數(shù)控機床 第2版 課件全套 任立軍 學習項目1-8 數(shù)控機床的初始認知-機床的數(shù)控化改造

數(shù)控機床精品課件學習項目一數(shù)控機床的初始認知

任務一數(shù)控機床簡介任務二數(shù)控機床的分類與應用范圍任務三數(shù)控機床坐標系的確定項目分解任務四數(shù)控機床主要性能指標任務三數(shù)控機床的發(fā)展任務一數(shù)控機床簡介

任務目標

任務內容通過學習，掌握數(shù)控機床的組成和基本工作原理，理解數(shù)控加工的特點與應用范圍，了解數(shù)控機床的產生、發(fā)展及我國數(shù)控機床的現(xiàn)狀。主要介紹數(shù)控機床的產生、發(fā)展及我國數(shù)控機床的現(xiàn)狀，數(shù)控加工的特點與應用范圍，數(shù)控機床的組成和基本工作原理。1．數(shù)控機床的產生與發(fā)展歷程一、數(shù)控機床的產生、發(fā)展歷程及在國民經濟中的地位和作用

隨著科學技術的飛速發(fā)展和經濟競爭的日趨激烈，產品更新速度越來越快，復雜形狀的零件越來越多，精度要求越來越高，多品種、中小批量生產的比重明顯增加。激烈的市場競爭使產品研制生產周期越來越短。傳統(tǒng)的加工設備和制造方法已難以適應這種多樣化、柔性化與復雜形狀零件的高效高質量加工要求。數(shù)控機床就是為了解決單件、小批量特別是復雜型面零件加工的自動化并保證質量要求而產生的，它為單件小批生產的精密復雜零件提供了自動化加工手段。數(shù)字控制是利用數(shù)字化信息對機械運動及加工過程進行控制的一種方法，簡稱數(shù)控（numericalcontrol,NC）。數(shù)控機床是指采用了數(shù)控技術進行控制的機床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床，也稱為NC機床。由于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)是通過計算機進行控制的，因此，將數(shù)控機床又稱為CNC機床。近幾十年來，世界各國十分重視發(fā)展數(shù)控加工技術，在加工設備中大量采用以微電子技術和計算機技術為基礎的數(shù)控技術。目前，數(shù)控技術正在發(fā)生根本性變革，它集成了微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。1．數(shù)控機床的產生與發(fā)展歷程一、數(shù)控機床的產生、發(fā)展歷程及在國民經濟中的地位和作用數(shù)控機床是在機械制造技術和控制技術的基礎上發(fā)展起來的，其發(fā)展過程大致如下：1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制直升飛機螺旋槳葉片輪廓檢驗用樣板的加工設備。由于樣板形狀復雜多樣，精度要求高，一般加工設備難以適應，于是提出采用數(shù)字脈沖控制機床的設想。1949年，該公司與美國麻省理工學院(MIT)開始共同研究，并于1952年試制成功第一臺三坐標數(shù)控銑床，當時的數(shù)控裝置采用電子管元件。1959年，數(shù)控裝置采用了晶體管元件和印刷電路板，出現(xiàn)帶自動換刀裝置的數(shù)控機床，稱為加工中心(MachiningCenter)，使數(shù)控裝置進入了第二代。1965年，出現(xiàn)了第三代數(shù)控機床，采用集成電路數(shù)控裝置，不僅體積小，功率消耗少，而且可靠性提高，價格進一步下降，促進了數(shù)控機床品種和產量的發(fā)展。60年代末，先后出現(xiàn)了由一臺計算機直接控制多臺機床的群控系統(tǒng)(簡稱DNC)；采用小型計算機控制的計算機數(shù)控系統(tǒng)(簡稱CNC)，使數(shù)控裝置進入了以小型計算機化為特征的第四代。1974年，研制成功使用微處理器和半導體存貯器的微型計算機數(shù)控裝置(簡稱MNC)，這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。20世紀80年代初，隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，出現(xiàn)了能進行人機對話式自動編制程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數(shù)控機床的自動化程度進一步提高，具有自動監(jiān)控刀具破損和自動檢測工件等功能。20世紀90年代后期，出現(xiàn)了PC+CNC智能數(shù)控系統(tǒng)，即以PC機為控制系統(tǒng)的硬件部分，在PC機上安裝NC軟件系統(tǒng)，此種方式系統(tǒng)維護方便，易于實現(xiàn)網(wǎng)絡化制造。2．數(shù)控機床的特點與應用范圍

一、數(shù)控機床的產生、發(fā)展歷程及在國民經濟中的地位和作用數(shù)控機床對零件的加工過程，是嚴格按照加工程序所規(guī)定的參數(shù)及動作執(zhí)行的，是一種高效能機床。與普通機床相比，具有以下明顯特點：1）適合于復雜異形零件的加工。2）加工精度高，質量穩(wěn)定可靠。3）具備高柔性。在數(shù)控機床的基礎上，可以組成具有更高柔性的自動化制造系統(tǒng)。4）數(shù)控機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的切削用量，生產率高。5）機床自動化程度高，操作人員勞動強度大大降低，工作環(huán)境較好。6）有利于管理現(xiàn)代化。7）投資大，使用費用高。8）生產準備工作復雜。9）維修困難。2．數(shù)控機床的特點與應用范圍一、數(shù)控機床的產生、發(fā)展歷程及在國民經濟中的地位和作用由于數(shù)控機床的上述特點，適用于數(shù)控加工的零件有：批量小而又多次重復生產的零件；幾何形狀復雜的零件；貴重零件加工；需要全部檢驗的零件；試制件。對以上零件采用數(shù)控加工，才能最大限度地發(fā)揮出數(shù)控加工的優(yōu)勢。隨著數(shù)控技術的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機床品種日益增多，有車床、銑床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、一次裝卡進行多工序加工的鏜銑加工中心、車削加工中心等。3．中國數(shù)控機床的發(fā)展一、數(shù)控機床的產生、發(fā)展歷程及在國民經濟中的地位和作用數(shù)控技術是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產的基礎，是提高制造業(yè)的產品質量和勞動生產率必不可少的重要手段，關系到國家戰(zhàn)略地位和綜合國力水平。目前世界機床生產基地加速向中國轉移，繼索迪克、馬扎克、大隈、日平之后，牧野、豐田工機等日本主流企業(yè)紛紛在華投資。德、意、韓、美企業(yè)也先后把生產轉移到中國。臺灣機床廠商也呈現(xiàn)整體性向大陸轉移的趨勢。3．中國數(shù)控機床的發(fā)展一、數(shù)控機床的產生、發(fā)展歷程及在國民經濟中的地位和作用近年來中國數(shù)控機床的產業(yè)化步伐正在以驚人的速度向前邁進。年產數(shù)控機床第一個一萬臺用了約30年，第二個一萬臺用了3年，第三個一萬臺不到2年。2002～2008年，數(shù)控機床產量年平均增長率高達33.22％，明顯快于普通金屬切削機床的增長速度。到2006年中國數(shù)控機床產量達到85000多臺。2009年中國機床產值以153億美元居世界第一，占全球機床總產值的27.6%。數(shù)控機床在金屬加工機床總量中的比重逐年上升，我國機床的數(shù)控化率逐年提高，2009年行業(yè)重點企業(yè)機床產值數(shù)控化率達到50％以上。同時，國內企業(yè)邁向國際化的步伐也顯著加快。圖1-1近年來中國數(shù)控機床產量（臺）3．中國數(shù)控機床的發(fā)展一、數(shù)控機床的產生、發(fā)展歷程及在國民經濟中的地位和作用與此同時，中國繼2008年后，繼續(xù)保持機床消費世界第一的地位。2009年我國消費機床197.86億美元，占當年世界機床產值的35.7%，即超過世界機床產值的三分之一。在我國機床消費總值中，進口總值仍居世界機床進口第一，占當年世界機床進口總值的28.8%。我國機床進口占全國機床消費的比例為30%，比2008年降了9個百分點。圖1-2近幾年中國機床產值（億美元）及世界排位3．中國數(shù)控機床的發(fā)展一、數(shù)控機床的產生、發(fā)展歷程及在國民經濟中的地位和作用總的來看，我國數(shù)控機床產業(yè)化提前實現(xiàn)，機床工業(yè)進入發(fā)展的新里程碑。國產數(shù)控機床品種達到1500余種，覆蓋超重型機床、高精度機床、特種加工機床、鍛壓設備、前沿高技術機床等領域，可與美、日、德、意并駕齊驅。我國機床工業(yè)與世界先進水平相比，差距仍然十分明顯，主要表現(xiàn)在:一是國產高檔數(shù)控機床在品種、水平和數(shù)量上遠遠滿足不了國內發(fā)展需求，高檔數(shù)控機床目前仍然大量進口。二是數(shù)控機床功能部件和數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展滯后，成為我國數(shù)控機床產業(yè)發(fā)展瓶頸。三是機床制造企業(yè)技術裝備水平不高，制造能力、綜合管理和服務能力等方面不能滿足市場要求圖1-3中國逐年進口數(shù)控機床總值（億美元）1．基本工作原理二、數(shù)控機床的組成和基本工作原理按照零件加工的技術與工藝要求，編寫零件的加工程序，然后將加工程序輸入到數(shù)控裝置，通過數(shù)控裝置控制機床的主軸運動、進給運動、刀具更換、工件的夾緊與松開、冷卻潤滑泵的開與關等動作，使刀具、工件和其它輔助裝置嚴格按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進行工作，從而加工出符合圖紙要求的零件。2．數(shù)控機床的組成二、數(shù)控機床的組成和基本工作原理數(shù)控機床由程序載體、人機交互裝置、數(shù)控裝置、伺服驅動系統(tǒng)、機床本體和輔助控制裝置等六部分組成。

