數(shù)控加工技術(shù) 課件 第1章 數(shù)控加工與數(shù)控機(jī)床

第一章數(shù)控加工與數(shù)控機(jī)床第一節(jié)數(shù)控基本概念第二節(jié)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)習(xí)題

第一節(jié)數(shù)控基本概念

一、數(shù)控機(jī)床1.數(shù)控?cái)?shù)控是數(shù)字控制(NumericalControl，NC)的簡(jiǎn)稱，是利用數(shù)字化信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法。由于現(xiàn)代數(shù)控都采用了計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，因此，也可以稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控(ComputerizedNumericalControl，CNC)。

數(shù)控系統(tǒng)是指利用數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的系統(tǒng)，是數(shù)控機(jī)床的核心。為了對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化信息控制，必須具備相應(yīng)的硬件和軟件。數(shù)控機(jī)床采用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制，它是一種綜合應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、精密測(cè)量技術(shù)和機(jī)床設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品，是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)。因此，數(shù)控機(jī)床的水平代表了當(dāng)前數(shù)控技術(shù)的性能、水平和發(fā)展方向。

2.數(shù)控機(jī)床的組成

數(shù)控機(jī)床主要由六部分組成，包括控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、可編程邏輯控制器(PLC)、伺服系統(tǒng)、機(jī)床本體和檢測(cè)裝置等，如圖1-1所示。圖1-1數(shù)控機(jī)床的組成

1)控制介質(zhì)

控制介質(zhì)主要是指加工程序的載體。數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，不需要工人直接去操作機(jī)床，要對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制，必須編制加工程序。零件加工程序中，包括機(jī)床上刀具和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡、工藝參數(shù)(進(jìn)給量主軸轉(zhuǎn)速等)和輔助運(yùn)動(dòng)等。將零件加工程序用一定的格式和代碼，存儲(chǔ)在一種程序載體上，如穿孔紙帶、盒式磁帶、軟磁盤(pán)等，通過(guò)數(shù)控機(jī)床的輸入裝置，將程序信息輸入到CNC單元?，F(xiàn)在作為數(shù)控機(jī)床的組成部分，控制介質(zhì)的功能已經(jīng)弱化了。某些先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床將自動(dòng)編程軟件安裝在數(shù)控裝置中，可以在機(jī)床控制面板上直接進(jìn)行圖形編程，不再需要輸入程序。

2)數(shù)控裝置

數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心部分，相當(dāng)于人的大腦。數(shù)控裝置主要由輸入、處理和輸出三個(gè)基本部分構(gòu)成。它的主要任務(wù)是通過(guò)輸入裝置，接收數(shù)控加工程序和各種參數(shù)，然后進(jìn)行譯碼和運(yùn)算處理，由輸出部分發(fā)出兩類控制量：一類是連續(xù)的控制量，發(fā)送給伺服系統(tǒng)，以控制機(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)；以另一類是離散的開(kāi)關(guān)控制量，送往可編程邏輯控制器(PLC)，以控制機(jī)床的機(jī)械輔助動(dòng)作。所有這些工作都由計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)程序進(jìn)行合理的組織，使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。

3)伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，是由伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成的，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服控制和主軸伺服控制。它接收數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)并控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)和主軸的運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)的主要部件有伺服電動(dòng)機(jī)，包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)，還有對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電源。

4)檢測(cè)裝置

檢測(cè)裝置是用于測(cè)量數(shù)控機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和主運(yùn)動(dòng)的裝置，包括編碼盤(pán)、光柵、磁柵和旋轉(zhuǎn)變壓器等。檢測(cè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的裝置通常用于伺服系統(tǒng)為閉環(huán)和半閉環(huán)控制方式的數(shù)控機(jī)床，開(kāi)環(huán)控制方式的數(shù)控機(jī)床沒(méi)有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)裝置。對(duì)于主運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)裝置，通常用于數(shù)控車床，作為車螺紋的多次進(jìn)刀用；對(duì)于加工中心，則用于檢測(cè)主軸的準(zhǔn)停，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。

5)機(jī)床本體

機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的主體，包括床身、底座、立柱、橫梁、滑座、工作臺(tái)、主軸箱、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、刀架及自動(dòng)換刀裝置等機(jī)械部件。它是在數(shù)控機(jī)床上自動(dòng)地完成各種切削加工的機(jī)械部分。

6)?可編程邏輯控制器(PLC)

輔助裝置是保證充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床功能所必需的配套裝置。常用的輔助裝置包括刀具自動(dòng)交換裝置(ATC)、工件自動(dòng)交換裝置(APC)、液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑裝置、冷卻液裝置、排屑裝置等。

3.數(shù)控機(jī)床的分類

數(shù)控機(jī)床的種類很多，可從不同的角度進(jìn)行分類。

1)按照加工方式分類

根據(jù)數(shù)控機(jī)床加工方式的不同，可分為以下幾類：

(1)金屬切削類。

(2)金屬成型類。

(3)特種加工類。

(4)其他類。

2)按照控制刀具運(yùn)動(dòng)軌跡分類

根據(jù)刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡可以分為以下三類：

(1)點(diǎn)位控制類。點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床只能控制刀具點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，即從一個(gè)點(diǎn)準(zhǔn)確地移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)，而不控制移動(dòng)的軌跡，在移動(dòng)和定位過(guò)程中不進(jìn)行任何加工。這個(gè)軌跡通常是折線。這類機(jī)床主要有數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床、數(shù)控電焊機(jī)等。點(diǎn)位控制方式如圖1-2所示。圖1-2點(diǎn)位控制方式

(2)點(diǎn)位直線控制類。點(diǎn)位直線控制數(shù)控機(jī)床可控制刀具點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和刀具平行于各軸進(jìn)給方向的直線運(yùn)動(dòng)。它可準(zhǔn)確地控制點(diǎn)的坐標(biāo)和直線運(yùn)動(dòng)的速度及路線，在機(jī)床移動(dòng)部件時(shí)進(jìn)行切削加工。這類機(jī)床主要有數(shù)控坐標(biāo)車床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜銑床等。點(diǎn)位直線控制方式如圖1-3所示。圖1-3點(diǎn)位直線控制方式

(3)輪廓控制類。輪廓控制是指數(shù)控機(jī)床可以控制刀具按照工件的輪廓進(jìn)行加工，即可以同時(shí)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上軸的運(yùn)動(dòng)，也叫作二坐標(biāo)、三坐標(biāo)、四坐標(biāo)、五坐標(biāo)甚至六坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)或更多的坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工。目前實(shí)際應(yīng)用最多的是五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工，它可控制刀具在輪廓每一點(diǎn)上的速度和位置。這種控制方式比較復(fù)雜，通常用于數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控加工中心、數(shù)控特種加工機(jī)床等。輪廓控制方式如圖1-4所示。圖1-4輪廓控制方式

3)按照伺服系統(tǒng)控制方式分類

數(shù)控機(jī)床按照伺服系統(tǒng)的控制方式可分為開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制三類。

(1)開(kāi)環(huán)控制類。開(kāi)環(huán)控制類數(shù)控機(jī)床是指沒(méi)有位置檢測(cè)裝置的數(shù)控機(jī)床，如圖1-5所示。這類機(jī)床不帶位置檢測(cè)反饋裝置，通常用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這類數(shù)控機(jī)床的控制精度取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距精度和機(jī)械傳動(dòng)的精度。其控制線路簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，精度較低(一般可以達(dá)到±0.02mm)，制造成本低，通常用于簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床或小型機(jī)床。圖1-5開(kāi)環(huán)控制

(2)閉環(huán)控制類。閉環(huán)控制類數(shù)控機(jī)床是指有位置檢測(cè)裝置的機(jī)床，且檢測(cè)的信息為工作臺(tái)或刀架的位移量，如圖1-6所示。這類數(shù)控機(jī)床帶有位置檢測(cè)反饋裝置，其位置檢測(cè)反饋裝置采用直線位移檢測(cè)元件，直接安裝在機(jī)床的移動(dòng)部件上，將測(cè)量結(jié)果直接反饋到數(shù)控裝置中，與設(shè)定的指令值進(jìn)行比較后，利用其差值控制伺服電動(dòng)機(jī)，直至差值為零，最終實(shí)現(xiàn)精確定位。這類數(shù)控機(jī)床控制精度高，可達(dá)0.001mm～0.003mm，但制造成本高，維修復(fù)雜，通常用于一些高精度的數(shù)控機(jī)床，如數(shù)控加工中心、數(shù)控車削中心等。圖1-6閉環(huán)控制

(3)半閉環(huán)控制類。半閉環(huán)控制類數(shù)控機(jī)床是指有位置檢測(cè)裝置的機(jī)床，但是檢測(cè)元件(如感應(yīng)同步器或光電編碼器等)安裝在伺服電動(dòng)機(jī)的軸上或滾珠絲杠的端部，檢測(cè)的信息不是工作臺(tái)或刀架的位移量，而是絲杠或伺服電動(dòng)機(jī)的角位移量，如圖1-7所示。由于大部分機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)未包括在系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內(nèi)，因此可獲得較穩(wěn)定的控制特性。其控制精度雖不如閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床，但調(diào)試比較方便，因而被廣泛采用。因此，多數(shù)數(shù)控機(jī)床屬于此類控制方式。圖1-7半閉環(huán)控制

