。所示。刚度刚度是指结构在一定频率下承受抵抗变形的能力。是指结构在一定频率下承受抵抗变形的能力。静刚度静刚度是指结构在静载荷下抵抗变形的能力，用变形多是指结构在静载荷下抵抗变形的能力，用变形多少来衡量。少来衡量。动刚度动刚度是指结构在动载荷下抵抗变形的能力，用固有频是指结构在动载荷下抵抗变形的能力，用固有频率来衡量。率来衡量。1、2、3
5、、abababcde123453.2 数控机床主传动系统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。件。主轴运动是成形运动之一，其精度决定了零件的精度；而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、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。噪声低；低温升，小的热变形；良好的静刚度和抗振性。3.2.
6、1 主轴变速方式主轴变速方式 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。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、带有变速齿轮的主传动、带有变速齿轮的主传动 图图3.1（a）所示，是大、中型数控机床较常采用的配置方）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
7、液压拔叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。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、通过带传动的主传动 图图31（b）所示，一般用于转速较高、变速范围不大的小型）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，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还可避免齿轮传动所引起的振动和噪声。它常用于高速振动和噪声。它常用于高速低扭矩特性的主轴，常采用低扭矩特性的主轴，常采用多楔带和同步齿形带。多楔带和同步齿形带。1）多楔带）多楔带 又称复合三角带，如图又称复合三角带，如图3.2所示，其楔角为所示，
8、其楔角为40。优点：。优点：（1）强力层中有多根钢丝绳或）强力层中有多根钢丝绳或涤纶绳，较小伸长率、较大的涤纶绳，较小伸长率、较大的抗拉强度和抗弯疲劳强度，主抗拉强度和抗弯疲劳强度，主要承担传递负载。要承担传递负载。（2）运转时振动小、发热少、运转平）运转时振动小、发热少、运转平稳重量小，可在稳重量小，可在40m/s的线速度下使用。的线速度下使用。（3）接触好，负载分布均匀，瞬时超）接触好，负载分布均匀，瞬时超载不会打滑，其传动功率比载不会打滑，其传动功率比V带大带大20%30%，可满足高速、大转矩和不打滑，可满足高速、大转矩和不打滑的要求。的要求。（4）安装时需要较大的张紧力，主轴）安装时需
9、要较大的张紧力，主轴和电机须承受较大的径向负载。和电机须承受较大的径向负载。按齿距分按齿距分3种规格：种规格：J型为型为2.4mm，L型为型为4.8mm，M型为型为9.5mm。2）同步齿形带）同步齿形带 综合带、链传动优点的新型的一种传综合带、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）所示，其结构和传动如图3.3所示。所示。同步齿形带是通过带工作面上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，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。而进行无滑动的啮合传动。带内采用了加载后无弹性伸长的带内
10、采用了加载后无弹性伸长的材料做强力层，以保持带的节距不材料做强力层，以保持带的节距不变，可使主、从动带轮进行无相对变，可使主、从动带轮进行无相对滑动的同步传动。其优点：滑动的同步传动。其优点：（1）传动效率高，可达）传动效率高，可达98%以上。以上。（2）无滑动，传动比准确。）无滑动，传动比准确。（3）传动平稳，无噪声。）传动平稳，无噪声。（4）使用范围广，速度可达）使用范围广，速度可达50m/s速比可达速比可达10左右，传递功率由几瓦左右，传递功率由几瓦至数千瓦。至数千瓦。（5）维修保养方便，不需要润滑。）维修保养方便，不需要润滑。（6）安装中心距要求严格，带与）安装中心距要求严格，带与带轮
11、制造工艺较复杂，成本高。带轮制造工艺较复杂，成本高。3、用两个电机分别驱动、用两个电机分别驱动主轴主轴 它是综合以上两种方法的混合传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，如图动。其具有以上两种的性能，如图3.1（c）所示。）所示。高速时，由一个电机通过带传动高速时，由一个电机通过带传动；低速时，由另一个电机通过齿轮；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，满足了低围的作用，恒功率增大，满足了低速大转矩，两个电机，有点浪费。速大转矩，两个电机，有点浪费。4、调速电机直接驱动、调速电机直接驱动主轴传动主轴传动 图
12、图3.1（d）所示，由调速电机直）所示，由调速电机直接驱动的主轴传动。其结构如图接驱动的主轴传动。其结构如图3.4所示。简化了主轴箱体和主轴所示。简化了主轴箱体和主轴的结构，刚度高，但输出扭矩小，的结构，刚度高，但输出扭矩小，电机发热影响主轴精度。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：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性，有利于控制振动和噪声。缺点是：电机产生的热量影
13、响主轴 精度，因此，温度控制和冷却精度，因此，温度控制和冷却 是使用内装电机主轴的关键问是使用内装电机主轴的关键问 题。图题。图3.5为立式加工中心主轴为立式加工中心主轴 组件，最高转速可达组件，最高转速可达 50000r/min。3.2.2 主轴部件主轴部件 主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴支承、安装主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴支承、安装在主轴上的传动零件等。其质量直接影响加工质量。在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。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
14、保证定位准确、安装可靠、联结牢固、装设计要求：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，如图化，如图3.6所示。所示。图图3.6（a）所示，其卡盘靠前端短圆锥和凸缘端面定位，）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，用拔销传递扭矩。主轴为空心，前端有莫氏锥度孔，用以安装顶前端有莫氏锥度孔，用以安装顶 尖或心轴。尖或心轴。前端短圆锥前端短圆锥凸缘端面凸缘端面 图图3.6（b）所示为铣、镗类机床的主轴）所示为铣、镗类机床的主轴端部结构，其铣、镗刀或刀杆靠前端端部结构
15、，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。端拉紧，而且由前端的端面键传递转矩。图图3.6（c）所示为外圆磨床砂轮主轴）所示为外圆磨床砂轮主轴端部结构；端部结构；图图3.6（d）所示为内圆磨床砂轮主轴）所示为内圆磨床砂轮主轴端部结构；端部结构；图图3.6（e）所示为钻床与普通镗杆端）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，部结构，刀杆或刀具由莫氏锥孔定位，用锥孔后端用锥孔后端1个扁孔传递转矩，第个扁孔传递转矩，第2个扁个扁孔用以拆卸刀具。孔用以拆卸刀具。数控镗床上采用图数控镗床上采用图3.6（b）所
16、示结构。）所示结构。2、主轴部件的支承、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：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）主轴部件常用滚动轴承的类型 图图3.7（a）所示为锥孔双列圆柱滚子轴承，内）所示为锥孔双列圆柱滚子轴承，内圈为圈为1：12的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴向移动的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴向移动时，内圈胀大可以调整滚道的间隙。滚子数目时，内圈胀大可以调整滚道的间隙。滚子数目多，并两列交错排列，因而承载能力大，刚性多，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求主轴轴颈与主轴箱孔有较高的精度。该轴