圖1-4數(shù)控機床組成示意圖任務二數(shù)控機床的分類與應用范圍

任務目標

任務內容通過學習，掌握按照運動方式、伺服驅動控制方式等標準數(shù)控機床的分類方法，了解按照工藝用途，數(shù)控機床有哪些種類。主要介紹按照工藝用途、運動方式、伺服驅動控制方式等標準數(shù)控機床的分類1．金屬切削類數(shù)控機床一、按照工藝用途分類

金屬切削類數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜銑床、加工中心等，加工中心是帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控機床，如圖1-7所示。

數(shù)控機床由程序載體、人機交互裝置、數(shù)控裝置、伺服驅動系統(tǒng)、機床本體和輔助控制裝置等六部分組成。

a)b)c)圖1-7金屬切削類數(shù)控機床a)數(shù)控車床b）數(shù)控銑床c）加工中心2．金屬成形類數(shù)控機床一、按照工藝用途分類

金屬成形類數(shù)控機床指采用擠、沖、壓、拉等成形工藝方法加工零件的數(shù)控機床。金屬成形類數(shù)控機床有數(shù)控折彎機、數(shù)控彎管機和數(shù)控壓力機等，如圖1-8所示。a)b)c)圖1-8金屬成形類數(shù)控機床a)數(shù)控折彎機b)數(shù)控彎管機c)數(shù)控壓力機3．數(shù)控特種加工機床一、按照工藝用途分類

數(shù)控特種加工機床有數(shù)控電火花線切割機床、數(shù)控電火花加工機床、數(shù)控激光加工機床等。a)b)c)圖1-9數(shù)控特種加工機床a)數(shù)控電火花加工機床b)數(shù)控線切割機床c)數(shù)控激光加工機床4．測量、繪圖類機床一、按照工藝用途分類

主要有三坐標測量機、數(shù)控對刀儀、數(shù)控繪圖機等。圖1-10為三坐標測量機的外觀圖，它是利用測量技術、計算機測控技術和動態(tài)測量系統(tǒng)進行工件表面點的采集和數(shù)據(jù)處理。三坐標測量機主要用于機械、汽車、模具、航空等行業(yè)對齒輪、凸輪、蝸輪、蝸桿、機架、箱體、葉輪及其他零件上的曲線或曲面、孔系尺寸的測量。圖1-10三坐標測量機1．點位控制系統(tǒng)數(shù)控機床二、按照運動方式分類

點位控制系統(tǒng)是指數(shù)控系統(tǒng)只控制刀具或機床工作臺，從一點準確地移動到另一點，而點與點之間運動的軌跡不需要嚴格控制的系統(tǒng)。為了減少移動部件的運動與定位時間，一般先快速移動到終點附近位置，然后低速準確移動到終點定位位置，以保證良好的定位精度。移動過程中刀具不進行切削。使用這類控制系統(tǒng)的主要有數(shù)控坐標鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床等，圖1-11為點位控制數(shù)控鉆孔加工示意圖。圖1-11點位控制鉆孔加工2．點位直線控制系統(tǒng)數(shù)控機床二、按照運動方式分類

點位直線控制系統(tǒng)是指數(shù)控系統(tǒng)不僅控制刀具或工作臺從一個點準確地移動到下一個點，而且保證在兩點之間的運動軌跡是一條直線的控制系統(tǒng)。刀具在移動過程可以實施切削加工。應用這類控制系統(tǒng)的有數(shù)控車床、數(shù)控鉆床和數(shù)控銑床等，圖1-12為點位直線控制切削加工示意圖。圖1-12點位直線控制切削加工3．輪廓控制系統(tǒng)數(shù)控機床二、按照運動方式分類

輪廓控制系統(tǒng)也稱連續(xù)切削控制系統(tǒng)，是指數(shù)控系統(tǒng)能夠對兩個或兩個以上的坐標軸同時進行嚴格連續(xù)控制的系統(tǒng)。它不僅能控制移動部件從一個點準確地移動到另一個點，而且還能控制整個加工過程每一點的速度與位移量，將零件加工成一定的輪廓形狀。應用這類控制系統(tǒng)的有數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控齒輪加工機床和加工中心等，圖1-13為輪廓控制數(shù)控機床加工示意圖。圖1-13輪廓控制數(shù)控機床加工1．開環(huán)控制數(shù)控機床三、按照伺服驅動控制方式分類

按照數(shù)控伺服系統(tǒng)的形式，數(shù)控機床可分為開環(huán)控制數(shù)控機床、半閉環(huán)控制數(shù)控機床和閉環(huán)控制數(shù)控機床。開環(huán)控制系統(tǒng)的特征是系統(tǒng)中沒有檢測反饋裝置，指令信息單方向傳送，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來。受步進電動機的步距精度和工作頻率以及傳動機構的傳動精度影響，開環(huán)系統(tǒng)的速度和精度都較低。但由于開環(huán)控制結構簡單，調試方便，容易維修，成本較低，仍被廣泛應用于經濟型數(shù)控機床上。典型的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)如圖1-14所示。圖1-14開環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)2．半閉環(huán)控制數(shù)控機床三、按照伺服驅動控制方式分類

半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖1-15所示。半閉環(huán)控制數(shù)控機床不是直接檢測工作臺的位移量，而是采用轉角位移檢測元件，測出伺服電動機或絲杠的轉角，推算出工作臺的實際位移量，反饋到計算機中進行位置比較，用比較的差值進行控制。由于反饋環(huán)內沒有包含工作臺的運動量，故稱半閉環(huán)控制。半閉環(huán)控制精度較閉環(huán)控制差，但穩(wěn)定性好，成本較低，調試維修也較容易，兼顧了開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩者的特點，因此應用最為普遍。圖1-15半閉環(huán)控制數(shù)控機床3．閉環(huán)控制數(shù)控機床三、按照伺服驅動控制方式分類閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖1-16所示。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點是，利用安裝在工作臺上的檢測元件將工作臺實際位移量反饋到計算機中，與所要求的位置指令進行比較，用比較的差值進行控制，直到差值消除為止?？梢姡]環(huán)控制系統(tǒng)可以消除機械傳動部件的各種誤差和工件加工過程中產生的干擾的影響，從而使加工精度大大提高。速度檢測元件的作用是將伺服電動機的實際轉速變換成電信號送到速度控制電路中，進行反饋校正，保證電動機轉速保持恒定不變。常用速度檢測元件是測速電動機。圖1-16閉環(huán)控制數(shù)控機床任務三