4)按照聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)數(shù)分類

數(shù)控機(jī)床控制的聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)數(shù)目是指數(shù)控裝置能同時(shí)控制的由幾個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)數(shù)目。聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)控制數(shù)分類主要有：兩軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床、2.5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床、三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床、四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床和五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。

(1)兩軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床：能同時(shí)控制兩個(gè)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床。如數(shù)控車床可同時(shí)控制X、Z兩軸聯(lián)動(dòng)。

(2)?2.5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床：有三個(gè)坐標(biāo)軸，但是只能同時(shí)控制兩個(gè)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)，第三個(gè)坐標(biāo)軸僅能作等距的周期移動(dòng)。

(3)三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床：能同時(shí)控制三個(gè)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床。

(4)四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床：能同時(shí)控制X、Y、Z三個(gè)直線軸與一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床。

(5)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床：能同時(shí)控制X、Y、Z三個(gè)直線軸與兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，是功能最全、控制最復(fù)雜的一種數(shù)控機(jī)床。

二、數(shù)控機(jī)床加工

1.數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程

數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程是指用數(shù)控機(jī)床完成一個(gè)零件由毛坯到成品的工藝過(guò)程。數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程和普通機(jī)床加工過(guò)程有非常相似之處，二者主要是在編程和操作上有一些區(qū)別。

數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程比普通機(jī)床加工過(guò)程多了幾個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1-8所示，即編制加工程序(包括切削仿真)、輸入程序、建立工件坐標(biāo)系，只要在普通機(jī)床加工的基礎(chǔ)上掌握這幾個(gè)環(huán)節(jié)，就可掌握數(shù)控機(jī)床的加工。圖1-8數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程

2.數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)

數(shù)控機(jī)床是高精度、高效率的機(jī)床，其特點(diǎn)非常突出，主要有以下幾個(gè)方面：

(1)適應(yīng)性強(qiáng)。即柔性化程度高。柔性是指數(shù)控機(jī)床隨生產(chǎn)對(duì)象變化而變化的適應(yīng)能力。

(2)精度高。數(shù)控機(jī)床的各軸移動(dòng)由數(shù)控裝置控制伺服系統(tǒng)，通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)各軸進(jìn)給。

(3)生產(chǎn)效率高。零件加工所需的時(shí)間主要包括機(jī)動(dòng)時(shí)間和輔助時(shí)間兩部分。

(4)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜。數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)加工，一般機(jī)床多可以二、三軸聯(lián)動(dòng)，高檔次的機(jī)床可以進(jìn)行四、五軸聯(lián)動(dòng)，能加工復(fù)雜的螺旋槳、汽輪機(jī)葉片等空間曲面類零件。

三、數(shù)控系統(tǒng)

1.數(shù)控系統(tǒng)基本原理

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心部件，通常由數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)組成(有的書(shū)中定義為數(shù)控裝置)。數(shù)控系統(tǒng)的作用是輸入程序，編譯、運(yùn)算，輸出信號(hào)給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)由伺服控制單元、驅(qū)動(dòng)單元、伺服電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、速度反饋單元、位置反饋單元組成，其作用為接收數(shù)控裝置發(fā)來(lái)信號(hào)，輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床完成加工。數(shù)控系統(tǒng)框圖如圖1-9所示。其基本組成為微機(jī)基本系統(tǒng)和接口電路，伺服系統(tǒng)的基本組成為速度伺服單元和伺服電動(dòng)機(jī)。圖1-9數(shù)控系統(tǒng)框圖

2.常用數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)有不同的品牌、不同的種類，其指令代碼中的基本代碼也不完全相同。數(shù)控系統(tǒng)之間的不同指令對(duì)學(xué)習(xí)編程是一大障礙，因?yàn)閷W(xué)習(xí)的數(shù)控系統(tǒng)如果和操作使用的數(shù)控系統(tǒng)不一樣，則編好的程序在數(shù)控系統(tǒng)不相同的機(jī)床上將不能使用。因此，在數(shù)控機(jī)床實(shí)際編程時(shí)，一定要遵循一個(gè)前提：編程前一定要仔細(xì)閱讀機(jī)床編程說(shuō)明書(shū)。這樣才能保證所編程序與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)相適應(yīng)，不會(huì)因?yàn)橹噶铄e(cuò)誤而發(fā)生加工錯(cuò)誤。

3.數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展

在20世紀(jì)40年代，隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，對(duì)零件的加工質(zhì)量要求越來(lái)越高，零件的形狀越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法已無(wú)法達(dá)到零件要求，迫切需要新的加工方法的出現(xiàn)。1948年，美國(guó)帕森斯(Parsons)公司在研制加工直升飛機(jī)葉片輪廓檢查用樣板的加工機(jī)床時(shí)，首先提出了數(shù)控機(jī)床的初始設(shè)想。后來(lái)由美國(guó)空軍委托帕森斯公司和麻省理工學(xué)院進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的研制工作，歷時(shí)三年，于1952年試制成功世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床——三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)立式數(shù)控銑床。

數(shù)控機(jī)床的功能越來(lái)越強(qiáng)，從單一功能到復(fù)合功能，從數(shù)控車床到車削中心，從數(shù)控銑床到加工中心，從單軸到多軸，從立式或臥式到立臥轉(zhuǎn)換，以至于到車銑中心。目前，數(shù)控機(jī)床正朝著高速度、高精度、高可靠性、多功能、智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化及其開(kāi)放性等技術(shù)方向發(fā)展。

第二節(jié)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)

一、數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成和特點(diǎn)典型數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由基礎(chǔ)件、主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、自動(dòng)換刀裝置及其他機(jī)械功能部件等幾部分組成。

(1)基礎(chǔ)件。數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)件通常是指床身、立柱(或橫梁)、工作臺(tái)、底座等結(jié)構(gòu)件，是機(jī)床的基本框架。其他部件附著在基礎(chǔ)件上，有的部件還需要沿著基礎(chǔ)件運(yùn)動(dòng)。由于基礎(chǔ)件起著支承和導(dǎo)向的作用，因而對(duì)基礎(chǔ)件的基本要求是剛度好。此外，由于基礎(chǔ)件通常固有頻率較低，在設(shè)計(jì)時(shí)，還希望它的固有頻率能高一些，阻尼能大一些。

(2)主傳動(dòng)系統(tǒng)。和傳統(tǒng)機(jī)床一樣，數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳遞給主軸，保證系統(tǒng)具有切削所需要的轉(zhuǎn)矩和速度。但由于數(shù)控機(jī)床具有比傳統(tǒng)機(jī)床更高的切削性能，因而要求數(shù)控機(jī)床的主軸部件具有更高的回轉(zhuǎn)精度、更好的結(jié)構(gòu)剛度和抗振性能。

(3)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)是直接接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令，實(shí)現(xiàn)直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給和定位，對(duì)機(jī)床的運(yùn)行精度和質(zhì)量影響最明顯。因此，對(duì)數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的主要要求是精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)的能力，即要求它能盡快地根據(jù)控制指令，穩(wěn)定地達(dá)到所需的加工速度和位置精度，并盡量少地出現(xiàn)振蕩和超調(diào)現(xiàn)象。

(4)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。根據(jù)工作要求可將回轉(zhuǎn)工作臺(tái)分成兩種類型，即數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和分度轉(zhuǎn)臺(tái)。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)在加工過(guò)程中參與切削，相當(dāng)于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸，因而對(duì)它的要求和進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的要求是一樣的。分度轉(zhuǎn)臺(tái)只完成分度運(yùn)動(dòng)，其主要具備分度精度指標(biāo)和在切削力作用下保持位置不變的能力。轉(zhuǎn)塔刀架在原理和結(jié)構(gòu)上都和分度轉(zhuǎn)臺(tái)類似。

(5)自動(dòng)換刀裝置。為了在—次安裝后能盡可能多地完成同一工件不同部位的加工要求，并盡可能減少數(shù)控機(jī)床的非故障停機(jī)時(shí)間，數(shù)控加工中心的機(jī)床常具有自動(dòng)換刀裝置和自動(dòng)化托盤(pán)交換裝置。對(duì)自動(dòng)換刀裝置的基本要求主要是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。

(6)其他機(jī)械功能部件。這主要指潤(rùn)滑、冷卻、排屑和監(jiān)控機(jī)構(gòu)。由于數(shù)控機(jī)床是生產(chǎn)效率極高并可以長(zhǎng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工的機(jī)床，因而潤(rùn)滑、冷卻、排屑問(wèn)題比傳統(tǒng)機(jī)床更為突出。大切削量的加工需要強(qiáng)力冷卻和及時(shí)排屑，冷卻不足或排屑不暢會(huì)嚴(yán)重影響刀具的壽命，甚至使得加工無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。大量冷卻和潤(rùn)滑的作用還對(duì)系統(tǒng)的密封和防漏提出了更高的要求，從而導(dǎo)致半封閉、全封閉結(jié)構(gòu)的機(jī)床出現(xiàn)。

為滿足數(shù)控機(jī)床的高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動(dòng)化程度的要求，在設(shè)計(jì)和制造數(shù)控機(jī)床的過(guò)程中，在機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)方面采取了許多相應(yīng)的措施，這就使得數(shù)控機(jī)床與同類的普通機(jī)床在結(jié)構(gòu)上雖然十分相似，但兩者之間實(shí)際存在很大的差異。這些差異主要包括：

