第2章 數(shù)控機床的機械結構

第2章數(shù)控機床的機械結構2.1概述2.2數(shù)控機床的總體布局2.3數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)2.4數(shù)控機床的進給系統(tǒng)2.5數(shù)控機床的導軌2.6數(shù)控機床的自動換刀裝置2.7數(shù)控機床的回轉工作臺本章要點下頁返回圖庫2.1概述

下頁上頁返回數(shù)控機床機械結構的主要特點數(shù)控機床對機械結構的基本要求提高數(shù)控機床性能的措施圖庫從本質上說，數(shù)控機床和普通機床一樣，也是一種經過切削將金屬材料加工成各種不同形狀零件的設備。早期的數(shù)控機床，包括目前部分改造、改裝的數(shù)控機床，大都是在普通機床的基礎上，通過對進給系統(tǒng)的革新、改造而成的。因此，在許多場合，普通機床的構成模式、零部件的設計計算方法仍然適用于數(shù)控機床。但是，隨著數(shù)控技術（包括伺服驅動、主軸驅動）的迅速發(fā)展，為了適應現(xiàn)代制造業(yè)對生產效率、加工精度、安全環(huán)保等方面越來越高的要求，現(xiàn)代數(shù)控機床的機械結構已經從初期對普通機床的局部改造，逐步發(fā)展形成了自己獨特的結構。特別是隨著電主軸、直線電動機等新技術、新產品在數(shù)控機床上的推廣應用，部分機械結構日趨簡化，新的結構、功能部件不斷涌現(xiàn)，數(shù)控機床的機械機構正在發(fā)生重大的變化，虛擬軸機床的出現(xiàn)和實用化，使傳統(tǒng)的機床結構面臨著更嚴峻的挑戰(zhàn)。2.1.1數(shù)控機床機械結構的主要特點結構簡單、操作方便、自動化程度高

下頁上頁返回數(shù)控機床需要根據數(shù)控系統(tǒng)的指令，自動完成對進給速度、主軸轉速、道具運動軌跡以及其他機床輔助技能（如自動換刀，自動冷卻）的控制。它必須利用伺服進給系統(tǒng)代替普通機床的進給系統(tǒng)，并可以通過主軸調速系統(tǒng)實現(xiàn)主軸自動變速。因此，在機械結構上，數(shù)控機床的主軸箱、進給變速箱結構一般非常簡單；齒輪、軸類零件、軸承的數(shù)量大為減少；電動機可以直接連接主軸和滾珠絲杠，不用齒輪；在使用直線電動機，電主軸的場合，甚至可以不用絲杠、主軸箱。在操作上，它不像普通機床那樣，需要操作者通過手柄進行調整和變速，操作機構比普通機床要簡單多，許多機床甚至沒有手動機械操作系統(tǒng)。此外，由于數(shù)控機床的大部分輔助動作都可以通過數(shù)控系統(tǒng)的輔助技能（M技能）進行控制，因此，常用的操作按鈕也較普通機床少。結構簡單、操作更方便，更簡單圖庫2.1.1數(shù)控機床機械結構的主要特點廣泛采用高效、無間隙傳動裝置和新技術、新產品下頁上頁返回

數(shù)控機床進行的是高速、高精度加工，再簡化機械結構的同時，對于機械傳動裝置和元件也提出了更高的要求。高效、無間隙傳動裝置和元件在數(shù)控機床上去得了廣泛的應用。如：滾珠絲杠副、塑料滑動導軌、靜壓導軌、直線滾動導軌等高效執(zhí)行部件，不僅可以減少進給系統(tǒng)的摩擦阻力，提高傳動效率；而且還可以使運動平穩(wěn)和獲得較高的定位精度。特別是隨著新材料，新工藝的普及、應用，高速加工已經成為目前數(shù)控機床的發(fā)展方向之一，快進速度達到了每分鐘數(shù)十米，甚至上百米，主軸轉速達到了每分鐘上萬轉、甚至十幾萬轉，采用電主軸、支線電動機、直線滾動導軌等新產品、新技術已勢在必行。圖庫2.1.1數(shù)控機床機械結構的主要特點具有適應無人化、柔性化加工的特殊部件下頁上頁返回“工藝復合化”和“功能集成化”是無人化、柔性加工的基本要求，也是數(shù)控機床最顯著的特點和當前的發(fā)展方向。因此，自動換刀裝置（ATC）、動力刀架、自動換屑裝置、自動潤滑裝置等特殊機械部件是必不可少，有的機床還帶有自動工作臺交換裝置（APC）?！肮δ芗苫笔钱斍皵?shù)控機床的另一重要發(fā)展方向。在現(xiàn)代數(shù)控機床上，自動換刀裝置、自動工作臺交換裝置等已經成為基本裝置。隨著數(shù)控機床向無人化、柔性化加工發(fā)展，功能集成化更多體現(xiàn)在：工件的自動裝卸、自動定位，刀具的自動對刀、破損檢測、壽命管理，工件的自動測量和自動補償功能上，因此，國外還新近開發(fā)了集中突破傳統(tǒng)機床界限，集鉆、銑、鏜、車、磨等加工于一體的所謂“萬能加工機床”，大大提高了附加值，并隨之不斷出現(xiàn)新的機械部件。圖庫2.1.1數(shù)控機床機械結構的主要特點對機械結構、零部件的要求高下頁上頁返回