數(shù)控機床坐標系的確定

任務目標

任務內容通過學習，掌握數(shù)控機床坐標系確定原則、各種數(shù)控機床坐標系統(tǒng)構成，了解機床坐標系與工件坐標系的概念及應用。主要介紹數(shù)控機床坐標系的確定原則、各種數(shù)控機床坐標系統(tǒng)的構成，機床坐標系與工件坐標系。一、數(shù)控機床坐標系的確定原則坐標軸及其運動方向命名原則如下：1）不管機床的具體結構是工件靜止、刀具運動，還是工件運動、刀具靜止，數(shù)控機床的坐標運動指的是刀具相對于工件的運動，即規(guī)定以工件為基準，假定工件不動，刀具相對工件運動的原則，編程時也是以刀具的運動軌跡來編程。2）機床運動部件運動正方向的規(guī)定：JB3051—82規(guī)定，增大工件與刀具之間距離的方向是機床運動的正方向。3）ISO對數(shù)控機床的坐標系統(tǒng)的規(guī)定如下：采用笛卡爾直角坐標系右手定則。圖1-17右手直角笛卡爾坐標系二、各種數(shù)控機床坐標系介紹1．Z軸坐標運動的定義平行于機床主軸的坐標軸為Z軸。正方向為從工作臺到刀具夾持的方向，即刀具遠離工作臺的運動方向。2．X軸坐標運動的定義對工件旋轉機床(車、磨)，X軸在工件徑向上，平行于橫滑座；刀具離開工件旋轉中心的方向為X軸正方向。對刀具旋轉機床(銑、鉆)立式機床：X軸為水平的、平行于工件裝夾面的坐標軸；從主軸向立柱看，水平向右為正方向。臥式機床：X軸為水平的、平行于工件裝夾平面的坐標軸；從主軸后端向前端看，水平向右為正方向。3．Y軸坐標運動的定義根據(jù)X和Z軸按笛卡兒坐標系右手法則確定Y軸方位和正方向。4．旋轉軸坐標運動的定義旋轉坐標軸A、B和C的正方向相應地在X、Y、Z坐標軸正方向上，按右手螺紋前進的方向來確定。二、各種數(shù)控機床坐標系介紹a)b)c)圖1-18常見數(shù)控機床的坐標系。a）數(shù)控車床b）立式數(shù)控銑床c）臥式數(shù)控銑床三、機床坐標系與工件坐標系數(shù)控機床在加工時顯示屏坐標系頁面上一般都有下列坐標系顯示：相對坐標系、剩余坐標系、工件（絕對）坐標系、機床坐標系，在應用中比較關鍵的是機床坐標系和工件坐標系。1．機床坐標系前面建立的數(shù)控機床標準坐標系為確立數(shù)控機床坐標系打下了基礎，其關鍵是確定數(shù)控機床坐標系的零點（原點）。數(shù)控機床設計有機床零點，即確定數(shù)控機床坐標系的坐標原點，也是其他坐標系和機床參考點的出發(fā)點。機床坐標系是由生產廠家事先確定的，可由機床用戶說明書查到。通常車床的機床零點在主軸法蘭盤接觸面的中心即主軸前端面的中心上。數(shù)控銑床和加工中心的機床零點因生產廠家而異，如有的數(shù)控銑床的機床零點在左前方。2．工件坐標系機床坐標系是機床進行設計和加工的基準，但是有時利用機床坐標系編制零件的加工程序并不方便。為了解決這一問題，數(shù)控機床引入了工件坐標系。工件坐標系是指編程或機床操作人員，依照零件設計基準，兼顧編程計算及對刀、測量方便而建立的用于描述零件圖樣上節(jié)點位置的坐標系統(tǒng)。任務四數(shù)控機床主要性能指標

任務目標

任務內容掌握常用數(shù)控機床精度指標的特定含義以及運動性能指標，了解影響數(shù)控機床加工精度的因素，數(shù)控機床的可控軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù)的內涵。主要介紹數(shù)控機床精度的含義及各種常用術語，影響數(shù)控機床加工精度的因素，數(shù)控機床的可控軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù)，數(shù)控機床的運動性能指標1．數(shù)控機床各項精度指標的涵義一、數(shù)控機床的精度（1）測量精度（2）控制系統(tǒng)定位精度（3）重復定位精度是指機床滑板位置的可重復性。（4）機床幾何精度（5）機床定位精度是指機床在規(guī)定的加工空間范圍內進行定位的精度，以可能出現(xiàn)的最大定位偏差表示。（6）機床定位穩(wěn)定性（亦稱機床定位再現(xiàn)性）（7）機床精度上述七項指標都是靜態(tài)的（即在運動停止后進行測定的），這對各種數(shù)控機床都適用。但對于輪廓控制的機床，還要考核輪廓跟隨精度，這是一項動態(tài)精度，反映在運動過程中。（8）輪廓跟隨精度是指實際運動軌跡接近于程序給定軌跡的程度。（9）機床加工精度（或稱加工精度）是指機床上加工的工件所達到的精度。它不僅取決于上述各種機床精度指標，而且還與夾具、刀具和工件本身的誤差有關。2．數(shù)控機床加工精度的影響因素一、數(shù)控機床的精度數(shù)控機床的加工精度不僅與數(shù)控機床本身的機床精度有關，還與夾具、刀具和工件本身的誤差有關。影響數(shù)控機床加工精度的外部因素是：周圍環(huán)境的溫度、設備的振動、空氣溫度與污染及操作者的干擾等。從加工工藝系統(tǒng)角度分析影響加工精度的因素，數(shù)控機床加工誤差主要由工件及夾具系統(tǒng)位置誤差、機床主機的空間位置誤差和刀具系統(tǒng)的位置誤差組成。必要時再結合環(huán)境條件（如環(huán)境溫度及其波動、機床安裝條件、地基變形和外界干擾振動）與機床運行情況（如機床的升溫運行時間、切削條件等）等因素分析影響數(shù)控機床加工精度的原因。決定零件加工精度的最主要因素是數(shù)控機床基本部件的精度和運動精度。因而在應用數(shù)控技術時，要求各控制坐標之間的相互協(xié)調盡可能完善。同時，為了使機床在空載條件下所確定的導軌面直線度和工作臺與主軸的垂直度等靜態(tài)精度在加載后仍然保持在規(guī)定的誤差范圍，也要求機床的結構在加上切削力后彈性變形盡可能小，即機床的剛度要足夠大。二、數(shù)控機床的可控軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù)由于數(shù)控機床是以數(shù)字的形式給出相應的脈沖指令控制運動部件進行加工，因此數(shù)控機床控制的軸數(shù)與普通機床中的主軸及傳動軸的概念截然不同。圖1-19為五軸控制的數(shù)控機床外觀圖。五軸控制的數(shù)控機床包含了三個移動坐標軸和兩個轉動坐標軸。數(shù)控機床完成的運動越多，控制軸數(shù)就越多，對應的功能就越強，同時機床結構的復雜程度與技術含量也就越高。a)b)圖1-19五軸控制數(shù)控機床a)立式五軸聯(lián)動數(shù)控銑床b)臥式五軸聯(lián)動數(shù)控銑床二、數(shù)控機床的可控軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù)數(shù)控機床實現(xiàn)了對多個坐標軸的控制，并不等于就可以加工出任何形狀的零件。將機床數(shù)控裝置控制各坐標軸協(xié)調動作的坐標軸數(shù)目稱為聯(lián)動軸數(shù)。目前有兩軸聯(lián)動、兩軸半聯(lián)動、三軸聯(lián)動、四軸聯(lián)動、五軸聯(lián)動等。通常兩軸聯(lián)動用于數(shù)控車床加工回轉曲面或數(shù)控銑床加工如圖1-20所示的曲面；兩軸半聯(lián)動是三個坐標軸中有兩個軸聯(lián)動，另外一個坐標軸只作周期性的進給，加工如圖1-21所示的三維空間曲面時，X、Z兩坐標軸聯(lián)動，Y軸控制每次進給量△Y；三軸聯(lián)動數(shù)控機床可以使用球頭銑刀加工如圖1-22所示的三維空間曲面。圖1-23為五軸聯(lián)動加工中心加工葉輪的實例圖，加工用刀具為球頭銑刀，得到葉輪輪廓需要X和Y軸進給、數(shù)控回轉工作臺做圓周進給及B軸的擺動。圖1-20兩軸聯(lián)動加工圖1-21兩軸半聯(lián)動加工圖1-22三軸聯(lián)動加工圖1-23五軸聯(lián)動加工三、數(shù)控機床的運動性能指標1．主軸轉速2．進給速度和加速度3．行程4．回轉軸的轉角范圍5．刀庫容量和換刀時間任務五

數(shù)控機床的發(fā)展

任務目標

任務內容了解數(shù)控機床發(fā)展趨勢，柔性制造與計算機集成制造技術的應用的基礎知識。

主要介紹近幾年數(shù)控機床發(fā)展趨勢和柔性制造與計算機集成制造技術的應用。

一、數(shù)控機床的發(fā)展趨勢由于數(shù)控機床綜合了電子計算機、自動控制、伺服驅動、精密測量和新型機械結構等許多方面的先進技術，使得數(shù)控機床的發(fā)展日新月異，數(shù)控機床的功能越來越強大，主要表現(xiàn)在：1．技術集成和技術復合趨勢明顯技術集成和技術復合是數(shù)控機床技術最活躍的發(fā)展趨勢之一。包括車銑復合、車-鏜-鉆-齒輪加工復合、車磨復合等。目前已由機加工復合發(fā)展到非機加工復合，進而發(fā)展到零件制造和管理信息及應用軟件的兼容。2．數(shù)字控制技術智能化智能化指工作過程智能化，利用計算機、信息、網(wǎng)絡等智能化技術有機結合，對數(shù)控機床加工過程實行智能監(jiān)控和人工智能自動編程等。3．機器人使柔性化組合效率更高機器人與加工中心、車銑復合機床、磨床、齒輪加工機床、電加工機床、沖壓機床、激光加工機床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產線已經開始應用。4．精密加工技術有了新進展數(shù)控機床的加工精度已從原來的絲級（0.01mm）提升到目前的微米級（0.001mm），有些品種已達到0.05μm左右。超精密數(shù)控機床的微細切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達到0.05μm左右，形狀精度可達0.01μm左右。采用光、電、化學等能源的特種加工精度可達到納米級（0.001μm）。5．功能部件性能不斷提高功能部件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發(fā)展，并取得成熟的應用。1．柔性制造單元（FMC）