(1)機(jī)床的支承件應(yīng)有更高的靜、動(dòng)剛度，以及更好的抗振性。

(2)采用在效率、剛度、精度等方面較優(yōu)良的傳動(dòng)副，如滾珠絲杠-螺母副、靜壓絲杠-螺母副等。

(3)采用消除間隙的傳動(dòng)副，以消除傳動(dòng)鏈中反向空行程死區(qū)，提高伺服性能。

(4)采用自動(dòng)換刀和自動(dòng)更換工件裝置，以減少停機(jī)時(shí)間。

(5)采用多主軸、多刀架的結(jié)構(gòu)，以提高單位時(shí)間的切削效率。

(6)采用自動(dòng)排屑、自動(dòng)潤(rùn)滑和冷卻等裝置。

(7)采取措施減小機(jī)床的熱變形，保證機(jī)床的精度穩(wěn)定，獲得可靠的加工質(zhì)量。

二、提高機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度

根據(jù)床身所受載荷性質(zhì)的不同，床身剛度分為靜剛度和動(dòng)剛度。床身的靜剛度包括支承件的自身機(jī)構(gòu)剛度、局部剛度和接觸剛度，靜剛度直接影響機(jī)床的加工精度及其生產(chǎn)率。動(dòng)剛度直接反映機(jī)床的動(dòng)態(tài)特征，其表征機(jī)床在交變載荷作用下所具有的抵抗變形的能力和抵抗受迫振動(dòng)及自振動(dòng)的能力。靜剛度和固有頻率是影響動(dòng)剛度的重要因素。數(shù)控機(jī)床要求具有更高的靜剛度和動(dòng)剛度。

機(jī)床在加工過(guò)程中，承受各種外力的作用。承受的靜態(tài)力有運(yùn)動(dòng)部件和工件的自重，承受的動(dòng)態(tài)力有切削力、驅(qū)動(dòng)力、加速和減速所引起的慣性力、摩擦阻力等。機(jī)床的各個(gè)部件在這些力的作用下，將產(chǎn)生變形。如固定連接表面或運(yùn)動(dòng)嚙合表面的接觸變形，各支承零部件的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，以及某些支承件的局部變形等，這些變形都會(huì)直接或間接地影響刀具和工件之間的相對(duì)位移，從而導(dǎo)致工件的加工誤差，或者影響機(jī)床切削過(guò)程的特性。

1.合理選擇構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式

1)正確選擇截面的形狀和尺寸

構(gòu)件在承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷后，其變形大小取決于斷面的抗彎和扭轉(zhuǎn)慣性矩，抗彎和扭轉(zhuǎn)慣性矩大的其剛度就高。表1-1列出了在截面面積相同(即重力相同)時(shí)各斷面形狀的慣性矩，從表中的數(shù)據(jù)可知，形狀相同的截面，當(dāng)保持相同的截面面積時(shí)，應(yīng)減小壁厚、加大截面的輪廓尺寸；圓形截面的抗扭剛度比方形截面的大，抗彎剛度則比方形截面的小，封閉式截面的剛度比不封閉式截面的剛度大很多；壁上開(kāi)孔將使剛度下降，在孔周加上凸緣可使抗彎剛度得到恢復(fù)。

2)合理選擇及布置隔板和筋條

隔板的作用是將支承板的局部載荷傳遞給其他壁板，從而使整個(gè)支承件承受載荷，提高支承件的自身剛度。合理布置承重件的隔板和筋條，可提高構(gòu)件的靜、動(dòng)剛度。常見(jiàn)的筋條如圖1-10所示，其中以蜂窩狀加強(qiáng)筋較好。圖1-10筋條種類

對(duì)一些薄壁構(gòu)件，為減小壁面的翹曲和構(gòu)件截面的畸變，可以在壁板上設(shè)置如圖1-11所示的筋條。如圖1-11(a)所示，它除了能提高構(gòu)件的剛度外，還能減小鑄造時(shí)的收縮應(yīng)力。圖1-11薄壁板上的筋條

最常見(jiàn)的隔板形狀為T(mén)形、門(mén)形、V形等，如圖1-12所示。圖1-12隔板形狀

3)提高構(gòu)件的局部剛度

機(jī)床的導(dǎo)軌和支承件的連接部件，往往是局部剛度最弱的部分，但是連接方式對(duì)局部剛度的影響很大，需增加導(dǎo)軌與支承件的連接部分的剛度。支承件在連接處抵抗變形的能力,稱為支承件的連接剛度。如圖1-13所示為導(dǎo)軌和床身連接的幾種形式。當(dāng)導(dǎo)軌的尺寸較寬時(shí)，應(yīng)用雙壁連接形式，如圖1-13(d)、(e)、(f)所示；當(dāng)導(dǎo)軌較窄時(shí)，可用單壁或加厚的單壁連接，或者在單壁上增加垂直筋條以提高剛度。圖1-13導(dǎo)軌與床身的連接形式

4)增加機(jī)床各部件的接觸剛度和承載能力

在機(jī)床各部件的固定連接面和運(yùn)動(dòng)副的結(jié)合面之間，總會(huì)存在宏觀和微觀不平，兩個(gè)面之間真正接觸的只是一些高點(diǎn)，實(shí)際接觸面積小于兩接觸表面的面積，因此，在承載時(shí)，作用于這些接觸點(diǎn)的壓強(qiáng)要比平均壓強(qiáng)大得多，從而產(chǎn)生接觸變形。由于機(jī)床總有為數(shù)較多的靜、動(dòng)連接面，如果不注意提高接觸剛度，則各連接面的接觸變形就會(huì)大大降低機(jī)床的整體剛度，對(duì)加工精度產(chǎn)生非常不利的影響。

影響接觸剛度的根本因素是實(shí)際接觸面積的大小，任何增大實(shí)際接觸面積的方法都能有效地提高接觸剛度。如機(jī)床的導(dǎo)軌常采用人工鏟刮工藝作為最終的精加工工序，通過(guò)刮研可以增加單位面積上的接觸點(diǎn)，并使接觸點(diǎn)分布均勻，從而增加導(dǎo)軌副結(jié)合面的實(shí)際接觸面積，提高接觸剛度；又如采用滾動(dòng)軸承作為支承的主軸部件，都要設(shè)計(jì)預(yù)緊結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整軸承間隙，使軸承在有預(yù)加載荷的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，以提高主軸的支承剛度。預(yù)加載荷增大了實(shí)際接觸點(diǎn)的面積，從而達(dá)到提高接觸剛度的目的；采用螺紋緊固的固定連接面，合理布置一定數(shù)量的螺栓，并對(duì)螺栓的擰緊力矩提出嚴(yán)格要求以保證適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，也是為提高接觸剛度而常采用的措施。

5)采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)

機(jī)床的床身、立柱等支承件，采用鋼板和型鋼焊接而成，具有減小質(zhì)量提高剛度的顯著優(yōu)點(diǎn)。鋼的彈性模量約為鑄鐵的2倍，在形狀和輪廓尺寸相同的前提下，如要求焊接件與鑄件的剛度相同，則焊接件的壁厚只需鑄件的1/2；如果要求局部剛度相同，則因局部剛度與壁厚的三次方成正比，所以焊接件的壁厚只需鑄件壁厚的80%左右。此外，無(wú)論是剛度相同以減輕質(zhì)量，或者質(zhì)量相同以提高剛度，都可以提高構(gòu)件的諧振頻率，使共振不易發(fā)生。

用鋼板焊接有可能將構(gòu)件做成封閉的箱形結(jié)構(gòu)，從而有利于提高構(gòu)件的剛度。所以，近年來(lái)以鋼板焊接結(jié)構(gòu)代替鑄鐵件的趨勢(shì)不斷擴(kuò)大，從開(kāi)始在單件和小批量的重型和超重型機(jī)床上的應(yīng)用，逐步發(fā)展到有一定批量的中型機(jī)床。

2.合理的結(jié)構(gòu)布局可以提高剛度

機(jī)床的總體布局直接影響到機(jī)床的結(jié)構(gòu)和性能。合理選擇機(jī)床布局，不但可以使機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、合理、經(jīng)濟(jì)，而且能提高機(jī)床剛度，改善機(jī)床受力情況，提高熱穩(wěn)定性和操作性能，使機(jī)床滿足數(shù)控化的要求。

以臥式鏜床或臥式加工中心為例進(jìn)行分析，如圖1-14所示的幾種布局形式中，如圖(a)、(b)、(c)三種方案的主軸箱是單面懸掛在立柱側(cè)面，主軸箱的自重將使立柱產(chǎn)生彎曲變形；切削力將使立柱產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，這些變形將影響到加工精度；圖(d)的主軸箱中心位于立柱的對(duì)稱面內(nèi)，主軸箱的自重不再引起立柱的變形，相同的切削力所引起的立柱的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形均大為減小，這就相當(dāng)于提高了機(jī)床的剛度。圖1-14臥式加工中心的幾種布局形式(a)、(b)、(c)主軸箱單面懸掛在立柱側(cè)面；(d)主軸箱位于立柱對(duì)稱面內(nèi)