高速、高效、高精度的加工要求，無人化管理以及工藝復合化、功能集成化，一方面可以大大的提高生產率，同時，也必然會使機床的開機時間，工作負載隨之增加，機床必須在高負荷下，長時間可靠工作。因此，對組成機床的各種零部件和控制系統(tǒng)的可靠性要求很高。此外，為了提高加工效率，充分發(fā)揮機床性能，數(shù)控機床通常都能夠同時進行粗細加工。這就要求機床技能滿足大切削量的粗加工對機床的剛度、強度和抗震性的要求，而且也能達到精密加工機床對機床精度的要求。因此，數(shù)控機床的主軸電機的功率一般比同規(guī)格的普通機床大，主要部件和基礎件的加工精度通常比普通機床高，對組成機床各部件的動、靜態(tài)性能以及熱穩(wěn)定性的精度保持性也提出了更高的要求。圖庫2.1.2數(shù)控機床對機械結構的基本要求具有較高的靜、動剛度和良好抗震性下頁上頁返回圖庫機床的剛度反映了機床機構抵抗變形的能力，。機床變形產生的誤差，通常很難通過調整和補償?shù)姆椒ㄓ枰詮氐椎慕鉀Q。為了滿足數(shù)控機床高效、高精度、高可靠性以及自動化的要求，與普通機床相比，數(shù)控機床應具有更高的精剛度。此外，為了充分發(fā)揮機床的效率，加大切削用量，還必須提高機床的抗震性，避免切削時產生的共振和顫振。而提高機構的動剛度是提高機床抗震性的基本途徑。2.1.2數(shù)控機床對機械結構的基本要求具有較好的熱穩(wěn)定性下頁上頁返回圖庫機床的熱變性是影響機床加工精度的主要因素之一。由于數(shù)控機床的主軸轉速、快速進給都遠遠超過普通機床，機床又長時間處于連續(xù)工作狀態(tài)，電動機、絲杠、軸承、導軌的發(fā)熱都比較嚴重，加上高速切削產生的切屑的影響，使得數(shù)控機床的熱變性影響比普通機床要嚴重得多。雖然在先進的數(shù)控系統(tǒng)具有熱變性補償功能，但是它并不能完全消除熱變性對于加工精度的影響，在數(shù)控機床上還應采取必要的措施，盡可能減小機床的熱變性。2.1.2數(shù)控機床對機械結構的基本要求具有較高的運動精度和良好的低速穩(wěn)定性下頁上頁返回圖庫利用伺服系統(tǒng)代替普通機床的進給系統(tǒng)是數(shù)控機床的主要特點。伺服系統(tǒng)最小的移動量（脈沖當量），一般只有0.001mm，甚至更小；最低進給速度，一般只有1mm/min，甚至更低。這就要求進給系統(tǒng)具有較高的運動精度，良好的跟蹤性能和低速穩(wěn)定性，才能對數(shù)控系統(tǒng)的位置指令做出準確的響應，從而得到要求的定位精度。傳動裝置的間隙直接影響著機床的定位精度，雖然在數(shù)控系統(tǒng)中可以通過間隙補償、單向定位等措施減小這一影響，但不能完全消除。特別是對于非均勻間隙，必須機械消除間隙措施，才能得到較好的解決。2.1.2數(shù)控機床對機械結構的基本要求具有良好的操作、安全防護性能下頁上頁返回圖庫方便、舒適的操作性能，是操作者普遍關心的問題。在大部分數(shù)控機床上，刀具和工件的裝卸、刀具和夾具的調整、還需要操作者完成，機床的維修更離不開人，而且由于加工效率的提高，數(shù)控機床的工件裝卸可能比普通機床更加頻繁，因此良好的操作性能是數(shù)控機床設計時必須的問題。數(shù)控機床是一種高度自動化的加工設備，動作復雜，高速運動部件較多，對機床動作互鎖、安全防護性能的要求也比普通機床要高很多。同時，數(shù)控機床一般都有高壓、大流量的冷卻系統(tǒng)，為了防止切屑、冷卻液的飛濺，數(shù)控機床通常都應采用封閉和半封閉的防護形式，增加防護性能。