二、柔性制造與計算機集成制造1967年英國的Molins公司研制了世界上第一個柔性制造系統(tǒng)（FMS）。在FMS誕生8年之后，出現(xiàn)了柔性制造單元（FMC）。柔性制造單元是一種根據(jù)一定的零件族由一臺或者數(shù)臺數(shù)控機床所組成的自動化生產集合。FMC可以看作是獨立的的最小規(guī)模的FMS。（1）FMC的組成FMC通常由1～2臺數(shù)控加工中心，工業(yè)機器人、工件交換系統(tǒng)（AMC），以及物料運輸存儲設備構成。它具有獨立的自動加工功能、部分具有工件自動傳送和監(jiān)控管理的功能。通常FMC有兩種組成形式：托盤交換式和工業(yè)機器人搬運式。圖1-24為托盤交換式FMC示意圖。圖1-24托盤交換式FMC1—環(huán)形交換工作臺2—托盤座3—工件托盤4—臥式鏜銑加工中心5—托盤交換裝置1．柔性制造單元（FMC）

二、柔性制造與計算機集成制造（2）FMC的特點FMC作為柔性制造單元，可以在整個系統(tǒng)中執(zhí)行自動化的加工過程，具備以下的特點：1）有比較完善的自動檢測功能。FMC的自動檢測系統(tǒng)可以自動檢測刀尖位置；可以將傳感器檢測到的工件數(shù)據(jù)與系統(tǒng)的檢驗信息進行比較，作出判斷，以修正加工信息；對于檢驗合格的工件，由工業(yè)機器人放入合格的臺架上，不合格品自動淘汰。2）有比較可靠的自動監(jiān)控功能。FMC的自動監(jiān)控系統(tǒng)可以對切削狀態(tài)進行監(jiān)視和控制，例如對工件安裝錯誤、刀具的壽命和破損、主軸的熱變形及過載等進行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)故障會立即停機。3）實現(xiàn)對工件的自動裝卸和計數(shù)管理。柔性制造單元中的數(shù)控加工中心，工業(yè)機器人和工件臺架能協(xié)調配合，實現(xiàn)工件的自動裝卸和計數(shù)管理。2．柔性制造系統(tǒng)（FMS）二、柔性制造與計算機集成制造柔性制造系統(tǒng)是由多臺單機組成、由計算機控制和管理的加工系統(tǒng)，它沒有固定的加工順序和節(jié)拍，在加工一定批量的某種工件后能在不停機的條件下，自動轉換為加工另一種工件。FMS是高柔性和高自動化程度的制造系統(tǒng)，它可以使勞動生產率大幅度提高，并大大降低勞動強度和改善勞動條件。（1）FMS的組成1）加工系統(tǒng)由兩臺以上的鏜銑加工中心、車削中心或FMC以及其他輔助加工設備所組成。2）物流系統(tǒng)包含工作流和刀具流兩部分，有倉庫、自動上下料裝置。

3）控制與管理系統(tǒng)包括過程控制、過程調度和過程監(jiān)控三個系統(tǒng)FMS還包含冷卻系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)、刀具監(jiān)控和管理等附屬系統(tǒng)。圖1-25FMS的組成框圖

2．柔性制造系統(tǒng)（FMS）二、柔性制造與計算機集成制造

（2）FMS的特點柔性制造系統(tǒng)是在成組技術、數(shù)控技術、計算機技術和自動檢測與控制技術迅速發(fā)展的基礎上產生的綜合技術產物。該制造系統(tǒng)通過計算機管理和控制實現(xiàn)生產過程的實時調度，最大限度地發(fā)揮設備潛力，減少工件搬運過程的等待時間，使多品種、中小批量生產的經濟效益接近大批量生產的水平。FMS的特點主要體現(xiàn)以下幾個方面：1）減少操作人員，提高勞動生產率。2）大大地縮短了生產周期。3）提高產品質量。4）提高了機床利用率。5）減少設備數(shù)量，降低生產成本。6）減少在制品數(shù)量和庫存數(shù)量。3．計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）二、柔性制造與計算機集成制造計算機集成制造系統(tǒng)是在自動化技術、信息技術和制造技術的基礎上，通過計算機及其軟件，將制造工廠生產活動所需的各種分散的自動化系統(tǒng)有機地集成起來，是適合于多品種、中小批量生產的總體高效益、高柔性的制造系統(tǒng)。CIMS的最基本內涵是用集成的觀點組織生產經營，即用全局的、系統(tǒng)的觀點處理企業(yè)的經營與生產。（1）CIMS的組成CIMS是以計算機為工具，以集成為主要特征的制造自動化系統(tǒng)。CIMS的組成如圖1-26所示，其中管理信息分系統(tǒng)、工程設計自動化分系統(tǒng)、制造自動化分系統(tǒng)和質量保證分系統(tǒng)是CIMS的四個應用分系統(tǒng)；計算機通信網(wǎng)絡分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)是CIMS的兩個信息支持分系統(tǒng)。圖1-26CIMS的組成框圖3．計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）二、柔性制造與計算機集成制造（2）CIMS的特點CIMS是一個復雜的制造自動化系統(tǒng)，它包含人員、經營和技術三要素。CIMS不同于企業(yè)的一般自動化系統(tǒng)，它從形式到內容、從廣度到深度、從工作模式到追求目標，表現(xiàn)出以下特點：1）CIMS是人、經營、技術三要素統(tǒng)一協(xié)調的系統(tǒng)。2）CIMS是以集成為基礎追求全局優(yōu)化的系統(tǒng)。3）CIMS是一個具有高度柔性的系統(tǒng)。4）CIMS是一個具有現(xiàn)代化生產模式的制造系統(tǒng)。（3）CIMS的發(fā)展CIMS隨著企業(yè)類型的不同或生產方式的不同等，具有不同的模式。CIMS是一個復雜的制造系統(tǒng)工程，必須在總體規(guī)劃的基礎上，根據(jù)企業(yè)的實際情況、具備的條件進行決策，分步實施，重點突破，確保系統(tǒng)的實用性和有效性。由于CIMS技術屬于多種學科和多種專業(yè)技術的高度綜合，因此技術復雜、難度極大，加之對人力資源的要求非常高，投資強度也遠遠大于其他規(guī)模經濟的制造模式，因而投資風險很大。從目前來著，各國的CIMS盡管發(fā)展較快，但成熟的、實用的系統(tǒng)仍屬于少數(shù)。訓練項目一數(shù)控機床的結構認知（參觀數(shù)控技術中心）綜合訓練訓練目的使學生建立對數(shù)控機床的基礎認識，掌握常用數(shù)控機床的種類，數(shù)控機床的一般組成和加工特點。硬件要求學院應具備相應的數(shù)控技術中心，機床種類齊全，有一定的生產任務。課堂設計以學生自主參觀為主，教師適時提問并引導學生去觀察。課時為2學時。訓練項目二數(shù)控機床的應用認知（參觀數(shù)控加工企業(yè)）綜合訓練訓練目的使學生對企業(yè)應用數(shù)控機床現(xiàn)狀有一個基本認識，了解安全規(guī)程和崗位要求。增強對本課程學習的興趣。硬件要求數(shù)控加工生產任務較多的校外實訓基地或其它生產企業(yè)，安全環(huán)境達標。課堂設計由學院兼職教師或企業(yè)工程技術人員引導參觀、講解，教師配合提問、引導。課時為2學時。數(shù)控機床精品課件學習項目二數(shù)控機床典型部件結構分析與調整任務一數(shù)控機床主軸系統(tǒng)結構分析與調整任務二進給傳動機構結構分析與調整任務三機床支承件結構分析項目分解任務四自動換刀裝置結構分析任務一數(shù)控機床主軸系統(tǒng)結構分析與調整

任務目標

任務內容通過學習，掌握主軸變速驅動的方式、主軸組件結構、主軸支承配置選擇和預緊調整及潤滑保養(yǎng)方法。理解數(shù)控機床對主軸系統(tǒng)的要求和主軸準停功能的實現(xiàn)途徑，了解電主軸的應用發(fā)展狀況。主要介紹數(shù)控機床對主軸系統(tǒng)的要求，變速傳動方式的實現(xiàn)，主軸組件結構、主軸的支承與潤滑、主軸準停功能的實現(xiàn)以及有關電主軸的應用發(fā)展。

普通機床主軸的變速，通常是利用齒輪變速箱來實現(xiàn)的。一般只需要控制主軸的起動和停止、正轉和反轉，而不需要其他的控制。隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的主軸系統(tǒng)已不能滿足數(shù)控加工的要求，如數(shù)控車床要求主軸驅動與伺服進給同步，加工出螺紋；加工中心要求主軸具有準停功能，實現(xiàn)自動換刀等。這就要求能夠對主軸系統(tǒng)進行復雜的控制。數(shù)控機床對主軸系統(tǒng)具有以下要求：1．具有更大的調速范圍并實現(xiàn)無級變速一般要求主軸具備1：（100～1000）的恒轉矩調速范圍和1：10的恒功率調速范圍。2．具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低3．良好的抗振性和熱穩(wěn)定性4．具有C軸控制、高精度準停及恒線速切削等現(xiàn)代數(shù)控機床功能一、數(shù)控機床主軸系統(tǒng)的要求