數(shù)控機(jī)床的拖板或工作臺(tái)，由于結(jié)構(gòu)尺寸的限制，厚度尺寸不能設(shè)計(jì)得太大，但是寬度或跨度又不能減小，因而剛度不足。為彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，除主導(dǎo)軌外，在懸伸部位增設(shè)輔助導(dǎo)軌，可大大提高拖板或工作臺(tái)的剛度。如圖1-15所示為采用輔助導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)實(shí)例。圖1-15采用輔助導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

3.采取補(bǔ)償構(gòu)件變形的結(jié)構(gòu)措施

當(dāng)測(cè)量機(jī)床著力點(diǎn)的相對(duì)變形的大小和方向，或者預(yù)知構(gòu)件的變形規(guī)律時(shí)，可以采取相應(yīng)的措施來(lái)補(bǔ)償變形以消除其影響，補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果相當(dāng)于提高了機(jī)床的剛度。圖1-16(a)所示的大型龍門(mén)銑床與主軸部件移到橫梁的中部時(shí)，橫梁的彎曲變形最大。為此，可將橫梁導(dǎo)軌做成“拱形”，即中部為凸起的拋物線形，可使其變形得到補(bǔ)償。或者通過(guò)在橫梁內(nèi)部安裝的輔助橫梁和預(yù)校正螺釘對(duì)主導(dǎo)軌進(jìn)行預(yù)校正，也可以用加平衡重的辦法，減少橫梁同主軸箱自重而產(chǎn)生的變形，如圖1-16(b)所示。圖1-16采用平衡裝置補(bǔ)償部件變形

三、數(shù)控機(jī)床主軸部件

主軸部件是機(jī)床的一個(gè)關(guān)鍵部件，它包括主軸的支承、安裝在主軸上的傳動(dòng)零件等。主軸部件質(zhì)量的好壞直接影響加工質(zhì)量。

1.主軸部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀

主軸的軸端用于安裝夾具和刀具，要求夾具和刀具在軸端定位精度高、定位剛度好、裝卸方便，同時(shí)使主軸的懸伸長(zhǎng)度短。在設(shè)計(jì)要求上，應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的扭矩。主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標(biāo)準(zhǔn)化。

數(shù)控車床的主軸端部結(jié)構(gòu)一般采用短圓錐法蘭盤(pán)式。短圓錐法蘭結(jié)構(gòu)有很高的定心精度，主軸的懸伸長(zhǎng)度短，大大提高了主軸的剛度。加工中心主軸如圖1-17所示。其他類型機(jī)床的主軸軸端結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1-2所示。圖1-17加工中心主軸

2)主軸部件的支承

機(jī)床主軸帶著刀具或夾具在支承中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能傳遞切削扭矩承受切削抗力，并保證必要的旋轉(zhuǎn)精度。

(1)主軸部件常用滾動(dòng)軸承的類型：包括錐孔雙列圓柱滾子軸承、雙列推力向心球軸承、雙列圓錐滾子軸承、帶凸肩的雙列圓錐滾子軸承等。

圖1-18(a)為錐孔雙列圓柱滾子軸承，內(nèi)圈為1∶12的錐孔，當(dāng)內(nèi)圈沿錐形軸作軸向移動(dòng)時(shí)，內(nèi)圈脹大，可以調(diào)整滾道間隙。特點(diǎn)：滾子數(shù)量多，兩列滾子交錯(cuò)排列，因此承載能力大，剛性好，允許轉(zhuǎn)速較高。但它對(duì)箱體孔、主軸頸的加工精度要求高，且只能承受徑向載荷。

圖1-18(b)為雙列推力向心球軸承，接觸角為60°。這種軸承的球徑小、數(shù)量多，允許轉(zhuǎn)速高，軸向剛度較高，能承受雙向載荷。該種軸承一般與雙列圓柱滾子軸承配套用作主軸的前支承。

圖1-18(c)為雙列圓錐滾子軸承。這種軸承的特點(diǎn)是內(nèi)、外列滾子數(shù)量相差一個(gè)，能使振動(dòng)頻率不一致，因此，可以改善軸承的動(dòng)態(tài)性能。該軸承可以同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷，通常用作主軸的前支承。

圖1-18(d)為帶凸肩的雙列圓錐滾子軸承。這種軸承的結(jié)構(gòu)和圖1-18(c)相似，特點(diǎn)是滾子做成空心，因此能進(jìn)行有效潤(rùn)滑和冷卻；此外，還能在承受沖擊載荷時(shí)產(chǎn)生微小變形，增加接觸面積，起到有效的吸振和緩沖作用。常見(jiàn)滾動(dòng)軸承的性能比較見(jiàn)表1-3。

圖1-18常用的主軸軸承

(2)滾動(dòng)軸承的精度。主軸部件所用滾動(dòng)軸承的精度有：高級(jí)E、精密級(jí)D、特精級(jí)C和超精級(jí)B。前軸承的精度一般比后支承的精度高一級(jí)，也可以用相同的精度等級(jí)。普通精度的機(jī)床通常前支承取C、D級(jí)，后支承用D、E級(jí)。特高精度的機(jī)床前后支承均用B級(jí)精度。

3)主軸滾動(dòng)軸承的配置

合理配置軸承，對(duì)提高主軸部件的精度和剛度、降低支承溫升、簡(jiǎn)化支承結(jié)構(gòu)有很大的作用。主軸的前后支承均應(yīng)有承受徑向載荷的軸承，承受軸向力的軸承的配置主要根據(jù)主軸部件的工作精度、剛度、溫升和支承結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度等因素來(lái)決定。

一般中、小型數(shù)控機(jī)床的主軸部件多數(shù)采用滾動(dòng)軸承作為主軸支承，目前主要有以下四種配置方式，如圖1-19所示。圖1-19數(shù)控機(jī)床主軸軸承配置方式

(1)前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60°角接觸雙列推力向心球軸承組合，如圖1-19(a)所示。

(2)如圖1-19(b)所示，前軸承采用成組推力角接觸球軸承，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用雙列圓柱滾子軸承。

(3)前支承采用高精度雙列推力向心球軸承，如圖1-19(c)所示。

(4)前、后軸承采用雙列和單列圓錐滾子軸承，如圖1-19(d)所示。

4)主軸滾動(dòng)軸承的預(yù)緊

為了提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度，增加軸承裝置的剛性，減少機(jī)床工作時(shí)軸的振動(dòng)，常采用預(yù)緊的滾動(dòng)軸承。主軸軸承的內(nèi)部間隙必須能夠調(diào)整，多數(shù)軸承還應(yīng)在過(guò)盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動(dòng)體與滾道之間有一定的預(yù)變形，這就是軸承的預(yù)緊

軸承預(yù)緊后，內(nèi)部無(wú)間隙，滾動(dòng)體從各個(gè)方向支承主軸，有利于提高運(yùn)動(dòng)精度。滾動(dòng)體的直徑不可能絕對(duì)相等，滾道也不可能絕對(duì)正圓，因而預(yù)緊前只有部分滾動(dòng)體與滾道接觸。預(yù)緊后，滾動(dòng)體和滾道都有了一定的變形，參加工作的滾動(dòng)體將更多，各滾動(dòng)體的受力將更為均勻，這些都有利于提高軸承的精度、剛度和壽命。如主軸產(chǎn)生振動(dòng)，則由于各個(gè)方面都有滾動(dòng)體支承，可以提高抗振性，但是，預(yù)緊后發(fā)熱較多，溫升較高，且太大的預(yù)緊將使壽命下降，故預(yù)緊要適量。

(1)雙列圓柱滾子軸承的預(yù)緊。這種軸承是靠?jī)?nèi)孔的錐面，使內(nèi)圈徑向脹大實(shí)現(xiàn)預(yù)緊的，故稱徑向預(yù)緊。衡量預(yù)緊量大小的是滾子包絡(luò)圓直徑D2(見(jiàn)圖1-20(a))與外圈滾道直徑D1之差Δ=D2－D1。將Δ稱為徑向預(yù)緊量或簡(jiǎn)稱預(yù)緊量，單位為μm。裝配時(shí)，把外圈裝入殼體孔內(nèi)，測(cè)出D1。先不裝隔套(見(jiàn)圖1-20(b))，把內(nèi)圈裝上主軸，擰動(dòng)螺母，用專門(mén)的包絡(luò)圓測(cè)量?jī)x測(cè)量滾動(dòng)體的包絡(luò)圓直徑，直到使它比D1大Δ，測(cè)出距離τ，按τ值研磨隔套的厚度。裝上隔套，擰緊螺母，便可得到預(yù)定的預(yù)緊量。

(2)角接觸軸承的預(yù)緊。這種軸承是在軸向力Fa0的作用下，使內(nèi)、外圈產(chǎn)生軸向錯(cuò)位以實(shí)現(xiàn)預(yù)緊(見(jiàn)圖1-20(c))。衡量預(yù)緊大小的是軸向預(yù)緊力Fa0，簡(jiǎn)稱預(yù)緊力，單位為N。多聯(lián)角接觸球軸承是根據(jù)預(yù)緊力組配的。軸承廠規(guī)定了輕預(yù)緊、中預(yù)緊、重預(yù)緊幾級(jí)預(yù)緊。訂貨時(shí)可指定預(yù)緊級(jí)別。軸承廠在內(nèi)圈(背靠背組配，見(jiàn)圖1-20(d))或外圈(面對(duì)面組配，見(jiàn)圖1-20(e))的端面根據(jù)預(yù)緊力磨去δ。裝配時(shí)通過(guò)擠緊便可得到預(yù)定的預(yù)緊力，如果兩個(gè)軸承間需隔開(kāi)一定的距離，可在兩軸承之間加入厚度相同的內(nèi)、外隔套，在軸向載荷作用下，不受力側(cè)軸承的滾動(dòng)體與滾道不能脫離接觸。圖1-20軸承預(yù)緊