2.1.3提高數(shù)控機床性能的措施合理選擇數(shù)控機床的總體布局

下頁上頁返回圖庫機床的總體布局直接影響到機床的結構和性能。合理選擇機床布局，不但可以使機械結構更簡單、合理、經濟，而且能提高機床剛度、改善機床受力情況，提高熱穩(wěn)定性和操作性能，使機床滿足數(shù)控化的要求。如：在數(shù)控機床上采用斜床身布局，可以改善受力情況，提高床身的剛度，提高操作性能。臥式數(shù)控鏜床采用T形床身，框架結構雙立柱、立柱移動式（Z）布局，可以減少機床的機構層次，大大提高機床結構剛度和加工精度，精度的穩(wěn)定性好，熱變性的影響小。在高速加工機床上，則通過采用固定門式立柱、“箱中箱”等特殊的布局型式，以最大限度地降低運動部件的質量，提高機床部件的快進速度和加速度，以滿足高速加工的需要。2.1.3提高數(shù)控機床性能的措施提高結構件的剛度下頁上頁返回圖庫結構的剛度直接影響機床的精度和動態(tài)性能。機床的剛度主要決定于組成機械系統(tǒng)的部件質量、剛度、阻尼、固有頻率以及負載激振頻率等。提高機床結構剛度主要措施有：改善機械部分構件；利用平衡機構補償部件變性；改善并構件間的連接形式；縮短傳動鏈，適當加大傳動軸，對軸承和滾珠絲杠等傳動部件進行預緊等等。2.1.3提高數(shù)控機床性能的措施提高機床抗振性下頁上頁返回圖庫高速轉動零部件的動態(tài)不平衡力與切削產生的振動，是引起機床振動的主要原因。提高數(shù)控機床抗振性的主要措施有：對機床高速轉旋轉部件，特別是主軸部件進行動平衡，對傳動部件進行消隙處理，減少機床激振力；提高機械部件的靜態(tài)剛度和固有頻率，避免共振，在機床結構大件中充填阻尼材料，在大件表面噴涂阻尼涂層抑制振動等。2.1.3提高數(shù)控機床性能的措施改善機床的熱變形下頁上頁返回圖庫引起機床熱變形的主要原因是機床內部熱源發(fā)熱，摩擦以及切削產生的發(fā)熱。減少機床熱變形的措施主要有：采用伺服電動機和主軸電動機、變量泵等低能耗執(zhí)行元件，減少熱量的產生；簡化傳動系統(tǒng)的結構，減少傳動齒輪、傳動軸，采用低摩擦系數(shù)的導軌和軸承，減少摩擦發(fā)熱；改善散熱條件、增加隔熱措施、對發(fā)熱部件（如：電柜、絲桿、油箱等）進行強制冷卻，吸收熱量，避免溫升；采用對稱結構設計，使部件均勻受熱；對切削部分采用高壓、大流量冷卻系統(tǒng)冷卻等等。2.1.3提高數(shù)控機床性能的措施保證運動的精度和穩(wěn)定性下頁上頁返回圖庫機床的運動精度和穩(wěn)定性，不僅和數(shù)控系統(tǒng)的分辨率、伺服系統(tǒng)的精度的穩(wěn)定性有關，而且還在很大程度上取決于機械傳動的精度。傳動系統(tǒng)的剛度、間隙、摩擦死區(qū)、非線性環(huán)節(jié)都對機床的精度和穩(wěn)定性產生很大的影響。減小運動部件的質量，采用低摩擦系數(shù)的導軌和軸承以及滾珠絲桿副、靜壓導軌、直線滾動導軌、塑料滑動導軌等高效執(zhí)行部件，可以減少系統(tǒng)的摩擦阻力，提高運動精度，避免低速爬行?？s短傳動鏈，對傳動部件進行消隙，對軸承和滾珠絲杠進行預緊，可以減消機械系統(tǒng)的間隙和非線性影響，提高機床的運動精度和穩(wěn)定性。2.2數(shù)控機床的總體布局數(shù)控車床的常用布局形式臥式數(shù)控鏜銑床（臥式加工中心）的常用布局形式

立式數(shù)控鏜銑床（立式加工中心）的常用布局形式數(shù)控機床交換工作臺的布局高速加工數(shù)控機床的特殊布局

虛擬軸機床下頁上頁返回圖庫2.2.1數(shù)控車床的常用布局形式平床身斜床身立式床身

圖2-1數(shù)控車床的三種常用布局(a)平床身布局(b)斜床身布局(c)立式床身布局常用布局形式下頁上頁返回圖庫這三種布局方式各有特點，一般經濟型、普及型數(shù)控車床以及數(shù)控化改造的車床，大都采用平床身；性能要求較高的中、小規(guī)格數(shù)控車床采用斜床身（有的機床是用平床身斜滑板）；大型數(shù)控車床或精密數(shù)控車床采用立式床身。2.2.1數(shù)控車床的常用布局形式常用布局形式下頁上頁返回圖庫斜床身布局的數(shù)控車床（導軌傾斜角度通常選擇45o、60o或75o），不僅可以在同等條件下，改善受力情況，而且還可通過整體封閉式截面設計，提高床身的剛度，特別是自動換刀裝置的布置較方便。而平床身、立式床身布局的機床受結構的局限，布置比較困難，限制了機床性能。因此，斜床身布局的數(shù)控車床應用比較廣泛。2.2.1數(shù)控車床的常用布局形式常用布局形式下頁上頁返回圖庫在其他方面則三種布局方式各具特點：

（1）熱穩(wěn)定性：當主軸箱因發(fā)熱使主軸軸線產生熱變位時，斜床身的影響最??；斜床身、立式床身因排屑性能好，受切屑產生的熱量影響也小。

（2）運動精度：平床身布局由于刀架水平布置，不受刀架、滑板自重的影響，容易提高定位精度；立式床身受自重的影響最大，有時需要加平衡機構消除；斜床身介于兩者之間。2.2.1數(shù)控車床的常用布局形式常用布局形式下頁上頁返回圖庫