數(shù)控機床主軸系統(tǒng)傳動有三種配置方式，分別是分段無級變速、帶傳動變速以及電動機直接驅動方式。圖2-1為數(shù)控機床主軸系統(tǒng)傳動的三種配置方式。二、主軸系統(tǒng)的傳動方式a)b)c)圖2-1數(shù)控機床主軸系統(tǒng)傳動的配置方式a）分段無級變速傳動b）同步帶傳動變速c）調速電動機直接驅動數(shù)控機床在實際生產中，并不需要在整個變速范圍內均為恒功率。一般要求在中、高速段為恒功率傳動，在低速段為恒轉矩傳動。為了確保數(shù)控機床主軸低速時有較大的轉矩和主軸的變速范圍盡可能大，有的數(shù)控機床在交流或直流電動機無級變速的基礎上配以齒輪變速，即解決電動機驅動和主軸傳動功率的匹配問題，使之成為分段無級變速，如圖2-1a所示。在帶有齒輪變速的分段無級變速系統(tǒng)中，主軸的正、反向起動與停止、制動是由電動機實現(xiàn)的，主軸變速則由電動機無級變速與齒輪有限變速相配合來實現(xiàn)。這種配置適合于大中型機床，確保主軸低速時輸出大轉矩、高速時輸出恒功率特性的要求。二、主軸系統(tǒng)的傳動方式1．分段無級變速在帶有齒輪變速的主軸傳動系統(tǒng)中，液壓拔叉和電磁離合器是兩種常用的變速操縱方式。（1）液壓拔叉操縱方式圖2-2是一個三位的液壓拔叉的工作原理圖，它能夠帶動滑移齒輪實現(xiàn)變速。工作原理如下：①當液壓缸1通油、液壓缸5卸荷，滑移齒輪在最左側，如圖2-2a所示，②液壓缸5通油，液壓缸1卸荷，滑移齒輪在最右側，如圖2-2b所示；③當液壓缸1、5同時通油，套筒在最右側，活塞桿頂在套筒上，滑移齒輪在中間位置，如圖2-2c所示。這里活塞桿小頭面積最小，套筒面積最大，活塞桿大頭介于兩者之間。二、主軸系統(tǒng)的傳動方式1．分段無級變速圖2-2三位液壓拔叉工作原理圖1、5—液壓缸2—活塞桿3—撥叉4—套筒（2）電磁離合器操縱方式電磁離合器是靠磁力吸引，增加片間摩擦力，或使兩齒嚙合，來傳遞轉矩。繞組8與鐵心9是固定不動的，聯(lián)接件2及套筒3是輸入輸出端，即通電后，2與3聯(lián)在一起運動，斷電后，2、3各自獨立運轉、互不干涉。套筒3的內孔和外圓均有花鍵，與擋環(huán)6用螺釘11連成一體。套筒3套裝在外圓花鍵上，套裝著內摩擦片5，內摩擦片5的內孔也帶有花鍵孔。聯(lián)接件2的外周邊上有六條直槽與外摩擦片4上的六個外圓周上花鍵齒相配。通電時，銜鐵10被吸引向右移，把內外摩擦片壓在擋環(huán)上，內外摩擦片一起轉；斷電時，外摩擦片4上的彈性爪使銜鐵10迅速恢復到原來位置，內外摩擦片之間松開。二、主軸系統(tǒng)的傳動方式1．分段無級變速圖2-3無集電環(huán)摩擦片式電磁離合器1—傳動齒輪2—聯(lián)接件3—套筒4—外摩擦片5—內摩擦片6—擋環(huán)7—滾動軸承8—繞組9—鐵心10—銜鐵11—螺釘

主軸帶傳動變速主要是將電動機的旋轉運動通過帶傳動傳遞給主軸。這種傳動方式多見于數(shù)控車床和中、小型加工中心，它可避免齒輪傳動時引起的振動與噪聲，這種結構的配置形式如圖2-1b所示。數(shù)控機床主軸帶傳動變速常采用多楔帶和同步帶。多楔帶又稱復合V帶，橫向斷面呈多個楔形，楔角為40°，傳遞負載主要靠強力層。能夠滿足加工中心主主軸系統(tǒng)要求的轉速、大轉矩和不打滑的條件。多楔帶安裝時需要較大的張緊力，使得主軸和電動機承受較大的徑向負載，這是多楔帶的一大缺點。

二、主軸系統(tǒng)的傳動方式2．數(shù)控機床主軸帶傳動變速圖2-5多楔帶型號選擇圖

同步帶又稱為同步齒形帶，按齒形不同又可分為梯形齒同步帶和圓弧齒同步帶兩種。圖2-6是這兩種齒形帶的縱向斷面圖。其中梯形齒同步帶多用在轉速不高或小功率動力傳動中，而圓弧齒同步帶多用在數(shù)控加工中心等要求較高的數(shù)控機床主軸系統(tǒng)中。同步帶的最大優(yōu)點是不會打滑，且無需很大的張緊力，因此大大減輕了軸的靜態(tài)徑向拉力，傳動效率高達98％～99.5％左右。

二、主軸系統(tǒng)的傳動方式2．數(shù)控機床主軸帶傳動變速圖2-7同步齒形帶型號選擇圖數(shù)控機床一般采用直流或交流主軸伺服電動機直接驅動主軸實現(xiàn)主軸無級變速，如圖2-1c所示。二、主軸系統(tǒng)的傳動方式3．調速電動機直接驅動主軸傳動圖2-8內置電動機主軸1—后軸承2—定子3—轉子4—前軸承5—主軸

主軸組件是機床的一個關鍵部件，由主軸、主軸支撐、裝在主軸上的傳動件和密封件組成。機床加工時，主軸帶動工件或刀具直接參與表面成形運動，所以主軸的精度、剛度和熱變形對加工質量和生產效率等有著重要的影響。（1）回轉精度主軸回轉運動誤差可以被分解為三種獨立運動誤差分量，即主軸的純徑向跳動誤差、角度擺動誤差和軸向竄動誤差。主軸回轉精度的測量分為三種：靜態(tài)測量、動態(tài)測量和間接測量。目前我國在生產中沿用傳統(tǒng)的靜態(tài)測量法。（2）剛度主軸組件的剛度是指受外力作用時，主軸組件抵抗變形的能力。主軸部件的剛度值K為：K=F/Y。主軸部件的剛度與主軸結構尺寸、支撐跨距、所選用的軸承類型及配置形式、軸承間隙的調整、主軸上傳動元件的位置等有關。（3）抗振性（4）主軸溫升數(shù)控機床在解決溫升時，一般采用恒溫主軸箱。（5）耐磨性三、主軸組件1．對主軸組件的要求圖2-9主軸剛度受力圖

（1）只作旋轉運動的主軸組件如車床、銑床和磨床等的主軸組件（2）既有旋轉運動又有軸向進給運動的主軸組件如鉆床和鏜床等的主軸組件。其中主軸組件與軸承裝在套筒內。（3）既有旋轉運動又有軸向調整移動的主軸組件屬于這一類的主軸組件有滾齒機、部分立式銑床等的主軸組件。（4）既有旋轉運動又有徑向進給運動的主軸部件屬于這一類的有臥式鏜床的平旋盤主軸部件和組合機床的鏜孔車端面頭主軸部件。（5）主軸作旋轉運動又作行星運動的主軸部件新式內圓磨床砂輪主軸部件的工作原理如圖2-10所示。三、主軸組件2．主軸組件的類型圖2-10行星運動的主軸1—主軸2—支撐套3—箱體4—套筒5—傳動帶6—蝸桿主軸是主軸組件的重要組成部分。它的結構尺寸和形狀、制造精度、材料及其熱處理，對主軸組件的工作性能都有很大的影響。（1）主軸的主要尺寸參數(shù)主軸的主要尺寸參數(shù)包括：主軸直徑、內孔直徑、懸伸長度和支承跨距。評價和考慮主軸的主要尺寸參數(shù)的依據(jù)是主軸的剛度、結構工藝性和主軸組件的工藝使用范圍。1）主軸直徑的確定。2）內孔直徑的確定。3）懸伸長度的確定。

4）支承跨距的確定。（2）主軸端部的結構形狀主軸端部用于安裝刀具或夾持工件的夾具。主軸端部的結構形狀都已標準化，圖2-11為幾種主軸端部的結構形式。

（3）主軸的材料及熱處理主軸材料常采用45鋼、38CrMoAlA、GCr15、9Mn2V等，須經滲氮和感應淬火。（4）主軸主要精度指標三、主軸組件3．主軸三、主軸組件3．主軸圖2-11主軸端部的結構形式a)車床主軸端部b)銑、鏜類機床主軸端部c)外圓磨床砂輪主軸端部d)內圓磨床砂輪主軸端部e)普通鏜桿裝在鉆床主軸上的端部f)組合機床主軸端部圖2-12為JCS—018A加工中心主軸箱結構簡圖，主要由主軸部件、刀具自動夾緊機構、切屑清除裝置和主軸準停裝置四個功能部件構成。三、主軸組件4．JCS—018A加工中心主軸組件結構圖2-12JCS—018A加工中心主軸箱結構圖1—主軸2—拉釘3—鋼球4—前支承5—螺母6—后支承7—拉桿8—碟形彈簧9—彈簧10—活塞11—液壓缸