5)主軸的材料和熱處理

主軸材料的選擇主要根據(jù)剛度、載荷特點(diǎn)、耐磨性和熱處理變形大小等因素確定。主軸材料常采用的有45鋼、38CrMoAlA、GCr15、9Mn2V，需經(jīng)滲氮和感應(yīng)淬火。

2.立式加工中心主軸部件

如圖1-21所示為立式加工中心主軸箱的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。主軸為中空外圓柱零件，前端裝定向鍵，與刀柄配合部位采用7∶24的錐度。為了保證主軸部件剛度，前支承由三個(gè)C級(jí)向心推力角接觸球軸承4組成，前兩個(gè)大口朝上，承受切削力，提高主軸剛度，后一個(gè)大口朝下，后支承采用兩個(gè)D級(jí)向心推力角接觸球軸承6，小口相對(duì)，后支承僅承受徑向載荷，故外圈軸向不定位。軸承采用油脂潤(rùn)滑。

刀具自動(dòng)拉緊與松開(kāi)機(jī)構(gòu)及切屑清除裝置裝在主軸內(nèi)孔中，刀夾自動(dòng)拉與緊松開(kāi)機(jī)構(gòu)由拉桿7和頭部的四個(gè)5/16英寸(1英寸＝25.4mm)鋼球3、蝶形彈簧8、活塞10和圓柱螺旋彈簧9組成。夾緊時(shí)，活塞10的上端無(wú)油壓，彈簧9使活塞10向上移到圖示位置。蝶形彈簧8使拉桿7上移至圖示位置，鋼球進(jìn)入刀桿尾部拉釘2的環(huán)形槽內(nèi)，將刀桿拉緊。當(dāng)需松開(kāi)刀柄時(shí)，液壓缸的上腔進(jìn)油，活塞10向下移動(dòng)壓縮彈簧9，并推動(dòng)拉桿7向下移動(dòng)。與此同時(shí)，蝶形彈簧8被壓縮。鋼球隨拉桿一起向下移動(dòng)。移至主軸孔徑較大處時(shí)，便松開(kāi)刀桿，刀具連同刀桿將一起被機(jī)械手拔出。圖1-21立式加工中心主軸箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該機(jī)床用鋼球拉緊刀柄，此拉緊方法的缺點(diǎn)是接觸應(yīng)力太大，易將主軸孔和刀柄壓出坑痕，改進(jìn)后的刀桿拉緊機(jī)構(gòu)采用彈力卡爪?？ㄗτ蓛砂杲M成，裝在拉桿1的下端，如圖1-22所示。夾緊刀具時(shí)，拉桿1帶動(dòng)彈力卡爪2上移，卡爪下端的外周是錐面B，與套3的錐孔相配合使爪收緊，從而卡緊刀柄。這種卡爪與刀柄的接合面A與拉力垂直，故拉緊力較大?？ㄗεc刀柄為面接觸，接觸應(yīng)力較小，不易壓潰。圖1-22改進(jìn)后的刀柄拉緊機(jī)構(gòu)1—拉桿；2—卡爪；3—套

活塞10對(duì)蝶形彈簧8的壓力如果作用在主軸上，并傳至主軸的支承，使主軸承受附加的載荷，這樣不利于主軸支承的工作。因此采用了卸荷結(jié)構(gòu)，使對(duì)蝶形彈簧8的壓力轉(zhuǎn)化為內(nèi)力，不致傳遞到主軸的支承上去。圖1-23為其卸荷結(jié)構(gòu)。圖1-23卸荷結(jié)構(gòu)1—螺母；2—箱體；3—連接座；4—彈簧；5—螺釘；6—油缸體；7—活塞桿；8—拉桿；9—套環(huán)；10—墊圈

3.主軸的準(zhǔn)停裝置

為了保證刀具在主軸中的準(zhǔn)確定位，提高機(jī)床的工作效率和自動(dòng)化程度，多數(shù)數(shù)控機(jī)床具有主軸準(zhǔn)停功能。所謂準(zhǔn)停，就是當(dāng)主軸停轉(zhuǎn)進(jìn)行刀具交換時(shí)，主軸需停在一個(gè)固定不變的方位上，因而保證主軸端面的鍵也在一個(gè)固定的方位，使刀柄上的鍵槽能恰好對(duì)正端面鍵。

目前準(zhǔn)停裝置很多，主要分電氣定向式和機(jī)械控制式兩種形式。

(1)電氣定向式主軸準(zhǔn)停裝置。現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床一般都采用電氣定向式主軸準(zhǔn)停裝置，這種準(zhǔn)停裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速、可靠，精度和剛度較高。在主軸上或與主軸有傳動(dòng)聯(lián)系的傳動(dòng)軸上安裝位置編碼器或磁性傳感器，配合直流或交流調(diào)速電機(jī)實(shí)現(xiàn)純電氣定向準(zhǔn)停。電氣定向式主軸準(zhǔn)停裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖1-24所示。圖1-24電氣定向式主軸準(zhǔn)停裝置結(jié)構(gòu)原理圖1—多楔帶輪；2—磁傳感器；3—永久磁鐵；4—墊片；5—主軸

(2)機(jī)械控制式主軸準(zhǔn)停裝置。機(jī)械控制式主軸準(zhǔn)停裝置采用機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)或光電盤(pán)方式進(jìn)行粗定位，然后由一個(gè)液動(dòng)或氣動(dòng)的定位銷插入主軸上的銷孔或銷槽實(shí)現(xiàn)精確定位，完成換刀后定位銷退出，主軸才開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。這種傳統(tǒng)方法定位比較可靠、精確，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在早期數(shù)控機(jī)床上使用較多。

四、進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

1.進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的要求

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，包括引導(dǎo)和支承執(zhí)行部件的導(dǎo)軌、絲杠螺母副、齒輪齒條副、蝸桿蝸輪副、齒輪或齒鏈副及其支承部件等。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)字控制的直接對(duì)象，不論點(diǎn)位控制還是輪廓控制，被加工工件的最終坐標(biāo)位置精度和輪廓精度都與其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的幾何精度、傳動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性密切相關(guān)。為此，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)充分注意減小摩擦阻力，提高傳動(dòng)精度和剛度，減小運(yùn)動(dòng)部件慣量等。

1)減小摩擦阻力

為了提高數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能和運(yùn)動(dòng)精度，必須減小運(yùn)動(dòng)件的摩擦阻力和動(dòng)、靜摩擦力之差。為滿足上述要求，在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，普遍采用滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和塑料導(dǎo)軌。在減小摩擦阻力的同時(shí)，還必須考慮傳動(dòng)部件要有適當(dāng)?shù)淖枘?，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2)提高傳動(dòng)精度和剛度

進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和剛度，從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面考慮，主要取決于傳動(dòng)間隙以及絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副(圓周進(jìn)給時(shí))及其支承結(jié)構(gòu)的精度和剛度。傳動(dòng)間隙主要來(lái)自傳動(dòng)齒輪副、蝸輪蝸桿副、絲杠螺母副及其支承部件之間，應(yīng)施加預(yù)緊力或采取消除間隙的措施?？s短傳動(dòng)鏈和在傳動(dòng)鏈中設(shè)置減速齒輪，也可提高傳動(dòng)精度。加大絲杠直徑，以及對(duì)絲杠螺母副、支承部件、絲杠本身施加預(yù)緊力，是提高傳動(dòng)剛度的有效措施。剛度不足還會(huì)導(dǎo)致工作臺(tái)(或拖板)產(chǎn)生爬行和振動(dòng)。

3)減小運(yùn)動(dòng)部件慣量

運(yùn)動(dòng)部件的慣量對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)和制動(dòng)特性都有影響，尤其是處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的零部件，其慣量的影響更大。因此，在滿足部件強(qiáng)度和剛度的前提下，盡可能減小運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，減小旋轉(zhuǎn)零件的直徑和質(zhì)量，以減小運(yùn)動(dòng)部件的慣量。

2.電動(dòng)機(jī)與絲杠間的連接

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)對(duì)位置精度、快速響應(yīng)性能、調(diào)速范圍等有較高的要求。實(shí)現(xiàn)進(jìn)給傳動(dòng)的電動(dòng)機(jī)主要有三種：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)。目前，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，直流伺服電動(dòng)機(jī)在我國(guó)正廣泛使用，交流伺服電動(dòng)機(jī)作為比較理想的傳動(dòng)元件正逐步替代直流伺服電動(dòng)機(jī)。當(dāng)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)采用不同的傳動(dòng)元件時(shí)，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)有所不同。電動(dòng)機(jī)與絲杠間的連接主要有三種形式，如圖1-25所示。