（3）加工制造：平床身的加工工藝性較好，部件精度較容易保證。另外，平床身機床工件重量產生的變形方向豎直向下，它和刀具運動方向垂直，對加工精度的影響較??；立式床身產生的變形方向正好沿著運動方向，對精度影響最大；斜床身介于兩者之間。

（4）操作、防護、排屑性能：斜床身的觀察角度最好、工件的調整比較方便，平床身有刀架的影響，加上滑板突出前方，觀察、調整較困難。但是，在大型工件和刀具的裝卸方面，平床身因其敞開面寬，起吊容易，裝卸比較方便。立式床身因切屑可以自由落下，排屑性能最好，導軌防護也較容易。在防護罩的設計上，斜床身和立式床身結構較簡單，安裝也比較方便；而平床身則需要三面封閉，結構較復雜，制造成本較高。2.2.2臥式數(shù)控鏜銑床（臥式加工中心）的常用布局形式

臥式數(shù)控鏜銑床（臥式加工中心）的布局形式種類較多，其主要區(qū)別在于立柱的結構形式和X、Z坐標軸的移動方式上（Y軸移動方式無區(qū)別）。

單立柱框架結構雙立柱圖2-2臥式數(shù)控鏜銑床（臥式加工中心）常見的布局形式常用的立柱下頁上頁返回圖庫Z坐標軸的移動方式有工作臺移動式（圖2-2a、b）和立柱移動式（圖2-2c）兩種。以上基本形式通過不同組合，還可以派生其他多種變形，如X、Z兩軸都采用立柱移動，工作臺完全固定的結構形式；或X軸為立柱移動、Z軸為工作臺移動的結構形式等。2.2.2臥式數(shù)控鏜銑床（臥式加工中心）的常用布局形式

下頁上頁返回圖庫在圖2-2所示的三種中、小規(guī)格臥式數(shù)控鏜銑床（臥式加工中心）常見的布局形式中，圖2-2a所示的結構形式和傳統(tǒng)的臥式鏜床相同，多見于早期的數(shù)控機床或數(shù)控化改造的機床；圖2-2b所示的采用了框架結構雙立柱、Z軸工作臺移動式布局，為中、小規(guī)格臥式數(shù)控機床常用的結構形式。圖2-2c所示的采用了T形床身、框架結構雙立柱、立柱移動式（Z軸）布局，為臥式數(shù)控機床典型結構。框架結構雙立柱采用了對稱結構，主軸箱在兩立柱中間上、下運動，與傳統(tǒng)的主軸箱側掛式結構相比，大大提高了結構剛度。另外，主軸箱是從左、右兩導軌的內側進行定位，熱變形產生的主軸軸線變位被限制在垂直方向上，因此，可以通過對Y軸的補償，減小熱變形的影響。2.2.2臥式數(shù)控鏜銑床（臥式加工中心）的常用布局形式

下頁上頁返回圖庫T形床身布局可以使工作臺沿床身做X方向移動時，在全行程范圍內，工作臺和工件完全支承在床身上，因此，機床剛性好，工作臺承載能力強，加工精度容易得到保證。而且，這種結構可以很方便地增加X軸行程，便于機床品種的系列化、零部件的通用化和標準化。立柱移動式結構的優(yōu)點是：首先，這種形式減少了機床的結構層次，使床身上只有回轉工作臺、工作臺，共三層結構，它比傳統(tǒng)的四層十字工作臺，更容易保證大件結構剛性；同時又降低了工件的裝卸高度，提高了操作性能。其次，Z軸的移動在后床身上進行，進給力與軸向切削力在同一平面內，承受的扭曲力小，鏜孔和銑削精度高。此外，由于Z軸的導軌的承重是固定不變的，它不隨工件重量改變而改變，因此有利于提高Z軸的定位精度和精度的穩(wěn)定性。但是，由于Z軸承載較重，對提高Z軸的快速性不利，這是其不足之處。2.2.3立式數(shù)控鏜銑床（立式加工中心）的常用布局形式

下頁上頁返回圖庫立式數(shù)控鏜銑床（立式加工中心）的布局形式與臥式數(shù)控鏜銑床類似，圖2-3所示的是三種常見布局形式。這三種布局形式中，圖2-3a所示的結構形式是常見的工作臺移動式數(shù)控鏜銑床（立式加工中心）的布局，為中、小規(guī)格機床的常用結構形式；圖2-3b所示的采用了T形床身，X、Y、Z三軸都是立柱移動式的布局，多見于長床身（大X軸行程）或采用交換工作臺的立式數(shù)控機床。這三種布局形式的結構特點，基本和臥式數(shù)控鏜銑床（臥式加工中心）的對應結構相同。同樣，以上基本形式通過不同組合，還可以派生其他多種變形，如X、Z兩軸都采用立柱移動、工作臺完全固定的結構形式，或X軸為立柱移動、Z軸為工作臺移動的結構形式等等。圖2-3立式數(shù)控鏜銑床（立式加工中心）常見的布局形式2.2.4數(shù)控機床交換工作臺的布局