圖2-13a為錐孔雙列圓柱滾子軸承該軸承只能承受徑向載荷。圖2-13b是雙列角接觸球軸承，能承受雙向軸向載荷。磨薄中間隔套，可以調整間隙或預緊，允許轉速高。該軸承一般與雙列圓柱滾子軸承配套用作主軸的前支承。圖2-13c是雙列圓錐滾子軸承，同時承受徑向和軸向載荷，通常用作主軸的前支承。圖2-13d為帶凸肩的雙列空心圓柱滾子軸承，可用作主軸前支承。承受沖擊載荷時可產生微小變形，有吸振和緩沖作用。圖2-13e為帶有預緊彈簧的單列圓錐滾子軸承。圖2-13f為角接觸球軸承，這種類型的軸承既可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。將內、外圈相對軸向位移，可以調整間隙，實現(xiàn)預緊。它們多用于高速主軸。四、主軸支承（軸承）1．數(shù)控機床主軸部件常用軸承類型圖2-13主軸常用滾動軸承數(shù)控機床主軸常見的支承方式有三種，如圖2-15所示。1）前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60°角接觸雙列向心推力球軸承組合，后支承采用成對向心推力球軸承（見圖2-15a）。此配置可提高主軸的綜合剛度，可滿足強力切削的要求，普遍用于各類數(shù)控機床主軸。2）前支承采用一對高精度角接觸球軸承和一個角接觸球軸承的組合，后支承采用角接觸球軸承，（見圖2-15b）。角接觸球軸承有良好的高速性，主軸最高轉速可達4000r/min，但它的承載能力小，適于高速、輕載、高精密的數(shù)控機床主軸。3）前支承采用雙列圓錐滾子軸承，后支承采用單列圓錐滾子軸承（見圖2-15c）。這種軸承徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，尤其是可承受較強的動載荷。用于中等精度、低速、重載的數(shù)控機床主軸。四、主軸支承（軸承）2．主軸常見支承方式圖2-15數(shù)控機床主軸常見支承方式四、主軸支承（軸承）3．主軸支承的典型結構圖2-16為數(shù)控車床主軸支承圖，前支承采用雙列短圓柱滾子軸承承受徑向載荷和60°雙列角接觸球軸承承受軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，適用于中等轉速，能承受較大的切削負載，主軸剛性高。

四、主軸支承（軸承）3．主軸支承的典型結構圖2-17為臥式銑床主軸支承，軸的徑向剛度好，并有較高的轉速。

四、主軸支承（軸承）3．主軸支承的典型結構圖2-18臥式鏜銑床的主軸支承1—齒輪2—主軸3—銑主軸4—雙鍵5、6—主軸套7—前軸承四、主軸支承（軸承）4．滾動軸承的間隙與預緊主軸部件使用一段時間，軸承因磨損間隙將增大，就要重新調整間隙。因此，主軸部件必須具備軸承間隙的調整機構。圖2-19所示為隔套調整方法。采用兩個套調整，通過兩個套的寬度差，調整軸承的間隙?；蛟谳S承外圈設隔套，裝配時用螺母壓緊內圈獲得所需預緊力。這種調整方法不用拆卸軸承，預緊力大小則由工人經驗確定。

圖2-19隔套調整方法圖2-20錐孔雙列圓柱滾子軸承徑向間隙的調整1—圓環(huán)墊圈2—螺釘3—螺釘五、主軸準停功能1．機械準?？刂茩C床的切削轉矩是由主軸上的端面鍵來傳遞的，每次機械手自動裝取刀具時，必須保證刀柄上的鍵槽對準主軸的端面鍵，這就要求主軸停轉時具有準確定位的功能。為滿足主軸這一功能而設計的裝置稱為主軸準停裝置。主軸準停功能的實現(xiàn)，目前有兩種方式，即機械準?？刂坪碗姎鉁释？刂?。國內外中高檔數(shù)控系統(tǒng)均采用電氣準?？刂啤?/p>

圖2-21為典型的V形槽輪定位盤機械準停原理示意圖。帶有V形槽的定位盤與主軸端面保持一定的關系，以確定定位位置。上述準停功能通?？捎蓴?shù)控系統(tǒng)所配的可編程控制器完成。

圖2-21V形槽輪定位盤機械準停原理示意圖五、主軸準停功能2．電氣準停控制

電氣準?？刂朴址譃殡姶艂鞲衅髦鬏S準停控制、編碼器主軸準停控制和數(shù)控系統(tǒng)主軸準?？刂迫N。（1）電磁傳感器主軸準?？刂?/p>

（2)編碼器主軸準?？刂?/p>

圖2-23編碼器主軸準?？刂蒲b置圖2-22電磁傳感器主軸準停控制裝置五、主軸準停功能2．電氣準?？刂?/p>

（3）數(shù)控系統(tǒng)主軸準?？刂七@種準?？刂品绞绞怯蓴?shù)控系統(tǒng)完成的，采用這種控制方式時需注意以下問題：1）數(shù)控系統(tǒng)須具有主軸閉環(huán)控制功能。。2）當采用電動機軸端編碼器信號反饋給數(shù)控裝置時，主軸傳動鏈精度可能對主軸精度產生影響。數(shù)控系統(tǒng)控制主軸準停的原理與進給位置控制的原理非常相似，如圖2-24所示。圖2-24數(shù)控系統(tǒng)主軸準?？刂圃韴D

六、主軸部件的潤滑與密封1．主軸的密封在密封件中，被密封的介質往往是以穿漏、滲透或擴散的形式，越界泄漏到密封連接處的彼側。造成泄漏的基本原因是流體從密封面上的間隙中溢出，或是由于密封部件內外兩側密封介質的壓力差或濃度差，致使流體向壓力低或濃度低的一側流動。圖2-25為臥式加工中心主軸前支承的密封結構，采用的是雙層小間隙密封裝置。

要使間隙密封結構能在一定的壓力和溫度范圍內具有良好的密封防漏性能，必須保證法蘭盤4、5與主軸及軸承端面的配合間隙。

這種主軸前端密封結構也適合于臥式車床的主軸前端密封。在油脂潤滑狀態(tài)下使用該密封結構時，取消了法蘭盤泄油孔及回油斜孔，并且有關配合間隙適當放大，經正確加工及裝配后同樣可達到較為理想的密封效果。

圖2-25臥式加工中心主軸前支承的密封結構1—套筒2—軸承3—套筒4、5—法蘭盤6—主軸7—泄露孔8—回油斜孔9—泄油孔六、主軸部件的潤滑與密封2．主軸的潤滑為了保證主軸有良好的潤滑，減少摩擦發(fā)熱，同時又能把主軸組件的熱量帶走，通常采用循環(huán)式潤滑系統(tǒng)，用液壓泵強力供油潤滑，使用油溫控制器控制油箱油液溫度。高檔數(shù)控機床主軸軸承采用了高級油脂封存方式潤滑，每加一次油脂可使用7～10年，簡化了結構，降低了成本且維護保養(yǎng)簡單，但須防止?jié)櫥秃陀椭旌?，通常采用迷宮式密封方式。為了適應主軸高速化發(fā)展的需要，新的潤滑冷卻方式不斷涌現(xiàn)。（1）油氣潤滑方式這種潤滑方式近似于油霧潤滑方式，但油霧方式是連續(xù)供給油霧，而油氣潤滑則是定時定量地把油霧送進軸承空隙中，這樣既實現(xiàn)了油霧潤滑又避免了油霧太多而污染周圍空氣。（2）噴注潤滑方式噴注潤滑方式是用較大流量的恒溫油（每個軸承3～4L/min）噴注到主軸軸承，以達到潤滑、冷卻的目的。這里較大流量噴注的油必須靠排油泵強制排油，而不是自然回流。同時，還要采用專用的大容量高精度恒溫油箱，油溫變動控制在±0.5℃。

七、高速主軸與電主軸要發(fā)展和應用高速加工技術，首先必須有性能優(yōu)良的高速數(shù)控機床，而高速數(shù)控機床的工作性能，首先取決于高速主軸。隨著電氣傳動技術（變頻調速技術、電動機矢量控制技術等）的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機床主傳動的機械結構已得到極大的簡化，取消了帶傳動和齒輪傳動，機床主軸由內裝式電動機直接驅動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床主運動的“零傳動”。這種主軸電動機與機床主軸“合二為一”的傳動結構形式，使主軸組件從機床的傳動系統(tǒng)和整體結構中相對獨立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”。由于當前電主軸主要采用的是交流高頻電動機，故也稱為“高頻主軸”。電主軸是一種智能型功能部件，不但轉速高、功率大，還有一系列控制主軸溫升與振動等機床運行參數(shù)的功能，以確保其高速運轉的可靠性與安全。電主軸結構示意和系統(tǒng)的基本配置如圖2-26所示。圖2-26電主軸結構示意和系統(tǒng)基本配置七、高速主軸與電主軸圖2-28高速電主軸的典型結構圖2-27用于普通加工中心、銑床、鉆床作增速的電主軸任務二進給傳動機構結構分析與調整