1)齒輪傳動(dòng)方式

如圖1-25(a)所示，數(shù)控機(jī)床在進(jìn)給傳動(dòng)裝置中一般采用齒輪傳動(dòng)副來(lái)達(dá)到一定的降速比要求。進(jìn)給系統(tǒng)采用齒輪傳動(dòng)裝置，是為了使絲杠、工作臺(tái)的慣量在系統(tǒng)中占有較小的比重；同時(shí)可使高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的伺服驅(qū)動(dòng)裝置的輸出變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速大扭矩，從而適應(yīng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件的需要；另外，在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中還可計(jì)算所需的脈沖當(dāng)量。在設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)裝置時(shí)，除了要考慮滿足強(qiáng)度、精度之外，還應(yīng)考慮其速比分配及傳動(dòng)級(jí)數(shù)對(duì)傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和執(zhí)行件的傳動(dòng)的影響。

增加傳動(dòng)級(jí)數(shù)，可以減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，但級(jí)數(shù)增加，使傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低了傳動(dòng)效率，增大了噪聲，同時(shí)也加大了傳動(dòng)間隙和摩擦損失，對(duì)伺服系統(tǒng)不利。因此，不能單純根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)選取傳動(dòng)級(jí)數(shù)，要綜合考慮，選取最佳的傳動(dòng)級(jí)數(shù)和各級(jí)的速比。齒輪速比分配及傳動(dòng)級(jí)數(shù)對(duì)失動(dòng)的影響規(guī)律為：級(jí)數(shù)愈多，存在傳動(dòng)間隙的可能性愈大；若傳動(dòng)鏈中的齒輪速比按遞減原則分配，則傳動(dòng)鏈的起始端的間隙影響較小，末端的間隙影響大。

圖1-25電動(dòng)機(jī)與絲杠的連接形式

2)同步帶輪傳動(dòng)形式

如圖1-25(b)所示，這種連接形式的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。同步帶傳動(dòng)綜合了帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，可以避免齒輪傳動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)和噪聲，但只能適用于低扭矩特性要求的場(chǎng)合，安裝時(shí)對(duì)中心距要求嚴(yán)格，帶與帶輪的制造工藝復(fù)雜。

3)聯(lián)軸器傳動(dòng)形式

如圖1-25(c)所示，通常電動(dòng)機(jī)軸和絲杠之間采用錐環(huán)無(wú)鍵連接或高精度十字連軸器連接，從而使進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)具有較高的傳動(dòng)精度和傳動(dòng)剛度，并大大簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。在加工中心和精度較高的數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)中，普遍采用這種連接形式。

3.消除傳動(dòng)齒輪間隙的措施

齒輪在制造中不可能達(dá)到理想齒面要求，總存在著一定的誤差。一對(duì)嚙合齒輪必須有一定的齒側(cè)間隙才能正常工作，但齒側(cè)間隙會(huì)造成反向傳動(dòng)間隙。對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，齒側(cè)間隙會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由于有反饋?zhàn)饔?，滯后量雖可得到補(bǔ)償，但反向時(shí)會(huì)使伺服系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩而不穩(wěn)定。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中會(huì)造成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的位移值滯后于指令值；反向時(shí)，會(huì)出現(xiàn)反向死區(qū)，影響加工精度。

因此，數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的傳動(dòng)齒輪必須盡可能地消除相嚙合齒輪之間的傳動(dòng)間隙，否則在進(jìn)給系統(tǒng)的每次反向之后就會(huì)使運(yùn)動(dòng)滯后于指令信號(hào)，影響加工精度。在設(shè)計(jì)時(shí)必須采取相應(yīng)的措施，使間隙減小到允許的范圍內(nèi)，通常采取下列方法消除間隙。

1)剛性調(diào)整法

剛性調(diào)整法是調(diào)整后齒側(cè)間隙不能自動(dòng)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整法，因此，齒輪的周節(jié)公差及齒厚要嚴(yán)格控制，否則影響傳動(dòng)的靈活性。這種調(diào)整方法結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，具有較好的傳動(dòng)剛度。具體方法有偏心軸調(diào)整法、軸向墊片調(diào)整法。

(1)偏心軸調(diào)整法。如圖1-26所示，齒輪1裝在偏心軸套2上，調(diào)整偏心軸套2可以改變齒輪1和齒輪3之間的中心距，從而消除間隙。圖1-26偏心軸消隙結(jié)構(gòu)

(2)軸向墊片調(diào)整法。如圖1-27(a)所示，一對(duì)嚙合的圓柱齒輪，若它們的節(jié)圓直徑沿齒輪軸向制成一個(gè)較小的錐度，改變墊片3的厚度，就能改變齒輪2和齒輪1的軸向相對(duì)位置，從而消除齒側(cè)間隙。如圖1-27(b)所示，在兩個(gè)薄片斜齒輪5和6之間加一墊片3，改變墊片的厚度t，薄片斜齒輪5和6的螺旋線就會(huì)錯(cuò)位，這樣薄片斜齒輪5和6分別與寬斜齒輪4的齒槽左、右側(cè)面相互貼緊，從而消除了齒側(cè)間隙。圖1-27軸向墊片消隙結(jié)構(gòu)

2)柔性調(diào)整法

柔性調(diào)整法是調(diào)整后齒側(cè)間隙仍可自動(dòng)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整法。這種方法一般都采用調(diào)整壓力彈簧的壓力來(lái)消除齒側(cè)間隙，并在齒輪的齒厚和周節(jié)有變化的情況下，仍能保持無(wú)間隙嚙合。但這種調(diào)整方法的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，軸向尺寸大，傳動(dòng)剛度低，傳動(dòng)的平穩(wěn)性也較差。

(1)軸向壓簧調(diào)整法。如圖1-28所示，兩個(gè)薄片斜齒輪1和2用鍵4套在軸6上，用螺母5來(lái)調(diào)節(jié)壓力彈簧3的軸向壓力，使薄片斜齒輪1和2的左、右齒面分別與寬斜齒輪7的齒槽左、右齒面相互貼緊，從而消除齒側(cè)間隙。彈簧力需調(diào)整適當(dāng)，過(guò)松消除不了間隙，過(guò)緊則加速齒輪的磨損。圖1-28軸向壓簧消隙結(jié)構(gòu)

(2)周向彈簧調(diào)整法。如圖1-29所示，兩個(gè)齒數(shù)相同的薄片齒輪1和2與另一個(gè)寬齒輪相嚙合，齒輪1空套在齒輪2上可以相對(duì)回轉(zhuǎn)。每個(gè)齒輪端面分別均勻裝有四個(gè)螺紋凸耳3和8，齒輪1的端面還有四個(gè)通孔，凸耳8可以從中穿過(guò)，彈簧4分別鉤在調(diào)節(jié)螺釘7和凸耳3上。轉(zhuǎn)動(dòng)螺母5和6可以調(diào)整彈簧4的拉力，彈簧的拉力使薄片齒輪1和2相互錯(cuò)位，分別與寬齒輪齒槽的左、右齒面相互貼緊，消除齒側(cè)間隙。圖1-29周向彈簧消隙結(jié)構(gòu)

4.滾珠絲杠螺母副

數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)鏈中，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的方法很多，如滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副、靜壓蝸桿螺母條副和齒輪齒條副等。其中最常用的是滾珠絲杠螺母副，它是在絲杠和螺母之間以鋼球作為滾動(dòng)介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的一種傳動(dòng)元件，是數(shù)控設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)中的典型機(jī)構(gòu)之一。

1)工作原理與特點(diǎn)

滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1-30所示，絲杠1和螺母3上都加工有半圓弧形的螺旋槽，它們套裝在一起時(shí)便形成滾珠的螺旋滾道。滾道內(nèi)裝滿滾珠2，當(dāng)絲杠與螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿螺旋槽向前滾動(dòng)，在絲杠上滾過(guò)數(shù)圈后通過(guò)回程引導(dǎo)裝置4又逐個(gè)地滾回絲杠和螺母之間，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，因而迫使螺母(或絲杠)軸向移動(dòng)。圖1-30滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)原理圖

滾珠絲杠螺母副具有以下特點(diǎn)：

(1)摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，可達(dá)0.90～0.96；

(2)絲杠螺母之間預(yù)緊后，可以完全消除間隙，提高了傳動(dòng)剛度；

(3)摩擦阻力小，幾乎與運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，動(dòng)靜摩擦力之差極小，能保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象，且磨損小、壽命長(zhǎng)、精度保持性好；

(4)不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此絲杠立式使用時(shí)，應(yīng)增加制動(dòng)裝置。

2)滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式

常用的循環(huán)方式有兩種：滾珠在循環(huán)過(guò)程中有時(shí)與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。

(1)外循環(huán)：滾珠在循環(huán)過(guò)程中有時(shí)與絲杠脫離接觸。該方式按滾珠循環(huán)時(shí)的返回方式又分為插管式和螺旋槽式。圖1-31(a)為常用的插管式，它用彎管作為返回通道；圖1-31(b)為螺旋槽式，它是在螺母外圓上銑出一條螺旋槽，槽的兩端各鉆一通孔與螺紋滾道相切，形成返回通道。外循環(huán)式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、承載能力高，但徑向尺寸大，目前使用較廣泛，也可用于重載傳動(dòng)系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是滾道接縫處很難做得平滑，從而影響滾珠滾動(dòng)的平穩(wěn)性。圖1-31外循環(huán)方式原理圖