下頁上頁返回圖庫為了提高數(shù)控機床的加工效率，在加工中心上經常采用雙交換工作臺，進行工件的自動交換，以進一步縮短輔助加工時間，提高機床效率。圖2-4a是移動式雙交換工作臺布局圖，用于工作臺移動式加工中心。對于圖示的初始狀態(tài)，其工作過程是：首先在Ⅱ工位工作臺上裝上工件，交換開始后，X軸自動運動到Ⅰ工位的位置，并松開工作臺夾緊機構；交換機構通過液壓缸或輔助電動機將機床上的工作臺拉到Ⅰ工位上；X軸再自動運動到Ⅱ工位的位置，交換機構將裝有工件的Ⅱ工位工作臺送到機床上，并夾緊。在機床進行工件加工的同時，操作者可以在Ⅰ工位裝卸工件，準備第二次交換。這樣就使得工件的裝卸和機床加工可以同時進行，節(jié)省了加工輔助時間，提高了機床的效率。圖2-4所示的是兩種常見的雙交換工作臺布局形式2.2.4數(shù)控機床交換工作臺的布局

下頁上頁返回圖庫圖2-4b是回轉式雙交換工作臺布局圖，用于立柱移動式加工中心。其工作過程是：首先在Ⅱ工位（裝卸工位）工作臺上裝上工件，交換開始后，Ⅰ工位（加工工位）的工作臺夾緊機構自動松開；交換回轉臺抬起，進行180o回轉，將Ⅱ工位上工作臺轉到Ⅰ工位的位置，并夾緊。在機床進行工件加工的同時，操作者可以在Ⅱ工位裝卸工件，準備第二次交換?；剞D式雙交換工作臺的優(yōu)點是交換速度快，定位精度高；對冷卻、切屑的防護容易；缺點是結構較復雜，占地面積大。2.2.4數(shù)控機床交換工作臺的布局

下頁上頁返回圖庫此外，還有一種通過雙工作區(qū)，進行工件交換的布局形式（如圖2-5所示），多用于長床身（X軸行程在1500mm以上），且X、Y、Z三軸都是立柱移動式的加工中心上。它的基本結構和立柱移動式機床完全相同，區(qū)別僅在于利用中間防護，使機床原工作臺分成了兩個相對獨立的操作區(qū)域。其工作過程是：立柱首先運動到Ⅰ區(qū)，對安裝在該區(qū)的零件進行正常加工；與此同時，操作者可以在Ⅱ區(qū)裝卸工件。在Ⅰ區(qū)的零件加工完成后，通過X軸的快速移動，將立柱運動到Ⅱ區(qū)，進行Ⅱ區(qū)零件的加工；操作者可以在Ⅰ區(qū)裝卸工件，如此循環(huán)。機床通過電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)嚴格的互鎖，對于加工區(qū)的防護門也需要通過機電聯(lián)鎖裝置予以封閉，確保機床的安全性、可靠性。圖2-5雙工作區(qū)交換的布局圖2.2.5高速加工數(shù)控機床的特殊布局

下頁上頁返回圖庫圖2-6高速加工機床布局1-X軸導軌2-內框3-主軸箱4-Y軸導軌立式數(shù)控機床采用的固定門式立柱布局形式臥式數(shù)控機床采用的“內外雙框架”結構布局即“箱中箱”（BoxinBox)結構常用布局形式2.2.6虛擬軸機床

下頁上頁返回圖庫圖2-7虛擬軸機床立式布局形式臥式布局形式常用布局形式2.3數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)主傳動的基本要求和變速方式主軸的聯(lián)接形式

主軸部件的支承電主軸與高速主軸系統(tǒng)主軸部件的結構

下頁上頁返回圖庫2.3.1主傳動的基本要求和變速方式下頁上頁返回圖庫數(shù)控機床和普通機床一樣，主傳動系統(tǒng)也必須通過變速，才能使主軸獲得不同的傳遞，以適應不同的加工要求，并且，在變速的同時，還要求傳遞一定的功率和足夠的轉矩，滿足切削的需要。數(shù)控機床作為高度自動化的設備，它對主傳動系統(tǒng)的基本要求有以下幾點：

1)為了達到最佳的切削效果，一般都應在最佳的切削條件下工作，因此，主軸一般都要求能自動實現(xiàn)無級變速。

2)要求機床主軸系統(tǒng)必須具有足夠高的轉速和足夠大的功率，以適應高效、高速的加工需要。2.3.1主傳動的基本要求和變速方式下頁上頁返回圖庫主傳動的變速方式主傳動的無極變速通常有以下三種方法：1)采用交流主軸驅動系統(tǒng)實現(xiàn)無級變速傳動，在早期的數(shù)控機床或大型數(shù)控機床（主軸功率超過100KW）上，也有采用直流主軸驅動系統(tǒng)的情況。2)在經濟性、普及性數(shù)控機床上，為了降低成本，可以采用變頻帶變頻電動機或普通交流電動機實現(xiàn)無級變速的方式。3)在高速加工機床上，廣泛使用主軸和電動機一體化的新穎功能部件---電主軸。電主軸的電動機轉子和主軸一體，無須任何傳動件，可以使主軸達到每分鐘數(shù)萬轉，甚至十幾萬轉的高速。但是，不管采用任何形式，數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)結構都要比普通機床簡單得多。2.3.1主傳動的基本要求和變速方式下頁上頁返回圖庫3)為了降低噪聲、減輕發(fā)熱、減少振動，主傳動系統(tǒng)應簡化結構，減少傳動件。4)在加工中心上，還必須具有安裝道具和刀具交換所需要的自動夾緊裝置，以及主軸定向準停裝置，以保證刀具和主軸、刀庫、機械手的正確嚙合。5)為了擴大機床的功能，實現(xiàn)對C軸的控制，主軸還需安裝位置檢測裝置，以便實現(xiàn)對主軸位置的控制。2.3.2主軸的聯(lián)接形式用輔助機械變速機構聯(lián)結定傳動比的聯(lián)接方式采用電主軸