任務目標

任務內容掌握齒輪變速傳動裝置間隙的調整方法，滾珠絲杠螺母副的結構、調整、支撐和應用特點，貼塑導軌和直線滾動導軌的應用特點，回轉工作臺和鼠牙盤式分度工作臺的結構和工作原理。理解數(shù)控機床對進給傳動機構的要求，了解聯(lián)軸器的選用知識，液壓導軌工作原理，定位銷式分度工作臺結構原理。

主要介紹數(shù)控機床對進給傳動機構的要求，齒輪變速傳動裝置間隙的調整，聯(lián)軸器的選用，滾珠絲杠螺母副結構、調整、支撐和應用特點，導軌種類與應用，回轉工作臺與分度工作臺的結構和工作原理等。

一、對數(shù)控機床進給傳動機構的要求數(shù)控機床進給傳動機構是將電動機的旋轉運動轉換為工作臺或刀架的運動，包括齒輪傳動副、絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副、軸及其支承部件等。為了保證數(shù)控機床進給系統(tǒng)的定位精度和動態(tài)性能，對其機械傳動裝置提出了高傳動剛度、高諧振、低摩擦、低慣量、無反向間隙等方面的要求。1．高傳動剛度進給傳動系統(tǒng)的高傳動剛度主要取決于絲杠螺母副（直線運動）或蝸輪蝸桿副（回轉運動）及其支承部件的剛度。2．高諧振應使機械構件具有高的固有頻率和合適的阻尼。3．低摩擦目前在進給傳動系統(tǒng)中普遍采用滾珠絲杠螺母副。4．低慣量在滿足強度與剛度的前提下，應盡可能減小運動部件的重量以及各種傳動元件的尺寸，以提高傳動部件對指令的快速響應能力。5．無反向間隙對傳動鏈的各個環(huán)節(jié)，包括齒輪副、絲杠螺母副、聯(lián)軸器及其支承部件等均采用消除間隙的結構措施。二、變速傳動裝置1．圓柱齒輪傳動間隙的消除數(shù)控機床的機械進給裝置中常采用齒輪傳動副來達到一定的降速比和轉矩的要求。齒輪傳動副常采用各種消除側隙的措施，以減小齒輪側隙。（1）偏心軸套調整法如圖2-30所示（2）錐度齒輪調整法圖2-31以上兩種方法的特點是結構簡單，能傳遞較大轉矩，傳動剛度好，但齒側間隙調整好后不能自動補償，屬于剛性調整法。圖2-30偏心套調整結構圖2-31錐齒輪調整結構1—齒輪2—偏心套3—齒輪1、2—齒輪3—墊片二、變速傳動裝置1．圓柱齒輪傳動間隙的消除（3）雙片齒輪錯齒調整法圖2-32a是雙片齒輪周向可調彈簧錯齒消隙結構。圖2-32b是另一種雙片齒輪周向彈簧錯齒消隙結構.雙片齒輪錯齒法調整間隙，在齒輪傳動時，無論正向和反向旋轉分別只有一片齒輪承受轉矩，因此承載能力受到限制，并且彈簧的拉力要足以能克服最大轉矩，否則起不到消隙作用。這種結構裝配后齒側間隙能自動消除，始終保持無間隙嚙合，故稱為柔性調整法，適合于載荷不大的傳動裝置。

圖2-32雙片齒輪彈簧錯齒消隙結構a）可調彈簧式b）周向彈簧式1、2—薄齒輪3、8—凸耳或短柱4—彈簧5、6—螺母7—螺釘二、變速傳動裝置2．斜齒輪傳動間隙的消除斜齒輪傳動消除側隙的方法與直齒圓柱齒輪傳動中雙片薄齒輪消除間隙的思路相似，也是用兩個薄片齒輪和一個寬齒輪嚙合，只是通過不同的方法使兩個薄片齒輪沿軸向移動合適的距離后，相當于兩薄片斜齒圓柱齒輪的螺旋線錯開了一定的角度。兩個齒輪與寬齒輪嚙合時分別負責不同的方向（正向和反向），起到消除側隙的作用。（1）軸向墊片調整法圖2-33為斜齒輪墊片錯齒消隙結構圖。墊片厚度的增減量⊿t與齒側間隙△和螺旋角β之間的關系式為：⊿t＝△cosβ墊片的厚度一般由測試法確定，往往要經過幾次修磨。這種結構的齒輪承載能力較小，且不能自動補償間隙，屬剛性消除間隙的范疇。圖2-33斜齒輪軸向墊片調整結構1、2—薄片斜齒輪3—墊片4—寬齒輪二、變速傳動裝置2．斜齒輪傳動間隙的消除（2）軸向壓簧調整法圖2-34是斜齒輪軸向壓簧錯齒消隙結構。該結構消隙原理與軸向墊片調整法相似，所不同的是利用齒輪2右面的彈簧壓力使兩個薄片齒輪產生相對軸向位移，從而它們的左、右齒面分別與寬齒輪的左右齒面貼緊，以消除齒側間隙。圖2-34a采用的是壓簧，圖2-34b采用的是碟形彈簧。

圖2-34斜齒輪軸向壓簧消隙結構a）軸向壓簧法b）碟形彈簧法1、2—薄片斜齒輪3—彈簧4—寬齒輪5—螺母二、變速傳動裝置3．錐齒輪傳動消隙（1）周向壓簧調整如圖2-35所示，將大錐齒輪加工成1和2兩部分，齒輪的外圈1開有三個圓弧槽8，內圈2的端面帶有三個凸爪4，套裝在圓弧槽內。彈簧6的兩端分別頂在凸爪4和鑲塊7上，使內外齒圈1、2的錐齒錯位與小錐齒輪嚙合達到消除間隙的作用。螺釘5將內外齒圈相對固定是為了安裝方便，安裝完畢后即可卸去。圖2-35錐齒輪周向壓簧調整結構1—錐齒輪的外圈2—錐齒輪的內圈3—小錐齒輪4—凸爪5—螺釘6—彈簧7—鑲塊二、變速傳動裝置3．錐齒輪傳動消隙

（2）軸向壓簧調整如圖2-36所示，錐齒輪1、2相嚙合。在錐齒輪1的軸5上裝有壓簧3，用螺母4調整壓簧3的彈力。錐齒輪1在彈力作用下沿軸向移動，可消除錐齒輪1和2的間隙。

圖2-36錐齒輪軸向壓簧調整結構1、2—錐齒輪3—壓簧4—螺母5—軸二、變速傳動裝置4．齒輪齒條傳動消隙大型數(shù)控機床（如大型數(shù)控龍門銑床）工作臺行程長，其進給運動不宜采用滾珠絲杠螺母副傳動，一般用齒輪齒條傳動。當載荷小時，可用雙片薄齒輪錯齒調整法，分別與齒條齒槽左、右側貼緊，從而消除齒側間隙。當載荷大時，采用徑向加載法消除間隙。如圖2-37所示，兩個小齒輪1和6分別與齒條7嚙合，并用加載裝置4在齒輪3上預加負載，于是齒輪3使嚙合的大齒輪2和5向外伸開，與其同軸上的齒輪1、6也同時向外伸開，與齒條7上齒槽的左右兩側相應貼緊而無間隙。齒輪3由液壓馬達直接驅動。