(2)內(nèi)循環(huán)：滾珠在循環(huán)過(guò)程中始終與絲杠保持接觸。內(nèi)循環(huán)式結(jié)構(gòu)均采用反向器實(shí)現(xiàn)滾珠循環(huán)。如圖1-32所示，內(nèi)循環(huán)靠螺母上安裝的反向器接通相鄰滾道。反向器上銑有S形反向槽，將相鄰兩螺紋滾道連接起來(lái)，滾珠從螺紋滾道進(jìn)入反向器，借助反向器迫使?jié)L珠越過(guò)絲杠頂牙進(jìn)入相鄰滾道，實(shí)現(xiàn)循環(huán)。圖1-32內(nèi)循環(huán)方式原理圖

3)滾珠絲杠螺母副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方法

滾珠絲杠螺母副的軸向間隙通常是指絲杠和螺母在無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最大軸向竄動(dòng)，它除了結(jié)構(gòu)本身的原有間隙之外，還包括施加軸向載荷后的彈性變形所引起的相對(duì)位移。滾珠絲杠螺母副的軸向間隙將直接影響其傳動(dòng)精度和傳動(dòng)剛度，尤其是反向傳動(dòng)精度，因此，必須對(duì)軸向間隙提出嚴(yán)格的要求。

滾珠絲杠螺母副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊，通常采用雙螺母預(yù)緊方式，使兩個(gè)螺母之間產(chǎn)生軸向位移，以達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。雙螺母預(yù)緊方式的結(jié)構(gòu)形式有以下三種。

(1)雙螺母墊片調(diào)隙式。通過(guò)改變調(diào)整墊片的厚度使左、右兩個(gè)螺母產(chǎn)生軸向位移，即可消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力。如圖1-33所示，這種調(diào)整方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、剛性好、拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但調(diào)整較費(fèi)時(shí)，且不能在工作中隨意調(diào)整。滾道有磨損時(shí)不能隨時(shí)消除間隙和進(jìn)行預(yù)緊，僅適應(yīng)于一般精度的數(shù)控機(jī)床。圖1-33雙螺母墊片調(diào)隙式結(jié)構(gòu)

(2)雙螺母齒差調(diào)隙式。如圖1-34所示，在兩個(gè)螺母的凸緣上各制有圓柱外齒輪，且齒數(shù)差為z2-z1=1，內(nèi)齒輪的齒數(shù)分別與相嚙合的外齒輪的齒數(shù)相同，通過(guò)螺釘和銷固定在套筒的兩端。調(diào)整時(shí)先將兩個(gè)內(nèi)齒圈取下，根據(jù)間隙大小使螺母5和2分別在相同方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)或幾個(gè)齒，通過(guò)調(diào)整兩個(gè)螺母之間的距離達(dá)到調(diào)整軸向間隙的目的。齒差調(diào)隙式的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但調(diào)整方便、可靠，并可以預(yù)先計(jì)算出精確的調(diào)整量，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，多用于高精度的傳動(dòng)。圖1-34雙螺母齒差調(diào)隙式結(jié)構(gòu)

(3)雙螺母螺紋調(diào)隙式。如圖1-35所示，左螺母外端有凸緣，右螺母外端沒(méi)有凸緣而制有螺紋，并用兩個(gè)圓螺母固定，使用平鍵限制螺母在螺母座內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，擰動(dòng)內(nèi)側(cè)圓螺母可將左螺母沿軸向移動(dòng)一定距離，即可消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力。在消除間隙后再用外側(cè)圓螺母將其鎖緊。這種調(diào)整方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，但調(diào)整精度較差。圖1-35雙螺母螺紋調(diào)隙式結(jié)構(gòu)

4)滾珠絲杠螺母副的選用

根據(jù)JB3162.2－82標(biāo)準(zhǔn)，滾珠絲杠螺母副的精度分成C、D、E、F、G、H六個(gè)等級(jí)，最高精度為C級(jí)，最低精度為H級(jí)；而JB3162.2－91標(biāo)準(zhǔn)將滾珠絲杠螺母副的精度分成1、2、3、4、5、7、10七個(gè)等級(jí)，最高精度為1級(jí)，最低精度為10級(jí)。

在設(shè)計(jì)和選用滾珠絲杠螺母副時(shí)，首先要確定螺距t、名義直徑D0、滾珠直徑d等主要參數(shù)。在確定后兩個(gè)參數(shù)時(shí)，采用與驗(yàn)算滾珠軸承相似的方法，即規(guī)定在最大軸向載荷Q作用下，滾珠絲杠能以33.3r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)500h(小時(shí))而不出現(xiàn)點(diǎn)蝕。

五、數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌

機(jī)床導(dǎo)軌是兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的結(jié)合面組成的滑動(dòng)副，是機(jī)床基本結(jié)構(gòu)的要素之一。機(jī)床上的運(yùn)動(dòng)部件都是沿著它的床身、立柱、橫梁等零件上的導(dǎo)軌而運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌的功用可概括為導(dǎo)向和支撐作用。因此，機(jī)床的加工精度和使用壽命很大程度上取決于機(jī)床導(dǎo)軌的質(zhì)量、機(jī)床高速進(jìn)給時(shí)不振動(dòng)、低速進(jìn)給時(shí)不爬行、有高的靈敏度、能在重載下長(zhǎng)期連續(xù)工作、有高的耐磨性、有良好的精度保持性，等等。

所以對(duì)數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌要求應(yīng)有：

(1)一定的導(dǎo)向精度；

(2)良好的精度保持性；

(3)足夠的剛度；

(4)良好的耐摩擦性；

(5)良好的低速平穩(wěn)性。

表1-4概括介紹了各種類型機(jī)床工作臺(tái)導(dǎo)軌的性能。

盡管導(dǎo)軌系統(tǒng)的形式是多種多樣的，但工作性質(zhì)都是相同的，機(jī)床工作部件在指定導(dǎo)軌系統(tǒng)上移動(dòng)，體現(xiàn)為如下三種基本功能：

(1)為承載體提供運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向。

(2)為承載體提供光滑的運(yùn)動(dòng)表面。

(3)把機(jī)床的切削所產(chǎn)生的力傳到地基或床身上，減少由此產(chǎn)生的沖擊對(duì)工件的影響。

1.滾動(dòng)導(dǎo)軌

滾動(dòng)導(dǎo)軌就是在導(dǎo)軌工作面之間安排滾動(dòng)體，使導(dǎo)軌面之間為滾動(dòng)摩擦。滾動(dòng)導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)小(一般在0.003左右)，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差小，不會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤(rùn)滑。數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌的行程一般較長(zhǎng)，因此滾動(dòng)體必須循環(huán)。滾動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)輕便靈活，所需功率小，摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持性好，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，移動(dòng)精度和定位精度都較高，且?guī)缀醪皇苓\(yùn)動(dòng)變化的影響；但滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，抗震性差。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床常采用的滾動(dòng)導(dǎo)軌有滾動(dòng)導(dǎo)軌塊和直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副兩種。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副一般用滾珠作滾動(dòng)體，滾動(dòng)導(dǎo)軌塊用滾子作滾動(dòng)體。

1)滾動(dòng)導(dǎo)軌塊

滾動(dòng)導(dǎo)軌塊又稱滾動(dòng)導(dǎo)軌支承塊，是一種滾動(dòng)體作循環(huán)運(yùn)動(dòng)的滾動(dòng)導(dǎo)軌，多用于中等負(fù)荷，其結(jié)構(gòu)形式如圖1-36所示。端蓋2與導(dǎo)向片4引導(dǎo)滾動(dòng)體(滾柱3)返回。使用時(shí)，滾動(dòng)導(dǎo)軌塊安裝在運(yùn)動(dòng)部件的導(dǎo)軌面上，每一導(dǎo)軌至少用兩塊，導(dǎo)軌塊的數(shù)目取決于導(dǎo)軌的長(zhǎng)度和負(fù)載的大小，與之相配的導(dǎo)軌多采用鑲鋼淬火導(dǎo)軌。當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)時(shí)，滾柱3在支承部件的導(dǎo)軌面與本體6之間滾動(dòng)，同時(shí)又繞本體6作循環(huán)滾動(dòng)，滾柱3與運(yùn)動(dòng)部件的導(dǎo)軌面不接觸。圖1-36滾動(dòng)導(dǎo)軌塊結(jié)構(gòu)示意圖

2)直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副

直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副又稱單元式直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，如圖1-37所示，是近幾年來(lái)新出現(xiàn)的一種滾動(dòng)導(dǎo)軌，其結(jié)構(gòu)形式如圖1-38所示。它由導(dǎo)軌、滑塊、滾珠、密封端蓋等組成。使用時(shí)，導(dǎo)軌固定在不運(yùn)動(dòng)部件上，滑塊固定在運(yùn)動(dòng)部件上。當(dāng)滑塊沿導(dǎo)軌體運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠在導(dǎo)軌體和滑塊之間的圓弧直槽內(nèi)滾動(dòng)，通過(guò)密封端蓋內(nèi)的滾道從工作負(fù)載區(qū)到非工作負(fù)載區(qū)，不斷循環(huán)，從而把導(dǎo)軌與滑塊之間的移動(dòng)變成滾珠的滾動(dòng)。圖1-37直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副圖1-38直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)示意圖

直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副一般由生產(chǎn)廠家組裝而成，其突出的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有間隙，與一般滾動(dòng)導(dǎo)軌副相比較，還有以下特點(diǎn)：