常用聯(lián)接形式下頁上頁返回圖庫2.3.2主軸的聯(lián)接形式用輔助機械變速機構聯(lián)結下頁上頁返回圖庫在大、中型數(shù)控機床上，為了使主軸在低速時獲得大轉矩和擴大恒功率調速范圍，通常在使用無級變速傳動的基礎上，在增加兩級或三級輔助機械變速機構作為補充。通過分段變速方式，確保低速時的大扭矩，擴大恒功率調速范圍，滿足機床重切削時對扭矩的要求。輔助機械變速機構的結構、原理和普通機床相同，可以通過電磁離合器、液壓或氣動帶動滑移齒輪等方式實現(xiàn)。輔助變速的動作控制，可以通過數(shù)控系統(tǒng)的“自動傳動級變換”功能自動實現(xiàn)。輔助機械變速機構的變速比應根據實際機床的參數(shù)進行選擇，并盡可能保持功率曲線的連續(xù)。

圖2-82.3.2主軸的聯(lián)接形式定傳動比的聯(lián)接方式下頁上頁返回圖庫在小型數(shù)控機床上，主電動機和主軸一般采用定傳動比的聯(lián)結形式，或是主電動機和主軸直接連接的形式。在使用定傳動比傳動時，為了降低噪聲與振動，通常采用V帶和同步皮帶傳動。電動機和主軸直接連接的形式，可以大大簡化主軸傳動系統(tǒng)的結構，有效提高主軸剛度和可靠性。但是，其主軸的輸出轉矩、功率、恒功率調速范圍決定于主電動機本身。另外，主電動機的發(fā)熱對主軸的精度有一定的影響。2.3.2主軸的聯(lián)接形式采用電主軸下頁上頁返回圖庫在高速加工機床上，大多數(shù)使用電動機轉子和主軸一體的電主軸，可以使主軸達到每分鐘數(shù)萬轉、甚至十幾萬轉的高速，主軸傳動系統(tǒng)的結構更簡單，剛性更好。車床用電主軸銑床用電主軸2.3.3主軸部件的支承錐孔雙列圓柱滾子軸承雙列推力角接觸球軸承雙列圓錐滾子軸承帶凸肩的雙列圓錐滾子軸承

常用主軸軸承下頁上頁返回圖庫主軸部件是數(shù)控機床的關鍵部件之一，它直接影響機床的加工質量。主軸部件包括主軸的支承、安裝在主軸上的傳動零件等。圖2-9主軸常用的幾種滾動軸承滾動軸承的精度有E級(高級)、D級(精密級)、C級(特精級)、B級(超精級)四種等級。前軸承的精度一般比后軸承高一個精度等級。數(shù)控機床前支承通常采用B、C級精度的軸承,后支承則常采用C、D級。2.3.3主軸部件的支承采用后端定位,推力軸承布置在后支承的兩側,軸向載荷由后支承承受。采用前、后兩端定位,推力軸承布置在前、后支承的兩外側,軸向載荷由前支承承受,軸向間隙由后端調整。采用前端定位,推力軸承布置在前支承,軸向載荷由前支承承受。軸承的配置

合理配置軸承,可以提高主軸精度,降低溫升,簡化支承結構。在數(shù)控機床上配制軸承時,前后軸承都應能承受徑向載荷,支承間的距離要選擇合理,并根據機床的實際情況配制軸向力的軸承。

下頁上頁返回圖庫圖2-10幾種常見的軸承配置形式2.3.4電主軸與高速主軸系統(tǒng)下頁上頁返回圖庫在高速加工機床上,大多數(shù)使用電動機轉子和主軸一體的電主軸,可以使主軸達到每分鐘數(shù)萬轉、甚至十幾萬轉的高速,主軸傳動系統(tǒng)的結構更簡單、剛性更好。電主軸最早應用于磨床上,隨著高速加工機床的發(fā)展,電主軸以其卓越的高速性能,被廣泛用于其他數(shù)控機床。雖然電主軸外形各不相同,但其實質都是一只轉子中空的電動機(如圖2-11所示)。外殼有進行強制冷卻的水槽,中空套筒用于直接安裝各種機床主軸。從而取消了從主電動機到主軸之間一切中間的機械傳動環(huán)節(jié)(如傳動帶、齒輪、離合器等),實現(xiàn)了主電動機與機床主軸的一體化,使機床的主傳動系統(tǒng)實現(xiàn)了所謂的“零傳動”。2.3.4電主軸與高速主軸系統(tǒng)機械結構最為簡單,傳動慣量小,因而快速響應性好,能實現(xiàn)極高的速度、加(減)速度和定角度的快速準停(C軸控制)。通過采用交流變頻調速或磁場矢量控制的交流主軸驅動裝置,輸出功率大,調速范圍寬,并有比較理想的轉矩—功率特性?？梢詫崿F(xiàn)了主軸部件的單元化。電主軸可獨立做成標準功能部件,并由專業(yè)廠進行系列化生產；機床生產廠只需根據用戶的不同要求進行選用,可很方便的組成各種性能的高速機床,符合現(xiàn)代機床設計模塊化的發(fā)展方向。電主軸的主要特點