圖2-37齒輪齒條傳動的消隙結構1、2、3、5、6—齒輪4—加載裝置7—齒條三、滾珠絲杠螺母副1．工作原理和特點滾珠絲杠螺母副由于在絲杠和螺母之間放入了滾珠，使絲杠與螺母間變?yōu)闈L動摩擦，因而大大地減小了摩擦阻力，提高了傳動效率。圖2-38為滾珠絲杠螺母副的結構示意圖。滾珠絲杠螺母副具有以下優(yōu)點：1）傳動效率高，摩擦損失小。2）運動平穩(wěn)無爬行。3）傳動精度高，反向時無空程。4）磨損小，精度保持性好，使用壽命長。5）具有運動的可逆性。滾珠絲杠螺母副的缺點是：1）結構復雜，制造成本高。2）不能自鎖，特別是垂直安裝的滾珠絲杠螺母副傳動，會因部件的自重而自動下降。必須增加制動裝置。圖2-38滾珠絲杠螺母副結構示意圖1—絲杠2—滾道3—螺母4—滾珠三、滾珠絲杠螺母副2．結構類型（1）外循環(huán)滾珠從循環(huán)過程末端通過螺母外表面上的螺旋槽或插管返回螺母循環(huán)首端重新進入循環(huán)。圖2-39為常見的外循環(huán)滾珠絲杠螺母副結構圖。在螺母外圓上裝有螺旋形的插管口，其兩端插入滾珠螺母工作始末兩端孔中，以引導滾珠通過插管，形成滾珠的多圈循環(huán)鏈。這種形式結構簡單，工藝性好，承載能力較高，但徑向尺寸較大。目前應用最為廣泛，也可用于重載傳動系統(tǒng)。圖2-39外循環(huán)滾珠絲杠螺母副結構三、滾珠絲杠螺母副2．結構類型（2）內循環(huán)靠螺母上安裝的反向器接通相鄰滾道，使?jié)L珠成單圈循環(huán)，如圖2-40所示。反向器2的數(shù)目與滾珠圈數(shù)相等。這種形式結構緊湊，剛度好，滾珠流通性好，摩擦損失小，但制造較困難，適用于高靈敏、高精度的進給系統(tǒng)，不宜用于重載傳動。圖2-40內循環(huán)滾珠絲杠螺母副結構1—絲杠2—反向器3—滾珠4—螺母三、滾珠絲杠螺母副3．滾珠絲杠螺母副間隙的調整消除間隙的方法常采用雙螺母結構，利用兩個螺母的相對軸向位移，使每個螺母中的滾珠分別接觸絲杠滾道的左右兩側。常用的預緊方式有以下三種：（1）雙螺母墊片式消隙如圖2-41所示，此種形式結構簡單可靠、剛度好，應用最為廣泛，在雙螺母間加墊片的形式可由專業(yè)生產廠根據(jù)用戶要求事先調整好預緊力，使用時裝卸非常方便。圖2-41雙螺母墊片調整法三、滾珠絲杠螺母副3．滾珠絲杠螺母副間隙的調整（2）雙螺母螺紋式消隙如圖2-42所示，利用一個螺母上的外螺紋，通過圓螺母調整兩個螺母的相對軸向位置實現(xiàn)預緊，調整好后用鎖緊螺母鎖緊，這種結構調整方便，且可在使用過程中隨時調整，但預緊力大小不能準確控制。圖2-42雙螺母螺紋式消隙結構1—圓螺母2—鎖緊螺母三、滾珠絲杠螺母副3．滾珠絲杠螺母副間隙的調整（3）齒差式消隙如圖2-43所示，在兩個螺母的凸緣上各制有圓柱外齒輪，分別與緊固在套筒兩端的內齒圈相嚙合，其齒數(shù)分別為Z1、Z2，并相差一個齒。調整時，先取下內齒圈，讓兩個螺母相對于套筒同方向都轉動一個齒，然后再插入內齒圈，則兩個螺母便產生相對角位移這種方法能精確地調整預緊量，調整方便、可靠，但結構尺寸較大，多用于高精度的傳動。圖2-43齒差式消隙三、滾珠絲杠螺母副3．滾珠絲杠螺母副間隙的調整（4）單螺母變位導程自預緊如圖2-44所示，將螺母的內螺紋滾道在中部的一圈上產生一個⊿L0導程突變量，從而使左右端的滾珠在裝配后產生軸向錯位實現(xiàn)預緊。預緊力的大小取決于⊿L0。此種結構簡單緊湊，運動平穩(wěn)，特別適用于小型絲杠螺母副。圖2-44單螺母變位導程自預緊消隙

三、滾珠絲杠螺母副4．滾珠絲杠螺母副的支承方式（1）一端裝推力軸承（固定-自由式）如圖2-45a所示，這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度低，僅適應于短絲杠。（2）一端裝推力軸承，另一端裝深溝球軸承（固定-支承式）圖b所示，滾珠絲杠較長時，一端裝推力軸承固定，另一端由深溝珠軸承支承。（3）兩端裝推力軸承（單推-單推式或雙推-單推式）如圖2-45c所示，這種方式是對絲杠進行預拉伸安裝。（4）兩端裝雙重推力軸承及深溝球軸承（固定-固定式）如圖2-45d所示，為提高剛度，絲杠兩端采用雙重支承.圖2-45滾珠絲杠螺母副的支承方式三、滾珠絲杠螺母副5．滾珠絲杠螺母副的制動裝置圖2-46為數(shù)控臥式鏜銑床主軸Z向進給絲杠的制動裝置示意圖。機床工作時電磁鐵線圈通電，吸住壓簧，使摩擦離合器打開。電動機經減速齒輪傳動，帶動滾珠絲杠螺母副使主軸箱沿Z向（垂直）移動。當電動機停止轉動時，電磁鐵線圈同時斷電，在彈簧作用下摩擦離合器壓緊，使得滾珠絲杠不能自由轉動，主軸箱就不會因自重而下降。圖2-46滾珠絲杠螺母副的制動裝置三、滾珠絲杠螺母副6．滾珠絲杠螺母副的密封與潤滑滾珠絲杠螺母副可用防塵密封圈和防護套密封，防止灰塵及雜質進入滾珠絲杠螺母副。密封圈有接觸式和非接觸式兩種，裝在滾珠螺母的兩端。非接觸式密封圈通常由聚氯乙烯等塑料制成，其內孔螺紋表面與絲杠螺紋之間略有間隙，又稱迷宮式密封圈。接觸式密封圈用具有彈性的耐油橡膠和尼龍等材料制成，雖然會產生接觸壓力和一定的摩擦力矩，但防塵效果較好。防護套可防止塵土及雜質進入滾珠絲杠，影響傳動精度。防護罩的形式有折疊式密封套、伸縮管套和伸縮擋板等，材料有耐油塑料、人造革等。潤滑使用潤滑劑，以提高耐磨性及傳動效率，從而保持傳動精度，延長使用壽命。常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂兩類。潤滑脂一般在安裝過程中放進滾珠螺母的滾道內，為定期潤滑。使用潤滑油時應注意要經常通過注油孔注油。四、進給裝置常用聯(lián)軸器1．錐環(huán)無鍵聯(lián)軸器該機構利用錐環(huán)之間的摩擦實現(xiàn)軸與轂之間的無間隙連接傳遞轉矩，且可任意調節(jié)兩連接件之間的角度位置。圖2-47為采用錐環(huán)（錐形夾緊環(huán)）無鍵消隙聯(lián)軸器.為了能補償同軸度及垂直度誤差引起的干涉現(xiàn)象，可采用圖2-48所示的撓性聯(lián)軸器.無鍵錐環(huán)聯(lián)軸器定心性好，承載能力強，傳遞功率大，轉速高，使用壽命長，具有過載保護能力，能在受振動和沖擊載荷等惡劣條件下連續(xù)工作，安裝、使用和維護方便。

圖2-48撓性聯(lián)軸器1—壓圈2—聯(lián)軸套3—墊圈4—柔性片5—撓性件6—彈性件圖2-47錐環(huán)無鍵消隙聯(lián)軸器1—軸套2—彈簧環(huán)3—壓圈4—從動軸5—螺釘四、進給裝置常用聯(lián)軸器2．套筒式聯(lián)軸器圖2-49為套筒式聯(lián)軸器的幾種結構型式。其結構簡單，徑向尺寸小，但拆裝困難（要求兩中心軸線嚴格對準，不允許存在徑向及角度偏差），使用受到一定限制。其中圖2-49a結構雖簡單實用，但不太可靠。圖2-49b結構簡單，加工和安裝容易，但消除周向間隙不可靠，且易松動。圖2-49c是用十字滑塊聯(lián)軸器相連，滑塊的槽口配研，這種結構無法保證完全消除傳動間隙。a）b）c）圖2-49套筒式聯(lián)軸器五、導軌1．對導軌的基本要求機床的運動部件（如刀架、工作臺等）都是沿著床身、立柱、橫梁等基礎件上的導軌運動的，因此導軌的功用就是支承和導向。導軌性能的好壞，直接影響機床的加工精度、承載能力和使用性能，因此，導軌應滿足以下基本要求：（1）導向精度影響導向精度的主要因素有導軌的結構形式、導軌的制造精度和裝配質量以及導軌和基礎件的剛度等。（2）精度保持性除了力求減少磨損量外，還應使導軌面在磨損后能自動補償和便于調整。（3）低速運動平穩(wěn)性要求導軌的摩擦因數(shù)要小，以減小阻力，特別是動、靜摩擦因數(shù)應盡量接近，并有良好的阻尼特性。（4）結構簡單、工藝性好，便于加工、裝配、調試和維修。五、導軌2．數(shù)控機床常用導軌及特點數(shù)控機床上常用的導軌，按其接觸面間的摩擦性質的不同，可分為滑動導軌、滾動導軌和液壓導軌三大類。（1）滑動導軌滑動導軌具有結構簡單、制造方便、剛度好、抗振性強等優(yōu)點，因此在一般的機床上應用最為廣泛?；瑒訉к墑偠鹊拇笮?、制造是否簡單、調整是否方便、摩擦損耗是否最小以及能否保持導軌的初始精度等在很大程度上取決