(1)具有自調(diào)整能力，安裝基面允許誤差大；

(2)制造精度高；

(3)可高速運(yùn)行，運(yùn)行速度可大于10m/s；

(4)能長(zhǎng)時(shí)間保持高精度；

(5)可預(yù)加負(fù)載以提高剛度。

直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副分四個(gè)精度等級(jí)，即2、3、4、5級(jí)，2級(jí)精度最高，依次遞減。

2.靜壓導(dǎo)軌

靜壓導(dǎo)軌是指在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌面之間通入具有一定壓力的潤(rùn)滑油以后，使動(dòng)導(dǎo)軌微微抬起，在導(dǎo)軌面間充滿潤(rùn)滑油所形成的油膜，保證導(dǎo)軌面間在液體摩擦狀態(tài)下工作。工作過(guò)程中，導(dǎo)軌面上油腔的油壓隨外加載荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)。靜壓導(dǎo)軌的滑動(dòng)面之間開(kāi)有油腔，將有一定壓力的油通過(guò)節(jié)流器輸入油腔，形成壓力油膜，浮起運(yùn)動(dòng)部件，使導(dǎo)軌工作表面處于純液體摩擦，不產(chǎn)生磨損，精度保持性好。根據(jù)承載的要求不同，靜壓導(dǎo)軌分為開(kāi)式和閉式兩種。開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌只能承受垂直方向的負(fù)載，承受顛覆力矩的能力差；閉式靜壓導(dǎo)軌則具有承受各方面載荷和顛覆力矩的能力。

靜壓導(dǎo)軌的導(dǎo)軌面之間處于純液體摩擦狀態(tài)，導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)小(一般為0.0005～0.001)，使驅(qū)動(dòng)功率大大降低，其運(yùn)動(dòng)不受速度和負(fù)載的限制，低速無(wú)爬行，承載能力大，剛度好；機(jī)械效率高，能長(zhǎng)期保持導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度。壓力油膜承載能力大，剛度好，有良好的吸振性，導(dǎo)軌運(yùn)行平穩(wěn)，低速下不易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。但靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并需要一個(gè)具有良好過(guò)濾效果的供油系統(tǒng)，制造成本也較高。此導(dǎo)軌多用于重型數(shù)控機(jī)床。

靜壓導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)由于其導(dǎo)軌的工作面完全處于純液體摩擦下，因而工作時(shí)摩擦系數(shù)極低；

(2)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)不受負(fù)載和速度的限制，且低速時(shí)移動(dòng)均勻，無(wú)爬行現(xiàn)象；

(3)由于液體具有吸振作用，因而導(dǎo)軌的抗振性好；

(4)承載能力大、剛性好；

(5)摩擦發(fā)熱小，導(dǎo)軌溫升小。

靜壓導(dǎo)軌的缺點(diǎn)為：液體靜壓導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多了一套液壓系統(tǒng)，成本高，油膜厚度難以保持恒定不變。

1)工作原理

由于承載的要求不同，靜壓導(dǎo)軌分為開(kāi)式和閉式兩種。其工作原理與靜壓軸承完全相同。開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌的工作原理如圖1-39所示。油經(jīng)液壓泵1吸入，用溢流閥2調(diào)節(jié)供油壓力，再經(jīng)濾油器3，通過(guò)節(jié)流器4降壓，(油腔壓力)進(jìn)入導(dǎo)軌的油腔，并通過(guò)導(dǎo)軌間隙向外流出，回到油箱。油腔壓力形成浮力將運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌5浮起，形成一定的導(dǎo)軌間隙h。當(dāng)載荷增大時(shí)，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌5下沉，與支撐導(dǎo)軌6的間隙減小，液阻增加，流量減小，從而油經(jīng)過(guò)節(jié)流器時(shí)的壓力損失減小，油腔壓力增大，直至與載荷W平衡時(shí)為止。圖1-39開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌的原理圖

開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌只能承受垂直方向的負(fù)載，承受顛覆力矩的能力差。閉式靜壓導(dǎo)軌能承受較大的顛覆力矩，導(dǎo)軌剛度也較高，其工作原理如圖1-40所示。當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件受到顛覆力矩M后，油腔p1、p6間隙減小，p3、p4的間隙增大，由于各相應(yīng)節(jié)流器的作用，使p1、p6升高，p3、p4降低，因此作用在運(yùn)動(dòng)部件上的力形成了一個(gè)與顛覆力矩方向相反的力矩，從而使運(yùn)動(dòng)部件保持平衡。在工作臺(tái)受到垂直載荷W時(shí)，油腔p1、p4間隙減小，油腔p3、p6間隙增大，使p1、p4升高，p3、p6降低，因此形成的力向上，以平衡載荷W。圖1-40閉式靜壓導(dǎo)軌的原理圖

2)結(jié)構(gòu)形式

靜壓導(dǎo)軌橫截面的幾何形狀一般采用V形與矩形兩種。V形便于導(dǎo)向和回油。矩形便于做成閉式靜壓導(dǎo)軌。油腔的結(jié)構(gòu)對(duì)靜壓導(dǎo)軌性能影響很大。

3)節(jié)流器的形式

靜壓導(dǎo)軌節(jié)流器分為固定節(jié)流器和可變節(jié)流器兩種。

3.塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌

滑動(dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、接觸剛度大的優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力大，磨損快，動(dòng)靜摩擦系數(shù)差別大，低速時(shí)易發(fā)生爬行現(xiàn)象。目前僅簡(jiǎn)易型數(shù)控機(jī)床使用這種類型的導(dǎo)軌。數(shù)控機(jī)床上常用帶耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動(dòng)導(dǎo)軌和新型塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌，這種塑料導(dǎo)軌具有摩擦性能良好及壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

塑料導(dǎo)軌的床身仍是金屬導(dǎo)軌，它只是在與床身導(dǎo)軌相配的滑動(dòng)導(dǎo)軌上粘貼上靜、動(dòng)摩擦系數(shù)基本相同且耐磨、吸振的塑料軟帶，或者在定、動(dòng)導(dǎo)軌之間采用注塑的方法制成塑料導(dǎo)軌。這種塑料導(dǎo)軌具有良好的摩擦特性、耐磨性和吸振性，因此在數(shù)控機(jī)床上被廣泛使用。常用的塑料導(dǎo)軌有聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶和環(huán)氧型耐磨樹(shù)脂導(dǎo)軌涂層兩類。

1)聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶

塑料軟帶是以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合燒結(jié)并做成軟帶狀，國(guó)內(nèi)已有牌號(hào)為T(mén)SF的導(dǎo)軌軟帶生產(chǎn)，以及配套用的DJ膠合劑。這種軟帶有以下特點(diǎn)：

(1)摩擦特性好。采用聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的摩擦副的摩擦系數(shù)小，靜、動(dòng)摩擦系數(shù)差別小。這種良好的摩擦特性能防止導(dǎo)軌低速爬行，使運(yùn)行平穩(wěn)和獲得高的定位精度。

(2)耐磨性好。聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶中含有青銅、二硫化鉬和石墨，本身具有自潤(rùn)滑作用，對(duì)潤(rùn)滑油的供油量要求不高。此外，塑料質(zhì)地較軟，即便嵌入金屬碎屑、灰塵等，也不致?lián)p傷金屬導(dǎo)軌面和軟帶本身，可延長(zhǎng)導(dǎo)軌副的使用壽命。

(3)減振性好。塑料的阻尼特性好，其減振消聲的性能對(duì)提高導(dǎo)軌副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有很大意義。

(4)工藝性好?？山档蛯?duì)粘貼塑料的金屬基體的硬度和表面質(zhì)量要求，而且塑料易于加工(銑、刨、磨、刮)，使導(dǎo)軌副接觸面獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量。

首先將導(dǎo)軌粘貼面加工至表面粗糙度Ra3.2μm～1.6μm，有時(shí)為了起定位作用，導(dǎo)軌粘貼面加工成0.5mm～1mm深的凹槽，如圖1-41所示，用汽油或金屬清洗或丙酮清洗導(dǎo)軌粘貼面后，用膠合劑黏合導(dǎo)軌軟帶，加壓初固化1h～2h后再合攏到配對(duì)的固定導(dǎo)軌或?qū)Ｓ脢A具上施以一定的壓力，并在室溫固化24h后，取下清除余膠即可開(kāi)油槽和進(jìn)行精加工，由于這類導(dǎo)軌軟帶采用了黏結(jié)方法，故習(xí)慣上稱為“貼塑導(dǎo)軌”。圖1-41軟帶導(dǎo)軌的粘貼

2)環(huán)氧型耐磨樹(shù)脂導(dǎo)軌涂層

導(dǎo)軌注塑的材料是以環(huán)氧樹(shù)脂和二硫化鉬為基體，加入增塑劑，混合成以膏狀和固化劑組分的雙組分塑料，國(guó)內(nèi)牌號(hào)為HNT。它有良好的可加工性，可經(jīng)車、銑、刨、鉆、磨削和刮削加工；也有良好的摩擦特性和耐磨性，而且抗壓強(qiáng)度比聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶要高，固化時(shí)體積不收縮，尺寸穩(wěn)定。特別是可在調(diào)整好固定導(dǎo)軌和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌間的相關(guān)位置精度后注入涂料，這樣可節(jié)省許多加工工時(shí)，故它特別適用于重型機(jī)床和不能用導(dǎo)軌軟帶的復(fù)雜配合型面。

耐磨導(dǎo)軌涂層的使用工