下頁上頁返回圖庫主軸部件采用電主軸的傳動方式有以下特點:2.3.4電主軸與高速主軸系統(tǒng)主電動機置于主軸前、后軸承之間。這種方式的優(yōu)點是:主軸單元的軸向尺寸較短,主軸剛度高,出力大,較適用于中、大型高速加工中心,目前大多數(shù)加工中心都采用這種結構形式。主電動機置于主軸后軸承之后,即主軸箱和主電動機作軸向的同軸布置(有的用聯(lián)軸器)。這種布局方式有利于減小電主軸前端的徑向尺寸,電動機的散熱條件也較好。但整個主軸單元的軸向尺寸較大,常用于小型高速數(shù)控機床,尤其適用于模具型腔的高速精密加工。

電主軸的安裝形式

根據主電動機和主軸軸承相對位置的不同,高速電主軸有兩種安裝形式:下頁上頁返回圖庫2.3.4電主軸與高速主軸系統(tǒng)電主軸的發(fā)熱及其解決方法

下頁上頁返回圖庫與一般的主軸部件不同,電主軸最突出的問題之一是內藏式高速主電動機的發(fā)熱。由于主電動機旁邊就是主軸軸承,電動機的發(fā)熱會直接降低軸承的工作精度。如果主電動機的散熱問題解決不好,就會影響機床工作的可靠性。為此,電主軸一般都采用外循環(huán)油一水冷卻系統(tǒng)進行冷卻。即:在主電動機定子的外面加工有帶螺旋槽的鋁質外套(圖2-11),機床工作時,冷卻水不斷在該螺旋槽中流動,從而把主電動機的熱量及時、迅速地帶走。為了進一步降低主軸軸承的溫升,軸承一般都采用油一氣潤滑系統(tǒng)。2.3.4電主軸與高速主軸系統(tǒng)電主軸的動平衡設計下頁上頁返回圖庫電主軸的最高轉速一般在10000r/min以上,甚至高達60000～100000r/min,主軸運轉部分微小的不平衡量,都會引起巨大的離心力,造成機床的振動,影響加工精度和表面質量,因此必須對電主軸進行嚴格的動平衡。采用電主軸后,主軸和主軸上的零件都要經過十分精密的加工、裝配和調校,一般要使主軸組件動平衡精度達到0.4級以上的水平。在設計電主軸時,必須嚴格遵守結構對稱性原則,鍵連接和螺紋連接在電主軸上被禁止使用。2.3.4電主軸與高速主軸系統(tǒng)提高軸承尺寸公差及旋轉精度。

采用角接觸球軸承取代圓柱滾子軸承和推力球軸承。

應減小徑向截面尺寸,以減小系統(tǒng)的體積,并有利于系統(tǒng)的熱傳導。應盡量采用小而多的滾動體,提高軸系的動剛度。采用高強度、輕質保持架,選擇合理的引導方式,。盡量采用配對軸承,以保證軸承的旋轉精度與剛度。高速主軸系統(tǒng)的軸承配置要求

下頁上頁返回圖庫隨著機床主軸高速化的發(fā)展,在主軸傳動代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械傳動后,為適應高速傳動,并使軸承可實現(xiàn)高速旋轉,且溫升低、剛性好,它對機床用軸承提出了更為嚴格的要求,這些要求概括起來有以下幾點:2.3.5主軸部件的結構主軸和電動機間采用的是傳動帶聯(lián)接的定傳動比傳動方式采用電主軸兩種臥式車床的主軸部件結構

下頁上頁返回圖庫機床主軸部件的結構根據不同的機床有較大的差別2.4數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)數(shù)控機床對進給傳動系統(tǒng)的基本要求數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)的基本形式

直線電動機與高速進給單元滾珠絲杠螺母副的原理滾珠絲杠螺母副的支承滾珠絲杠螺母副與電動機的聯(lián)接滾珠絲杠螺母副的選擇與計算（略）下頁上頁返回圖庫2.4.1數(shù)控機床對進給系統(tǒng)的基本要求下頁上頁返回圖庫為確保數(shù)控機床進給系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性等，在設計機械傳動裝置時，提出如下要求。

1)提高傳動部件的剛度。

2)減小傳動部件的慣量。

3)減小傳動部件的間隙進給系統(tǒng)的傳動間隙一般指反向間隙，即反向死區(qū)誤差，它存在于整個傳動鏈的各傳動副中，直接影響數(shù)控機床的加工精度；因此，應盡量消除傳動間隙，減小反向死區(qū)誤差。設計中可采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié)及有消除間隙措施的傳動副等方法。

4)減小系統(tǒng)的摩擦阻力2.4.2數(shù)控機床進給系統(tǒng)的基本形式下頁上頁返回圖庫滾珠絲杠螺母副靜壓絲杠螺母副靜壓蝸桿蝸條副和齒輪齒條副

直線電動機直接驅動2.4.3直線電動機與高速進給單元下頁上頁返回圖庫直線電動機的主要特點高速進給單元的結構設計直線電動機進給系統(tǒng)設計注意點

2.4.3直線電動機與高速進給單元不需轉換裝置能直接實現(xiàn)直線運動可獲得較高旋轉速度和轉速消除傳動環(huán)節(jié),精度高、剛度大、穩(wěn)定性好

采用直線電動機驅動的優(yōu)點下頁上頁返回圖庫效率和功率因數(shù)低，低速更明顯對驅動器要求高，受電源電壓影響大和導軌、工作臺成一體，要采取措施防止磁力和熱變形影響

直線電動機的不足之處直線電動機的主要特點2.4.3直線電動機與高速進給單元防磁問題散熱問題

下頁上頁返回圖庫直線電動機進給系統(tǒng)設計注意點2.4.4滾珠絲杠螺母副的原理下頁上頁返回圖庫滾珠絲杠螺母副的結構原理滾珠絲杠副是一種新型的傳動機構，它的結構特點是具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動件，以減少摩擦。圖中絲杠和螺母上都磨有圓弧形的螺旋槽，這兩個圓弧形的螺旋槽對合起來就形成螺旋線滾道，在滾道內裝有滾珠。當絲杠回轉時，滾珠相對于螺母上的滾道滾動，因此絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦。為了防止?jié)L珠從螺母中滾出來，在螺母的螺旋槽兩端設有回程引導裝置，使?jié)L珠能循環(huán)流動。2.4.4滾珠絲杠螺母副的原理下頁上頁返回圖庫滾珠絲杠螺母副的結構原理

目前國內外生產的滾珠絲杠副，可分為內循環(huán)及外循環(huán)兩類。外循環(huán)螺旋槽式滾珠絲杠副，在螺母的外圓上銑有螺旋槽，并在螺母內部裝上擋珠器，擋珠器的舌部切斷螺紋滾道，迫使?jié)L珠流入通向螺旋槽的孔中而完成循環(huán)。內循環(huán)滾珠絲杠副，在螺母外側孔中裝有接通相鄰滾道的反向器，以迫使?jié)L珠翻越絲杠的齒頂而進入相鄰滾道。

2.4.4滾珠絲杠螺母副的原理下頁上頁返回圖庫滾珠絲杠螺母副的預緊常用的雙螺母消除軸向間隙的結構型式有以下三種

墊片調隙式螺紋調隙式齒差調隙式單螺母變導程自預緊及單螺母鋼球過盈預緊方式。各種預緊方式的特點及適用場合見表2-22.4.5滾珠絲杠螺母副的支承下頁上頁返回圖庫滾珠絲杠螺母副的支承形式滾珠絲杠螺母副的支承軸承

螺母座、絲杠的軸承及其支架等剛性不足，將嚴重地影響滾珠絲杠副的傳動剛度。因此，螺母座應有加強肋，以減少受力后的變形，螺母座與床身的接觸面積宜大，其連接螺釘?shù)膭偠纫矐撸ㄎ讳N要緊密配合，不能松動。滾珠絲杠常用推力軸承支承，以提高軸向剛度（當滾珠絲杠的軸向負載很小時，也可用深溝球軸承支承）滾珠絲杠的支承方式有以下幾種

一端裝推力軸承一端裝推力軸承，另一端裝深溝球軸承兩端裝推力軸承兩端裝推力軸承及深溝球軸承2.4.6滾珠絲杠螺母副與電動機的聯(lián)接下頁上頁返回圖庫滾珠絲杠螺母副與驅動電機的聯(lián)接形式主要有以下三種

聯(lián)軸器直接聯(lián)接通過齒輪聯(lián)接通過同步齒形帶聯(lián)接2.4.7滾珠絲杠螺母副的選擇與計算下頁上頁返回圖庫滾珠絲杠副的精度等級為1、2、3、4、5、7、10級精度，代號分別為1、2、3、4、5、7、10。其中1級為最高，依次逐級降低。滾珠絲杠副的精度包括各元件的精度和裝配后的綜合精度，其中包括導程誤差、絲杠大徑對螺紋軸線的徑向圓跳動、絲杠和螺母表面粗糙度、有預加載荷時螺母安裝端面對絲杠螺紋軸線的圓跳動、有預加載荷時螺母安裝直徑對絲杠螺紋軸線的徑向圓跳動以及滾珠絲杠名義直徑尺寸變動量等。在開環(huán)數(shù)控機床和其他精密機床中，滾珠絲杠的精度直接影響定位精度和隨動精度。對于閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機床，絲杠的制造誤差使得它在工作時負載分布不均勻，從而降低承載能力和接觸剛度，并使預緊力和驅動力矩不穩(wěn)定。因此，傳動精度始終是滾珠絲杠最重要的質量指標。2.5數(shù)控機床的導軌數(shù)控機床對導軌的基本要求數(shù)控機床導軌的種類與特點

滾動導軌的結構原理與特點滾動導軌的選擇與計算（略）滾動導軌的安裝與使用下頁上頁返回圖庫2